CN111682752B - 一种非变压器的隔离型大降压比dc-dc转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非变压器的隔离型大降压比DC‑DC转换器,输入电源的正极与第一电容的正极及第一开关管的一端相连接,第一开关管的另一端与第二开关管的一端及第三电容的正极相连接,第三电容的负极与第一电感的一端及第四开关管的一端相连接,第一电感的另一端与负载电阻的一端及第二电感的一端相连接,第一电容的负极与第二电容的正极、第二开关管的另一端、第二电感的另一端及第五开关管的一端相连接,第二电容的负极、输入电源的负极及第三开关管的一端均接地,第三开关管的另一端与第五开关管的另一端、第四开关管的另一端及负载电阻的另一端相连接,该转换器损耗较低,同时高效率、体积小、重量轻、电压变比较大的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种DC-DC转换器,具体涉及一种非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器。
背景技术
电力电子技术是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术,是实现节能环保和提高人们生活质量的重要技术手段。高效率和高质量的电能变换是电力电子技术发展的终极目标。非隔离大变比DC-DC转换器现在广泛应用于直流分布式系统、便携式电子设备、通信系统和电压调节模块等。特别是在数据中心应用广泛,由于数据中心的负载每年都在不断增加,预计到2020年末,将占到总电力能源消耗的10%。数据中心现存的12V直流母线电压有着更高的线路损耗,更高的48V直流母线电压正在发展并已经应用在工业领域中,学术界和工业界表示未来将发展400V母线电压,供电电源将发展新型的大变比拓扑,这类新型拓扑具有高效率,体积小及重量轻等特点。传统的buck电路由于占空比的限制不能实现48V到1.xV的电压转换,这是因为极小的占空比使得开关损耗急剧增大,效率严重降低的缘故。因此研究大降压比的DC/DC变换器是一个必然的趋势。
目前存在的大降压比的DC-DC拓扑主要分为两类:
1)隔离型大降压比DC-DC转换器,这类转换器基于变压器变比实现大变比,这类拓扑有LLC,反激电路等;
2)非隔离大降压比DC-DC转换器,这类转换器基于耦合电感,开关电容及两级拓扑等。
隔离型的拓扑已经普遍应用在目前的工业领域,但由于存在的变压器,功率密度和体积无法做的很小,这也限制了隔离性DC-DC拓扑的发展。非隔离拓扑在未来是一个非常好的候选,已经获得了很大的关注,基于耦合电感原理的非隔离拓扑也是靠匝比降压,其实质跟隔离型变压器一样的;两级拓扑目前已被工业界和学术界普遍认可,但两级拓扑有着大量的有源器件,通常第二级拓扑的损耗非常大;基于开关电容的DC-DC拓扑利用电容作为储能元件来实现变比,由于无磁件,其拓扑体积小,重量轻及高效率等优势。但缺点也很明显,拓扑结构决定了其电压变比,随着电压变比越大,其开关电容数量和有源开关管数量也越多,因此单纯的开关电容拓扑并不适合大变比降压应用领域。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供了一种非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器,该转换器损耗较低,且器件数目较少,同时高效率、体积小、重量轻、电压变比较大的特点。
为达到上述目的,本发明所述的非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器包括输入电源、第一电容、第一开关管、第二开关管、第三电容、第一电感、第四开关管、第二电感、第二电容、第三开关管及第五开关管;
输入电源的正极与第一电容的正极及第一开关管的一端相连接,第一开关管的另一端与第二开关管的一端及第三电容的正极相连接,第三电容的负极与第一电感的一端及第四开关管的一端相连接,第一电感的另一端与负载电阻的一端及第二电感的一端相连接,第一电容的负极与第二电容的正极、第二开关管的另一端、第二电感的另一端及第五开关管的一端相连接,第二电容的负极、输入电源的负极及第三开关管的一端均接地,第三开关管的另一端与第五开关管的另一端、第四开关管的另一端及负载电阻的另一端相连接。
还包括与负载电阻相连接的输出滤波电容。
第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及第五开关管均为有源开关管。
在t0<t<t1时刻,导通第一开关管及第五开关管,同时断开第二开关管、第三开关管及第四开关管,流过第二电感的电流iL2流经第五开关管,第二电感将存储的能量供给负载,流过第一电感的电流iL1分为两路,其中一路经第一电容、第一开关管、第三电容、第一电感、输出滤波电容、负载电阻及第五开关管返回至第一电容,第一电容给第三电容和第一电感充电,并向负载供电;另一路流经第一开关管、第三电容、第一电感、输出滤波电容、负载电阻、第五开关管及第二电容最后返回至输入电源,通过输入电源给第二电容及第一电感充电,并向负载供电,此时,流经第二电感的电流iL2降低,流经第一电感的电流iL1增加,根据KVL定理得:
VC1=VC3+VL1+Vo(1)
VL2=Vo(2)
Vin=VC1+VC2(3)
在t1<t<t2时刻,断开第一开关管,导通第四开关管,流经第二电感的电流iL2通过第五开关管向负载供电,第一电感通过第四开关管向负载供电,根据KVL定理得:
VL1=-Vo(4)
VL2=-Vo(5)
在t2<t<t3时刻,导通第二开关管及第三开关管,关断第五开关管,流经第一电感的电流iL1通过第四开关管为负载供电,流经第二电感的电流iL2有三条支路,其中,第一条支路流经第二电容、第二电感、输出滤波电容、负载电阻及第三开关管并回到第二电容,第二电容放电为负载提供能量;第二条支路流经第三电容、第二开关管、第二电感、输出滤波电容、负载电阻及第四开关管返回至第三电容,第三电容放电为负载提供能量;第三条支路流经输入电源、第一电容、第二电感、输出滤波电容、负载电阻、第三开关管后返回至输入电源,输入电源为第二电感充电,并向负载供电,根据KVL定理得:
Vin=VC1+VC2(6)
VL1=-Vo(7)
VC3=VL2+Vo(8)
VC2=VL2+Vo(9)
在t3<t<t4时刻,第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及第五开关管的开关状态与t1<t<t2时刻相同,根据电感元件的伏秒平衡特性,得:
D(VC1-VC3-Vo)=(1-D)Vo(10)
D(VC3-Vo)=(1-D)Vo(11)
结合式(6)、式(8)、式(9)、式(10)及式(11),得DC-DC转换器的电压增益M为:
根据KVL定理得第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及第五开关管所承受的电压应力分为:
VS1=VC1(13)
VS2=VC1(14)
VS3=VS5=VC2(15)
VS4=VC1-VC3(16)
基于式(6)、式(10)、式(11)和式(12),得第一电容、第二电容及第三电容的电压应力表达式为:
将式(17)及式(18)代入式(6)、式(7)、式(8)及式(9),得:
本发明具有以下有益效果:
本发明所述的非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器在具体操作时,第一电容、第二电容及第三电容作为钳位电容,起分压作用,同时用于存储能量,减少各开关管承受的电压应力,提高降压比,使其具有较大的变压变比,同时本发明的结构类似于串联电容buck转换器和两相交错并联buck转换器的结构,可实现三倍的占空比,使开关管承受的开关应力更低,并保持电流平衡。同时本发明采用五个有源的开关管、三个电容及两个电感构成,器件数量相对较少,且各开关管均为有源开关管,有利于降低损耗,提高效率,体积小,重量轻,适用于大电流负载,对于负载扰动有较好的动态响应。
附图说明
图1为本发明的结构图;
图2为状态1时本发明的电流流向图;
图3为状态2时本发明的电流流向图;
图4为状态3时本发明的电流流向图;
图5为本发明典型工作波形图;
图6为本发明的闭环控制框图;
图7为本发明的输入电压与输出电压的波形图;
图8为第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3的漏源电压波形图;
图9为第四开关管S4及第五开关管S5的漏源电压波形图;
图10为第一电感L1及第二电感L2的电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
参考图1,本发明所述的非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器包括输入电源Vin、第一电容C1、第一开关管S1、第二开关管S2、第三电容C3、第一电感L1、第四开关管S4、第二电感L2、第二电容C2、第三开关管S3及第五开关管S5;输入电源Vin的正极与第一电容C1的正极及第一开关管S1的一端相连接,第一开关管S1的另一端与第二开关管S2的一端及第三电容C3的正极相连接,第三电容C3的负极与第一电感L1的一端及第四开关管S4的一端相连接,第一电感L1的另一端与负载电阻RL的一端及第二电感L2的一端相连接,第一电容C1的负极与第二电容C2的正极、第二开关管S2的另一端、第二电感L2的另一端及第五开关管S5的一端相连接,第二电容C2的负极、输入电源Vin的负极及第三开关管S3的一端均接地,第三开关管S3的另一端与第五开关管S5的另一端、第四开关管S4的另一端及负载电阻RL的另一端相连接。
本发明还包括与负载电阻RL相连接的输出滤波电容Co;第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4及第五开关管S5均为有源开关管。
本发明的工作过程为:
参考图2,状态1,在t0<t<t1时刻,导通第一开关管S1及第五开关管S5,同时断开第二开关管S2、第三开关管S3及第四开关管S4,流过第二电感L2的电流iL2流经第五开关管S5,第二电感L2将存储的能量供给负载,流过第一电感L1的电流iL1分为两路,其中一路经第一电容C1、第一开关管S1、第三电容C3、第一电感L1、输出滤波电容Co、负载电阻RL及第五开关管S5返回至第一电容C1,第一电容C1给第三电容C3和第一电感L1充电,并向负载供电;另一路流经第一开关管S1、第三电容C3、第一电感L1、输出滤波电容Co、负载电阻RL、第五开关管S5及第二电容C2最后返回至输入电源Vin,通过输入电源Vin给第二电容C2及第一电感L1充电,并向负载供电,此时,流经第二电感L2的电流iL2降低,流经第一电感L1的电流iL1增加,根据KVL定理得:
VC1=VC3+VL1+Vo(1)
VL2=Vo(2)
Vin=VC1+VC2(3)
参考图3,状态2,在t1<t<t2时刻,断开第一开关管S1,导通第四开关管S4,流经第二电感L2的电流iL2通过第五开关管S5向负载供电,第一电感L1通过第四开关管S4向负载供电,根据KVL定理得:
VL1=-Vo(4)
VL2=-Vo(5)
参考图4,状态3,在t2<t<t3时刻,导通第二开关管S2及第三开关管S3,关断第五开关管S5,流经第一电感L1的电流iL1通过第四开关管S4为负载供电,流经第二电感L2的电流iL2有三条支路,其中,第一条支路流经第二电容C2、第二电感L2、输出滤波电容Co、负载电阻RL及第三开关管S3并回到第二电容C2,第二电容C2放电为负载提供能量;第二条支路流经第三电容C3、第二开关管S2、第二电感L2、输出滤波电容Co、负载电阻RL及第四开关管S4返回至第三电容C3,第三电容C3放电为负载提供能量;第三条支路流经输入电源Vin、第一电容C1、第二电感L2、输出滤波电容Co、负载电阻RL、第三开关管S3后返回至输入电源Vin,输入电源Vin为第二电感L2充电,并向负载供电,根据KVL定理得:
Vin=VC1+VC2(6)
VL1=-Vo(7)
VC3=VL2+Vo(8)
VC2=VL2+Vo(9)
状态4,在t3<t<t4时刻,第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4及第五开关管S5的开关状态与t1<t<t2时刻相同,根据电感元件的伏秒平衡特性,得:
D(VC1-VC3-Vo)=(1-D)Vo(10)
D(VC3-Vo)=(1-D)Vo(11)
结合式(6)、式(8)、式(9)、式(10)及式(11),得DC-DC转换器的电压增益M为:
根据KVL定理得第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4及第五开关管S5所承受的电压应力分为:
VS1=VC1(13)
VS2=VC1(14)
VS3=VS5=VC2(15)
VS4=VC1-VC3(16)
基于式(6)、式(10)、式(11)和式(12),得第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3的电压应力表达式为:
将式(17)及式(18)代入式(6)、式(7)、式(8)及式(9),得:
基于上述的运行原理及理论分析,实验建立了一个60W 48V一1.8V的样机以验证提出的拓扑电路,控制框图如图6,输出电压经采样电阻采样输出采样电压,然后与参考值相减,经过PI算法调节后,生成PWM信号送入驱动电路,驱动电路驱动第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4及第五开关管S5的开通与关断,实验波形如图7、图8、图9及图10,由实验波形可知,实验与理论分析达成一致,本发明能够实现较大的变压比。
应当指出的是,本发明是基于低压高输出电流高转换比的应用,当占空比小于0.5,本发明处于连续导通模式(CCM)时,只能实现高转换比例。
Claims (3)
1.一种非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器,其特征在于,包括输入电源(Vin)、第一电容(C1)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三电容(C3)、第一电感(L1)、第四开关管(S4)、第二电感(L2)、第二电容(C2)、第三开关管(S3)及第五开关管(S5);
输入电源(Vin)的正极与第一电容(C1)的正极及第一开关管(S1)的一端相连接,第一开关管(S1)的另一端与第二开关管(S2)的一端及第三电容(C3)的正极相连接,第三电容(C3)的负极与第一电感(L1)的一端及第四开关管(S4)的一端相连接,第一电感(L1)的另一端与负载电阻(RL)的一端及第二电感(L2)的一端相连接,第一电容(C1)的负极与第二电容(C2)的正极、第二开关管(S2)的另一端、第二电感(L2)的另一端及第五开关管(S5)的一端相连接,第二电容(C2)的负极、输入电源(Vin)的负极及第三开关管(S3)的一端均接地,第三开关管(S3)的另一端与第五开关管(S5)的另一端、第四开关管(S4)的另一端及负载电阻(RL)的另一端相连接;
第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)及第五开关管(S5)均为有源开关管;
在t0<t<t1时刻,导通第一开关管(S1)及第五开关管(S5),同时断开第二开关管(S2)、第三开关管(S3)及第四开关管(S4),流过第二电感(L2)的电流iL2流经第五开关管(S5),第二电感(L2)将存储的能量供给负载,流过第一电感(L1)的电流iL1分为两路,其中一路经第一电容(C1)、第一开关管(S1)、第三电容(C3)、第一电感(L1)、输出滤波电容(Co)、负载电阻(RL)及第五开关管(S5)返回至第一电容(C1),第一电容(C1)给第三电容(C3)和第一电感(L1)充电,并向负载供电;另一路流经第一开关管(S1)、第三电容(C3)、第一电感(L1)、输出滤波电容(Co)、负载电阻(RL)、第五开关管(S5)及第二电容(C2)最后返回至输入电源(Vin),通过输入电源(Vin)给第二电容(C2)及第一电感(L1)充电,并向负载供电,此时,流经第二电感(L2)的电流iL2降低,流经第一电感(L1)的电流iL1增加,根据KVL定理得:
VC1=VC3+VL1+Vo (1)
VL2=Vo (2)
Vin=VC1+VC2 (3)
其中,VC1为第一电容(C1)两端的电压,VC2为第二电容(C2)两端的电压,VC3为第三电容(C3)两端的电压,Vo为输出电压,Vin为输入电压;
在t1<t<t2时刻,断开第一开关管(S1),导通第四开关管(S4),流经第二电感(L2)的电流iL2通过第五开关管(S5)向负载供电,第一电感(L1)通过第四开关管(S4)向负载供电,根据KVL定理得:
VL1=-Vo (4)
VL2=-Vo(5)
在t2<t<t3时刻,导通第二开关管(S2)及第三开关管(S3),关断第五开关管(S5),流经第一电感(L1)的电流iLl通过第四开关管(S4)为负载供电,流经第二电感(L2)的电流iL2有三条支路,其中,第一条支路流经第二电容(C2)、第二电感(L2)、输出滤波电容(Co)、负载电阻(RL)及第三开关管(S3)并回到第二电容(C2),第二电容(C2)放电为负载提供能量;第二条支路流经第三电容(C3)、第二开关管(S2)、第二电感(L2)、输出滤波电容(Co)、负载电阻(RL)及第四开关管(S4)返回至第三电容(C3),第三电容(C3)放电为负载提供能量;第三条支路流经输入电源(Vin)、第一电容(C1)、第二电感(L2)、输出滤波电容(Co)、负载电阻(RL)、第三开关管(S3)后返回至输入电源(Vin),输入电源(Vin)为第二电感(L2)充电,并向负载供电,根据KVL定理得:
Vin=VC1+VC2 (6)
VL1=-Vo (7)
VC3=VL2+Vo (8)
VC2=VL2+Vo (9)
在t3<t<t4时刻,第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)及第五开关管(S5)的开关状态与t1<t<t2时刻相同,根据电感元件的伏秒平衡特性,得:
D(VC1-VC3-Vo)=(1-D)Vo (10)
D(VC3-Vo)=(1-D)Vo (11)
结合式(6)、式(8)、式(9)、式(10)及式(11),得DC-DC转换器的电压增益M为:
2.根据权利要求1所述的非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器,其特征在于,还包括与负载电阻(RL)相连接的输出滤波电容(Co)。
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Title |
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An Interleaved Series-Capacitor Tapped Buck;Lanhua Zhang,et al;《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》;20190731;第34卷(第7期);第6565-6574页 * |
High-Efficiency Nonisolated Converter With Very;Or Kirshenboim,et al;《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》;20170531;第32卷(第5期);第3683-3690页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN111682752A (zh) | 2020-09-18 |
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