CN113271006B - 一种三次型升压开关电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三次型升压开关电源系统，其连接在电源和负载之间，其包括二次型BOOST电路和BOOST电路，二次型BOOST电路包括第一输入侧电感、第二输入侧电感、输入侧电容和开关管，第一输入侧电感一端与电源正极连接，另一端与输入侧电容一端和第二输入侧电感连接，输入侧电容另一端与电源负极和负载负极连接，第二输入侧电感另一端与开关管一端连接，开关管控制端用于与外部控制器连接，开关管另一端与输入侧电容另一端和负载负极连；BOOST电路与第一输入侧电感并联，当开关管导通时，第一输入侧电感和BOOST电路并联充电，输入侧电容为第二输入侧电感充电，开关管截止时，第一输入侧电感和BOOST电路和第二输入侧电感共同向负载放电。实现了升压变换器高增益的拓展。

Description

一种三次型升压开关电源系统
技术领域
本发明涉及电力电子变换器领域，特别是一种三次型升压开关电源系统。
背景技术
现有的非隔离型DC-DC变换器已提出了多种提升变换器电压增益的方法，其中包括设计一种级联型高增益变换器。级联型高增益变换器通常为两个或多个变换器的级联，整个变换器电压增益比为各级变换器增益的乘积，可显著提高变换器的电压增益。但是多个变换器的级联需要多个开关管及控制电路，并且在两个开关管的控制之间必须存在频率差拍，这样会使变换器稳定性变差。且上述变换器电压增益与占空比也只是呈平方关系，未有较大提升。
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，提供一种三次型升压开关电源系统，旨在提高现有变换器的增益。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种三次型升压开关电源系统，其连接在电源和负载之间，其包括二次型BOOST电路和BOOST电路，二次型BOOST电路包括第一输入侧电感、第二输入侧电感、输入侧电容和开关管，所述第一输入侧电感一端与所述电源正极连接，另一端与所述输入侧电容一端和所述第二输入侧电感连接，所述输入侧电容另一端与所述电源负极和所述负载负极连接，所述第二输入侧电感另一端与所述开关管一端连接，所述开关管控制端用于与外部控制器连接，所述开关管另一端与所述输入侧电容另一端和所述负载负极连接；BOOST电路与所述第一输入侧电感并联，其中，所述开关管导通时，所述第一输入侧电感和所述BOOST电路并联充电，所述输入侧电容为所述第二输入侧电感充电，所述开关管截止时，所述第一输入侧电感和所述BOOST电路和所述第二输入侧电感共同向所述负载放电。
进一步地，所述BOOST电路包括第一电容、增益电感、第一二极管和第二二极管，所述第一电容一端与所述第一输入侧电感一端连接且连接至所述电源的正极，所述第一电容的另一端与所述增益电感的一端且与所述第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一输入侧电感的另一端且与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述增益电感的另一端连接。
进一步地，所述二次型BOOST电路还包括第三二极管、第四二极管、第五二极管和输出侧电容，所述第三二极管阳极与所述第二二极管的阴极和与所述第四二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与所述输入侧电容的一端连接，所述第四二极管的阴极与所述第二输入侧电感的另一端连接，所述第五二极管的阳极与所述第二输入侧电感的另一端连接，所述第五二极管的另一端与所述输出侧电容的一端和与所述负载的正极端连接，所述输出侧电容的另一端与所述开关管的另一端和与所述负载的负极连接。
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MOSFET为N型MOS管，其栅极用于与所述外部控制器连接，所述N型MOS管源极与所述输入侧电容另一端和所述输出侧电容另一端连接，所述N型MOS管漏极与所述第二输入侧电感另一端连接。
进一步地，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管为肖特基二极管。
进一步地，所述三次型升压开关电源系统的电压增益关系为
Figure BDA0003060760390000031
其中，Vo为输出电压，Vin为输入电压，d为所述开关管工作的占空比。
本发明的有益效果在于，通过将BOOST电路并联在二次型BOOST电路的第一输入侧电感中，在开关管导通时，第一输入侧电感和BOOST电路并联充电，输入侧电容为第二输入侧电感充电，在开关管截止时，第一输入侧电感和 BOOST电路和第二输入侧电感共同向负载放电。由此，负载所接收的输出电能大大增加，实现了升压变换器高增益的拓展。
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是本发明三次型升压开关电源系统的电路原理图；
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：1、电源；2、负载；3、三次型升压开关电源系统；31、二次型BOOST 电路；32、BOOST电路。
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。
目前关于非隔离型DC-DC变换器已提出了多种提升变换器电压增益的方法，包括基于开关电容/开关电感单元的高增益变换器、基于耦合电感的高增益变换器、交错并联高增益变换器和级联型高增益变换器。
对于基于耦合电感的高增益变换器，可通过合理设计耦合电感的变比从而获得较高的电压增益。但耦合电感中漏感的存在会导致开关管在关断时两端产生较大的电压尖峰，降低变换器的效率，因此需要采用吸收回路来对漏感能量进行回收。
相对于单路变换器，基于交错并联技术的高增益变换器具有更小的输入电流纹波，可减小输入滤波器磁性元件的体积，提高变换器的功率密度，但通常交错并联技术需要多个功率开关管，造成控制及驱动电路过于复杂。
级联型高增益变换器通常为两个或多个变换器的级联，整个变换器电压增益比为各级变换器增益的乘积，可显著提高变换器的电压增益。但是多个变换器的级联需要多个开关管及控制电路，并且在两个开关管的控制之间必须存在频率差拍，这样会使变换器稳定性变差，也存在较大弊端。
对于两级BOOST级联变换器，可以将两个开关管整合为一个，虽较大程度上减少了功率开关管数量，但变换器电压增益与占空比也只是呈平方关系，未有较大提升。因此，针对上述问题，本发明提出了以下技术方案。
本发明提供了一种三次型升压开关电源系统3，其连接在电源1和负载2 之间，其包括：二次型BOOST电路31和BOOST电路32，二次型BOOST电路31 包括第一输入侧电感L1、第二输入侧电感L3、输入侧电容C2和开关管S，第一输入侧电感L1一端与电源1正极连接，另一端与输入侧电容C2一端和第二输入侧电感L3连接，输入侧电容C2另一端与电源1负极和负载2负极连接，第二输入侧电感L3另一端与开关管S一端连接，开关管S控制端用于与外部控制器连接，开关管S另一端与输入侧电容C2另一端和负载2负极连接；BOOST 电路32与第一输入侧电感L1并联，其中，开关管S导通时，第一输入侧电感 L1和BOOST电路32并联充电，输入侧电容C2为第二输入侧电感L3充电，开关管S截止时，第一输入侧电感L1和BOOST电路32和第二输入侧电感L3共同向负载2放电。
通过将BOOST电路32并联在二次型BOOST电路31的第一输入侧电感L1 中，在开关管S导通时，第一输入侧电感L1和BOOST电路32并联充电，输入侧电容C2为第二输入侧电感L3充电，在开关管S截止时，第一输入侧电感 L1和BOOST电路32和第二输入侧电感L3共同向负载2放电。由此，负载2 所接收的输出电能大大增加，实现了升压变换器高增益的拓展。
在一实施例中，BOOST电路32包括第一电容C1、增益电感L2、第一二极管D1和第二二极管D2，第一电容C1一端与第一输入侧电感L1一端连接且连接至电源1的正极，第一电容C1的另一端与增益电感L2的一端且与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第一出入侧电感的另一端且与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极与增益电感L2的另一端连接。
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，当在开关管S导通时，第一输入侧电感L1和增益电感L2并联充电，输入侧电容 C2为第二输入侧电感L3充电，开关管S截止时，第一输入侧电感L1和增益电感L2和第二输入侧电感L3串联共同向负载2放电。由此，负载2所接收的输出电能大大增加，实现了升压变换器高增益的拓展。
在具体实施例中，二次型BOOST电路31还包括第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和输出侧电容C3，第三二极管D3阳极与第二二极管D2 的阴极和与第四二极管D4的阳极连接，第三二极管D3的阴极与输入侧电容C2的一端连接，第四二极管D4的阴极与第二输入侧电感L3的另一端连接，第五二极管D5的阳极与第二输入侧电感L3的另一端连接，第五二极管D5的另一端与输出侧电容C3的一端和与负载2的正极端连接，输出侧电容C3的另一端与开关管S的另一端和与负载2的负极连接。
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，MOSFET为N型MOS管，其栅极用于与外部控制器连接，N型MOS 管源极与输入侧电容C2另一端和输出侧电容C3另一端连接，N型MOS管漏极与第二输入侧电感L3另一端连接。
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 和第五二极管D5为肖特基二极管。
具体地，变换器的电压增益关系为
Figure BDA0003060760390000061
其中，Vo为输出电压， Vin为输入电压，d为开关管S工作的占空比。
参见图2和图3，本发明中的一种三次型升压开关电源系统3在一个开关周期内主要有两个工作模态，分别描述如下：
工作模态一：
如图2所示，开关管S导通，第一二极管D1、第三二极管D3和第五二极管D5截止，第二二极管D2和第四二极管D4导通。输入电源1给第一输入侧电感L1充电，第一电容C1和输入电源1串联后给增益电感L2充电，输入侧电容C2给第二输入侧电感L3充电，负载2由输出输出侧电容C3提供能量。
此工作模式下，相关电气参数式为：
VL1＝Vin (1)
VL2＝Vin+VC1 (2)
VL3＝VC2 (3)
其中，Vin表示输入电源1电压，VL1表示第一输入侧电感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表示第二输入侧电感L3在此工作模态下的两端电压，VC1、VC2分别表示第一电容C1和输入侧电容C2两端电压。
工作模态二：
如图3所示，开关管S断开，第二二极管D2、第四二极管D4截止，第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5导通。第一输入侧电感L1给第一电容C1充电，第一输入侧电感L1和增益电感L2经第一二极管D1、第三二极管D3串联后给输入侧电容C2充电，第一输入侧电感L1、增益电感L2和第二输入侧电感L3经第一二极管D1、第二三极管和第五二极管D5向负载2提供能量。
此工作模式下，相关电气参数式为：
V′L1＝VC1 (4)
V′L2＝VC2-Vin-VC1 (5)
V′L3＝VO-VC2 (6)
其中，V'L1表示第一输入侧电感L1在此工作模态下的两端电压，V'L2表示增益电感L2在此工作模态下的两端电压，V'L3表示第二输入侧电感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S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 BDA0003060760390000081
由式(7)可得：
Figure BDA0003060760390000082
由式(8)可得，本发明的一种三次型升压开关电源系统3的电压增益M为：
Figure BDA0003060760390000083
由式(9)可以看出，当占空比在0.1-0.9变化时，本发明的变换器增益可以在1.37-1000范围内变化，即输出电压最高可达到输入电压的1000倍，大幅拓展了升压变换器的增益范围。
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 (6)

1.一种三次型升压开关电源系统，其连接在电源和负载之间，其特征在于：其包括：
二次型BOOST电路，其包括第一输入侧电感、第二输入侧电感、输入侧电容和开关管，所述第一输入侧电感一端与所述电源正极连接，所述第一输入侧电感的另一端分别与所述输入侧电容一端和所述第二输入侧电感连接，所述输入侧电容另一端分别与所述电源负极和所述负载负极连接，所述第二输入侧电感另一端与所述开关管一端连接，所述开关管控制端用于与外部控制器连接，所述开关管另一端分别与所述输入侧电容另一端和所述负载负极连接，所述二次型BOOST电路还包括第三二极管、第四二极管、第五二极管和输出侧电容，所述第三二极管阳极分别与第二二极管的阴极和所述第四二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与所述输入侧电容的一端连接，所述第四二极管的阴极分别与所述第二输入侧电感的另一端和所述第五二极管的阳极连接，所述第五二极管的阴极分别与所述输出侧电容的一端和所述负载的正极端连接，所述输出侧电容的另一端分别与所述开关管的另一端和所述负载的负极连接；
BOOST电路，其与所述第一输入侧电感并联，包括第一电容、增益电感、第一二极管和第二二极管，所述第一电容一端分别与所述第一输入侧电感一端和所述电源的正极连接，所述第一电容的另一端分别与所述增益电感的一端和所述第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极分别与所述第一输入侧电感的另一端和所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述增益电感的另一端连接，其中，
所述开关管导通时，所述第一输入侧电感和所述BOOST电路并联充电，所述输入侧电容为所述第二输入侧电感充电，所述开关管截止时，所述第一输入侧电感和所述BOOST电路和所述第二输入侧电感共同向所述负载放电。
2.根据权利要求1所述的三次型升压开关电源系统，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所述的三次型升压开关电源系统，其特征在于：所述全控型功率半导体器件是MOSFET、IGBT、IGCT、GTO或GTR。
4.根据权利要求3所述的三次型升压开关电源系统，其特征在于：所述MOSFET为N型MOS管，其栅极用于与所述外部控制器连接，所述N型MOS管源极分别与所述输入侧电容另一端和所述输出侧电容另一端连接，所述N型MOS管漏极与所述第二输入侧电感另一端连接。
5.根据权利要求4所述的三次型升压开关电源系统，其特征在于：所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管为肖特基二极管。
6.根据权利要求5所述的三次型升压开关电源系统，其特征在于：所述三次型升压开关电源系统的电压增益关系为
Figure FDA0003899901510000021
其中，
Vo为输出电压，Vin为输入电压，d为所述开关管工作的占空比。
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