CN111865078B - 一种单输入对称双极性双输出dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单输入对称双极性双输出DC‑DC变换器，第一端口的正极与第一开关的一端相连接，第一端口的负极与第二开关的一端、第一电感的一端、第三电容的一端、第四电容的一端、第二二极管的负极、第二端口的负极及第三端口的负极相连接，第一开关的另一端面与第一电容的一端、第二电容的一端及第二开关的另一端相连接，第一电容的另一端与第一二极管的正极及第一电感的另一端相连接，第一二极管的负极与第三电容的另一端及第二端口的正极相连接，第二电容的另一端与第二二极管的正极及第二电感的一端相连接，第二电感的另一端与第四电容的另一端及第三端口的正极相连接，该变换器的器件数量少，成本低。

Description

一种单输入对称双极性双输出DC-DC变换器
技术领域
本发明属于电源技术领域，涉及一种单输入对称双极性双输出DC-DC变换器。
背景技术
随着电力电子技术的高速发展，开关电源在各种电气设备中均有着广泛的应用。目前，很多应用场合都需要高功率密度，且能输出正负对称输出电压的开关电源，比如：逆变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统、需要正负供电的辅助电源等。
传统提供正负电压输出的方式是利用具有电气隔离特性的正激(Forward)电路或者反激(Flyback)电路，共用变压器磁芯进行多输出绕组绕制变压器，从而得到了隔离的正负电压多输出变换器。但这种方式有着很大的缺点，变压器的设计大为复杂化，且各绕组间的交叉调整对变换器的性能有着很大影响。隔离变压器的使用增加了变压器的铜损和铁损，降低了变换器的效率。正激和反激需要额外的辅助电路来消除开关管的电压尖峰，增加了变换器复杂度，降低了变换器效率。
有些提供正负电压输出的场合，也有使用两个非隔离开关变换器的方案，两个变换器分别输出正压和负压，消除了各输出间的交叉调整，省去了变压器，提高了变换器效率，但这种方式需要两套控制器和两套主功率电路，器件较多，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种单输入对称双极性双输出DC-DC变换器，该变换器的器件数量少，成本低。
为达到上述目的，本发明所述的单输入对称双极性双输出DC-DC变换器包括第一端口、第一二极管、第二二极管、第一开关、第二开关、第一电感、第二电感、第三电容、第一电容、第四电容、第二电容、第二端口、第三端口及控制器；
第一端口的正极与第一开关的一端相连接，第一端口的负极与第二开关的一端、第一电感的一端、第三电容的一端、第四电容的一端、第二二极管的负极、第二端口的负极及第三端口的负极相连接，第一开关的另一端面与第一电容的一端、第二电容的一端及第二开关的另一端相连接，第一电容的另一端与第一二极管的正极及第一电感的另一端相连接，第一二极管的负极与第三电容的另一端及第二端口的正极相连接，第二电容的另一端与第二二极管的正极及第二电感的一端相连接，第二电感的另一端与第四电容的另一端及第三端口的正极相连接；
控制器的输入端与第二端口的正极及第三端口的正极相连接，控制器的输出端与第一开关的控制端及第二开关的控制端相连接。
第一开关及第二开关均为有源开关管，其中，所述有源开关管为宽禁带半导体器件、场效应管或晶体三极管。
第一开关的驱动信号与第二开关的驱动信号在忽略死区的情况下互补。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的单输入对称双极性双输出DC-DC变换器在具体操作时，第一开关和第二开关从空载到满载可实现软开关，提高变换器的效率；同时输入输出共地，因此不需要为两个开关提供隔离驱动，仅用简单的自举驱动即可使开关正常工作，大大减小了变换器的复杂度和成本；另外，该变换器还可以得到高度对称且共地的正负双输出，拓扑简单可靠，成本较低；开关器件采用半桥拓扑结构，驱动简单，容易闭环控制，可广泛应用于逆变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统及正负供电辅助电源等领域。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑图；
图2为第一驱动信号、第二驱动信号的对应关系示意图；
图3为第一开关S1漏源电压和流入漏极的电流的波形图；
图4为第二开关S2漏源电压和流入漏极的电流的波形图。
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，本发明所述的单输入对称双极性双输出DC-DC变换器包括第一端口101、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关S1、第二开关S2、第一电感L1、第二电感L2、第三电容C3、第一电容C1、第四电容C4、第二电容C2、第二端口102、第三端口103及控制器104；第一端口101的正极与第一开关S1的一端相连接，第一端口101的负极与第二开关S2的一端、第一电感L1的一端、第三电容C3的一端、第四电容C4的一端、第二二极管D2的负极、第二端口102的负极及第三端口103的负极相连接，第一开关S1的另一端面与第一电容C1的一端、第二电容C2的一端及第二开关S2的另一端相连接，第一电容C1的另一端与第一二极管D1的正极及第一电感L1的另一端相连接，第一二极管D1的负极与第三电容C3的另一端及第二端口102的正极相连接，第二电容C2的另一端与第二二极管D2的正极及第二电感L2的一端相连接，第二电感L2的另一端与第四电容C4的另一端及第三端口103的正极相连接；控制器104的输入端与第二端口102的正极及第三端口103的正极相连接，控制器104的输出端与第一开关S1的控制端及第二开关S2的控制端相连接。
第一开关S1及第二开关S2均为有源开关管，其中，所述有源开关管为宽禁带半导体器件、场效应管或晶体三极管；第一开关S1的驱动信号与第二开关S2的驱动信号在忽略死区的情况下互补。
第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4均选取较大电容，四个电容电压均可看作恒值，通过合理的死区时间设置和第一电感L1及第二电感L2的取值，实现：
当第一开关S1关断，第二开关S2导通时，第一电容C1给第一电感L1传递能量，第二电容C2向第二电感L2传递能量，第一电感L1的电流流向第一二极管D1的输入端节点，第二电感L2的电流流向第二二极管D2的输入节点，当第二开关S2关断瞬间，第一开关S1尚未导通的死区时间内，由于在第一电感L1及第二电感L2上的电流从第一开关S1的源极S流向漏极D，通过合理的死区时间t3-t4设置和第一电感L1、第二电感L2的取值，在死区时间内第一开关S1中的等效二极管导通，实现第一开关S1的零电压导通，如图3所示。
当第一开关S1导通，第二开关S2关断时，第一端口101给第一电感L1充电，同时经第一电容C1及第一二极管D1向第二端口102传递能量。当第一开关S1关断瞬间，第二开关S2尚未导通的死区时间内，第二电感L2上的电流流向第三端口103，第一电感L1上的电流流向地(第一电感L1、第二电感L2上的电流续流)，通过合理的死区时间设置和第一电感L1及第二电感L2的取值，在死区时间内第二开关S2中的等效二极管导通，实现第二开关S2的ZVS导通，如图3和图4所示。
通过第一电感L1、第二电感L2的伏秒平衡，第二端口102的输出电压、第三端口103的输出电压与第一端口101的输入电压的关系如下：
Figure BDA0002579441150000051
Figure BDA0002579441150000052
其中，Vin为第一端口101的输入电压，VC2为第二端口102的输出电压，VC3为第三端口103的输出电压，D为第二开关S2的导通占空比。
第一端口101作为DC-DC变换器的输入端口，第二端口102及第三端口103为DC-DC变换器的输出端口时，轻载情况下，第一开关S1及第二开关S2均易实现ZVS导通，在重载情况下，第一开关S1较难实现ZVS导通，但可以通过合理设计第一电感L1、第二电感L2的参数以及DC-DC变换器的输出功率，从而得到从空载到满载均为软开关的DC-DC变换器。
第二端口102与第三端口103的电压幅值相同，极性相反；第二端口102及第三端口103相对于第一端口101进行降压，第一端口101及第二端口102的极性相同。
本发明仅使用两个开关、两个二极管、两个电感和四个电容，拓扑简单可靠，成本较低；开关从空载到满载可实现全部开关软开关，提高了变换器效率；另外，还可以得到高度对称且共地的正负双输出。

Claims (3)

1.一种单输入对称双极性双输出DC-DC变换器，其特征在于，包括第一端口(101)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一开关(S1)、第二开关(S2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电容(C3)、第一电容(C1)、第四电容(C4)、第二电容(C2)、第二端口(102)、第三端口(103)及控制器(104)；
第一端口(101)的正极与第一开关(S1)的一端相连接，第一端口(101)的负极与第二开关(S2)的一端、第一电感(L1)的一端、第三电容(C3)的一端、第四电容(C4)的一端、第二二极管(D2)的负极、第二端口(102)的负极及第三端口(103)的负极相连接，第一开关(S1)的另一端与第一电容(C1)的一端、第二电容(C2)的一端及第二开关(S2)的另一端相连接，第一电容(C1)的另一端与第一二极管(D1) 的正极及第一电感(L1)的另一端相连接，第一二极管(D1)的负极与第三电容(C3)的另一端及第二端口(102)的正极相连接，第二电容(C2)的另一端与第二二极管(D2)的正极及第二电感(L2)的一端相连接，第二电感(L2)的另一端与第四电容(C4)的另一端及第三端口(103)的正极相连接；
控制器(104)的输入端与第二端口(102)的正极及第三端口(103)的正极相连接，控制器(104)的输出端与第一开关(S1)的控制端及第二开关(S2)的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的单输入对称双极性双输出DC-DC变换器，其特征在于，第一开关(S1)及第二开关(S2)均为有源开关管，其中，所述有源开关管为宽禁带半导体器件、场效应管或晶体三极管。
3.根据权利要求1所述的单输入对称双极性双输出DC-DC变换器，其特征在于，第一开关(S1)的驱动信号与第二开关(S2)的驱动信号在忽略死区的情况下互补。
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