CN111446855B - 一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器 - Google Patents

一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器 Download PDF

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Abstract

一种具有多个基础单元的Boost DC‑DC变换器，该DC‑DC变换器包括一个输入电源，一个负载R L，一个基本Boost DC‑DC变换器，n个基础单元；所述基本Boost DC‑DC变换器包含一个电感L 1，一个电容C 1，一个功率开关S1，一个二极管D1。本发明DC‑DC变换器仅含有一个功率开关，控制策略及驱动电路简单；并具有输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力等优势，较适合于输入输出增益高或变化范围大的应用场合。

Description

一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种Boost DC-DC变换器，具体涉及一种具有多个基础单元的BoostDC-DC变换器。
背景技术
理想情况下，通过占空比的调节，Boost变换器的输入输出增益可以在零至无穷大之间变化，但在考虑电路寄生参数、开关器件管压降等影响后，基本Boost变换器的升压能力受到了较大的限制。目前为了提高Boost变换器输入输出增益，基于传统VM或CW-VM单元与Boost变换器的结合构建了多种具备高增益升压能力的直流升压变换器拓扑，但是开关管占空比受限，均需大于0.5，这会导致变换器输入输出增益可调节的范围受到限制，难以适用于输入输出增益变化范围大的应用场合，另外至少需要2个有源开关，在小功率应用场合下经济性受到了影响。因此，研究基于基本Boost换器的基础上实现高增益升压，同时具有宽输入输出升压DC/DC变换器具有重要意义。
发明内容
为解决现有基本Boost DC-DC变换器不能实现输入输出增益高或变化范围大的应用场合中使用的问题。本发明提供一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，由基本Boost DC-DC变换器和和“外衣电路”组成。“外衣电路”中含有若干个增益单元，每个基础单元由一个电感、两个电容及一个二极管所构成，通过调节“外衣电路”的基础单元个数，即可实现对DC-DC变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。本发明DC-DC变换器仅含有一个功率开关，控制策略及驱动电路简单；并具有输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力等优势，较适合于输入输出增益高或变化范围大的应用场合。
本发明采取的技术方案为：
一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，该DC-DC变换器包括：
一个输入电源，一个负载RL，一个基本Boost DC-DC变换器，n个基础单元；
所述基本Boost DC-DC变换器包含一个电感L1，一个电容C1，一个功率开关S1，一个二极管D1；其连接形式如下：
电感L1的一端接输入电源的正极，电感L1的另一端分别连接功率开关S1的漏极、二极管D1的阳极，电容C1的一端与二极管D1的阴极相连，功率开关S1的源极、电容C1的另一端均与输入电源的负极相连；
n个基础单元的元器件和内部连接形式均相同，
第1个基础单元其含有：一个电感L11，一个二极管D11，两个电容C11、C12；其中，电容C11的另一端分别与电感L11的一端、二极管D11的阳极相连，二极管D11的阴极与电容C12的一端相连，电感L11的另一端与电容C12的另一端相连；
第2个基础单元其含有：一个电感L21，一个二极管D21，两个电容C21、C22；其中，电容C21的另一端分别与电感L21的一端、二极管D21的阳极相连，二极管D21的阴极与电容C22的一端相连，电感L21的另一端与电容C22的另一端相连；
......依次类推，以第i个基础单元为例，其含有：一个电感Li1，一个二极管Di1，两个电容Ci1、Ci2；其中，电容Ci1的另一端分别与电感Li1的一端、二极管Di1的阳极相连，二极管Di1的阴极与电容Ci2的一端相连，电感Li1的另一端与电容Ci2的另一端相连；
各个基础单元之间的连接形式如下；1<i≤n，
第1个基础单元中电容C11的一端与第2个基础单元中电容C21的一端相连，第1个基础单元中二极管D11的阴极与电容C12的一端相连的交点，和第2个基础单元中电感L21的另一端与电容C22的另一端相连的交点相连；
第2个基础单元中电容C21的一端与第3个基础单元中电容C31的一端相连，第2个基础单元中二极管D21的阴极与电容C22的一端相连的交点，和第3个基础单元中电感L31的另一端与电容C32的另一端相连的交点相连；
......依次类推，第i-1个基础单元中电容C(i-1)1的一端与第i个基础单元中电容Ci1的一端相连，第i-1个基础单元中二极管D(i-1)1的阴极与电容C(i-1)2的一端相连的交点，和第i个基础单元中电感Li1的另一端与电容Ci2的另一端相连的交点相连；
第1个基础单元与基本Boost DC-DC变换器之间的连接关系如下：
基本Boost DC-DC变换器中L1的另一端与二极管D1的阳极相连的交点，和第1个基础单元中电容C11的一端相连；
基本Boost DC-DC变换器中电容C1的一端与二极管D1的阴极相连的交点，和第1个基础单元中电感L11的另一端与电容C12的另一端相连的交点相连；
第n个基础单元中二极管Dn1的阴极与电容Cn2的一端相连构成交点，该交点与负载RL的一端相连，负载RL的另一端和输入电源的负极相连。
所述功率开关S1的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。
本发明一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，技术效果如下：
1、提高输入输出增益，开关器件电压应力低，具体如下：
电感L1的电流连续导通时：
输入输出增益为：
Figure BDA0002476431590000031
开关管电压应力为：
Figure BDA0002476431590000032
其中，D为占空比，uin为输入电压，uo为输出电压，us为功率开关电压应力，n为基础单元数量。
2、本发明变换器仅含有1个功率开关，控制策略及驱动电路简单。
3、通过调节“外衣电路”的基础单元个数，即可实现对DC-DC变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。本发明DC-DC变换器具有输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力等优势，较适合于输入输出增益高或变化范围大的应用场合。
附图说明
图1是本发明电路原理图。
图2是本发明基础单元数为2时的电路拓扑图。
图3是传统Boost DC-DC变换器电路原理图。
图4是本发明基础单元数为2时的输入输出增益与传统Boost DC-DC变换器的输入输出增益对比图。
图5是本发明基础单元数为2时的开关两端端电压和占空比仿真波形图。
图6是本发明基础单元数为2时的输入电压和输出电压仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示为本发明基础单元数为2时的电路拓扑图：
一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，该DC-DC变换器包含一个直流输入源，一个负载RL，一个基本Boost DC-DC变换器，n个基础单元。其中：
基本Boost DC-DC变换器包含一个电感L1，一个电容C1，一个功率开关S1，一个二极管D1。其连接形式如下：电感L1的一端接输入电源的正极，另一端连接功率开关S1的漏极以及二极管D1的阳极，电容C1的一端与二极管D1的阴极相连，功率开关S1的源极以及电容C1的另一端与输入电源的负极相连。
第1个基础单元中含有一个电感L11，一个二极管D11，两个电容C11、C12。其中电容C11的另一端与电感L11的一端以及二极管D11的阳极相连，二极管D11的阴极与电容C12的一端相连，电感L11的另一端与电容C12的另一端相连。。
2个基础单元之间的连接关系如下：
第1个基础单元中电容C11的一端与第2个基础单元中电容C21的一端相连，第2个基础单元中二极管D11的阴极与电容C12的一端相连的交点和第2个基础单元中电感L21的另一端与电容C22的另一端相连的交点相连。
第1个基础单元与基本Boost DC-DC变换器之间的连接关系如下：基本Boost DC-DC变换器中L1的另一端与二极管D1的阳极相连的交点和第1个基础单元中电容C11的一端相连，基本Boost DC-DC变换器中电容C1的一端与二极管D1的阴极相连的交点和第1个基础单元中电感L11的另一端与电容C12的另一端相连的交点相连。
负载RL的一端和第2个基础单元中二极管D21的阴极与电容C22的一端相连的交点相连，负载RL的另一端和输入电源的负极相连。
所述功率开关S1的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。
在电感L1的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：
(1)：功率开关S1导通，二极管D1、D11、D21均关断，此时电感L1、L11、L21电容C11、C21充电，电容C1、C12、C22放电；电感L1、L11、L21端电压如下式所示：
Figure BDA0002476431590000041
(2)：功率开关S1关断，二极管D1、D11、D21均导通，此时电感L1、L11、L21电容C11、C21放电，电容C1、C12、C22充电；电感L1、L2、L11端电压如下式所示：
Figure BDA0002476431590000042
输出电压uo为电容C2、C12、C22的端电压uc1、uc12、uc22之和，即：
uo＝uc1+uc12+uc22
仿真参数：输入电压uin＝48V，L1＝300μH，C1＝20μF，占空比D＝73.53％，负载电阻RL＝400Ω。基础单元数n＝2，基础单元中的电感L11、L21为950μH，电容C11、C21为20μF。开关两端端电压和占空比仿真波形如图5所示，uS1＝181.3V，输入电压和输出电压仿真波形如图6所示，uo＝448.0V。

Claims (2)

1.一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，其特征在于该DC-DC变换器包括：
一个输入电源，一个负载RL，一个基本Boost DC-DC变换器，n个基础单元；
所述基本Boost DC-DC变换器包含一个电感L1，一个电容C1，一个功率开关S1，一个二极管D1；其连接形式如下：
电感L1的一端接输入电源的正极，电感L1的另一端分别连接功率开关S1的漏极、二极管D1的阳极，电容C1的一端与二极管D1的阴极相连，功率开关S1的源极、电容C1的另一端均与输入电源的负极相连；
n个基础单元的元器件和内部连接形式均相同，
第1个基础单元其含有：一个电感L11，一个二极管D11，两个电容C11、C12；其中，电容C11的另一端分别与电感L11的一端、二极管D11的阳极相连，二极管D11的阴极与电容C12的一端相连，电感L11的另一端与电容C12的另一端相连；
第2个基础单元其含有：一个电感L21，一个二极管D21，两个电容C21、C22；其中，电容C21的另一端分别与电感L21的一端、二极管D21的阳极相连，二极管D21的阴极与电容C22的一端相连，电感L21的另一端与电容C22的另一端相连；
......依次类推，以第i个基础单元为例，其含有：一个电感Li1，一个二极管Di1，两个电容Ci1、Ci2；其中，电容Ci1的另一端分别与电感Li1的一端、二极管Di1的阳极相连，二极管Di1的阴极与电容Ci2的一端相连，电感Li1的另一端与电容Ci2的另一端相连；
各个基础单元之间的连接形式如下；1<i≤n，
第1个基础单元中电容C11的一端与第2个基础单元中电容C21的一端相连，第1个基础单元中二极管D11的阴极与电容C12的一端相连的交点，和第2个基础单元中电感L21的另一端与电容C22的另一端相连的交点相连；
第2个基础单元中电容C21的一端与第3个基础单元中电容C31的一端相连，第2个基础单元中二极管D21的阴极与电容C22的一端相连的交点，和第3个基础单元中电感L31的另一端与电容C32的另一端相连的交点相连；
......依次类推，第i-1个基础单元中电容C(i-1)1的一端与第i个基础单元中电容Ci1的一端相连，第i-1个基础单元中二极管D(i-1)1的阴极与电容C(i-1)2的一端相连的交点，和第i个基础单元中电感Li1的另一端与电容Ci2的另一端相连的交点相连；
第1个基础单元与基本Boost DC-DC变换器之间的连接关系如下：
基本Boost DC-DC变换器中L1的另一端与二极管D1的阳极相连的交点，和第1个基础单元中电容C11的一端相连；
基本Boost DC-DC变换器中电容C1的一端与二极管D1的阴极相连的交点，和第1个基础单元中电感L11的另一端与电容C12的另一端相连的交点相连；
第n个基础单元中二极管Dn1的阴极与电容Cn2的一端相连构成交点，该交点与负载RL的一端相连，负载RL的另一端和输入电源的负极相连。
2.根据权利要求1所述一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，其特征在于：所述功率开关S1的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。
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