CN113258772B - 一种采用开关电感的二次型升降压变换器 - Google Patents

一种采用开关电感的二次型升降压变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用开关电感的二次型升降压变换器，变换器连接在电源及负载之间，其包括：二次型BUCK‑BOOST电路和电感增益单元，二次型BUCK‑BOOST电路包括输入、输出侧电感、开关管和输入、输出侧电容，电感增益单元与输入侧电感并联，电感增益单元用于在开关管导通时，与输入侧电感共同蓄能；以及在开关管截止时，与输入侧电感共同向输入侧电容输出电能。由此在电感增益单元与输入侧电感的共同作用下可大幅度提升电源输入与输出的增益关系，同时也能降低输入电感电流应力，降低损耗，提高变换器效率。

Description

一种采用开关电感的二次型升降压变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种采用开关电感的二次型升降压变换器。
背景技术
BUCK-BOOST变换器因其电路结构简单、元器件数量少、既能工作于升压模式、又能工作于降压模式等诸多优点，在电力、通信及仪器仪表等领域得到了广泛应用。但若要实现高的电压增益，占空比必须无限接近于1，极端的占空比不仅增加了开关管和二极管上的电压和电流应力，同时也降低了变换器的工作效率。因此，难以将其应用在光伏发电、燃料电池发电等需要高增益的场合。
二次型BUCK-BOOST变换器是电压增益与占空比呈二次关系的电路拓扑，能有效提升输出与输入的电压增益。但基本的二次型BUCK-BOOST变换器其电压增益也仅是普通BUCK-BOOST变换器的平方倍，对于电压增益的提升也十分有限。同时，基本二次型BUCK-BOOST变换器输入侧只有一个电感，输出所需能量都将通过输入电感传递，在增益很高的情况下电感电流将很大，由此带来了不可忽视的导通损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种采用开关电感的二次型升降压变换器，旨在解决传统的二次型BUCK-BOOST变换器电压增益有限、输入电感电流应力大的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种采用开关电感的二次型升降压变换器，其连接在电源及负载之间，其包括：二次型BUCK-BOOST电路和电感增益单元，二次型BUCK-BOOST电路包括输入、输出侧电感、开关管和输入、输出侧电容，所述输入侧电感一端用于与所述电源正极连接，所述输入侧电感另一端与所述开关管的一端连接，所述开关管的另一端用于与所述电源的负极连接，所述开关管的控制端用于与外部控制器连接，所述输入侧电容的一端用于连接于所述电源正极，所述输入侧电容的另一端连接于所述输入侧电感的另一端，所述输出侧电感的一端与所述输入侧电容的一端连接，所述输出侧电感的另一端与所述开关管的另一端连接，所述输出侧电容与所述输出侧电感并联；电感增益单元与所述输入侧电感并联，所述电感增益单元用于在所述开关管导通时，与所述输入侧电感共同蓄能；以及在所述开关管截止时，与所述输入侧电感共同向所述输入侧电容输出电能。
进一步地，所述电感增益单元包括增益电感、第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极与所述开关管的一端连接，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阳极和所述增益电感的一端连接，所述第二二极管的阴极与所述输入侧电感的一端连接，所述增益电感的另一端用于与电源正极连接，其中，所述开关管导通时，所述第一二极管导通，所述第二二极管截止，以使所述输入侧电感和增益电感并联蓄能；所述开关管截止时，所述第一二极管截止，所述第二二极管导通，以使所述输入侧电感和增益电感串联向所述输入侧电容输出电能。
进一步地，所述二次型BUCK-BOOST电路还包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管，所述第三二极管的阳极用于与所述电源的正极连接，所述第三二极管的阴极与所述第四二极管的阳极和所述第五二极管的阴极连接，所述第四二极管的阴极与所述第二二极管的阴极连接，所述第五二极管的阳极和所述第六二极管的阴极连接，所述第六二极管的阳极与所述第七二极管的阳极连接，所述第七二极管的阴极与所述负载的正极连接。
进一步地，所述开关管为全控型功率半导体器件。
进一步地，所述全控型功率半导体器件可以是MOSFET、IGBT、IGCT、GTO或GTR。
进一步地，所述输入侧电感和所述增益电感电感量相等。
进一步地，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管、所述第四二极管、所述第五二极管、所述第六二极管、所述第七二极管均为肖特基二极管。
进一步地，所述变换器的电压增益关系为
Figure BDA0003060760740000031
其中，Vo为变换后输出的电压，Vin为所述电源输入的电压，D为所述开关管工作的占空比。
进一步地，所述变换器的输入电感电流应力为
Figure BDA0003060760740000032
其中，M为变换器的电压增益，f为变换器工作频率，L为输入侧电感电感量。
本发明的有益效果在于，在基本二次型BUCK-BOOST变换器输入侧电感上并联一电感增益单元，通过电感单元的增益作用，在开关管导通时，电感增益单元和输入侧电感共同储蓄电能，在开关管截止时，电感增益单元和输入侧电感共同向输入侧电容输出电能，由此可大幅度提升电源输入与输出的增益关系，同时，也可降低输入电感电流应力，减少损耗，提高变换器传输效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，附图中：
图1是本发明采用开关电感的二次型升降压变换器的电路原理图；
图2为图1所示电路在一个开关周期内的工作模态一的电路图；
图3为图1所示电路在一个开关周期内的工作模态二的电路图。
图中：100、采用开关电感的二次型升降压变换器；101、二次型BUCK-BOOST电路；102、电感增益单元。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
参见图1，本发明提供了一种采用开关电感的二次型升降压变换器100，其连接在电源及负载R之间，其包括：二次型BUCK-BOOST电路101和电感增益单元102，二次型BUCK-BOOST电路101包括输入侧电感L1、开关管S、输入侧电容C1、输出侧电感L3和输出侧电容C2，输入侧电感L1一端用于与电源正极连接，输入侧电感L1另一端与开关管S的一端连接，开关管S的另一端用于与电源的负极连接，开关管S的控制端用于与外部控制器连接，所述输入侧电容C1的一端用于连接于所述电源正极，所述输入侧电容C1的另一端连接于所述输入侧电感L1的另一端，所述输出侧电感L3的一端与所述输入侧电容C1的一端连接，所述输出侧电感L3的另一端与所述开关管S的另一端连接，所述输出侧电容C2与所述输出侧电感L3并联；电感增益单元102与输入侧电感L1并联，电感增益单元102用于在开关管S导通时，与输入侧电感L1共同蓄能；以及在开关管S截止时，与输入侧电感L1共同向输入侧电容C1输出电能。可选地，该外部控制器可以是PWM控制器。
在输入侧电感L1上并联一电感增益单元102，通过电感增益单元102的增益作用，在开关管S导通时，电感增益单元102和输入侧电感L1共同储蓄电能，在开关管S截止时，电感增益单元102和输入侧电感L1共同向输入侧电容C1输出电能，由此可大幅度提升电源输入与输出的增益关系，同时也能降低输入电感电流应力。
在一实施例中，参见图1，电感增益单元102包括增益电感L2、第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1的阴极与开关管S的漏极连接，第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阳极和增益电感L2的一端连接，第二二极管D2的阴极与输入侧电感L1的一端连接，增益电感L2的另一端用于与电源的正极连接；其中，开关管S导通时，第一二极管D1导通，第二二极管D2截止，以使输入侧电感L1和增益电感L2并联蓄能，开关管S截止时，第一二极管D1截止，第二二极管D2导通，以使输入侧电感L1和增益电感L2串联向输入侧电容C1输出电能。
在本实施例中，利用第一二极管D1和第二二极管D2的单向导通特性可使增益电感L2在开关管S导通时与输入侧电感L1并联，以及在开关管S截止时使增益电感L2与开关管S串联。由此可实现在开关管S导通时，增益电感L2和输入侧电感L1共同储蓄电能，在开关管S截止时，增益电感L2和输入侧电感L1共同向输入侧电容C1输出电能。
进一步地，参见图1，二次型BUCK-BOOST电路101还包括第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7，第三二极管D3的阳极用于与电源的正极连接，第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极和第五二极管D5的阴极连接，第四二极管D4的阴极与第二二极管D2的阴极连接，第五二极管D5的阳极和第六二极管D6的阴极连接，第六二极管D6的阳极与第七二极管D7的阳极连接，第七二极管D7的阴极与负载的正极连接。
优选地，开关管S为全控型功率半导体器件。通过使用全控型功率半导体器件可方便地对其本身的导通或截止进行控制。
进一步地，全控型功率半导体器件可以是MOSFET、IGBT、IGCT、GTO或GTR。
优选地，输入侧电感L1和增益电感L2电感量相等。
优选地，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7均为肖特基二极管。在本实施例中，肖特基二极管具有极快的开关速度以及非常低的反向恢复时间，因此肖特基二极管非常适合高频应用，并能最大程度降低开关损耗，由此可使整个电路的电能损耗降低，以节约能源。
进一步地，变换器的电压增益关系为
Figure BDA0003060760740000061
其中，Vo为变换后输出的电压，Vin为电源输入的电压，D为开关管S工作的占空比。
进一步地，变换器的输入电感电流应力为
Figure BDA0003060760740000062
其中，M为变换器的电压增益，f为变换器工作频率，L为输入侧电感电感量。
进一步参见图2和图3，本实施例中的二次型BUCK-BOOST变换器100在一个开关周期内有2个工作模态，分别描述如下：
工作模态一：
如图2所示，当开关管S导通时，第五二极管D5承受反向电压关断，第四二极管D4、第一二极管D1导通，电源经第四二极管D4、第一二极管D1分别给输入侧电感L1和增益电感L2充电，能量以磁能的形式储存在两电感中，两电感电流线性上升；同时，输入侧电容C1中的能量通过第六二极管D6向输出侧电感L3转移，此阶段由输出侧电容C2向负载R提供能量；
在此工作模态下，相关电气参数关系式可表示为：
VL1＝Vin (1)
VL2＝Vin (2)
VL3＝VC1 (3)
其中，Vin表示电源电压，VL1表示输入侧电感L1在此工作模态下的两端电压，VL2表示增益电感L2在此工作模态下的两端电压，VL3表示输出侧电感L3在此工作模态下的两端电压，VC1表示输入侧电容C1两端电压。
工作模态二：
如图3所示，当开关管S关断时，输入侧电感L1、增益电感L2由第二二极管D2串联后经第五二极管D5将能量转移到输入侧电容C1上，输入侧电容C1被充电；此时，输出侧电感L3为负载R提供能量，同时为输出侧电容C2充电，输出侧电感L3的电流线性减少。
在此工作模态下，相关电气参数关系式可表示为：
Figure BDA0003060760740000071
Figure BDA0003060760740000072
VL3'＝VO (6)
其中，VL1′表示输入侧电感L1在此工作模态下的两端电压，VL2′表示增益电感L2在此工作模态下的两端电压，VL3′表示输出侧电感L3在此工作模态下的两端电压，Vo表示输出电压。
变换器稳定工作时的电压增益分析：
设开关管SS工作的周期为T，占空比为D，即工作模式一持续时间为DT，工作模式二持续时间为(1-D)T。根据电感的伏秒平衡特性可得：
Figure BDA0003060760740000081
由式(7)可得本实施例中二次型BUCK-BOOST变换器100的增益M为：
Figure BDA0003060760740000082
由式(8)可以看出，当占空比D在0.1-0.9变化时，本实施例的变换器增益可以在0.025-162范围内变化，相较BUCK-BOOST变换器及二次型BUCK-BOOST变换器100有了明显提高，因此本发明可应用于更宽范围输出场所。
基本二次型Buck-Boost在CCM下输入电感电流应力为
Figure BDA0003060760740000083
开关电感二次型Buck-Boost在CCM下输入电感电流应力为
Figure BDA0003060760740000084
由式(3)、(4)可得
Figure BDA0003060760740000091
从式(11)中可得出在其他条件不变的情况下，基本二次型Buck-Boost变换器输入电感电流应力大于本实施例的二次型升降压变换器；同时，当变换器的电压增益越高时，此关系越明显。由此，本实施例能够降低输入电感电流应力，减少损耗，提高变换器传输效率。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种采用开关电感的二次型升降压变换器，其连接在电源及负载之间，其特征在于，其包括：
二次型BUCK-BOOST电路，其包括输入、输出侧电感、开关管和输入、输出侧电容，所述输入侧电感一端用于与所述电源正极连接，所述输入侧电感另一端与所述开关管的一端连接，所述开关管的另一端用于与所述电源的负极连接，所述开关管的控制端用于与外部控制器连接，所述输入侧电容的一端用于连接于所述电源正极，所述输入侧电容的另一端连接于所述输入侧电感的另一端，所述输出侧电感的一端与所述输入侧电容的一端连接，所述输出侧电感的另一端与所述开关管的另一端连接，所述输出侧电容与所述输出侧电感并联；
电感增益单元，其与所述输入侧电感并联，所述电感增益单元用于在所述开关管导通时，与所述输入侧电感共同蓄能；以及在所述开关管截止时，与所述输入侧电感共同向所述输入侧电容输出电能；
所述电感增益单元包括增益电感、第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极与所述开关管的一端连接，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阳极和所述增益电感的一端连接，所述第二二极管的阴极与所述输入侧电感的一端连接，所述增益电感的另一端用于与电源正极连接，其中，
所述开关管导通时，所述第一二极管导通，所述第二二极管截止，以使所述输入侧电感和增益电感并联蓄能；所述开关管截止时，所述第一二极管截止，所述第二二极管导通，以使所述输入侧电感和增益电感串联向所述输入侧电容输出电能；
所述二次型BUCK-BOOST电路还包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管，所述第三二极管的阳极用于与所述电源的正极连接，所述第三二极管的阴极与所述第四二极管的阳极和所述第五二极管的阴极连接，所述第四二极管的阴极与所述第二二极管的阴极连接，所述第五二极管的阳极和所述第六二极管的阴极连接，所述第六二极管的阳极与所述第七二极管的阳极连接，所述第七二极管的阴极与所述负载的正极连接；
所述变换器的电压增益关系为
Figure FDA0003915119270000021
其中，
Vo为变换后输出的电压，Vin为所述电源输入的电压，D为所述开关管工作的占空比；
所述变换器的输入电感电流应力为
Figure FDA0003915119270000022
其中，
M为变换器的电压增益，f为变换器工作频率，L为输入侧电感电感量；
所述二次型升降压变换器的在一个开关周期内有两个工作模态，具体步骤包括：
当开关管S导通时，第五二极管D5承受反向电压关断，第四二极管D4、第一二极管D1导通，电源经第四二极管D4、第一二极管D1分别给输入侧电感L1和增益电感L2充电，能量以磁能的形式储存在两电感中，两电感电流线性上升；同时，输入侧电容C1中的能量通过第六二极管D6向输出侧电感L3转移，此阶段由输出侧电容C2向负载R提供能量；
当开关管S关断时，输入侧电感L1、增益电感L2由第二二极管D2串联后经第五二极管D5将能量转移到输入侧电容C1上，输入侧电容C1被充电；此时，输出侧电感L3为负载R提供能量，同时为输出侧电容C2充电，输出侧电感L3的电流线性减少。
2.根据权利要求1所述的二次型升降压变换器，其特征在于：所述开关管为全控型功率半导体器件。
3.根据权利要求2所述的二次型升降压变换器，其特征在于：所述全控型功率半导体器件可以是MOSFET、IGBT、IGCT、GTO或GTR。
4.根据权利要求3所述的二次型升降压变换器，其特征在于：所述输入侧电感和所述增益电感电感量相等。
5.根据权利要求4所述的二次型升降压变换器，其特征在于：所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管、所述第四二极管、所述第五二极管、所述第六二极管、所述第七二极管均为肖特基二极管。
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