CN113965079A - 一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器 - Google Patents

一种多输入高可靠性Cuk DC-DC变换器 Download PDF

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杜伟兮
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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

一种多输入高可靠性Cuk 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：
当uin1＝uin2＝…＝uin(n+1)＝uin时，最大输入输出增益为：
Figure BDA0003297631220000041
开关管电压应力为：
Figure BDA0003297631220000042
每个输出电容上的电压为：
Figure BDA0003297631220000043
其中：D为占空比，us(i)为第i-1个扩展单元开关管电压，
Figure BDA0003297631220000044
为第i个扩展单元单元的输出端电容电压，uin(i)为第i-1个扩展单元的直流输入源电压，n为扩展单元总数，1≤i≤n；
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：
Figure BDA0003297631220000061
(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：
Figure BDA0003297631220000071
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：
Figure BDA0003297631220000072
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：
Figure FDA0003297631210000041
(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：
Figure FDA0003297631210000042
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：
Figure FDA0003297631210000051
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