CN111464024B - 一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器 - Google Patents

一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器 Download PDF

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Abstract

一种具备高增益升压能力的Buck‑Boost DC‑DC变换器，该变换器包括一个输入电源，一个负载R L，一个基本Buck‑Boost变换器，n个增益单元；基本Buck‑Boost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。本发明变换器控制及驱动电路简单、输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势，较适合于同时需要高增益升压变换和降压变换的这类输入输出电压变化范围较大的应用场合。

Description

一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种即可实现降压，也可实现高增益升压的DC/DC变换器，具体是一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器。
背景技术
Buck-Boost DC-DC变换器因可同时对输入电压实现升降压，且开关器件少等优势在工业应用中得到了广泛应用。但因电路和元器件寄生参数的影响，其升压能力受到了较大的限制，这使得传统Buck-Boost变换器仅适用于输入输出增益不高的场合中，目前具备高增益升压能力的方案多基于Boost变换器而构建，这些方案虽可实现高增益升压能力，但多不能同时实现降压变换，在既需要降压又需要高增益升压的场合中难以适用，因此构建即可实现降压，也可实现高增益升压的新型Buck-Boost变换器具有重要意义。
发明内容
为解决现有Buck-Boost DC-DC变换器中所存在的输入输出增益低的问题，本发明基于基本Buck-Boost电路提出一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器。本发明变换器由基本Buck-Boost变换器和“外衣电路”组成。“外衣电路”中含有若干个增益单元，每个增益单元由一个电感、两个电容及一个二极管所构成，通过引入所提外衣电路不仅实现了自由调节Buck-Boost变换器的输入输出增益还可调节开关电压应力。本发明变换器控制及驱动电路简单、输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势，较适合于同时需要高增益升压变换和降压变换的这类输入输出电压变化范围较大的应用场合。
本发明采取的技术方案为：
一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器，该变换器包括：
一个输入电源，一个负载RL，一个基本Buck-Boost变换器，n个增益单元；
基本Buck-Boost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：
开关S1的漏极接输入电源的正极，开关S1的源极分别连接电感L1的一端、二极管D1的阴极，二极管D1的阳极与电容C1的一端相连，电感L1的另一端、电容C1的另一端均与输入电源的负极相连；
n个增益单元的元器件和内部连接形式均相同：
第1个增益单元其含有：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的阴极相连，二极管D11的阳极与电容C12的一端相连；
第2个增益单元其含有：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的阴极相连，二极管D21的阳极与电容C22的一端相连；
......依次类推，以第i个增益单元为例，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的阴极相连，二极管Di1的阳极与电容Ci2的一端相连；
各个增益单元之间的连接形式如下：1<i≤n；
第1个增益单元中电容C11的一端与第2个增益单元中电容C21的一端相连，第1个增益单元中二极管D11的阳极与电容C12的一端相连的交点，与第2个增益单元中电感L21的另一端和电容C22的另一端相连；
第2个增益单元中电容C21的一端与第3个增益单元中电容C31的一端相连，第2个增益单元中二极管D21的阳极与电容C22的一端相连的交点，与第3个增益单元中电感L31的另一端和电容C32的另一端相连；
......依次类推，第i-1个增益单元中电容C(i-1)1的一端与第i个增益单元中电容Ci1的一端相连，第i-1个增益单元中二极管D(i-1)1的阳极与电容C(i-1)2的一端相连的交点，与第i个增益单元中电感Li1的另一端和电容Ci2的另一端相连；
第1个增益单元与基本Buck-Boost变换器之间的连接关系如下：
基本Buck-Boost变换器中开关S1的源极与电感L1的一端、二极管D1的阴极相连的交点，与第1个增益单元中电容C11的一端相连；
基本Buck-Boost变换器中二极管D1的阳极与电容C1的一端相连的交点，分别与第1个增益单元中电感L11的另一端和电容C12的另一端相连；
负载RL的一端接入输入电源的负极，负载RL的另一端与的与第n个增益单元中电容Cn2的一端相连。
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。
本发明一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器，技术效果如下：
1、输入输出增益高且可通过所提增益单元的数量进行调节，开关电压应力低。其中，电感L1的电流连续导通条件下：
输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0002477034930000031
开关管电压应力为：
Figure BDA0002477034930000032
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为增益单元数量。
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。
附图说明
图1是本发明电路原理图。
图2是本发明增益单元数为2时的电路拓扑图。
图3是基本Buck-Boost变换器的电路拓扑图。
图4是本发明增益单元数为2时的输入输出增益与传统Buck-Boost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时的输入电压和输出电压仿真波形图。
图6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。
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：
一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个负载RL，一个基本Buck-Boost变换器，两个增益单元。其中：
基本Buck-Boost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：开关S1的漏极接输入电源的正极，源极连接电感L1的一端以及二极管D1的阴极，二极管D1的阳极与电容C1的一端相连，电感L1的另一端以及电容C1的另一端与输入电源的负极相连。
增益单元：每个增益单元含有一个电感，一个二极管，两个电容。第一个增益单元中电容C11的另一端与电感L11的一端以及二极管D11的阴极相连，二极管D11的阳极与电容C12的一端相连，电容C12的另一端与二极管D1的阳极和电容C1一端交点相连。第二个增益单元中电容C21的另一端与电感L21的一端以及二极管D21的阴极相连，电容C21的一端与电容C11的左边相连，二极管D21的阳极与电容C22的一端相连，电容C22的另一端与二极管D21阳极和电容C12一端的交点相交于一点。
第一个增益单元与基本Buck-Boost变换器之间的连接关系如下：基本Buck-Boost变换器中开关S1的源极与电感L1的一端以及二极管D1的阴极相连的交点与第1个增益单元中电容C11的一端相连，基本Buck-Boost变换器中二极管D1的阳极与电容C1的一端相连的交点与第1个增益单元中电感L11的另一端和电容C12的另一端相连。
负载RL的一端接入电源的负极，另一端与的与第2个增益单元中电容C22的一端相连。
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和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和L21端电压如下式所示：
Figure BDA0002477034930000041
(2)：功率开关S1关断，二极管D1、D11和D21均导通，此时电感L1、L11、L21、电容C11、C21放电，电容C1、C12、C22充电；L1、L11和L21端电压如下式所示：
Figure BDA0002477034930000042
图4是本发明增益单元数为2时的输入输出增益与传统Buck-Boost变换器的输入输出增益对比图。从图4中可以看出本发明拓展单元数为2时的输入输出增益为传统Buck-Boost变换器输入输出增益的三倍，从而证明本发明的输入输出增益与传统Buck-Boost变换器相比有了很大的提高。
图5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，具体仿真参数为：输入电压uin＝48V，占空比D＝73.53％，负载电阻RL＝400Ω。根据上述输入电压和占空比，结合理论分析计算出扩展单元数为2时，所提变换器的输出电压约为400V，与图5所示的输入输出电压仿真波形相吻合，从而验证了理论分析的正确性和可行性。
图6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，具体仿真参数为：输入电压uin＝48V，占空比D＝73.53％，负载电阻RL＝400Ω。根据上述输入电压和占空比结合理论分析计算出开关管的电压应力约为180V，与图6所示的开关管电压应力仿真结果相吻合。相较于传统Buck-Boost变换器，本发明的变换器开关管电压应力显著降低。

Claims (2)

1.一种具备高增益升压能力的Buck-Boost DC-DC变换器，其特征在于该变换器包括：
一个输入电源，一个负载RL，一个基本Buck-Boost变换器，n个增益单元；
基本Buck-Boost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：
开关S1的漏极接输入电源的正极，开关S1的源极分别连接电感L1的一端、二极管D1的阴极，二极管D1的阳极与电容C1的一端相连，电感L1的另一端、电容C1的另一端均与输入电源的负极相连；
n个增益单元的元器件和内部连接形式均相同：
第1个增益单元其含有：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的阴极相连，二极管D11的阳极与电容C12的一端相连；
第2个增益单元其含有：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的阴极相连，二极管D21的阳极与电容C22的一端相连；
......依次类推，以第i个增益单元为例，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的阴极相连，二极管Di1的阳极与电容Ci2的一端相连；
各个增益单元之间的连接形式如下：1<i≤n；
第1个增益单元中电容C11的一端与第2个增益单元中电容C21的一端相连，第1个增益单元中二极管D11的阳极与电容C12的一端相连的交点，与第2个增益单元中电感L21的另一端和电容C22的另一端相连；
第2个增益单元中电容C21的一端与第3个增益单元中电容C31的一端相连，第2个增益单元中二极管D21的阳极与电容C22的一端相连的交点，与第3个增益单元中电感L31的另一端和电容C32的另一端相连；
......依次类推，第i-1个增益单元中电容C(i-1)1的一端与第i个增益单元中电容Ci1的一端相连，第i-1个增益单元中二极管D(i-1)1的阳极与电容C(i-1)2的一端相连的交点，与第i个增益单元中电感Li1的另一端和电容Ci2的另一端相连；
第1个增益单元与基本Buck-Boost变换器之间的连接关系如下：
基本Buck-Boost变换器中开关S1的源极与电感L1的一端、二极管D1的阴极相连的交点，与第1个增益单元中电容C11的一端相连；
基本Buck-Boost变换器中二极管D1的阳极与电容C1的一端相连的交点，分别与第1个增益单元中电感L11的另一端和电容C12的另一端相连；
负载RL的一端接入输入电源的负极，负载RL的另一端与的与第n个增益单元中电容Cn2的一端相连。
2.根据权利要求1所述一种具备高增益升压能力的Buck-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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