CN113965084A - 一种多输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器 - Google Patents

一种多输入高可靠性电容电流一致型Cuk 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个负向电压扩展单元。负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，通过调节负向扩展单元的个数，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电容电流一致型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电容电流一致型CukDC-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电容电流一致型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；在扩展单元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电容电流一致型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个负向电压扩展单元；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的另一端均连接直流输入源uin1的负极；
n个负向电压扩展单元中，
第1个负向电压扩展单元包含电感LN11、LN12，功率开关S2，二极管D2，电容CN11、CN12；其中，电感LN11的一端连接直流输入源uin2的正极，电感LN11的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容CN11的一端，电容CN11的另一端分别连接二极管D2的阳极、电感LN12的一端，电感LN12的另一端连接电容CN12的一端，电容CN12的另一端连接二极管D2的阴极，功率开关S2的源极连接直流输入源uin2的负极；
第2个负向电压扩展单元包含电感LN21、LN22，功率开关S3，二极管D3，电容CN21、CN22；其中，电感LN21的一端连接直流输入源uin3的正极，电感LN21的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容CN21的一端，电容CN21的另一端分别连接二极管D3的阳极、电感LN22的一端，电感LN22的另一端连接电容CN22的一端，电容CN22的另一端连接二极管D3的阴极，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个负向电压扩展单元，1<i≤n中，
第i个负向电压扩展单元包含电感LNi1、LNi2，功率开关Si+1二极管Di+1，电容CNi1、CNi2；其中，电感LNi1的一端连接直流输入源uin(i+1)的正极，电感LNi1的另一端分别连接功率开关Si+1的漏极、电容CNi1的一端，电容CNi1的另一端分别连接二极管Di+1的阳极、电感LNi2的一端，电感LNi2的另一端连接电容CNi2的一端，电容CNi2的另一端连接二极管Di+1的阴极，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个负向电压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的另一端连接第1个负向电压扩展单元中电容CN12的一端；
第1个负向电压扩展单元中的直流输入源uin2的负极连接第2个负向电压扩展单元中的直流输入源uin3的负极，第1个负向电压扩展单元中的电容CN12的另一端连接第2个负向电压扩展单元中的电容CN22的一端；
......依次类推，
第i-1个负向扩展单元中的直流输入源uini的负极连接第i个负向扩展单元中的直流输入源uin(i+1)的负极，第i-1个负向扩展单元中的CN(i-1)，2的另一端连接第i个负向扩展单元中的电容CNi2的一端；
负载R的一端连接基本Cuk变换器中的电容C2的一端，负载R的另一端连接第n个负向扩展单元中电容CNn2的另一端。
所述功率开关S1、S2、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电容电流一致型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个负向电压扩展单元；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的另一端均连接直流输入源uin1的负极；
2个负向电压扩展单元中，
第1个负向电压扩展单元包含电感LN11、LN12，功率开关S2，二极管D2，电容CN11、CN12；其中，电感LN11的一端连接直流输入源uin2的正极，电感LN11的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容CN11的一端，电容CN11的另一端分别连接二极管D2的阳极、电感LN12的一端，电感LN12的另一端连接电容CN12的一端，电容CN12的另一端连接二极管D2的阴极，功率开关S2的源极连接直流输入源uin2的负极；
第2个负向电压扩展单元包含电感LN21、LN22，功率开关S3，二极管D3，电容CN21、CN22；其中，电感LN21的一端连接直流输入源uin3的正极，电感LN21的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容CN21的一端，电容CN21的另一端分别连接二极管D3的阳极、电感LN22的一端，电感LN22的另一端连接电容CN22的一端，电容CN22的另一端连接二极管D3的阴极，功率开关S3的源极连接直流输入源uin3的负极；
负载R的一端连接基本Cuk变换器中的电容C2的一端，负载R的另一端连接第2个负向扩展单元中电容CN22的另一端。
本发明一种多输入高可靠性电容电流一致型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LNj1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 BDA0003298158230000041
开关管电压应力为：
Figure BDA0003298158230000042
每个输出电容上的电压为：
Figure BDA0003298158230000043
其中：D为占空比，us(i)为第i-1个扩展单元开关管电压，uCNi2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是本发明负向扩展单元数为2时的电路拓扑图。
图4是本发明本发明负向扩展单元数为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，负向扩展单元数为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，负向扩展单元数为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所示为本发明负向扩展单元数为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个负向的电压扩展单元；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个负向电压扩展单元包含两个电感LN11、LN12，一个功率开关S2，一个二极管D2，两个电容CN11、CN12；其中，功率开关S2的漏极连接电感LN11的一端，其源极连接直流输入源uin2的负极，电感LN11的另一端与直流输入源uin2的正极相连，电容CN11的一端分别与电感LN11的一端以及二极管D2的阳极相连，电感LN12的另一端与电容CN12的一端相连，二极管D2的阴极连接电容CN12的另一端；
第2个负向电压扩展单元包含两个电感LN21、LN22，一个功率开关S3，一个二极管D3，两个电容CN21、CN22；其中，功率开关S3的漏极连接电感LN21的一端，其源极连接直流输入源uin3的负极，电感LN21的另一端与直流输入源uin3的正极相连，电容CN21的一端分别与电感LN21的一端以及二极管D3的阳极相连，电感LN22的另一端与电容CN22的一端相连，二极管D3的阴极连接电容CN22的另一端；
两个负向扩展单元之间的连接形式如下：
第2个负向扩展单元中电容CN22与第1个负向扩展单元中二极管D2的阴极相连；
第1个负向扩展单元与基本Cuk变换器之间的连接关系如下：
基本Cuk变换器中二极管D1的阴极与第1个负向扩展单元中电感LN12的另一端与电容CN12的一端相连的交点相连。
负载R的一端与基本Cuk变换器中电容C2的一端与电感L2的另一端相连的交点相连，负载R的另一端与第2个负向扩展单元中电容CN22的另一端与二极管D3的阴极相连的交点相连。
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L1、LN11和LN21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L1、L2、LN11、LN12、LN21、LN22及电容C2、CN12、CN22充电，电容C1、CN11、CN21放电；电感L1、L2、LN11、LN12、LN21、LN22端电压如下式所示：
Figure BDA0003298158230000061
(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L1、L2、LN11、LN12、LN21、LN22及电容C2、CN12、CN22放电，电容C1、CN11、CN21充电；电感L1、L2、LN11、LN12、LN21、LN22端电压如下式所示：
Figure BDA0003298158230000062
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 BDA0003298158230000071
图4是本发明负向扩展单元数为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，负向扩展单元数为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，负向扩展单元数为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电容电流一致型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个负向电压扩展单元；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的另一端均连接直流输入源uin1的负极；
n个负向电压扩展单元中，
第1个负向电压扩展单元包含电感LN11、LN12，功率开关S2，二极管D2，电容CN11、CN12；其中，电感LN11的一端连接直流输入源uin2的正极，电感LN11的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容CN11的一端，电容CN11的另一端分别连接二极管D2的阳极、电感LN12的一端，电感LN12的另一端连接电容CN12的一端，电容CN12的另一端连接二极管D2的阴极，功率开关S2的源极连接直流输入源uin2的负极；
第2个负向电压扩展单元包含电感LN21、LN22，功率开关S3，二极管D3，电容CN21、CN22；其中，电感LN21的一端连接直流输入源uin3的正极，电感LN21的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容CN21的一端，电容CN21的另一端分别连接二极管D3的阳极、电感LN22的一端，电感LN22的另一端连接电容CN22的一端，电容CN22的另一端连接二极管D3的阴极，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个负向电压扩展单元，1<i≤n中，第i个负向电压扩展单元包含电感LNi1、LNi2，功率开关Si+1，二极管Di+1，电容CNi1、CNi2；其中，电感LNi1的一端连接直流输入源uin(i+1)的正极，电感LNi1的另一端分别连接功率开关Si+1的漏极、电容CNi1的一端，电容CNi1的另一端分别连接二极管Di+1的阳极、电感LNi2的一端，电感LNi2的另一端连接电容CNi2的一端，电容CNi2的另一端连接二极管Di+1的阴极，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个负向电压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的另一端连接第1个负向电压扩展单元中电容CN12的一端；
第1个负向电压扩展单元中的直流输入源uin2的负极连接第2个负向电压扩展单元中的直流输入源uin3的负极，第1个负向电压扩展单元中的电容CN12的另一端连接第2个负向电压扩展单元中的电容CN22的一端；
......依次类推，
第i-1个负向扩展单元中的直流输入源uini的负极连接第i个负向扩展单元中的直流输入源uin(i+1)的负极，第i-1个负向扩展单元中的CN(i-1)，2的另一端连接第i个负向扩展单元中的电容CNi2的一端；
负载R的一端连接基本Cuk变换器中的电容C2的一端，负载R的另一端连接第n个负向扩展单元中电容CNn2的另一端。
2.根据权利要求1所述一种多输入高可靠性电容电流一致型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电容电流一致型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，2个负向电压扩展单元；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的另一端均连接直流输入源uin1的负极；
2个负向电压扩展单元中，
第1个负向电压扩展单元包含电感LN11、LN12，功率开关S2，二极管D2，电容CN11、CN12；其中，电感LN11的一端连接直流输入源uin2的正极，电感LN11的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容CN11的一端，电容CN11的另一端分别连接二极管D2的阳极、电感LN12的一端，电感LN12的另一端连接电容CN12的一端，电容CN12的另一端连接二极管D2的阴极，功率开关S2的源极连接直流输入源uin2的负极；
第2个负向电压扩展单元包含电感LN21、LN22，功率开关S3，二极管D3，电容CN21、CN22；其中，电感LN21的一端连接直流输入源uin3的正极，电感LN21的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容CN21的一端，电容CN21的另一端分别连接二极管D3的阳极、电感LN22的一端，电感LN22的另一端连接电容CN22的一端，电容CN22的另一端连接二极管D3的阴极，功率开关S3的源极连接直流输入源uin3的负极；
负载R的一端连接基本Cuk变换器中的电容C2的一端，负载R的另一端连接第2个负向扩展单元中电容CN22的另一端。
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Cuk DC-DC变换器，其特征在于：在电感L1、LN11和LN21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L1、L2、LN11、LN12、LN21、LN22及电容C2、CN12、CN22充电，电容C1、CN11、CN21放电；电感L1、L2、LN11、LN12、LN21、LN22端电压如下式所示：
Figure FDA0003298158220000041
(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L1、L2、LN11、LN12、LN21、LN22及电容C2、CN12、CN22放电，电容C1、CN11、CN21充电；电感L1、L2、LN11、LN12、LN21、LN22端电压如下式所示：
Figure FDA0003298158220000042
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 FDA0003298158220000043
CN202111183341.3A 2021-10-11 2021-10-11 一种多输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器 Pending CN113965084A (zh)

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