CN113691127A - 一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器 - Google Patents

一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器 Download PDF

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Abstract

一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC‑DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个基本Boost变换器，m个正向扩展单元，n个反向扩展单元。正向扩展单元、反向扩展单元均由两个电感、两个电容及一个二极管所构成。通过调节正向扩展单元、反向扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益及的调节。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、可靠性高的特点，在其中一个开关管损坏时，其余电路能正常工作；较适合于输出输入电压与输出电压变化范围比较大。

Description

一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC-DC变换器，具体涉及一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost 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。目前单输入DC-DC变换器输入输出增益的方案多采用基本电路并联构建，但可靠性较差。因此研究即可实现高增益升压同时也具有高可靠性的单输入升降压DC/DC变换器具有重要意义。
发明内容
为解决现有非隔离型单输入高增益DC-DC变换器可靠性不高的问题。本发明基于基本Boost变换器而提出一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器，该变换器由基本Boost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、可靠性高的特点；在其中一个开关管损坏时，其余电路能正常工作；适合于输出输入电压与输出电压变化范围比较大、需要两个电源同时供电且可靠性要求高的应用场合。
本发明采取的技术方案为：
一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器，该变换器包括：
基本Boost变换器，m个正向扩展单元，n个反向扩展单元；
所述基本Boost变换器包括电感L0、电容C0、功率开关管S0、二极管D0；
直流输入电源Vg正极连接电感L0一端，电感L0另一端分别连接功率开关管S0漏极、二极管D0阳极，二极管D0阴极连接电容C0一端，电容C0另一端分别连接功率开关管S0源极、直流输入电源Vg负极；
m个正向扩展单元中：
第1个正向扩展单元包含电感L1、L2，二极管D1，功率开关管S1，电容C1、C2；其中，电感L1一端连接直流输入电源Vg正极，电感L1另一端分别连接功率开关管S1漏极、电容C1一端，电容C1另一端分别连接电感L2一端、二极管D1阳极，二极管D1阴极连接电容C2一端，电感L2另一端连接电容C2另一端，功率开关管S1源极连接接地端；
第2个正向扩展单元包含电感L3、L4，二极管D2，功率开关管S2，电容C3、C4；其中，电感L3一端连接直流输入电源Vg正极，电感L3另一端分别连接功率开关管S2漏极、电容C3一端，电容C3另一端分别连接电感L4一端、二极管D2阳极，二极管D2阴极连接电容C4一端，电感L4另一端连接电容C4另一端，功率开关管S2源极连接接地端；
……依次类推，可以扩展到m个正向扩展单元：
第m个正向扩展单元包含电感L(2m-1)、L2m，二极管Dm，功率开关管Sm，电容C(2m-1)、C2m；m为1，2，3，4…自然数；其中，电感L(2m-1)一端连接直流输入电源Vg正极，电感L(2m-1)另一端分别连接功率开关管Sm漏极、电容C(2m-1)一端，电容C(2m-1)另一端分别连接电感L2m一端、二极管Dm阳极，二极管Dm阴极连接电容C2m一端，电感L2m另一端连接电容C2m另一端，功率开关管Sm源极连接接地端；
电容C0一端连接电容C2另一端，m个正向扩展单元之间连接关系如下：
电感L1、L3……L(2m-1)一端均连接到一起；电容C2一端连接电容C4另一端，……依次类推，电容C2m一端连接电容C(2m+2)另一端；
n个反向扩展单元中：
第1个反向扩展单元包含电感L1'、L2'，二极管D1'，功率开关管S1'，电容C1'、C2'；其中，电感L1'一端连接直流输入电源Vg正极，电感L1'另一端分别连接功率开关管S1'漏极、电容C1'一端，电容C1'另一端分别连接电感L2'一端、二极管D1'阳极，二极管D1'阴极连接电容C2'一端，电感L2'另一端连接电容C2'另一端，功率开关管S1'源极连接接地端；
第2个正向扩展单元包含电感L3'、L4'，二极管D2'，功率开关管S2'，电容C3'、C4'；其中，电感L3'一端连接直流输入电源Vg正极，电感L3'另一端分别连接功率开关管S2'漏极、电容C3'一端，电容C3'另一端分别连接电感L4'一端、二极管D2'阳极，二极管D2'阴极连接电容C4'一端，电感L4'另一端连接电容C4'另一端，功率开关管S2'源极连接接地端；……依次类推，可以扩展到n个反向扩展单元：
第n个反向扩展单元包含电感L(2n-1)'、L2n'，二极管Dn'，功率开关管Sn'，电容C(2n-1)'、C2n'；n为1，2，3，4…自然数；其中，电感L(2n-1)'一端连接直流输入电源Vg正极，电感L(2n-1)'另一端分别连接功率开关管Sn漏极、电容C(2n-1)'一端，电容C(2n-1)'另一端分别连接电感L2n'一端、二极管Dn'的阳极，二极管Dn'阴极连接电容C2n'一端，电感L2n'另一端连接电容C2n'另一端，功率开关管Sn'源极连接接地端；
电容C0另一端连接电容C2'一端，n个反向扩展单元之间连接关系：电感L1'、L3'……L(2n-1)'一端均连接到直流输入电源Vg正极；
电容电容C2'另一端连接电容C4'一端，……依次类推，电容C2n'的另一端连接电容C(2n+2)'一端。
所述一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器，功率开关管S0、功率开关管S1、S2……Sm和功率开关管S1'、S2'……Sn栅极均连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当正向扩展单元中任意一功率开关管、或者反向扩展单元中任意一功率开关管损坏时，整个电路可继续正常工作。
本发明一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost 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，输出电容串联且均压。电感L1和L3的电流连续导通时，具体如下：
当输入为Vg时，最大输入输出增益为：
Figure BDA0003235169590000031
开关管电压应力为：
Figure BDA0003235169590000032
各二极管上应力为：
Figure BDA0003235169590000041
其中：D为占空比，uin1为输入电压，uo为输出电压，us1和us2为功率开关管电压应力，
2)通过调节正向扩展单元、或者反向扩展单元个数，即可实现对变换器输入输出增益及的调节。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、可靠性高的特点。
3)当正向扩展单元中任意一功率开关管、或者反向扩展单元中任意一功率开关管损坏时，整个电路可继续正常工作，适合于输出输入电压与输出电压变化范围比较大。
附图说明
图1是本发明电路原理图。
图2是传统Boost变换器电路原理图。
图3是本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的电路拓扑图。
图4是本发明本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的输入输出增益与传统Boost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，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，D＝0.6时的输出波形仿真图。
图6是本发明本发明输入电压30V，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，D＝0.6时,开关管S1损坏时的输出波形仿真图。
具体实施方式
如图3所示为本发明扩展单元数m＝1,n＝1时的电路拓扑图：
一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器，该变换器包括：
基本Boost变换器，1个正向扩展单元，1个反向扩展单元；
所述基本Boost变换器包括电感L0、电容C0、功率开关管S0、二极管D0；直流输入电源Vg正极连接电感L0一端，电感L0另一端分别连接功率开关管S0漏极、二极管D0阳极，二极管D0阴极连接电容C0一端，电容C0另一端分别连接功率开关管S0源极、直流输入电源Vg负极；
1个正向扩展单元包含电感L1、L2，二极管D1，功率开关管S1，电容C1、C2；其中，电感L1一端连接直流输入电源Vg正极，电感L1另一端分别连接功率开关管S1漏极、电容C1一端，电容C1另一端分别连接电感L2一端、二极管D1阳极，二极管D1阴极连接电容C2一端，电感L2另一端连接电容C2另一端，功率开关管S1源极连接接地端。
电容C0一端连接电容C2另一端，1个正向扩展单元的电感L1一端连接到直流输入电源Vg正极。
1个反向扩展单元中包含电感L1'、L2'，二极管D1'，功率开关管S1'，电容C1'、C2'；其中，电感L1'一端连接直流输入电源Vg正极，电感L1'另一端分别连接功率开关管S1'漏极、电容C1'一端，电容C1'另一端分别连接电感L2'一端、二极管D1'阳极，二极管D1'阴极连接电容C2'一端，电感L2'另一端连接电容C2'另一端，功率开关管S1'源极连接接地端；
电容C0另一端连接电容C2'一端，1个反向扩展单元的电感L1'连接到直流输入电源Vg正极。负载R一端连接电容C2一端、负载R另一端连接电容C2'另一端。
功率开关管S0、功率开关管S1、S2……Sm和功率开关管S1'、S2'……Sn栅极连接控制器，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管的开通关断时间，根据电感的电压平衡公式即可调节输出的电压等级。
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)：当S1、S0、S1'导通，二极管D1、D0、D1'均关断；电感L1、L2、L0、L1'、L2'端电压如下式所示：
Figure BDA0003235169590000051
(2)：当S1、S0、S1'关断，二极管D1、D0、D1'均导通；电感L1、L2、L0、L1'、L2'端电压如下式所示：
Figure BDA0003235169590000061
根据接在功率开关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 BDA0003235169590000062
图4是本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的输入输出增益与传统Zeta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三倍。
图5是本发明本发明输入电压30V，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，D＝0.6时的输出波形仿真图，仿真验证了本发明的可行性。
图6是本发明本发明输入电压30V，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，D＝0.6时，开关管S1损坏时的输出波形仿真图，仿真验证了本发明的可靠性。

Claims (4)

1.一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器，其特征在于该变换器包括：基本Boost变换器，m个正向扩展单元，n个反向扩展单元；
所述基本Boost变换器包括电感L0、电容C0、功率开关管S0、二极管D0；直流输入电源Vg正极连接电感L0一端，电感L0另一端分别连接功率开关管S0漏极、二极管D0阳极，二极管D0阴极连接电容C0一端，电容C0另一端分别连接功率开关管S0源极、直流输入电源Vg负极；
m个正向扩展单元中：
第1个正向扩展单元包含电感L1、L2，二极管D1，功率开关管S1，电容C1、C2；其中，电感L1一端连接直流输入电源Vg正极，电感L1另一端分别连接功率开关管S1漏极、电容C1一端，电容C1另一端分别连接电感L2一端、二极管D1阳极，二极管D1阴极连接电容C2一端，电感L2另一端连接电容C2另一端，功率开关管S1源极连接接地端；
第2个正向扩展单元包含电感L3、L4，二极管D2，功率开关管S2，电容C3、C4；其中，电感L3一端连接直流输入电源Vg正极，电感L3另一端分别连接功率开关管S2漏极、电容C3一端，电容C3另一端分别连接电感L4一端、二极管D2阳极，二极管D2阴极连接电容C4一端，电感L4另一端连接电容C4另一端，功率开关管S2源极连接接地端；
……依次类推，可以扩展到m个正向扩展单元：
第m个正向扩展单元包含电感L(2m-1)、L2m，二极管Dm，功率开关管Sm，电容C(2m-1)、C2m；m为1，2，3，4…自然数；其中，电感L(2m-1)一端连接直流输入电源Vg正极，电感L(2m-1)另一端分别连接功率开关管Sm漏极、电容C(2m-1)一端，电容C(2m-1)另一端分别连接电感L2m一端、二极管Dm阳极，二极管Dm阴极连接电容C2m一端，电感L2m另一端连接电容C2m另一端，功率开关管Sm源极连接接地端；
电容C0一端连接电容C2另一端，m个正向扩展单元之间连接关系如下：
电感L1、L3……L(2m-1)一端均连接到一起；电容C2一端连接电容C4另一端，……依次类推，电容C2m一端连接电容C(2m+2)另一端；
n个反向扩展单元中：
第1个反向扩展单元包含电感L1'、L2'，二极管D1'，功率开关管S1'，电容C1'、C2'；其中，电感L1'一端连接直流输入电源Vg正极，电感L1'另一端分别连接功率开关管S1'漏极、电容C1'一端，电容C1'另一端分别连接电感L2'一端、二极管D1'阳极，二极管D1'阴极连接电容C2'一端，电感L2'另一端连接电容C2'另一端，功率开关管S1'源极连接接地端；
第2个正向扩展单元包含电感L3'、L4'，二极管D2'，功率开关管S2'，电容C3'、C4'；其中，电感L3'一端连接直流输入电源Vg正极，电感L3'另一端分别连接功率开关管S2'漏极、电容C3'一端，电容C3'另一端分别连接电感L4'一端、二极管D2'阳极，二极管D2'阴极连接电容C4'一端，电感L4'另一端连接电容C4'另一端，功率开关管S2'源极连接接地端；……依次类推，可以扩展到n个反向扩展单元：
第n个反向扩展单元包含电感L(2n-1)'、L2n'，二极管Dn'，功率开关管Sn'，电容C(2n-1)'、C2n'；n为1，2，3，4…自然数；其中，电感L(2n-1)'一端连接直流输入电源Vg正极，电感L(2n-1)'另一端分别连接功率开关管Sn漏极、电容C(2n-1)'一端，电容C(2n-1)'另一端分别连接电感L2n'一端、二极管Dn'的阳极，二极管Dn'阴极连接电容C2n'一端，电感L2n'另一端连接电容C2n'另一端，功率开关管Sn'源极连接接地端；
电容C0另一端连接电容C2'一端，n个反向扩展单元之间连接关系：电感L1'、L3'……L(2n-1)'一端均连接到直流输入电源Vg正极；
电容电容C2'另一端连接电容C4'一端，……依次类推，电容C2n'的另一端连接电容C(2n+2)'一端。
2.根据权利要求1所述一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器，其特征在于：功率开关管S0、功率开关管S1、S2……Sm和功率开关管S1'、S2'……Sn'栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当正向扩展单元中任意一功率开关管、或反向扩展单元中任意一功率开关管损坏时，整个电路可继续正常工作。
3.一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包括：基本Boost变换器，1个正向扩展单元，1个反向扩展单元；所述基本Boost变换器包括电感L0、电容C0、功率开关管S0、二极管D0；
直流输入电源Vg正极连接电感L0一端，电感L0另一端分别连接功率开关管S0漏极、二极管D0阳极，二极管D0阴极连接电容C0一端，电容C0另一端分别连接功率开关管S0源极、直流输入电源Vg负极；
1个正向扩展单元中包含电感L1、L2，二极管D1，功率开关管S1，电容C1、C2；其中，电感L1一端连接直流输入电源Vg正极，电感L1另一端分别连接功率开关管S1漏极、电容C1一端，电容C1另一端分别连接电感L2一端、二极管D1阳极，二极管D1阴极连接电容C2一端，电感L2另一端连接电容C2另一端，功率开关管S1源极连接接地端；
电容C0一端连接电容C2另一端，1个正向扩展单元的电感L1一端连接到直流输入电源Vg正极；
1个反向扩展单元中包含电感L1'、L2'，二极管D1'，功率开关管S1'，电容C1'、C2'；其中，电感L1'一端连接直流输入电源Vg正极，电感L1'另一端分别连接功率开关管S1'漏极、电容C1'一端，电容C1'另一端分别连接电感L2'一端、二极管D1'阳极，二极管D1'阴极连接电容C2'一端，电感L2'另一端连接电容C2'另一端，功率开关管S1'源极连接接地端；
电容C0另一端连接电容C2'一端，1个反向扩展单元的电感L1'连接到直流输入电源Vg正极；负载R一端连接电容C2一端、负载R另一端连接电容C2'另一端。
4.根据权利要求3所述一种单输入高可靠性电容电流一致型Boost DC-DC变换器，其特征在于：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)：当S1、S0、S1'导通，二极管D1、D0、D1'均关断；电感L1、L2、L0、L1'、L2'端电压如下式所示:
Figure FDA0003235169580000041
(2)：当S1、S0、S1'关断，二极管D1、D0、D1'均导通；电感L1、L2、L0、L1'、L2'端电压如下式所示：
Figure FDA0003235169580000042
根据接在功率开关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 FDA0003235169580000043
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Granted publication date: 20230711

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