CN113890338A - 一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器 - Google Patents

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

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CN113890338A CN202111022170.6A CN202111022170A CN113890338A CN 113890338 A CN113890338 A CN 113890338A CN 202111022170 A CN202111022170 A CN 202111022170A CN 113890338 A CN113890338 A CN 113890338A
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Abstract

一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck‑Boost DC‑DC变换器，该变换器包含两个直流输入源，一个基本Buck‑Boost变换器，一个输入单元，m个正向扩展单元，n个反向电压扩展单元。正向、反向扩展单元由一个电感、两个电容及一个二极管所构成，通过调节正向、反向扩展单元的个数，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。

Description

一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变 换器
技术领域
本发明涉及一种DC-DC变换器，具体涉及一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-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。目前双输入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双输入升降压DC/DC变换器具有重要意义。
发明内容
为解决现有非隔离型双输入高增益DC-DC变换器可靠性不高的问题，本发明基于基本Buck-Boost变换器而提出一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器，该变换器由基本Buck-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以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：
一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器，该变换器包括：基本Buck-Boost变换器，输入单元，m个正向扩展单元，n个负向扩展单元；
所述基本Buck-Boost变换器包括电感L1，电容C1，功率开关S1，二极管D1；
第一直流输入源uin1正极连接功率开关S1漏极，功率开关S1源极分别连接电感L1一端、二极管D1阴极，二极管D1阳极连接电容C1一端，电容C1另一端分别连接电感L1另一端、第一直流输入源uin1负极；
所述输入单元包括电感L2、L3，电容C2、C3，功率开关S2，二极管D2；
第二直流输入源uin2正极连接功率开关S2漏极，功率开关S2源极分别连接电感L2一端、电容C2一端，电容C2另一端分别连接电感L3一端、二极管D2阴极，二极管D2阳极连接电容C3一端，电容C3另一端连接电感L3另一端；第二直流输入源uin2负极、电感L2另一端均连接第一直流输入源uin1负极；
m个正向扩展单元中：
第1个正向扩展单元包含电感LM11，二极管DM11，电容CM11、CM12；其中，电容CM11的另一端分别连接电感LM11一端、二极管DM11阴极，二极管DM11阳极连接电容CM12一端，电容CM12另一端连接电感LM11另一端；
第2个正向扩展单元包含电感LM21，二极管DM21，电容CM21、CM22；其中，电容CM21的另一端分别连接电感LM21一端、二极管DM21阴极，二极管DM21阳极连接电容CM22一端，电容CM22另一端连接电感LM21另一端；
……依次类推，第i个正向扩展单元，1<i≤m中；
第i个正向扩展单元包含电感LMi1，二极管DMi1，电容CMi1、CMi2；其中，电容CMi1的另一端分别连接电感LMi1一端、二极管DMi1阴极，二极管DMi1阳极连接电容CMi2一端，电容CMi2另一端连接电感LMi1另一端；
电容CM11一端、电容CM21一端、……电容CMi1一端均连接基本Buck-Boost变换器中的功率开关S1源极；
电容CM12另一端连接基本Buck-Boost变换器中的电容C1一端；
m个正向扩展单元中：电容CM12一端连接电容CM22另一端，电容CM22一端连接电容CM32另一端……依次类推，电容CM(i-1)2一端连接电容CMi2另一端；
n个负向扩展单元中：
第1个负向扩展单元包含电感LN11，二极管DN11，电容CN11、CN12；其中，电容CN11另一端分别连接电感LN11一端、二极管DN11阴极，二极管DN11阳极连接电容CN12一端，电容CN12另一端连接电感LN11另一端；
第2个负向扩展单元包含电感LN21，二极管DN21，电容CN21、CN22；其中，电容CN21另一端分别连接电感LN21一端、二极管DN21阴极，二极管DN21阳极连接电容CN22一端，电容CN22另一端连接电感LN21另一端；
……依次类推，第j个负向扩展单元，1<j≤n中；
第j个负向扩展单元包含电感LNj1，二极管DNj1，电容CNj1、CNj2；其中，电容CNj1另一端分别连接电感LNj1一端、二极管DNj1阴极，二极管DNj1阳极连接电容CNj2一端，电容CNj2另一端连接电感LNj1另一端；
电容CN11一端、电容CN21一端……电容CNj1一端均连接输入单元中的功率开关S2源极；
电容CN12一端连接输入单元中的电容C3另一端；
n个负向扩展单元中：电容CN12另一端连接电容CN22一端，电容CN22另一端连接电容CN32一端……依次类推，电容CN(i-1)2另一端连接电容CNj2另一端；
负载R一端连接第m个正向扩展单元中电容CMm2的一端，负载R另一端连接第n个负向扩展单元中电容CNn2的另一端。
所述功率开关S1、S2的栅极均连接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当开关管S1或者S2损坏时，整个电路可继续正常工作。
本发明扩展单元数m＝1,n＝1时：
一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器，该变换器包括：基本Buck-Boost变换器，输入单元，1个正向扩展单元，1个负向扩展单元；
所述基本Buck-Boost变换器包括电感L1，电容C1，功率开关S1，二极管D1；
第一直流输入源uin1正极连接功率开关S1漏极，功率开关S1源极分别连接电感L1一端、二极管D1阴极，二极管D1阳极连接电容C1一端，电容C1另一端分别连接电感L1另一端、第一直流输入源uin1负极；
所述输入单元包括电感L2、L3，电容C2、C3，功率开关S2，二极管D2；
第二直流输入源uin2正极连接功率开关S2漏极，功率开关S2源极分别连接电感L2一端、电容C2一端，电容C2另一端分别连接电感L3一端、二极管D2阴极，二极管D2阳极连接电容C3一端，电容C3另一端连接电感L3另一端；第二直流输入源uin2负极、电感L2另一端均连接第一直流输入源uin1负极；
1个正向扩展单元包含电感LM11，二极管DM11，电容CM11、CM12；其中，电容CM11的另一端分别连接电感LM11一端、二极管DM11阴极，二极管DM11阳极连接电容CM12一端，电容CM12另一端连接电感LM11另一端；
电容CM11一端连接基本Buck-Boost变换器中的功率开关S1源极；电容CM12另一端连接基本Buck-Boost变换器中的电容C1一端。
1个负向扩展单元包含电感LN11，二极管DN11，电容CN11、CN12；其中，电容CN11另一端分别连接电感LN11一端、二极管DN11阴极，二极管DN11阳极连接电容CN12一端，电容CN12另一端连接电感LN11另一端；
电容CN11一端连接输入单元中的功率开关S2源极；电容CN12一端连接输入单元中的电容C3另一端；
负载R一端连接正向扩展单元中电容CM12的一端，负载R另一端连接负向扩展单元中电容CN12的另一端。
本发明一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-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uin1＝uin2时，最大输入输出增益为：
Figure BDA0003241913880000041
开关管电压应力为：
Figure BDA0003241913880000042
每个输出电容上的电压为：
Figure BDA0003241913880000051
其中：D为占空比，uin1和uin2为输入电压，uo为输出电压，us1和us2为功率开关电压应力，m为同向扩展单元数量，n为反向扩展单元数量，0<i≤m,0≤j≤n。
2)当功率开关S1或者S2损坏时，其余电路可正常工作。
附图说明
图1是本发明电路原理图。
图2是传统Buck-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Buck-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
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＝1,n＝1时的电路拓扑图：
一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器，该变换器包含两个直流输入源，一个基本Buck-Boost变换器，一个输入单元，m个正向扩展单元，n个负向扩展单元；其中：
基本Buck-Boost变换器包含一个电感L1，一个电容C1，一个功率开关S1，一个二极管D1；其连接形式如下：功率开关S1的漏极接直流输入源uin1的正极，功率开关S1的源极分别连接电感L1的一端以及二极管D1的阴极，二极管D1的阳极与电容C1的一端相连，电容C1的另一端和电感L1的另一端与直流输入源uin1的负极相连；
输入单元包含两个电感L2、L3，两个电容C2、C3，一个功率开关S2，一个二极管D2；其连接形式如下：功率开关S2的漏极接直流输入源uin2的正极，功率开关S2的源极分别连接电感L3的一端以及电容C2的一端，电容C2的另一端分别与电感L3的一端以及二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电感L3的另一端相连，电感L2的另一端与直流输入源uin1的负极相连；
正向、反向扩展单元均含有相同的内部结构，以第1个正向扩展单元为例，其含有：一个电感LM11，一个二极管DM11，两个电容CM11、CM12；其中，电容CM11的另一端分别与电感LM11的一端以及二极管DM11的阴极相连，二极管DM11的阳极与电容CM12的一端相连，电容CM12的另一端与电感LM11的另一端相连。
第1个正向扩展单元与基本Buck-Boost变换器之间的连接关系如下：基本Buck-Boost变换器中电感L1的一端与二极管D1的阴极相连的交点与第1个正向扩展单元中电容CM11的一端相连，基本Buck-Boost变换器中二极管D1的阳极与电容C1的一端相连的交点与第1个正向扩展单元中电感LM11的另一端和电容CM12另一端相连的交点相连。
第1个负向扩展单元与输入单元之间的连接关系如下：输入单元中电感L2的一端与电容C2的一端相连的交点与第1个负向扩展单元中电容CN11的一端相连，输入单元中电感L3的另一端与电容C3的另一端相连的交点与第1个负向扩展单元中二极管DN11的阳极和电容CN12一端相连的交点相连。
基本Buck-Boost变换器与输入单元之间的连接关系如下：基本Buck-Boost变换器的直流输入源uin1的负极与输入单元的直流输入源uin2的负极相连，基本Buck-Boost变换器中电容C1的另一端与电感L1的另一端相连的交点与输入单元二极管D2的阳极与电容C3的一端相连的交点相连。
负载R的一端与第1个正向扩展单元中电容CM12的一端与二极管DM11的阳极相连的交点相连，负载R的另一端与第1个负向扩展单元中电容CN12的另一端与电感LN21的另一端相连的交点相连。
功率开关S1和S2的栅极接其控制器，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和S2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。
在电感L1和L3的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为3种工作状态：
(1)：功率开关S1和S2导通，二极管D1、D2、DM11、DN11均关断，此时电感L1、L2、L3、LM11、LN11电容CM11充电，电容C1、C2、C3、CN11、CN12放电；电感L1、L2、L3、L4、LM11、LN11端电压如下式所示：
Figure BDA0003241913880000071
(2)：功率开关S1和S2二极管D1和D2关断，二极管DM11和DN11导通，此时电感L1、L2、L3、LM11、LN11电容C2、CM11放电，电容C1、C3、CM12、CN11、CN12充电；电感L1、L2、L3、LM11、LN11端电压如下式所示：
Figure BDA0003241913880000072
(3)：功率开关S1和S2二极管D2关断，二极管D1、DM11、DN11导通，此时电容C1、C2、C3、CM12、CN12充电，电感L1、L2、L3、LM11、LN11电容CM11放电；电感L1、L2、L3、LM11、LN11端电压如下式所示：
Figure BDA0003241913880000073
(4)：功率开关S1和S2关断，二极管D1、D2、DM11、DN11均导通，此时电容C1、C2、C3、CM12、CN12充电，电感L1、L2、L3、LM11、LN11电容CM11放电；电感L1、L2、L3、LM11、LN11端电压如下式所示：
Figure BDA0003241913880000081
根据连接在功率开关S1和S2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 BDA0003241913880000082
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Buck-Boost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四倍。
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)

1.一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器，其特征在于该变换器包括：基本Buck-Boost变换器，输入单元，m个正向扩展单元，n个负向扩展单元；
所述基本Buck-Boost变换器包括电感L1，电容C1，功率开关S1，二极管D1；
第一直流输入源uin1正极连接功率开关S1漏极，功率开关S1源极分别连接电感L1一端、二极管D1阴极，二极管D1阳极连接电容C1一端，电容C1另一端分别连接电感L1另一端、第一直流输入源uin1负极；
所述输入单元包括电感L2、L3，电容C2、C3，功率开关S2，二极管D2；
第二直流输入源uin2正极连接功率开关S2漏极，功率开关S2源极分别连接电感L2一端、电容C2一端，电容C2另一端分别连接电感L3一端、二极管D2阴极，二极管D2阳极连接电容C3一端，电容C3另一端连接电感L3另一端；第二直流输入源uin2负极、电感L2另一端均连接第一直流输入源uin1负极；
m个正向扩展单元中：
第1个正向扩展单元包含电感LM11，二极管DM11，电容CM11、CM12；其中，电容CM11的另一端分别连接电感LM11一端、二极管DM11阴极，二极管DM11阳极连接电容CM12一端，电容CM12另一端连接电感LM11另一端；
第2个正向扩展单元包含电感LM21，二极管DM21，电容CM21、CM22；其中，电容CM21的另一端分别连接电感LM21一端、二极管DM21阴极，二极管DM21阳极连接电容CM22一端，电容CM22另一端连接电感LM21另一端；
……依次类推，第i个正向扩展单元，1<i≤m中；
第i个正向扩展单元包含电感LMi1，二极管DMi1，电容CMi1、CMi2；其中，电容CMi1的另一端分别连接电感LMi1一端、二极管DMi1阴极，二极管DMi1阳极连接电容CMi2一端，电容CMi2另一端连接电感LMi1另一端；
电容CM11一端、电容CM21一端、……电容CMi1一端均连接基本Buck-Boost变换器中的功率开关S1源极；
电容CM12另一端连接基本Buck-Boost变换器中的电容C1一端；
m个正向扩展单元中：电容CM12一端连接电容CM22另一端，电容CM22一端连接电容CM32另一端……依次类推，电容CM(i-1)2一端连接电容CMi2另一端；
n个负向扩展单元中：
第1个负向扩展单元包含电感LN11，二极管DN11，电容CN11、CN12；其中，电容CN11另一端分别连接电感LN11一端、二极管DN11阴极，二极管DN11阳极连接电容CN12一端，电容CN12另一端连接电感LN11另一端；
第2个负向扩展单元包含电感LN21，二极管DN21，电容CN21、CN22；其中，电容CN21另一端分别连接电感LN21一端、二极管DN21阴极，二极管DN21阳极连接电容CN22一端，电容CN22另一端连接电感LN21另一端；
……依次类推，第j个负向扩展单元，1<j≤n中；
第j个负向扩展单元包含电感LNj1，二极管DNj1，电容CNj1、CNj2；其中，电容CNj1另一端分别连接电感LNj1一端、二极管DNj1阴极，二极管DNj1阳极连接电容CNj2一端，电容CNj2另一端连接电感LNj1另一端；
电容CN11一端、电容CN21一端……电容CNj1一端均连接输入单元中的功率开关S2源极；
电容CN12一端连接输入单元中的电容C3另一端；
n个负向扩展单元中：电容CN12另一端连接电容CN22一端，电容CN22另一端连接电容CN32一端……依次类推，电容CN(i-1)2另一端连接电容CNj2另一端；
负载R一端连接第m个正向扩展单元中电容CMm2的一端，负载R另一端连接第n个负向扩展单元中电容CNn2的另一端。
2.根据权利要求1所述一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器，其特征在于：所述功率开关S1、S2的栅极均连接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当开关管S1或者S2损坏时，整个电路可继续正常工作。
3.一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包括：基本Buck-Boost变换器，输入单元，1个正向扩展单元，1个负向扩展单元；
所述基本Buck-Boost变换器包括电感L1，电容C1，功率开关S1，二极管D1；
第一直流输入源uin1正极连接功率开关S1漏极，功率开关S1源极分别连接电感L1一端、二极管D1阴极，二极管D1阳极连接电容C1一端，电容C1另一端分别连接电感L1另一端、第一直流输入源uin1负极；
所述输入单元包括电感L2、L3，电容C2、C3，功率开关S2，二极管D2；
第二直流输入源uin2正极连接功率开关S2漏极，功率开关S2源极分别连接电感L2一端、电容C2一端，电容C2另一端分别连接电感L3一端、二极管D2阴极，二极管D2阳极连接电容C3一端，电容C3另一端连接电感L3另一端；第二直流输入源uin2负极、电感L2另一端均连接第一直流输入源uin1负极；
1个正向扩展单元包含电感LM11，二极管DM11，电容CM11、CM12；其中，电容CM11的另一端分别连接电感LM11一端、二极管DM11阴极，二极管DM11阳极连接电容CM12一端，电容CM12另一端连接电感LM11另一端；
电容CM11一端连接基本Buck-Boost变换器中的功率开关S1源极；电容CM12另一端连接基本Buck-Boost变换器中的电容C1一端；
1个负向扩展单元包含电感LN11，二极管DN11，电容CN11、CN12；其中，电容CN11另一端分别连接电感LN11一端、二极管DN11阴极，二极管DN11阳极连接电容CN12一端，电容CN12另一端连接电感LN11另一端；
电容CN11一端连接输入单元中的功率开关S2源极；电容CN12一端连接输入单元中的电容C3另一端；
负载R一端连接正向扩展单元中电容CM12的一端，负载R另一端连接负向扩展单元中电容CN12的另一端。
4.根据权利要求3所述一种双输入高可靠性电容电流一致型Buck-Boost DC-DC变换器，其特征在于：扩展单元数m＝1,n＝1时，在电感L1和L2的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为4种工作状态：
(1)：功率开关S1和S2导通，二极管D1、D2、DM11、DN11均关断，此时电感L1、L2、L3、LM11、LN11电容CM11充电，电容C1、C2、C3、CN11、CN12放电；电感L1、L2、L3、L4、LM11、LN11端电压如下式所示：
Figure FDA0003241913870000041
(2)：功率开关S1和S2二极管D1和D2关断，二极管DM11和DN11导通，此时电感L1、L2、L3、LM11、LN11电容C2、CM11放电，电容C1、C3、CM12、CN11、CN12充电；电感L1、L2、L3、LM11、LN11端电压如下式所示：
Figure FDA0003241913870000042
(3)：功率开关S1和S2二极管D2关断，二极管D1、DM11、DN11导通，此时电容C1、C2、C3、CM12、CN12充电，电感L1、L2、L3、LM11、LN11电容CM11放电；电感L1、L2、L3、LM11、LN11端电压如下式所示：
Figure FDA0003241913870000051
(4)：功率开关S1和S2关断，二极管D1、D2、DM11、DN11均导通，此时电容C1、C2、C3、CM12、CN12充电，电感L1、L2、L3、LM11、LN11电容CM11放电；电感L1、L2、L3、LM11、LN11端电压如下式所示：
Figure FDA0003241913870000052
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