CN113890339A - 一种多输入高可靠性电容电流一致型Buck-boost DC-DC变换器 - Google Patents

一种多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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Abstract

一种多输入高可靠性电容电流一致型Buck‑boost DC‑DC变换器，该变换器包含一个基本buck变换器，n个扩展单元。每个扩展单元由两个电感，两个电容，二极管，一个功率开关所构成，通过调节扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益。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，扩展单元电路中任意一个功率开关损坏时，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，多输入且可靠性要求高的应用场合。

Description

一种多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，具体涉及一种多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。目前多输入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多输入升降压DC/DC变换器具有重要意义。
发明内容
为解决现有非隔离型多输入高增益DC-DC变换器可靠性不高的问题。本发明基于基本 Buck-Boost变换器而提出一种多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的个数，即可实现对变换器输入输出增益。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；其电路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、多输入且可靠性要求高的应用场合。
本发明采取的技术方案为：
一种多输入高可靠性电容电流一致型buck-boost DC-DC变换器，该变化器包括：基本Buck-Boost变换器、n个拓展单元；
基本Buck-Boost变换器包含电感L1，电容C1，功率开关S1，二极管D1；直流输入源uin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、直流输入源uin负极，直流输入源uin负极连接接地端；
n个拓展单元中：
第1个拓展单元包含电感L21、L22，电容C21、C22，二极管D2，功率开关S2；
功率开关S2漏极连接直流输入源uin正极，功率开关S2源极分别连接电感L21一端、电容 C21一端，电感L21另一端连接接地端，电容C21另一端分别连接电感L22一端、二极管D2阴极，二极管D2连接电容C22一端，电容C22另一端连接电感L22另一端；
第2个拓展单元包含电感L31、L32，两个电容C31、C32，二极管D3，功率开关S3；
功率开关S3漏极连接直流输入源uin正极，功率开关S3源极分别连接电感L31一端、电容 C31一端，电感L31另一端连接接地端，电容C31另一端分别连接电感L32一端、二极管D3阴极，二极管D3连接电容C32一端，电容C32另一端连接电感L32另一端；
......依次类推，
第n个拓展单元包含电感Ln+1,1、Ln+1,2，电容Cn+1,1、Cn+1,2，二极管Dn+1，功率开关Sn+1；
功率开关Sn+1漏极连接直流输入源uin正极，功率开关Sn+1源极分别连接电感Ln+1,1一端、电容Cn+1,1一端，电感Ln+1,1另一端连接接地端，电容Cn+1,1另一端分别连接电感Ln+1,2一端、二极管Dn+1阴极，二极管Dn+1连接电容Cn+1,2一端，电容Cn+1,2另一端连接电感Ln+1,2另一端；
基本Buck-Boost变换器中的电容C1另一端连接第1个拓展单元中电容的C22一端，第n 个拓展单元的连接关系如下：
第1个拓展单元中的电容C22另一端连接第2个拓展单元中的电容C32一端，第2个拓展单元中的电容C32另一端连接第3个拓展单元中的电容C42一端，.....依次类推，第n-1个拓展单元中的电容Cn2连接第n个扩展单元中电容Cn+1,2一端；
负载R一端连接电容C1一端，负载R另一端连接电容Cn+1,2另一端。
所述功率开关S1、功率开关S2、S3.....Sn+1的栅极均连接其控制器，其占空比可以在0至 1之间变化，当功率开关S2、S3.....Sn+1中的任意一个损坏时，整个电路可继续正常工作。
本发明一种多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。电感电流连续导通时，具体如下：
电压输入输出增益
Figure BDA0003241913760000031
开关管的电压应力为：
Figure BDA0003241913760000032
二极管的电压应力为：
Figure BDA0003241913760000033
各输出电容上的电压：
Figure BDA0003241913760000034
其中：D为占空比。
2)功率开关S2、S3.....Sn+1中的任意一个损坏时，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是本发明扩展单元数为2时的电路拓扑图。
图4是本发明扩展单元数为2时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，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，扩展单元数为2，D＝0.6时,开关管S3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为2时的电路拓扑图：
一种多输入高可靠性电容电流一致型buck-boost DC-DC变换器，该变化器包括：基本 Buck-Boost变换器、n个拓展单元；
基本Buck-Boost变换器包含电感L1，电容C1，功率开关S1，二极管D1；直流输入源uin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、直流输入源uin负极，直流输入源uin负极连接接地端；
2个拓展单元中：
第1个拓展单元包含电感L21、L22，电容C21、C22，二极管D2，功率开关S2；
功率开关S2漏极连接直流输入源uin正极，功率开关S2源极分别连接电感L21一端、电容 C21一端，电感L21另一端连接接地端，电容C21另一端分别连接电感L22一端、二极管D2阴极，二极管D2连接电容C22一端，电容C22另一端连接电感L22另一端；
第2个拓展单元包含电感L31、L32，两个电容C31、C32，二极管D3，功率开关S3；
功率开关S3漏极连接直流输入源uin正极，功率开关S3源极分别连接电感L31一端、电容 C31一端，电感L31另一端连接接地端，电容C31另一端分别连接电感L32一端、二极管D3阴极，二极管D3连接电容C32一端，电容C32另一端连接电感L32另一端。
基本Buck-Boost变换器中的电容C1另一端连接第1个拓展单元中电容的C22一端，第n 个拓展单元的连接关系如下：
第1个拓展单元中的电容C22另一端连接第2个拓展单元中的电容C32一端。
负载R的一端与基本buck-boost电路中二级管D1的阳极与电容C1一端相连的交点相连，负载R的另一端与第2个扩展单元中电容C32的另一端与电感L32另一端相连的交点相连。
功率开关S1、S2及S3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、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。
在拓展单元数等于2时，且所有电感电流连续导通时，根据功率开关的不同，可以将电路分为2种工作状态：
(1)：功率开关S1、S2及S3导通，二极管D1、D2、D3均关断。电感L1、L21、L22、L31、 L31端电压如下式所示：
Figure BDA0003241913760000041
(2)：功率开关S1、S2及S3关断，二极管D1、D2、D3均开通。电感L1、L21、L22、L31、L31端电压如下式所示：
Figure BDA0003241913760000051
根据接在功率开关S1、S2及S3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 BDA0003241913760000052
图4是本发明扩展单元数为2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3倍。
图5是本发明本发明输入电压30V，扩展单元数为2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，扩展单元数为2时，D＝0.6时，开关管S3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)

1.一种多输入高可靠性电容电流一致型buck-boost DC-DC变换器，其特征在于该变化器包括：基本Buck-Boost变换器、n个拓展单元；
基本Buck-Boost变换器包含电感L1，电容C1，功率开关S1，二极管D1；直流输入源uin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、直流输入源uin负极，直流输入源uin负极连接接地端；
n个拓展单元中：
第1个拓展单元包含电感L21、L22，电容C21、C22，二极管D2，功率开关S2；
功率开关S2漏极连接直流输入源uin正极，功率开关S2源极分别连接电感L21一端、电容C21一端，电感L21另一端连接接地端，电容C21另一端分别连接电感L22一端、二极管D2阴极，二极管D2连接电容C22一端，电容C22另一端连接电感L22另一端；
第2个拓展单元包含电感L31、L32，两个电容C31、C32，二极管D3，功率开关S3；
功率开关S3漏极连接直流输入源uin正极，功率开关S3源极分别连接电感L31一端、电容C31一端，电感L31另一端连接接地端，电容C31另一端分别连接电感L32一端、二极管D3阴极，二极管D3连接电容C32一端，电容C32另一端连接电感L32另一端；
......依次类推，
第n个拓展单元包含电感Ln+1,1、Ln+1,2，电容Cn+1,1、Cn+1,2，二极管Dn+1，功率开关Sn+1；
功率开关Sn+1漏极连接直流输入源uin正极，功率开关Sn+1源极分别连接电感Ln+1,1一端、电容Cn+1,1一端，电感Ln+1,1另一端连接接地端，电容Cn+1,1另一端分别连接电感Ln+1,2一端、二极管Dn+1阴极，二极管Dn+1连接电容Cn+1,2一端，电容Cn+1,2另一端连接电感Ln+1,2另一端；
基本Buck-Boost变换器中的电容C1另一端连接第1个拓展单元中电容的C22一端，第n个拓展单元的连接关系如下：
第1个拓展单元中的电容C22另一端连接第2个拓展单元中的电容C32一端，第2个拓展单元中的电容C32另一端连接第3个拓展单元中的电容C42一端，.....依次类推，第n-1个拓展单元中的电容Cn2连接第n个扩展单元中电容Cn+1,2一端；
负载R一端连接电容C1一端，负载R另一端连接电容Cn+1,2另一端。
2.根据权利要求1所述一种多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、功率开关S2、S3.....Sn+1的栅极均连接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当功率开关S2、S3.....Sn+1中的任意一个损坏时，整个电路可继续正常工作。
3.一种多输入高可靠性电容电流一致型buck-boost DC-DC变换器，其特征在于该变化器包括：基本Buck-Boost变换器、2个拓展单元；
基本Buck-Boost变换器包含电感L1，电容C1，功率开关S1，二极管D1；直流输入源uin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、直流输入源uin负极，直流输入源uin负极连接接地端；
2个拓展单元中：
第1个拓展单元包含电感L21、L22，电容C21、C22，二极管D2，功率开关S2；
功率开关S2漏极连接直流输入源uin正极，功率开关S2源极分别连接电感L21一端、电容C21一端，电感L21另一端连接接地端，电容C21另一端分别连接电感L22一端、二极管D2阴极，二极管D2连接电容C22一端，电容C22另一端连接电感L22另一端；
第2个拓展单元包含电感L31、L32，两个电容C31、C32，二极管D3，功率开关S3；
功率开关S3漏极连接直流输入源uin正极，功率开关S3源极分别连接电感L31一端、电容C31一端，电感L31另一端连接接地端，电容C31另一端分别连接电感L32一端、二极管D3阴极，二极管D3连接电容C32一端，电容C32另一端连接电感L32另一端；
基本Buck-Boost变换器中的电容C1另一端连接第1个拓展单元中电容的C22一端，第n个拓展单元的连接关系如下：
第1个拓展单元中的电容C22另一端连接第2个拓展单元中的电容C32一端。
4.根据权利要求3所述一种多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：拓展单元等于2时，在电感电流连续导通时，根据功率开关的不同，可以将电路分为2种工作状态：
(1)：功率开关S1、S2及S3导通，二极管D1、D2、D3均关断；电感L1、L21、L22、L31、L31端电压如下式所示：
Figure FDA0003241913750000031
(2)：功率开关S1、S2及S3关断，二极管D1、D2、D3均开通；电感L1、L21、L22、L31、L31端电压如下式所示：
Figure FDA0003241913750000032
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Application publication date: 20220104

Assignee: Nanjing Chixun Electric Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980049857

Denomination of invention: A Multi input High Reliability Capacitive Current Consistent Buck boost DC-DC Converter

Granted publication date: 20231027

License type: Common License

Record date: 20231206