CN113965079A - 一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器 - Google Patents
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Abstract
一种多输入高可靠性Cuk DC‑DC变换器,该变换器包含n+1个直流输入源,一个基本Cuk变换器,n个正向电压扩展单元。正向扩展单元由一个直流源,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;较适合于输出输入电压与输出电压变化范围比较大,需要多个电源同时供电且可靠性要求高的应用场合。
Description
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Cuk 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,输入电压既可能高于输出电压,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、Zeta、Sepic以及Cuk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基本不具备高增益输出且可靠性较差。因此研究,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。本发明基本Cuk电路提出一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器,该变换器由基本Cuk变换器、输入单元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;较适合于输出输入电压与输出电压变化范围比较大、需要多个电源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:
一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器,该变换器包含n+1个直流输入源,一个基本Cuk变换器,n个正向电压扩展单元;其中:
所述基本Cuk变换器包含电感L1、L2,电容C1、C2,功率开关S1,二极管D1;其中,电感L1的一端连接直流输入源uin1的正极,电感L1的另一端分别连接功率开关S1的漏极、电容C1的一端,电容C1的另一端分别连接二极管D1的阳极、电感L2的一端,电感L2的另一端连接电容C2的一端,功率开关S1的源极、二极管D1的阴极、以及电容C2的另一端连接直流输入源uin1的负极;
n个正向电压扩展单元中:
第1个正向电压扩展单元包含电感LM11、LM12,功率开关S2,二极管D2,电容CM11、CM12;其中,电感LM11的一端连接直流输入源uin2的正极,电感LM11的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容CM11的一端,电容CM11的另一端分别连二极管D2的阳极、电感LM12的一端,电感LM12的另一端连接电容CM12的一端;功率开关S2的源极连接直流输入源uin2的负极;
第2个正向电压扩展单元包含电感LM21、LM22,功率开关S3,二极管D3,电容CM21、CM22;其中,电感LM21的一端连接直流输入源uin3的正极,电感LM21的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容CM21的一端,电容CM21的另一端分别连二极管D3的阳极、电感LM22的一端,电感LM22的另一端连接电容CM22的一端;功率开关S3的源极连接直流输入源uin3的负极;
......依次类推,第i个正向电压扩展单元,1<i≤n中,
第i个正向电压扩展单元包含电感LMi1、LMi2,功率开关Si+1,二极管Di+1,电容CMi1、CMi2;其中,电感LMi1的一端连接直流输入源uin(i+1)的正极,电感LMi1的另一端分别连接功率开关Si+1的漏极、电容CMi1的一端,电容CMi1的另一端分别连二极管Di+1的阳极、电感LMi2的一端,电感LMi2的另一端连接电容CMi2的一端;功率开关Si+1的源极连接直流输入源uin(i+1)的负极;
基本Cuk变换器中的直流输入源uin1的负极连接第1个正向扩展单元中的直流输入源uin2的负极,基本Cuk变换器中的电容C2的一端连接第1个正向扩展单元中的二极管D2的阴极;基本Cuk变换器中的电容C2的另一端连接第1个正向扩展单元中的电容CM12的另一端;
第1个正向扩展单元中的直流输入源uin2的负极连接第2个正向扩展单元中的直流输入源uin3的负极,第1个正向扩展单元中的电容CM12的一端连接第2个正向扩展单元中的二极管D3的阴极;第1个正向扩展单元中的电容CM12的另一端连接第3个正向扩展单元中的电容CM32的另一端;
......依次类推
第i-1个正向扩展单元中的直流输入源uini的负极连接第i个正向扩展单元中的直流输入源uin(i+1)的负极,第i-1个正向扩展单元中的CM(i-1)2的一端连接第i个正向扩展单元中二极管Di+1的阴极;第i-1个正向扩展单元中的CM(i-1)2的另一端连接第i个正向扩展单元中的电容CMi2的另一端;
负载R的一端连接第n个正向扩展单元中电容CMn2的一端,负载R的另一端连接基本Cuk变换器中电容C2的另一端。
所述功率开关S1、S2、S3......Si+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,当扩展单元电路中功率开关S2、S3......Si+1任意一个开关管损坏时,通过闭环控制仍可使整个电路可继续正常工作。
扩展单元数n=2时,本发明一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器,该变换器包含3个直流输入源,一个基本Cuk变换器,3个正向电压扩展单元;其中:
所述基本Cuk变换器包含电感L1、L2,电容C1、C2,功率开关S1,二极管D1;其中,电感L1的一端连接直流输入源uin1的正极,电感L1的另一端分别连接功率开关S1的漏极、电容C1的一端,电容C1的另一端分别连接二极管D1的阳极、电感L2的一端,电感L2的另一端连接电容C2的一端,功率开关S1的源极、二极管D1的阴极、以及电容C2的另一端连接直流输入源uin1的负极;
2个正向电压扩展单元中:
第1个正向电压扩展单元包含电感LM11、LM12,功率开关S2,二极管D2,电容CM11、CM12;其中,电感LM11的一端连接直流输入源uin2的正极,电感LM11的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容CM11的一端,电容CM11的另一端分别连二极管D2的阳极、电感LM12的一端,电感LM12的另一端连接电容CM12的一端;功率开关S2的源极连接直流输入源uin2的负极;
第2个正向电压扩展单元包含电感LM21、LM22,功率开关S3,二极管D3,电容CM21、CM22;其中,电感LM21的一端连接直流输入源uin3的正极,电感LM21的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容CM21的一端,电容CM21的另一端分别连二极管D3的阳极、电感LM22的一端,电感LM22的另一端连接电容CM22的一端;功率开关S3的源极连接直流输入源uin3的负极;
基本Cuk变换器中的直流输入源uin1的负极连接第1个正向扩展单元中的直流输入源uin2的负极,基本Cuk变换器中的电容C2的一端连接第1个正向扩展单元中的二极管D2的阴极;基本Cuk变换器中的电容C2的另一端连接第1个正向扩展单元中的电容CM12的另一端;
第1个正向扩展单元中的直流输入源uin2的负极连接第2个正向扩展单元中的直流输入源uin3的负极,第1个正向扩展单元中的电容CM12的一端连接第2个正向扩展单元中的二极管D3的阴极;
负载R的一端连接第2个正向扩展单元中电容CM22的一端,负载R的另一端连接基本Cuk变换器中电容C2的另一端。
本发明一种多输入高可靠性Cuk 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LMi1的电流连续导通时,具体如下:
2)、当扩展单元电路中功率开关S2、S3......Si+1任意一个开关管损坏时,通过闭环控制仍可使整个电路可继续正常工作。
附图说明
图1是本发明电路原理图。
图2是传统Cuk变换器电路原理图。
图3是本发明正向扩展单元数为2时的电路拓扑图。
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Cuk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,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2所示,为本发明反向扩展单元数为2时的电路拓扑图:
一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器,该变换器包含3个直流输入源,一个基本Cuk变换器,2个正向的电压扩展单元;其中:
基本Cuk变换器包含两个电感L1、L2,两个电容C1、C2,一个功率开关S1,一个二极管D1;其连接形式如下:电感L1接直流输入源uin1的正极,功率开关S1的漏极连接电感L1的一端以及电容C1的一端,电容C1的另一端分别与电感L2的一端以及二极管D1的阳极相连,电感L2的另一端与电容C2的一端相连,功率开关S1的源极、二极管D1的阴极以及电容C2的另一端与直流输入源uin1的负极相连;
第1个正向电压扩展单元包含两个电感LM11、LM12,一个功率开关S2,一个二极管D2,两个电容CM11、CM12;其中,功率开关S2的漏极连接电感LM11的一端,其源极连接直流输入源uin2的负极,电感LM11的另一端与直流输入源uin2的正极相连,电容CM11的一端分别与电感LM11的一端以及二极管D2的阳极相连,电感LM12的另一端与电容CM12的一端相连;
第2个正向电压扩展单元包含两个电感LM21、LM22,一个功率开关S3,一个二极管D3,两个电容CM21、CM22;其中,功率开关S3的漏极连接电感LM21的一端,其源极连接直流输入源uin3的负极,电感LM21的另一端与直流输入源uin3的正极相连,电容CM21的一端分别与电感LM21的一端以及二极管D3的阳极相连,电感LM22的另一端与电容CM22的一端相连;
两个正向扩展单元之间的连接形式如下:
第2个正向扩展单元中二极管D3的阴极与第1个正向扩展单元中电感LM12与电容CM12的交点相连,电容CM22的另一个端点与第1个正向扩展单元中电容CM12的相对应的端点相连,即两个扩展单元的输出端电容的另一端均共线;
第1个正向扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下:
基本Cuk变换器中电感L2的另一端与电容C2的一端相连的交点与第1个正向扩展单元中二极管D2的阴极相连,直流输入源uin1的负极与第1个正向扩展单元中电容CM12的另一端相连。
负载R的一端与第2个正向扩展单元中电容CM22与电感LM22相连的交点相连,负载R的另一端与基本Cuk变换器中电容C2的一端与直流输入源uin1负极相连的交点相连。
功率开关Si的栅极连接控制器,其占空比可以在0至1之间变化。调节占空比即可控制各功率开关的开通关断时间,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L11、L21和L31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2种工作状态:
(1):功率开关S1、S2和S3导通,二极管D1、D2和D3均关断,此时电感LM21、LM22、LM11、LM12、L1、L2及电容CM22、CM12、C2充电,电容CM21、CM11、C1放电;电感LM21、LM22、LM11、LM12、L1、L2端电压如下式所示:
(2):功率开关S1、S2和S3关断,二极管D1、D2和D3均导通,此时电感LM21、LM22、LM11、LM12、L1、L2及电容CM22、CM12、C2放电,电容CM21、CM11、C1充电;电感LM21、LM22、LM11、LM12、L1、L2端电压如下式所示:
根据接在功率开关S1、S2和S3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时的输入输出增益与传统Cuk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,仿真验证了本发明的可行性。
图6是本发明输入电压30V,正向扩展单元数为2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)
1.一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器,其特征在于,该变换器包含n+1个直流输入源,一个基本Cuk变换器,n个正向电压扩展单元;其中:
所述基本Cuk变换器包含电感L1、L2,电容C1、C2,功率开关S1,二极管D1;其中,电感L1的一端连接直流输入源uin1的正极,电感L1的另一端分别连接功率开关S1的漏极、电容C1的一端,电容C1的另一端分别连接二极管D1的阳极、电感L2的一端,电感L2的另一端连接电容C2的一端,功率开关S1的源极、二极管D1的阴极、以及电容C2的另一端连接直流输入源uin1的负极;
n个正向电压扩展单元中:
第1个正向电压扩展单元包含电感LM11、LM12,功率开关S2,二极管D2,电容CM11、CM12;其中,电感LM11的一端连接直流输入源uin2的正极,电感LM11的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容CM11的一端,电容CM11的另一端分别连二极管D2的阳极、电感LM12的一端,电感LM12的另一端连接电容CM12的一端;功率开关S2的源极连接直流输入源uin2的负极;
第2个正向电压扩展单元包含电感LM21、LM22,功率开关S3,二极管D3,电容CM21、CM22;其中,电感LM21的一端连接直流输入源uin3的正极,电感LM21的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容CM21的一端,电容CM21的另一端分别连二极管D3的阳极、电感LM22的一端,电感LM22的另一端连接电容CM22的一端;功率开关S3的源极连接直流输入源uin3的负极;
......依次类推,第i个正向电压扩展单元,1<i≤n中,
第i个正向电压扩展单元包含电感LMi1、LMi2,功率开关Si+1,二极管Di+1,电容CMi1、CMi2;其中,电感LMi1的一端连接直流输入源uin(i+1)的正极,电感LMi1的另一端分别连接功率开关Si+1的漏极、电容CMi1的一端,电容CMi1的另一端分别连二极管Di+1的阳极、电感LMi2的一端,电感LMi2的另一端连接电容CMi2的一端;功率开关Si+1的源极连接直流输入源uin(i+1)的负极;
基本Cuk变换器中的直流输入源uin1的负极连接第1个正向扩展单元中的直流输入源uin2的负极,基本Cuk变换器中的电容C2的一端连接第1个正向扩展单元中的二极管D2的阴极;基本Cuk变换器中的电容C2的另一端连接第1个正向扩展单元中的电容CM12的另一端;
第1个正向扩展单元中的直流输入源uin2的负极连接第2个正向扩展单元中的直流输入源uin3的负极,第1个正向扩展单元中的电容CM12的一端连接第2个正向扩展单元中的二极管D3的阴极;第1个正向扩展单元中的电容CM12的另一端连接第3个正向扩展单元中的电容CM32的另一端;
......依次类推
第i-1个正向扩展单元中的直流输入源uini的负极连接第i个正向扩展单元中的直流输入源uin(i+1)的负极,第i-1个正向扩展单元中的CM(i-1)2的一端连接第i个正向扩展单元中二极管Di+1的阴极;第i-1个正向扩展单元中的CM(i-1)2的另一端连接第i个正向扩展单元中的电容CMi2的另一端;
负载R的一端连接第n个正向扩展单元中电容CMn2的一端,负载R的另一端连接基本Cuk变换器中电容C2的另一端。
2.根据权利要求1所述一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器,其特征在于:所述功率开关S1、S2、S3......Si+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,当扩展单元电路中功率开关S2、S3......Si+1任意一个开关管损坏时,通过闭环控制仍可使整个电路可继续正常工作。
3.一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器,其特征在于:该变换器包含3个直流输入源,一个基本Cuk变换器,3个正向电压扩展单元;其中:
所述基本Cuk变换器包含电感L1、L2,电容C1、C2,功率开关S1,二极管D1;其中,电感L1的一端连接直流输入源uin1的正极,电感L1的另一端分别连接功率开关S1的漏极、电容C1的一端,电容C1的另一端分别连接二极管D1的阳极、电感L2的一端,电感L2的另一端连接电容C2的一端,功率开关S1的源极、二极管D1的阴极、以及电容C2的另一端连接直流输入源uin1的负极;
2个正向电压扩展单元中:
第1个正向电压扩展单元包含电感LM11、LM12,功率开关S2,二极管D2,电容CM11、CM12;其中,电感LM11的一端连接直流输入源uin2的正极,电感LM11的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容CM11的一端,电容CM11的另一端分别连二极管D2的阳极、电感LM12的一端,电感LM12的另一端连接电容CM12的一端;功率开关S2的源极连接直流输入源uin2的负极;
第2个正向电压扩展单元包含电感LM21、LM22,功率开关S3,二极管D3,电容CM21、CM22;其中,电感LM21的一端连接直流输入源uin3的正极,电感LM21的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容CM21的一端,电容CM21的另一端分别连二极管D3的阳极、电感LM22的一端,电感LM22的另一端连接电容CM22的一端;功率开关S3的源极连接直流输入源uin3的负极;
基本Cuk变换器中的直流输入源uin1的负极连接第1个正向扩展单元中的直流输入源uin2的负极,基本Cuk变换器中的电容C2的一端连接第1个正向扩展单元中的二极管D2的阴极;基本Cuk变换器中的电容C2的另一端连接第1个正向扩展单元中的电容CM12的另一端;
第1个正向扩展单元中的直流输入源uin2的负极连接第2个正向扩展单元中的直流输入源uin3的负极,第1个正向扩展单元中的电容CM12的一端连接第2个正向扩展单元中的二极管D3的阴极;
负载R的一端连接第2个正向扩展单元中电容CM22的一端,负载R的另一端连接基本Cuk变换器中电容C2的另一端。
4.根据权利要求3所述一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器,其特征在于:扩展单元数n=2时,在电感L11、L21和L31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2种工作状态:
(1):功率开关S1、S2和S3导通,二极管D1、D2和D3均关断,此时电感LM21、LM22、LM11、LM12、L1、L2及电容CM22、CM12、C2充电,电容CM21、CM11、C1放电;电感LM21、LM22、LM11、LM12、L1、L2端电压如下式所示:
(2):功率开关S1、S2和S3关断,二极管D1、D2和D3均导通,此时电感LM21、LM22、LM11、LM12、L1、L2及电容CM22、CM12、C2放电,电容CM21、CM11、C1充电;电感LM21、LM22、LM11、LM12、L1、L2端电压如下式所示:
根据接在功率开关S1、S2和S3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:
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Citations (3)
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CN109309448A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-02-05 | 三峡大学 | 一种宽输入宽输出Cuk DC-DC变换器 |
CN111431399A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-07-17 | 三峡大学 | 一种新型可扩展Cuk DC-DC变换器 |
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-
2021
- 2021-10-11 CN CN202111181951.XA patent/CN113965079A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116505771A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-07-28 | 深圳市恒运昌真空技术有限公司 | 一种多工作模式的库仑力吸附高压电路 |
CN116505771B (zh) * | 2023-04-28 | 2024-02-02 | 深圳市恒运昌真空技术股份有限公司 | 一种多工作模式的库仑力吸附高压电路 |
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