CN113394975B - 一种高电压增益dc-dc直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电压增益DC‑DC直流变换器，包括直流电源、功率开关管、三绕组耦合电感、电容和输出电路；控制功率开关管的导通或截止控制电路工作状态的切换，从而控制直流电源是否向耦合电感和电容提供电路工作需要的能量，通过改变控制功率开关管占空比的大小以及耦合绕组的匝比，实现输入输出电压增益的变化，由输出电路输出。本发明通过改变三绕组耦合电感的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换，可以有效避免出现极限占空比的情况，使用较小的占空比实现高输出电压的转换功能；由于本发明结构可以有效的降低电路中器件的电压应力，减少损耗，提高电路的整体工作效率。
Description
技术领域
本发明属于DC-DC变换设备技术领域，具体涉及一种高电压增益DC-DC直流变换器。
背景技术
目前，高增益DC-DC升压变换器在新能源领域中有着广泛应用，包括光伏系统、风力发电、燃料电池等。但光伏、FCs等资源产生的直流电压水平较低，不适合并网。根据以上所述问题，需要高升压DC-DC变换器来提高这类资源的输出直流电压水平。
近年来,各种具有升压技术的升压型DC-DC变换器被提出。隔离变流器利用大匝数比的变压器，具有较高的电压转换比。但是过大的匝数比会导致泄漏电感过大，从而降低变换器效率,增加开关电压应力。
此外，在电网不需要电隔离的情况下，传统升压变流器因其成本低、结构简单而成为提高电压增益的首选。然而,低电压转换比、半导体高压应力和反向恢复问题是该变换器在大功率应用中的基本问题。文献“A.Ajami,H.Ardi,and A.Farakhor,Anovel high step-up DC-DC converter based on integrating coupled inductor and switched-capacitor techniques for renewable energy applications,IEEE Trans.PowerElectron.,vol.30,no.8,pp.4255–4263,Aug.2015.”和文献“M.Eskandarpour Azizkandi,F.Sedaghati,and H.Shayeghi,An interleaved configuration of modified KYconverter with high conversion ratio for renewable energy applications；design,analysis and implementation,J.Oper.Autom.Power Eng.,vol.7,no.1,pp.90–106,2019.”提出了开关电感(SL)和开关电容(SC)转换器，这些转换器增益高但电路复杂，电流应力大。文献“X.Hu,J.Wang,L.Li,and Y.Li,Athree-winding coupled-inductor DC-DC converter topology with high voltage gain and reduced switch stress,IEEETrans.Power Electron.,vol.33,no.2,pp.1453–1462,Feb.2018.”和文献“K.C.Tseng,J.T.Lin,and C.C.Huang,High step-up converter with three-winding coupledinductor for fuel cell energy source applications,EEE Trans.Power Electron.,vol.30,no.2,pp.574–581,Feb.2015.”提出了几种基于三绕组耦合电感的高升压DC-DC变换器，电压应力和电压增益的调节更加灵活，然而增益不够高。
因此，寻求一种结构简单、连续的输入电流、高效率、高增益的DC-DC变换器已成为本领域的研究热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种集成三绕组耦合电感和开关电容电路的高电压增益DC-DC直流变换器，电路结构简单，工作效率高，故障率低，实际应用也行之有效。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述DC-DC直流变换器包括直流电源、功率开关管、三绕组耦合电感、电容和输出电路；
所述功率开关管的导通或截止，用于控制电路工作状态的切换，从而控制直流电源是否向耦合电感和电容提供电路工作需要的能量，通过改变控制功率开关管占空比的大小以及耦合绕组的匝比，实现输入输出电压增益的变化，由输出电路输出。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的DC-DC直流变换器还包括二极管，二极管与电容组成钳位回路，用以吸收漏感能量。
上述的功率开关管采用N沟道的MOS管，通过其栅源极接受外部主控芯片的控制信号。
上述的功率开关管采用单极性的PWM控制方式达到导通或截至的状态。
上述的三绕组耦合电感由三个互相耦合良好的耦合电感LN1、LN2、LN3组成，等效为匝比N1:N2:N3的理想变压器、漏感Lk与励磁电感Lm。
上述的匝比还可以表示为1:n1:n2，其中n1＝N2/N1，n2＝N3/N1。
上述的输出电路包括输出二极管Do与输出电容Co以及负载R。
上述的DC-DC直流变换器包括直流电源Vg、功率开关管S、电容C1-C4、二极管D1-D4、三绕组耦合电感以及输出电容Co、输出二极管Do和负载；
所述三绕组耦合电感包括互相耦合的耦合电感LN1、LN2、LN3；
所述耦合电感LN1同名端与直流电源正极相连，非同名端与电容C2负极、功率开关管S和二极管D1阳极公共端相连，功率开关管S与直流电源Vg负极相连；
电容C2正极与耦合电感LN2同名端相连，耦合电感LN2非同名端分别连接二极管D2阴极和耦合电感LN3同名端公共端，二极管D2阳极与电容C1正极、二极管D1阴极公共端连接，电容C1负极连接直流电源Vg正极；
耦合电感LN3非同名端连接电容C4负极和二极管D3阳极公共端，二极管D3阴极连接电容C3正极和二极管D4阳极公共端，电容C3负极与直流电源Vg正极相连；
二极管D4阴极公共端连接电容C4正极和输出二极管Do阳极公共端，输出二极管Do阴极连接输出电容Co正极和负载一端，输出电容Co负极连接直流电源Vg负极和负载另一端。
上述的功率开关管S导通时，二级管D3与输出二极管Do关断，二极管D1反向偏置，二极管D2与二极管D4两端电压减小到零，在零电压状态下导通；直流电源Vg通过功率开关管S为耦合电感LN1提供能量；直流电源Vg与电容C1通过功率开关管S与二极管D2为电容C2与耦合电感LN2充电；
电容C3通过二极管D4为电容C4与耦合电感LN3充电；输出电容Co为负载R提供能量。
上述的功率开关管S关断时，二极管D1、D3、Do导通，D2、D4关断；耦合电感LN1能量通过二极管D1为电容C1充电；电容C2放电，为耦合电感LN2、LN3提供能量，并通过二极管D3为电容C3充电；直流电源Vg与电容C2、C4通过输出二极管Do为负载侧提供能量。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种集成三绕组耦合电感和开关电容电路的高电压增益DC-DC直流变换器，采用的耦合电感可以提高静态增益，结合其他原件整体产生非常高的电压转换比，提供额外的电压增益。此外，通过使用绕组耦合电感，可以更灵活地调节每个半导体元件上的电压应力电压。
本发明三绕组耦合电感通过改变耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换，与传统的直流变换器拓扑结构相比，其可以有效避免出现极限占空比的情况，使用较小的占空比实现高输出电压的转换功能。通过对电容、二极管的合理应用，使本发明的拓扑可以提供高增益。
本发明的电路结构，可以有效的降低电路中器件的电压应力，减少损耗，提高电路的整体工作效率。
附图说明
图1为本发明的主体电路结构和工作原理示意图；
图2为本发明的功率开关管S导通时电路的工作状态示意图；
图3为本发明的功率开关管S关断时电路的工作状态示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述DC-DC直流变换器包括直流电源、功率开关管、三绕组耦合电感、电容和输出电路；
所述功率开关管的导通或截止，用于控制电路工作状态的切换，从而控制直流电源是否向耦合电感和电容提供电路工作需要的能量，通过改变控制功率开关管占空比的大小以及耦合绕组的匝比，实现输入输出电压增益的变化，由输出电路输出。
耦合电感，用于代替传统可升压直流变换电路中的单个独立的储能电感，利用耦合电感同时充放电的特点，匝数比作为可调节的自由因子，通过改变绕组之间的匝数比，从而实现输出电压对所述直流带能源电压的升压功能。
实施例中，所述DC-DC直流变换器还包括二极管，二极管与电容组成钳位回路，用以吸收漏感能量。电容C1与二极管D1组成钳位回路，用以吸收漏感能量。
在实际工作中，控制功率开关管S的通断控制直流电源是否向储能器件提供能量，由于功率开关管的导通和截止，实现了耦合电感不断进行充、放电的过程，从而达到高升压增益的目的。
所述功率开关管采用N沟道的MOS管，通过其栅源极接受外部主控芯片的控制信号，所述功率开关管采用单极性的PWM控制方式达到导通或截至的状态，能有提高功率开关管的工作效率，减小开关损耗，从而提升整个电路的工作效率。
耦合绕组具有相互耦合的电感，通过改变对应耦合绕组的匝比，即可实现输出电压对所述直流电源的升降压控制，即所述三绕组耦合电感由三个互相耦合良好的耦合电感LN1、LN2、LN3组成，等效为匝比N1:N2:N3的理想变压器、漏感Lk与励磁电感Lm；
所述匝比还可以表示为1:n1:n2，其中n1＝N2/N1，n2＝N3/N1。
三绕组是变换器的核心部分，可以提供极高的增益。
实施例中，所述输出电路包括输出二极管Do与输出电容Co以及负载R。
参见图1，所述DC-DC直流变换器包括直流电源Vg、功率开关管S、电容C1-C4、二极管D1-D4、三绕组耦合电感以及输出电容Co、输出二极管Do和负载；
所述三绕组耦合电感包括互相耦合的耦合电感LN1、LN2、LN3；
三绕组耦合电感用于代替传统升压拓扑中单个独立的储能电感，利用耦合电感同时充放电的特点，在原变换器只具有占空比D这一调节因子的基础上，增加匝数比这一可以调节的自由因子，通过改变耦合绕组的匝数比，从而实现高电压转换的能力；
在本实施方案中，第一耦合电感LN1的同名端与直流电源的正极相连，另一端通过储能电容C2与第二耦合电感LN2的同名端连接，第二耦合电感LN2的另一端与第三耦合电感LN3的同名端连接，形成了耦合绕组充放电的拓扑。
所述耦合电感LN1同名端与直流电源正极相连，非同名端与电容C2负极、功率开关管S和二极管D1阳极公共端相连，功率开关管S与直流电源Vg负极相连；
电容C2正极与耦合电感LN2同名端相连，耦合电感LN2非同名端分别连接二极管D2阴极和耦合电感LN3同名端公共端，二极管D2阳极与电容C1正极、二极管D1阴极公共端连接，电容C1负极连接直流电源Vg正极；
耦合电感LN3非同名端连接电容C4负极和二极管D3阳极公共端，二极管D3阴极连接电容C3正极和二极管D4阳极公共端，电容C3负极与直流电源Vg正极相连；
二极管D4阴极公共端连接电容C4正极和输出二极管Do阳极公共端，输出二极管Do阴极连接输出电容Co正极和负载一端，输出电容Co负极连接直流电源Vg负极和负载另一端。
本实施方式直流变换拓扑在一个正常的稳态周期中，主要存在图2和图3两种不同的工作模式。
所述功率开关管S导通时，此时电路工作于直通状态如图2所示，二级管D3与输出二极管Do关断，二极管D1反向偏置，二极管D2与二极管D4两端电压减小到零，在零电压状态下导通；直流电源Vg通过功率开关管S为耦合电感LN1提供能量，故励磁电流ILm与漏感电流ILk线性增大，耦合电感副边N2、N3电流IN2与IN3线性减小。且直流电源Vg与电容C1通过功率开关管S与二极管D2为电容C2与耦合绕组副边N2充电。电容C3通过二极管D4为电容C4与耦合绕组副边N3充电。输出电容Co为负载提供能量。
所述功率开关管S关断时，此时电路工作于直通状态如图3所示，二极管D1、D3、Do导通，D2、D4关断；耦合电感LN1能量通过二极管D1为电容C1充电；电容C2放电，为副边N2、N3提供能量，并通过二极管D3为电容C3充电；直流电源Vg与电容C2、C4通过输出二极管Do为负载侧提供能量。
利用耦合电感LN1、LN2、LN3的电感伏秒平衡法则，得到输出电压为：
则理想的电压增益可以表示为：
本实例所述的功率开关管控制信号，采用单极性的PWM控制方法以控制功率开关管处于导通或截止状态。将本发明涉及到的新型基于三绕组耦合电感的DC-DC直流升压变换器电路拓扑在输入、输出电压满足升压增益以及变换器功率在200W的测试条件下进行测试，整个电路的整体工作效率可以达到96％左右，基本满足设计要求。
综上所述，发明变换器升压拓扑结构使用的器件较少，设计成本低，减少了器件损耗，提高了电路的工作效率，基本上达到了设计要求的理想效果。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述DC-DC直流变换器包括直流电源、功率开关管、三绕组耦合电感、电容和输出电路；
所述功率开关管的导通或截止，用于控制电路工作状态的切换，从而控制直流电源是否向耦合电感和电容提供电路工作需要的能量，通过改变控制功率开关管占空比的大小以及耦合绕组的匝比，实现输入输出电压增益的变化，由输出电路输出；
所述DC-DC直流变换器包括直流电源Vg、功率开关管S、电容C1-C4、二极管D1-D4、三绕组耦合电感以及输出电容Co、输出二极管Do和负载；
所述三绕组耦合电感包括互相耦合的耦合电感LN1、LN2、LN3；
所述耦合电感LN1同名端与直流电源正极相连，非同名端与电容C2负极、功率开关管S和二极管D1阳极公共端相连，功率开关管S与直流电源Vg负极相连；
电容C2正极与耦合电感LN2同名端相连，耦合电感LN2非同名端分别连接二极管D2阴极和耦合电感LN3同名端公共端，二极管D2阳极与电容C1正极、二极管D1阴极公共端连接，电容C1负极连接直流电源Vg正极；
耦合电感LN3非同名端连接电容C4负极和二极管D3阳极公共端，二极管D3阴极连接电容C3正极和二极管D4阳极公共端，电容C3负极与直流电源Vg正极相连；
二极管D4阴极公共端连接电容C4正极和输出二极管Do阳极公共端，输出二极管Do阴极连接输出电容Co正极和负载一端，输出电容Co负极连接直流电源Vg负极和负载另一端。
2.根据权利要求1所述的一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述DC-DC直流变换器还包括二极管，二极管与电容组成钳位回路，用以吸收漏感能量。
3.根据权利要求1所述的一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述功率开关管采用N沟道的MOS管，通过其栅源极接受外部主控芯片的控制信号。
4.根据权利要求2所述的一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述功率开关管采用单极性的PWM控制方式达到导通或截至的状态。
5.根据权利要求1所述的一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述三绕组耦合电感由三个互相耦合的耦合电感LN1、LN2、LN3组成，等效为匝比N1:N2:N3的理想变压器、漏感Lk与励磁电感Lm。
6.根据权利要求5所述的一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述匝比为1:n1:n2，其中n1＝N2/N1，n2＝N3/N1。
7.根据权利要求1所述的一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述输出电路包括输出二极管Do与输出电容Co以及负载R。
8.根据权利要求7所述的一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述功率开关管S导通时，二级管D3与输出二极管Do关断，二极管D1反向偏置，二极管D2与二极管D4两端电压减小到零，在零电压状态下导通；直流电源Vg通过功率开关管S为耦合电感LN1提供能量；直流电源Vg与电容C1通过功率开关管S与二极管D2为电容C2与耦合电感LN2充电；电容C3通过二极管D4为电容C4与耦合电感LN3充电；输出电容Co为负载R提供能量。
9.根据权利要求7所述的一种高电压增益DC-DC直流变换器，其特征在于，所述功率开关管S关断时，二极管D1、D3、Do导通，D2、D4关断；耦合电感LN1能量通过二极管D1为电容C1充电；电容C2放电，为耦合电感LN2、LN3提供能量，并通过二极管D3为电容C3充电；直流电源Vg与电容C2、C4通过输出二极管Do为负载侧提供能量。
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