CN112737332A - 一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器 - Google Patents

一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器 Download PDF

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Abstract

一种自动均压双极性Cuk DC‑DC变换器，该变换器该变换器包含一个直流输入源，一个基本Cuk变换器，m‑1个同极性扩展单元，n个反极性电压扩展单元。同极性、反极性扩展单元由一个电感、两个电容及一个二极管所构成，通过调节同极性、反极性扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。该变换器具有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，较适合于输出需要正负电源输出且输入电压与输出电压变化范围比较大的应用场合。

Description

一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC-DC变换器，具体涉及一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器。
背景技术
在输入和输出电压变化均较大的应用场合，输入电压即可能高于输出电压，也可能低于输出电压，此时适用的常见非隔离型升降压DC-DC变换器有Buck-Boost、Cuk、Sepic以及Zeta电路。理论上通过调节占空比D，这些变换器的输入输出增益可以在零至无穷大之间变化，但受元器件及电路寄生参数的影响，这些变换器的升压能力受到了较大的限制。目前提高DC-DC变换器输入输出增益的方案多基于Boost电路而构建，因而这些电路通常在同一时间只能实现与电源同极性或者反极性的电压输出。因此研究即可实现高增益升压、同时也可实现双极性输出的新型双极性宽输入输出升降压DC/DC变换器具有重要意义。
发明内容
为解决现有非隔离型高增益DC-DC变换器不能同时实现产生高增益双极性电压的问题，本发明基本Cuk电路提出一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器，该变换器由基本Cuk变换器和若干个增益扩展单元组成。通过调节增益扩展单元的个数即可实现对变换器输入输出增益以及开关器件电压应力的调节。该变换器具有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；较适合于输出需要正负电源输出且输入电压与输出电压变化范围比较大的应用场合。
本发明采取的技术方案为：
一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个基本Cuk变换器，m-1个同极性扩展单元，n个反极性电压扩展单元；其中：
基本Cuk变换器包含两个电感L、LP1，两个电容CP11、CP12，一个功率开关S1，一个二极管DP1；其连接形式如下：电感L的一端接直流输入源的正极，电感L的另一端分别连接功率开关S1的漏极以及电容CP11的一端，电容CP11的另一端分别与电感LP1的一端以及二极管DP1的阳极相连，电感LP1的另一端与电容CP12的一端相连，功率开关S1的源极、二极管DP1的阴极以及电容CP12的另一端与直流输入源的负极相连；
第1个同极性扩展单元包含电感LP2、二极管DP2两个电容CP21、CP22；其中，电容CP21的另一端分别与电感LP2的一端以及二极管DP2的阳极相连，电感LP2的另一端与电容CP22的一端相连；
第2个同极性扩展单元包含电感LP3、二极管DP3两个电容CP31、CP32；其中，电容CP31的另一端分别与电感LP3的一端以及二极管DP3的阳极相连，电感LP3的另一端与电容CP32的一端相连；
......依次类推，第i个同极性扩展单元，1<i≤m-1中，
第i个同极性扩展单元包含电感LPi、二极管DPi两个电容CPi1、CPi2；其中，电容CPi1的另一端分别与电感LPi的一端以及二极管DPi的阳极相连，电感LPi的另一端与电容CPi2的一端相连；
第1个反极性电压扩展单元包含电感LN1，二极管DN1，两个电容CN11、CN12；其中，电容CN11的另一端分别与电感LN1的一端以及二极管DN1的阳极相连，电感LN1的另一端与电容CN12的一端相连；
第2个反极性电压扩展单元包含电感LN2，二极管DN2，两个电容CN21、CN22；其中，电容CN21的另一端分别与电感LN2的一端以及二极管DN2的阳极相连，电感LN2的另一端与电容CN22的一端相连；
......依次类推，第j个反极性电压扩展单元，1<j≤n中，
第j个反极性电压扩展单元包含电感LNj，二极管DNj，两个电容CNj1、CNj2；其中，电容CNj1的另一端分别与电感LNj的一端以及二极管DNj的阳极相连，电感LNj的另一端与电容CNj2的一端相连；
各个同极性扩展单元之间的连接形式如下：
1<i≤m-1，第i-1个同极性扩展单元中电容CPi2的一端、电感LPi的另一端的交点与第i个同极性扩展单元中电容CP(i+1)2的另一端相连，第i-1个同极性扩展单元中电容CPi1的一端与i个同极性扩展单元中电容CP(i+1)1的一端相连。且同极性扩展单元电容CP(i+1)2两端均与基本Cuk变换器电容CP22两端电压大小相同。
各个反极性扩展单元之间的连接形式如下：
1<j≤n，第j个扩展单元中电容CNj2的一端与电感LNj的另一端的交点与第j-1个反极性扩展单元中二极管DN(j-1)的阴极和电容CN(j-1)2另一端的交点相连。电容CNj1一端与第j-1个扩展单元中电容CN(j-1)1一端相连。且各反极性扩展单元电容CNj2两端均与基本Cuk变换器电容CP22两端电压大小相同。
第1个同极性扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：
基本Cuk变换器中电容CP11的一端与电感L的另一端相连的交点与第1个同极性扩展单元中电容CP21的一端相连，基本Cuk变换器中电感LP1的另一端与电容CP12的一端相连的交点与第1个同极性扩展单元中二极管DP2的阴极和电容CP22另一端的交点相连。
第1个反极性扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：
基本Cuk变换器中电容CP11的一端与电感L的另一端相连的交点与第1个反极性扩展单元中电容CN11的一端相连，基本Cuk变换器中二极管DN1的阴极与电容CN12的另一端相连的交点与第1个反极性扩展单元中电感LN2的另一端和电容CN22一端的交点相连。
负载RPL的两端分别与第n-1个同极性扩展单元中电容CPm2的一端和直流输入源负极相连；
负载RNL的两端与第n个反极性电压扩展单元中电容CNn2的另一端和直流输入源负极相连。
本发明一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器，技术效果如下：
1、可同时实现升降压，且输入输出增益高，开关器件电压应力低，输出电容串联且均压。电感L的电流连续导通时，具体如下：
同极性输出增益为：
Figure BDA0002860741850000031
反极性输出增益为：
Figure BDA0002860741850000032
最大输入输出增益为：
Figure BDA0002860741850000041
开关管电压应力为：
Figure BDA0002860741850000042
每个输出电容上的电压为：
Figure BDA0002860741850000043
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，m-1为同极性扩展单元数量，n为反极性扩展单元数量，0<i≤m,0≤j≤n。
2、参考地可同时输出一正一负两电压
3、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是本发明同极性扩展单元数为1，反极性扩展单元数为2时的电路拓扑图。
图3是传统Cuk变换器电路原理图。
图4是本发明本发明同极性扩展单元数为1，反极性扩展单元数为2时的输入输出增益与传统Cuk变换器的输入输出增益对比图。
图5是本发明本发明输入电压30V，同极性扩展单元数为1，反极性扩展单元数为2时，D＝0.725时的输出波形仿真图。
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所示为本发明扩展单元数m＝1,n＝2时的电路拓扑图：
一种自动均压双钳位式Cuk正负电源，该变换器包含一个直流输入源，两个负载，一个基本Cuk变换器，1个同极性扩展单元，2个反极性电压扩展单元。其中：
基本Cuk变换器包含两个电感L、LP1，两个电容CP11、CP12，一个功率开关S1，一个二极管DP1。其连接形式如下：电感L的一端接输入电源的正极，另一端连接功率开关S1的漏极以及电容CP11的一端，电容CP11的另一端与电感LP1的一端以及二极管DP1的阳极相连，电感LP1的另一端与电容CP12的一端相连，功率开关S1的源极、二极管DP1的阴极以及电容CP12的另一端与输入电源的负极相连。
同极性、反极性扩展单元均含有相同的内部结构，以第1个反极性扩展单元为例，其含有：一个电感LN1，一个二极管DN1，两个电容CN11、CN12。其中电容CN11的另一端与电感LN1的一端以及二极管DN1的阳极相连，电感LN1的另一端与电容CN12的一端相连。
第1个同极性扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：基本Cuk变换器中电容CP11的一端与电感L的另一端相连的交点与第1个扩展单元中电容CP21的一端相连，基本Cuk变换器中电感LP1的另一端与电容CP12的一端相连的交点与第1个扩展单元中二极管DP2的阴极和电容CP22另一端的交点相连。
第1个反极性扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：基本Cuk变换器中电容CP11的一端与电感L的另一端相连的交点与第1个反极性扩展单元中电容CN11的一端相连，基本Cuk变换器中二极管DN1的阴极与电容CN12的另一端相连的交点与第2个非极性扩展单元中电感LN2的另一端和电容CN22一端的交点相连。
负载RPL的两端分别与同极性扩展单元中电容CP22的一端与地相连。负载RNL的两端分别与反极性扩展单元中电容CN22的另一端与地相连。
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。调节占空比即可控制功率开关S1的开通关断时间，根据电感的电压平衡公式即可调节输出的电压等级。
在电感L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DP1、DP2、DN1、DN2均关断，此时电感L、LP1、LP2、
LN1、LN2电容CP12、CP22、CN12、CN22充电，电容CP11、CP21、CN11、CN21放电；电
感L、LP1、LP2、LN1、LN2端电压如下式所示：
Figure BDA0002860741850000051
2:功率开关S1关断，二极管DP1、DP2、DN1、DN2均导通，此时电感L、LP1、LP2、
LN1、LN2电容CP12、CP22、CN12、CN22放电，电容CP11、CP21、CN11、CN21充电；电
感L、LP1、LP2、LN1、LN2端电压如下式所示：
Figure BDA0002860741850000061
上述将电路分为2种工作状态，根据接在功率开关S1的栅极上的控制器的占空比，可得出每个电容上的电压等级如下所示：
Figure BDA0002860741850000062
图4是本发明同极性扩展单元数为1，反极性扩展单元数为2时的输入输出增益与传统Cuk变换器的输入输出增益对比图。由图4可看出，在占空比相同时，本发明提出的变换器的增益为传统变换器的两倍，且可输出双极性的电压。
图5是本发明本发明输入电压30V，同极性扩展单元数为1，反极性扩展单元数为2时，D＝0.725时的输出波形仿真图。仿真验证了本发明的可行性，其两电阻两端相对于地的电压极性相反，大小相同。

Claims (3)

1.一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包含一个直流输入源，一个基本Cuk变换器，m-1个同极性扩展单元，n个反极性电压扩展单元；其中：
基本Cuk变换器包含两个电感L、LP1，两个电容CP11、CP12，一个功率开关S1，一个二极管DP1；其连接形式如下：电感L的一端接直流输入源的正极，电感L的另一端分别连接功率开关S1的漏极以及电容CP11的一端，电容CP11的另一端分别与电感LP1的一端以及二极管DP1的阳极相连，电感LP1的另一端与电容CP12的一端相连，功率开关S1的源极、二极管DP1的阴极以及电容CP12的另一端与直流输入源的负极相连；
第1个同极性扩展单元包含电感LP2、二极管DP2两个电容CP21、CP22；其中，电容CP21的另一端分别与电感LP2的一端以及二极管DP2的阳极相连，电感LP2的另一端与电容CP22的一端相连；
第2个同极性扩展单元包含电感LP3、二极管DP3两个电容CP31、CP32；其中，电容CP31的另一端分别与电感LP3的一端以及二极管DP3的阳极相连，电感LP3的另一端与电容CP32的一端相连；
......依次类推，第i个同极性扩展单元，1<i≤m-1中，
第i个同极性扩展单元包含电感LPi、二极管DPi两个电容CPi1、CPi2；其中，电容CPi1的另一端分别与电感LPi的一端以及二极管DPi的阳极相连，电感LPi的另一端与电容CPi2的一端相连；
第1个反极性电压扩展单元包含电感LN1，二极管DN1，两个电容CN11、CN12；其中，电容CN11的另一端分别与电感LN1的一端以及二极管DN1的阳极相连，电感LN1的另一端与电容CN12的一端相连；
第2个反极性电压扩展单元包含电感LN2，二极管DN2，两个电容CN21、CN22；其中，电容CN21的另一端分别与电感LN2的一端以及二极管DN2的阳极相连，电感LN2的另一端与电容CN22的一端相连；
......依次类推，第j个反极性电压扩展单元，1<j≤n中，
第j个反极性电压扩展单元包含电感LNj，二极管DNj，两个电容CNj1、CNj2；其中，电容CNj1的另一端分别与电感LNj的一端以及二极管DNj的阳极相连，电感LNj的另一端与电容CNj2的一端相连；
各个同极性扩展单元之间的连接形式如下：
1<i≤m-1，第i-1个同极性扩展单元中电容CPi2的一端、电感LPi的另一端的交点与第i个同极性扩展单元中电容CP(i+1)2的另一端相连，第i-1个同极性扩展单元中电容CPi1的一端与i个同极性扩展单元中电容CP(i+1)1的一端相连；
各个反极性扩展单元之间的连接形式如下：
1<j≤n，第j个扩展单元中电容CNj2的一端与电感LNj的另一端的交点与第j-1个反极性扩展单元中二极管DN(j-1)的阴极和电容CN(j-1)2另一端的交点相连；电容CNj1一端与第j-1个扩展单元中电容CN(j-1)1一端相连；
第1个同极性扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：
基本Cuk变换器中电容CP11的一端与电感L的另一端相连的交点与第1个同极性扩展单元中电容CP21的一端相连，基本Cuk变换器中电感LP1的另一端与电容CP12的一端相连的交点与第1个同极性扩展单元中二极管DP2的阴极和电容CP22另一端的交点相连；
第1个反极性扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：
基本Cuk变换器中电容CP11的一端与电感L的另一端相连的交点与第1个反极性扩展单元中电容CN11的一端相连，基本Cuk变换器中二极管DN1的阴极与电容CN12的另一端相连的交点与第1个反极性扩展单元中电感LN2的另一端和电容CN22一端的交点相连；
负载RPL的两端分别与第n-1个同极性扩展单元中电容CPm2的一端和直流输入源负极相连；
负载RNL的两端与第n个反极性电压扩展单元中电容CNn2的另一端和直流输入源负极相连。
2.根据权利要求1所述一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器，其特征在于：功率开关S1的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化。
3.根据权利要求1所述一种自动均压双极性Cuk DC-DC变换器，其特征在于：
扩展单元数m＝1,n＝2时，在电感L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DP1、DP2、DN1、DN2均关断，此时电感L、LP1、LP2、LN1、LN2电容CP12、CP22、CN12、CN22充电，电容CP11、CP21、CN11、CN21放电；电感L、LP1、LP2、LN1、LN2端电压如下式所示：
Figure FDA0002860741840000031
(2)：功率开关S1关断，二极管DP1、DP2、DN1、DN2均导通，此时电感L、LP1、LP2、LN1、LN2电容CP12、CP22、CN12、CN22放电，电容CP11、CP21、CN11、CN21充电；电感L、LP1、LP2、LN1、LN2端电压如下式所示：
Figure FDA0002860741840000032
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GR01 Patent grant
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Application publication date: 20210430

Assignee: NANJING YANXU ELECTRICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980039976

Denomination of invention: An Automatic Voltage Equalizing Bipolar Cuk DC-DC Converter

Granted publication date: 20220208

License type: Common License

Record date: 20230823

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