CN113691128A - 一种单输入高可靠性Boost DC-DC变换器 - Google Patents

Abstract

一种单输入高可靠性Boost DC‑DC变换器，该变换器包含一个基本Boost变换器，m个正向扩展单元。正向扩展单元由两个电感、两个电容、一个开关管、一个二极管所构成。通过调节正向扩展单元的个数，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、可靠性高的特点，在正向扩展单元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，在其中一个功率开关管损坏时，其余电路能正常工作；该变换器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Boost DC-DC变换器，该变换器包含：

基本Boost变换器，m个正向扩展单元；m为1，2，3，4…自然数。

所述基本Boost变换器包含直流输入电源、电感L₁、电容C₁、二极管D₁，功率开关管S₁；直流输入电源的正极与电感L₁一端相连，电感L₁另一端分别功率开关管S₁漏极、二极管D₁阳极，二极管D₁阴极连接电容C₁一端，电容C₁另一端连接直流输入电源的负极，直流输入电源的负极、功率开关管S₁源极连接接地端；

m个正向扩展单元中：

第1个正向扩展单元包含电感L₂、L₃、功率开关管S₂,二极管D₂、电容C₂、C₃；其中，电感L₂另一端分别连接功率开关管S₂漏极、电容C₂一端，电容C₂另一端分别连接电感L₃一端、二极管D₂阳极，二极管D₂阴极连接电容C₃一端，功率开关管S₂源极连接接地端；第2个正向扩展单元包含电感L₄、L₅、功率开关管S₃,二极管D₃、电容C₄、C₅；其中，电感L₄另一端分别连接功率开关管S₃漏极、电容C₄一端，电容C₄另一端分别连接电感L₅一端、二极管D₃阳极，二极管D₃阴极连接电容C₅一端，功率开关管S₂源极连接接地端；

……依次类推，

第m个正向拓展单元包含电感L_2m、L_(2m+1)、功率开关管S_m+1，二极管D_(m+1)、电容C_2m、C_(2m+1)；其中，电感L_2m另一端分别连接功率开关管S_m+1漏极、电容C_2m一端，电容C_2m另一端分别连接电感L_(2m+1)一端、二极管D_(m+1)阳极，二极管D_(m+1)阴极连接电容C_(2m+1)一端，功率开关管S_m+1源极连接接地端；

m个正向扩展单元之间的连接关系如下：

电感L₂一端、电感L₄一端、……电感L_2m一端均连接直流输入电源的正极；

电感L₃另一端连接电容C₁一端，电感L₅另一端连接电容C₃一端，……电感L_(2m+1)另一端连接电容C_2m-1一端；

电容C₃另一端、电容C₅另一端、……C_(2m+1)另一端均连接直流输入电源的负极；

负载R一端连接电容C_(2m+1)一端，负载R另一端连接电容C₁另一端。

所述功率开关管S₁、S₂……S_m+1的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当功率开关管损坏时，整个电路可继续正常工作。

正向扩展单元m＝2时：

第1个正向扩展单元包含电感L₂、L₃、功率开关管S₂,二极管D₂、电容C₂、C₃；其中，电感L₂另一端分别连接功率开关管S₂漏极、电容C₂一端，电容C₂另一端分别连接电感L₃一端、二极管D₂阳极，二极管D₂阴极连接电容C₃一端，功率开关管S₂源极连接接地端；

第2个正向扩展单元包含电感L₄、L₅、功率开关管S₃,二极管D₃、电容C₄、C₅；其中，电感L₄另一端分别连接功率开关管S₃漏极、电容C₄一端，电容C₄另一端分别连接电感L₅一端、二极管D₃阳极，二极管D₃阴极连接电容C₅一端，功率开关管S₂源极连接接地端；

2个正向扩展单元之间的连接关系如下：

电感L₂一端、电感L₄一端均连接直流输入电源的正极；

电感L₃另一端连接电容C₁一端，电感L₅另一端连接电容C₃一端；

电容C₃另一端、电容C₅另一端均连接直流输入电源的负极；

负载R一端连接电容C₅一端，负载R另一端连接电容C₁另一端。

现规定电感L_n上的电压为V_Ln,电容C_n上的电压为V_n。n为电感或电容的编号。现规定电感L_n上的电压为V_Ln,电容C_n上的电压为V_n。n为电感或电容的编号。

模态1：当S₁、S₂、S₃导通，二极管D₁、D₂、D₃均关断；电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅端电压如下式所示：

模态2：当S₁、S₂、S₃关断，二极管D₁、D₂、D₃均开通；电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅端电压如下式所示：

由电感的伏秒平衡可得，电感两端电压在一个周期内的电压为零。得出各个电容两端电压和占空比的数学关系式为:

本发明一种单输入高可靠性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V_g时，输入输出增益为：

功率开关管电压应力为：

各二极管上应力为：

其中：D为占空比，u_in1为输入电压，u_o为输出电压，u_s1和u_s2为功率开关电压应力，

2)通过调节正向扩展单元的个数，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。

3)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，在正向扩展单元其中一个功率开关管损坏时，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。

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2的电路拓扑图。

图4是本发明本发明正向扩展单元数为2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2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2时，D＝0.6时,功率开关管S1损坏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3所示，为本发明扩展单元数m＝2时的电路拓扑图：

基本Boost变换器包含一个直流输入电源、一个电感L₁、一个电容C₁、一个二极管和D₁，一个功率开关管S₁。直流电源的正极和电感L₁的一端相连，电感L₁的另一端和功率开关管的漏极和二极管D₁的阳极相连；二极管D₁的阴极和电容C₁的一端相连，电源的负极与电容C₁的另一端直接相连，功率开关管的源极直接接地。

第1个正向扩展单元包含电感L₃、L₂、功率开关管S₂,二极管D₂、电容C₃、C₂；其中，电容C₂的一端与电感L₂和功率开关管的漏极相连的点相连、电容C₂的另一端与二极管D₂的阳极和电感L₃的一端相连的点相连，二极管D₂的阴极和电容C₃的一端相连；

第2个正向扩展单元包含电感L₄、L₅、功率开关管S₃，二极管D₃、电容C₄、C₅；其中，电容C₄的一端与电感L₄和功率开关管的漏极相连的点相连、电容C₄的另一端和二极管D₃的阳极和电感L₅的一端相连的点相连，二极管D₃的阴极和电容C₅的一端相连；

第一个正向拓展单元与基本的Boost变换器之间的连接关系如下：

基本Boost二极管D₁的阴极与电容C₁的一端的交点与电感L₃的另一端相连；电容C₃的另一端和电容C₁的另一端相连，电感L₁的一端和电感L₂的一端相连。

各个正向扩展单元之间的连接关系如下：

在第2个正向扩展单元中电感L₄的一端与在第1个正向扩展单元中电感L₃的一端相连；电感L₅的另一端与在第1个正向扩展单元的电容C₃一端和二级管D₂的阴极的交点相连；在第2个正向扩展单元中电容C₅的另一端与在第1个正向扩展单元中电容C₃的一端相连；

负载R的一端与第2个正向扩展单元中二极管D₃的阴极和电容C₅的一端的交点相连；负载R的另一端与电容C₁的另一端相连。

功率开关S1、S2及S3的栅极连接其控制器，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、S2及S3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、S₂、S₃导通，二极管D₁、D₂、D₃均关断；电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅端电压如下式所示：

(2)：当S₁、S₂、S₃关断，二极管D₁、D₂、D₃均导通；电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅端电压如下式所示：

根据接功率开关管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：

图4是本发明正向扩展单元数为2的输入输出增益与传统Boost变换器的输入输出增益对比图。由图可看出，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2，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2，D＝0.6时，功率开关管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Boost DC-DC变换器，其特征在于该变换器包含：

基本Boost变换器，m个正向扩展单元；m为1，2，3，4…自然数；

所述基本Boost变换器包含直流输入电源、电感L₁、电容C₁、二极管D₁，功率开关管S₁；直流输入电源的正极与电感L₁一端相连，电感L₁另一端分别功率开关管S₁漏极、二极管D₁阳极，二极管D₁阴极连接电容C₁一端，电容C₁另一端连接直流输入电源的负极，直流输入电源的负极、功率开关管S₁源极连接接地端；

m个正向扩展单元中：

第1个正向扩展单元包含电感L₂、L₃、功率开关管S₂,二极管D₂、电容C₂、C₃；其中，电感L₂另一端分别连接功率开关管S₂漏极、电容C₂一端，电容C₂另一端分别连接电感L₃一端、二极管D₂阳极，二极管D₂阴极连接电容C₃一端，功率开关管S₂源极连接接地端；

第2个正向扩展单元包含电感L₄、L₅、功率开关管S₃,二极管D₃、电容C₄、C₅；其中，电感L₄另一端分别连接功率开关管S₃漏极、电容C₄一端，电容C₄另一端分别连接电感L₅一端、二极管D₃阳极，二极管D₃阴极连接电容C₅一端，功率开关管S₂源极连接接地端；

……依次类推，

第m个正向拓展单元包含电感L_2m、L_(2m+1)、功率开关管S_m+1，二极管D_(m+1)、电容C_2m、C_(2m+1)；其中，电感L_2m另一端分别连接功率开关管S_m+1漏极、电容C_2m一端，电容C_2m另一端分别连接电感L_(2m+1)一端、二极管D_(m+1)阳极，二极管D_(m+1)阴极连接电容C_(2m+1)一端，功率开关管S_m+1源极连接接地端；

m个正向扩展单元之间的连接关系如下：

电感L₂一端、电感L₄一端、……电感L_2m一端均连接直流输入电源的正极；

电感L₃另一端连接电容C₁一端，电感L₅另一端连接电容C₃一端，……电感L_(2m+1)另一端连接电容C_2m-1一端；

电容C₃另一端、电容C₅另一端、……C_(2m+1)另一端均连接直流输入电源的负极；

负载R一端连接电容C_(2m+1)一端，负载R另一端连接电容C₁另一端。

2.根据权利要求1所述一种单输入高可靠性Boost DC-DC变换器，其特征在于：所述功率开关管S₁、S₂……S_m+1的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当功率开

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Boost DC-DC变换器，其特征在于:包含基本Boost变换器，2个正向扩展单元；

所述基本Boost变换器包含直流输入电源、电感L₁、电容C₁、二极管D₁，功率开关管S₁；直流输入电源的正极与电感L₁一端相连，电感L₁另一端分别功率开关管S₁漏极、二极管D₁阳极，二极管D₁阴极连接电容C₁一端，电容C₁另一端连接直流输入电源的负极，直流输入电源的负极、功率开关管S₁源极连接接地端；

2个正向扩展单元中：

第1个正向扩展单元包含电感L₂、L₃、功率开关管S₂,二极管D₂、电容C₂、C₃；其中，电感L₂另一端分别连接功率开关管S₂漏极、电容C₂一端，电容C₂另一端分别连接电感L₃一端、二极管D₂阳极，二极管D₂阴极连接电容C₃一端，功率开关管S₂源极连接接地端；

第2个正向扩展单元包含电感L₄、L₅、功率开关管S₃,二极管D₃、电容C₄、C₅；其中，电感L₄另一端分别连接功率开关管S₃漏极、电容C₄一端，电容C₄另一端分别连接电感L₅一端、二极管D₃阳极，二极管D₃阴极连接电容C₅一端，功率开关管S₂源极连接接地端；2个正向扩展单元之间的连接关系如下：

电感L₂一端、电感L₄一端均连接直流输入电源的正极；电感L₃另一端连接电容C₁一端，电感L₅另一端连接电容C₃一端；电容C₃另一端、电容C₅另一端均连接直流输入电源的负极；负载R一端连接电容C₅一端，负载R另一端连接电容C₁另一端。

4.根据权利要求3所述一种单输入高可靠性Boost DC-DC变换器，其特征在于，该变换器工作在以下模态：

模态1：当S₁、S₂、S₃导通，二极管D₁、D₂、D₃均关断；电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅端电压如下式所示：

模态2：当S₁、S₂、S₃关断，二极管D₁、D₂、D₃均开通；电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅端电压如下式所示：

由电感的伏秒平衡可得，电感两端电压在一个周期内的电压为零，得出各个电容两端电压和占空比的数学关系式为:

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