CN113839557A - 一种宽电压范围升压变换拓扑 - Google Patents

一种宽电压范围升压变换拓扑 Download PDF

Info

Publication number
CN113839557A
CN113839557A CN202110978159.0A CN202110978159A CN113839557A CN 113839557 A CN113839557 A CN 113839557A CN 202110978159 A CN202110978159 A CN 202110978159A CN 113839557 A CN113839557 A CN 113839557A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diode
topology
boost
voltage range
boost conversion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110978159.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113839557B (zh
Inventor
付明
刘锡洋
施凯敏
孔庆林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Original Assignee
Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Academy of Aerospace Technology filed Critical Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Priority to CN202110978159.0A priority Critical patent/CN113839557B/zh
Publication of CN113839557A publication Critical patent/CN113839557A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113839557B publication Critical patent/CN113839557B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明提供了一种宽电压范围升压变换拓扑，在耦合电感引入新的绕组L 2 并使其紧密耦合绕制，得到新拓扑能够适应2倍以上的升压比，适用于宇航电源变换器，同时具备如下优点：输出电流连续且纹波小、二阶控制模型且没有右半平面零点效应、主功率开关管应力低以及效率高。

Description

一种宽电压范围升压变换拓扑
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种升压变换拓扑。
背景技术
Weinberg拓扑、HE-boost拓扑是应用在宇航电源变换器中的一种非隔离型升压拓扑，主要应用于空间一次电源控制器的电池放电变换器中，通过对电池放电功率变换来稳定一次母线电压。该拓扑的特点是：效率高、主功率开关管应力低，输出电流连续且纹波小、二阶控制模型且没有右半平面零点效应等优点。这些优点使得该拓扑能够很好地适应功率扩展，方便并联功率在几kW到几十kW间扩展。如下图1所示为Weinberg拓扑示意图，图2所示为HE-boost拓扑示意图。
Weinberg拓扑、HE-boost拓扑具有相同的电压变换公式，如式(1)所示。可以看出，这两种拓扑的最大输出电压均为输入电压的2倍，严格限制了该拓扑的应用场合。
Vout＝(1+D)Vin (1)
在宇航应用领域，在输出电压固定情况下(例如100V)，为保证采用该拓扑的变换器具备升压及闭环调整的功能，输入电压必须大于50V，考虑线路损耗等因素，在输出功率增大的情况下，输入电压需继续提高，进一步压缩了升压比。
传统的boost拓扑、super-boost拓扑的升压比可以达到2倍以上，但是，传统的boost拓扑、super-boost拓扑，因这些拓扑的传递函数本身存在1)右半平面零点，不适合多模块并联；2)输出电流不连续，影响母线动态响应；3)同等输出功率情况下，电压电流应力大，导致功率密度低。因此在宇航一次电源控制器及其它非隔离升压功率变换中应用较少。
现有技术没法在实现2倍以上升压比情况下，依然能够保证高性能：输出电流连续且纹波小、二阶控制模型且没有右半平面零点效应，主功率开关管应力低。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种宽电压范围升压变换拓扑，在现有HE-boost拓扑基础上进行改进发明，该新拓扑HEG-boost能够适应2倍以上的升压比。本发明具体通过如下技术方案实现：
一种宽电压范围升压变换拓扑，所述升压变换拓扑包括耦合电感L、变压器T、主功率开关管Q1和Q2、二极管D1、D2、D3、D4和D5；其中，耦合电感L由两个紧耦合绕制的绕组L1和L2组成，变压器T由四个紧耦合绕制的绕组T1、T2、T3和T4组成；
所述升压变换拓扑的输入端分别与L1的同名端、L2的异名端相连，L1的异名端分别与绕组T3的同名端、T4的异名端相连，L2的同名端与而二极管D1的正极相连；所述输入端还分别与绕组T1的异名端、T2的同名端相连，T1的同名端与二极管D2的正极相连，T2的异名端与二极管D3的正极相连，T3的同名端与二极管D4的正极相连，T4的异名端与二极管D5的正极相连，二极管D1、D2、D3、D4和D5的负极均与所述升压变换拓扑的输出端相连；主功率开关管Q1的漏极与二极管D5的正极相连、源极接地、栅极输入第一驱动控制信号，Q2的漏极与二极管D4的正极相连、源极接地、栅极输入第二驱动控制信号。
作为本发明的进一步改进，所述二极管D1、D2、D3为大电流能力的功率二极管；所述二极管D4、D5为小电流能力的功率二极管。
作为本发明的进一步改进，所述第一驱动控制信号和第二驱动控制信号的工作频率相同，占空比＜50％，且相位相差180°。
作为本发明的进一步改进，所述变压器T和耦合电感L的各绕组匝比满足：
Figure BDA0003227227860000021
作为本发明的进一步改进，通过调节匝比N＞1，使得所述升压拓扑的升压比达到2倍以上。
作为本发明的进一步改进，所述升压拓扑的电压变换公式为：
Vout＝Vin·(N·D+1)-VD，
其中，Vin为所述升压拓扑的输入电压，Vout为所述升压拓扑的输出电压，VD为二极管(D1、D2、D3)的正向导通压降。
本发明的有益效果是：本发明的新拓扑能够适应2倍以上的升压比，同时保留HE-boost拓扑原有的优点：1)输出电流连续且纹波小；2)二阶控制模型且没有右半平面零点效应等；3)主功率开关管应力低；4)效率高。
附图说明
图1是Weinberg拓扑示意图；
图2是HE-boost拓扑示意图；
图3是本发明所提出HEG-boost拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图3所示，为本发明提出的HEG-boost拓扑结构示意图。该拓扑由耦合电感L(由绕组L1和L2组成，两个绕组紧耦合绕制)、变压器T(由绕组T1、T2、T3和T4组成，四个绕组紧耦合绕制)、主功率开关管(Q1和Q2)、大功率二极管(D1、D2和D3)，小功率二极管(D4和D5)组成。
其中，输入端分别与L1的同名端、L2的异名端相连，L1的异名端分别与绕组T3的同名端、T4的异名端相连，L2的同名端与而二极管D1的正极相连；输入端还分别与绕组T1的异名端、T2的同名端相连，T1的同名端与二极管D2的正极相连，T2的异名端与二极管D3的正极相连，T3的同名端与二极管D4的正极相连，T4的异名端与二极管D5的正极相连，二极管D1、D2、D3、D4和D5的负极均与输出端相连；主功率开关管Q1的漏极与二极管D5的正极相连、源极接地、栅极输入第一驱动控制信号PWM1，Q2的漏极与二极管D4的正极相连、源极接地、栅极输入第二驱动控制信号PWM2。
输出电流主要流过功率二极管D1、D2、D3，因此需采用大电流能力的功率二极管。D4、D5仅在两个MOS管Q1、Q2均关闭情况下流过耦合电感L和变压器T的漏电流，因此仅需小电流能力的功率二极管即可。PWM1和PWM2分别为Q1和Q2的驱动信号，这两个驱动信号的工作频率相同，占空比＜50％，且相位相差180°(即工作在完全互补的状态)。
为保证本发明的HEG-boost拓扑的输出电流连续，变压器T(由绕组T1、T2、T3和T4组成，四个绕组紧耦合)和耦合电感L的匝比满足关系(2)。
通过调节匝比N＞1，可以使得该拓扑的升压比达到2倍以上。
Figure BDA0003227227860000031
HEG-boost拓扑工作过程中，耦合电感L的磁通量连续，在主功率开关管Q1或Q2有1个开通时，绕组L1充电且流过该绕组的电流增大，电流增大值记为△i↑，绕组L2被D1截止；当两个主功率开关管Q1或Q2均关断时，绕组L1截止，绕组L2续流向Vout充电且流过该绕组的电流降低，电流降低值记为△i↓。如下式(3)所示，为耦合电感L的伏秒平衡关系式。
Figure BDA0003227227860000041
上式中：L为绕组L1的电感量。VD为大功率二极管(D1、D2和D3)的正向导通压降。
推导公式(3)，HEG-boost拓扑的电压变换公式如式(4)所示：
Vout＝Vin·(N·D+1)-VD (4)
现有技术缺陷是没法在实现2倍以上升压比情况下，依然能够保证高性能：输出电流连续且纹波小、二阶控制模型且没有右半平面零点效应，主功率开关管应力低。
本发明效果：在现有HE-boost拓扑基础上进行改进，发明了一种新的功率拓扑HEG-boost，该新拓扑HEG-boost能够适应2倍以上的升压比，同时保留HE-boost拓扑原有的优点：1)输出电流连续且纹波小；2)二阶控制模型且没有右半平面零点效应；3)主功率开关管应力低；4)效率高等优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种宽电压范围升压变换拓扑，其特征在于：所述升压变换拓扑包括耦合电感L、变压器T、主功率开关管Q1和Q2、二极管D1、D2、D3、D4和D5；其中，耦合电感L由两个紧耦合绕制的绕组L1和L2组成，变压器T由四个紧耦合绕制的绕组T1、T2、T3和T4组成；所述升压变换拓扑的输入端分别与L1的同名端、L2的异名端相连，L1的异名端分别与绕组T3的同名端、T4的异名端相连，L2的同名端与而二极管D1的正极相连；所述输入端还分别与绕组T1的异名端、T2的同名端相连，T1的同名端与二极管D2的正极相连，T2的异名端与二极管D3的正极相连，T3的同名端与二极管D4的正极相连，T4的异名端与二极管D5的正极相连，二极管D1、D2、D3、D4和D5的负极均与所述升压变换拓扑的输出端相连；主功率开关管Q1的漏极与二极管D5的正极相连、源极接地、栅极输入第一驱动控制信号，Q2的漏极与二极管D4的正极相连、源极接地、栅极输入第二驱动控制信号。
2.根据权利要求1所述的宽电压范围升压变换拓扑，其特征在于，所述二极管D1、D2、D3为大电流能力的功率二极管；所述二极管D4、D5为小电流能力的功率二极管。
3.根据权利要求1所述的宽电压范围升压变换拓扑，其特征在于，所述第一驱动控制信号和第二驱动控制信号的工作频率相同，占空比＜50％，且相位相差180°。
4.根据权利要求1所述的宽电压范围升压变换拓扑，其特征在于，所述变压器T和耦合电感L的各绕组匝比满足：
Figure FDA0003227227850000011
5.根据权利要求4所述的宽电压范围升压变换拓扑，其特征在于，通过调节匝比N＞1，使得所述升压拓扑的升压比达到2倍以上。
6.根据权利要求4所述的宽电压范围升压变换拓扑，其特征在于，所述升压拓扑的电压变换公式为：
Vout＝Vin·(N·D+1)-VD
其中，Vin为所述升压拓扑的输入电压，Vout为所述升压拓扑的输出电压，VD为二极管(D1、D2、D3)的正向导通压降。
CN202110978159.0A 2021-08-24 2021-08-24 一种宽电压范围升压变换拓扑 Active CN113839557B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110978159.0A CN113839557B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种宽电压范围升压变换拓扑

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110978159.0A CN113839557B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种宽电压范围升压变换拓扑

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113839557A true CN113839557A (zh) 2021-12-24
CN113839557B CN113839557B (zh) 2024-04-09

Family

ID=78961181

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110978159.0A Active CN113839557B (zh) 2021-08-24 2021-08-24 一种宽电压范围升压变换拓扑

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113839557B (zh)

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI239136B (en) * 2004-04-23 2005-09-01 Wai Zheng Zhong High-efficiency high-boost-ratio dc/dc converter with reduced peak switch voltage stress
CN203233309U (zh) * 2013-05-19 2013-10-09 高龙 三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器
CN105262336A (zh) * 2015-11-06 2016-01-20 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种无右半平面零点两相交错磁集成boost 变换器
CN105553266A (zh) * 2016-01-22 2016-05-04 江苏大学 一种交错并联高增益Boost变换电路及其工作方法
CN107404232A (zh) * 2017-06-23 2017-11-28 深圳市航天新源科技有限公司 一种双向dc‑dc变换器
WO2018077230A1 (zh) * 2016-10-27 2018-05-03 深圳市优优绿能电气有限公司 一种输出高压llc谐振变换器
CN108683332A (zh) * 2018-07-25 2018-10-19 安徽工业大学 一种高增益、宽占空比控制Boost变换器
CN109327136A (zh) * 2018-11-29 2019-02-12 青岛理工大学 一种基于耦合绕组单元的三电平升压型直流变换拓扑
CN109713901A (zh) * 2019-01-10 2019-05-03 江苏工程职业技术学院 一种Boost端耦合电感式升降压变换电路及控制方法
CN208820683U (zh) * 2018-09-25 2019-05-03 河北科技大学 燃料电池用交错并联dc-dc变换器
CN110445365A (zh) * 2019-07-29 2019-11-12 南京理工大学 采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器
CN111211679A (zh) * 2020-02-18 2020-05-29 中国科学院电工研究所 空间用大功率高变比高压直流变换器及光伏发电系统
CN210724563U (zh) * 2019-11-01 2020-06-09 青岛理工大学 一种tγ新型升压dc-dc直流变换器拓扑
CN111371315A (zh) * 2020-04-14 2020-07-03 福州大学 一种零输入电流纹波高增益dc-dc变换器
CN111786566A (zh) * 2020-07-24 2020-10-16 深圳市飞优雀新能源科技有限公司 用于充电桩宽电压范围输出的控制电路
CN112613258A (zh) * 2020-12-15 2021-04-06 天津大学 一种耦合系数可调的耦合电感设计方法

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI239136B (en) * 2004-04-23 2005-09-01 Wai Zheng Zhong High-efficiency high-boost-ratio dc/dc converter with reduced peak switch voltage stress
CN203233309U (zh) * 2013-05-19 2013-10-09 高龙 三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器
CN105262336A (zh) * 2015-11-06 2016-01-20 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种无右半平面零点两相交错磁集成boost 变换器
CN105553266A (zh) * 2016-01-22 2016-05-04 江苏大学 一种交错并联高增益Boost变换电路及其工作方法
WO2018077230A1 (zh) * 2016-10-27 2018-05-03 深圳市优优绿能电气有限公司 一种输出高压llc谐振变换器
CN107404232A (zh) * 2017-06-23 2017-11-28 深圳市航天新源科技有限公司 一种双向dc‑dc变换器
CN108683332A (zh) * 2018-07-25 2018-10-19 安徽工业大学 一种高增益、宽占空比控制Boost变换器
CN208820683U (zh) * 2018-09-25 2019-05-03 河北科技大学 燃料电池用交错并联dc-dc变换器
CN109327136A (zh) * 2018-11-29 2019-02-12 青岛理工大学 一种基于耦合绕组单元的三电平升压型直流变换拓扑
CN109713901A (zh) * 2019-01-10 2019-05-03 江苏工程职业技术学院 一种Boost端耦合电感式升降压变换电路及控制方法
CN110445365A (zh) * 2019-07-29 2019-11-12 南京理工大学 采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器
CN210724563U (zh) * 2019-11-01 2020-06-09 青岛理工大学 一种tγ新型升压dc-dc直流变换器拓扑
CN111211679A (zh) * 2020-02-18 2020-05-29 中国科学院电工研究所 空间用大功率高变比高压直流变换器及光伏发电系统
CN111371315A (zh) * 2020-04-14 2020-07-03 福州大学 一种零输入电流纹波高增益dc-dc变换器
CN111786566A (zh) * 2020-07-24 2020-10-16 深圳市飞优雀新能源科技有限公司 用于充电桩宽电压范围输出的控制电路
CN112613258A (zh) * 2020-12-15 2021-04-06 天津大学 一种耦合系数可调的耦合电感设计方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
施凯敏等: "应用于电推进系统的宽输入电压范围高压电源研究", 电路与系统, vol. 47, no. 3, pages 91 - 96 *
陆益文: "考虑非理想因素的PCU模块变换器分析与建模", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, no. 03, pages 031 - 581 *
陆益文: "考虑非理想因素的PCU模块变换器分析与建模", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑, no. 03 *
陆益文: "考虑非理想因素的PCU模块变换器分析与建模", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑, no. 03 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113839557B (zh) 2024-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110932557B (zh) 一种基于倍压整流电路的高增益准谐振dc-dc变换器
CN110890842A (zh) 宽电压增益低电流纹波双向谐振变换器及控制方法
CN110165895B (zh) 一种实现宽增益fb-hb llc谐振变换器电路结构和控制方法
CN110798073A (zh) 一种宽电压范围输出电流馈电变换器
CN111431415B (zh) 一种并联输入串联输出的高升压隔离型直流变换器
CN111525809B (zh) 一种输出电压可调的高频混合型直流变换器
CN112511003B (zh) 一种双向dc/dc变换器及其控制方法
CN109494989B (zh) 一种小功率电压补偿组合式dc/dc变换器电路及其工作方法
Zhang et al. A dual coupled inductors-based high step-up/step-down bidirectional dc-dc converter for energy storage system
CN104283419A (zh) 一种带有开关电容和耦合电感的二次型高增益升压变换器
CN111342664A (zh) 一种集成dc-dc变换器及其控制方法
CN113541486B (zh) 交错二极管电容网络高增益zvt直流变换器及辅助电路
CN110829837A (zh) 一种低电压应力ZVS高增益Boost变换器
Xu et al. A high step up SEPIC-based partial-power converter with wide input range
CN113839557B (zh) 一种宽电压范围升压变换拓扑
CN113890375B (zh) 一种双极性输出的双向llc谐振变换器拓扑
CN113131742B (zh) 宽电压输入四管Buck-Boost电路
CN114142729A (zh) 一种含耦合电感的交错高降压比变换器
CN209982343U (zh) 一种实现宽增益fb-hb llc谐振变换器电路结构
JP3934654B2 (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ
Cong et al. A 140W 97%-efficiency 4MHz two-phase buck converter with quasi-square-wave ZVS scheme
CN111525798A (zh) 一种三绕组高变比零纹波双向dc/dc变换器
Sato et al. Novel switching control method for full-bridge dc-dc converters for improving light-load efficiency using reverse recovery current
CN216721182U (zh) 一种隔离型双向dc/dc变换电路
CN114844365B (zh) 带耦合电感和开关电容的ipos型高变比软开关变流器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant