CN113965085A - 一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器 - Google Patents

一种单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

一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC‑DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个基本Cuk变换器，n个扩展单元。扩展单元单元由两个电感、两个电容、一个二极管及一个开关管所构成，通过调节扩展单元单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益进行调节。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，任意一个开关管损坏时，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、且可靠性要求高的应用场合。

Description

一种单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，具体涉及一种单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。
目前单输入DC-DC变换器输入输出增益的方案多采用基本电路级联构建，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单输入升降压DC/DC变换器具有重要意义。
发明内容
为解决现有非隔离型单输入高增益DC-DC变换器可靠性不高的问题。本发明基于基本Cuk变换器而提出一种单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。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、且可靠性要求高的应用场合。
本发明采取的技术方案为：
一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器，该变换器包含基本Cuk变换器，n个扩展单元；
所述基本Cuk变换器包含电感L11、L12，电容C11、C12，功率开关S1，二极管D1；其中，电感L11的一端连接直流输入源uin的正极，电感L11的另一端分别连接功率开关S1的漏极、电容C11的一端，电容C11的另一端分别连接电感L12的一端、二极管D1的阳极，电感L12的另一端与连接电容C12的一端，功率开关S1的源极、二极管D1的阴极、电容C12的另一端均连接直流输入源uin的负极；
n个扩展单元中：
第1个扩展单元包含电感L21、L22，电容C21、C22，二极管D2，功率开关S2；其中，电感L21的一端连接直流输入源uin的正极，电感L21的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容C21的一端，电容C21的另一端分别连接电感L22的一端、二极管D2的阳极，电感L22的另一端连接电容C22的一端，二极管D2的阴极连接电容C22的另一端，功率开关S2的源极、直流输入源uin的负极均连接接地端；
第2个扩展单元包含电感L31、L32，电容C31、C32，二极管D3，功率开关S3；其中，电感L31的一端连接直流输入源uin的正极，电感L31的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容C31的一端，电容C31的另一端分别连接电感L32的一端、二极管D3的阳极，电感L32的另一端连接电容C32的一端，二极管D3的阴极连接电容C32的另一端，功率开关S3的源极连接接地端；
......依次类推，n个扩展单元中：
第n个扩展单元包含电感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；其中，电感Ln+1,1的一端接直流输入源uin的正极，电感Ln+1,1的另一端分别连接功率开关Sn+1的漏极、电容Cn+1,1的一端，电容Cn+1,1的另一端分别连接电感Ln+1,2的一端、二极管Dn+1的阳极，电感Ln+1,2的另一端连接电容Cn+1,2的一端，二极管Dn+1的阴极连接电容Cn+1,2的另一端，功率开关Sn+1的源极连接接地端；
基本Cuk变换器中的电容C12的另一端连接第1个扩展单元中的电容C22的一端；
n个扩展单元之间的连接关系如下：
第1个扩展单元中的电容C22的另一端连接第2个扩展单元中的电容C32的一端，第2个扩展单元中的电容C32的另一端连接第3个扩展单元中的中的电容C42的一端，......依次类推，第n-1个扩展单元中电容Cn2的另一端连接第n个扩展单元中的容Cn+1,2一端；
负载R的一端连接基本Cuk变换器中的电容C21的一端，负载R的另一端连接第n个扩展单元中的电容Cn+1,2的另一端。
所述功率开关S1、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的任意一个损坏时，整个电路可继续正常工作。
拓展单元数等于2时，本发明一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器，该变换器包含基本Cuk变换器，2个扩展单元；
所述基本Cuk变换器包含电感L11、L12，电容C11、C12，功率开关S1，二极管D1；其中，电感L11的一端连接直流输入源uin的正极，电感L11的另一端分别连接功率开关S1的漏极、电容C11的一端，电容C11的另一端分别连接电感L12的一端、二极管D1的阳极，电感L12的另一端与连接电容C12的一端，功率开关S1的源极、二极管D1的阴极、电容C12的另一端均连接直流输入源uin的负极；
2个扩展单元中：
第1个扩展单元包含电感L21、L22，电容C21、C22，二极管D2，功率开关S2；其中，电感L21的一端连接直流输入源uin的正极，电感L21的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容C21的一端，电容C21的另一端分别连接电感L22的一端、二极管D2的阳极，电感L22的另一端连接电容C22的一端，二极管D2的阴极连接电容C22的另一端，功率开关S2的源极、直流输入源uin的负极均连接接地端；
第2个扩展单元包含电感L31、L32，电容C31、C32，二极管D3，功率开关S3；其中，电感L31的一端连接直流输入源uin的正极，电感L31的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容C31的一端，电容C31的另一端分别连接电感L32的一端、二极管D3的阳极，电感L32的另一端连接电容C32的一端，二极管D3的阴极连接电容C32的另一端，功率开关S3的源极连接接地端；
基本Cuk变换器中的电容C12的另一端连接第1个扩展单元中的电容C22的一端；
第1个扩展单元中的电容C22的另一端连接第2个扩展单元中的电容C32的一端，
负载R的一端连接基本Cuk变换器中的电容C21的一端，负载R的另一端连接第2个扩展单元中的电容C32的另一端。
本发明一种单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。电感电流连续导通时，具体如下：
电压输入输出增益
Figure BDA0003298171120000041
开关管的电压应力为：
Figure BDA0003298171120000042
二极管的电压应力为：
Figure BDA0003298171120000043
各输出电容上的电压：
Figure BDA0003298171120000044
其中D为占空比
2)、功率开关S2、S3......Sn+1中的一个损坏时，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Cuk变换器电路原理图。
图3是本发明类Cuk扩展单元数为2时的电路拓扑图。
图4是本发明类Cuk扩展单元数为2时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，Cuk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，Cuk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所示为本发明类Cuk扩展单元数为2时的电路拓扑图：
一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个基本Cuk变换器，以及2个类似与Cuk变换器的结构单元组成；其中：
基本Cuk变换器包含两个电感L11、L12，两个电容C11、C12，一个功率开关S1，一个二极管D1；其连接形式如下：电感L11的一端接直流输入源uin的正极，电感L11的另一端分别连接功率开关S1的漏极以及电容C11的一端，电容C11的另一端分别与电感L12的一端以及二极管D1的阳极相连，电感L12的另一端与电容C12的一端相连，功率开关S1的源极、二极管D1的阴极以及电容C12的另一端与直流输入源uin的负极相连；
第1个类Cuk单元包含两个电感L21、L22，两个电容C21、C22，一个二极管D2，一个功率开关S2；电感L21的一端接直流输入源uin的正极，电感L21的另一端分别连接功率开关S2的漏极以及电容C21的一端，电容C21的另一端分别与电感L22的一端以及二极管D2的阳极相连，电感L22的另一端与电容C22的一端相连，功率开关S2的源极与直流输入源uin的负极都接地、二极管D2的阴极以及电容C22的另一端相连；
第2个类Cuk单元包含两个电感L31、L32，两个电容C31、C32，一个二极管D3，一个功率开关S3；电感L31的一端接直流输入源uin的正极，电感L31的另一端分别连接功率开关S3的漏极以及电容C31的一端，电容C31的另一端分别与电感L32的一端以及二极管D3的阳极相连，电感L32的另一端与电容C32的一端相连，功率开关S3的源极与直流输入源uin的负极都接地、二极管D3的阴极以及电容C32的另一端相连；
第一个类Cuk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的阴极与电容C12的一端相连的交点与第一个类Cuk增益扩展单元中电感L22和电容C22的交点相连，基本Cuk变换器中直流电源的正极与第一个类Cuk增益扩展单元中电容L21的一端相连；
2个类Cuk扩展单元之间的连接关系如下：
第1个类Cuk增益扩展单元的电感L21的一端连接到第2个类Cuk增益扩展单元的电感L21的一端；第1个类Cuk增益扩展单元中二极管D2的阴极与电容C22的一端相连的交点与第2个类Cuk增益扩展单元中电感L32和电容C32的交点相连相连。
负载R的一端与基本Cuk电路中电感L12与电容C12相连的的交点相连，负载R的另一端与第2个类Cuk扩展单元中电容C32的另一端与二极管D3的阴极相连的交点相连。
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。
在类Cuk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L11、L12、L21、L22、L31、L31端电压如下式所示：
Figure BDA0003298171120000061
(2)：功率开关S1、S2及S3关断，二极管D1、D2、D3均导通。电感L11、L12、L21、L22、L31、L31端电压如下式所示：
Figure BDA0003298171120000062
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 BDA0003298171120000071
图4是本发明类Cuk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3倍。
图5是本发明本发明输入电压30V，类Cuk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，类Cuk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)

1.一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包含基本Cuk变换器，n个扩展单元；
所述基本Cuk变换器包含电感L11、L12，电容C11、C12，功率开关S1，二极管D1；其中，电感L11的一端连接直流输入源uin的正极，电感L11的另一端分别连接功率开关S1的漏极、电容C11的一端，电容C11的另一端分别连接电感L12的一端、二极管D1的阳极，电感L12的另一端与连接电容C12的一端，功率开关S1的源极、二极管D1的阴极、电容C12的另一端均连接直流输入源uin的负极；
n个扩展单元中：
第1个扩展单元包含电感L21、L22，电容C21、C22，二极管D2，功率开关S2；其中，电感L21的一端连接直流输入源uin的正极，电感L21的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容C21的一端，电容C21的另一端分别连接电感L22的一端、二极管D2的阳极，电感L22的另一端连接电容C22的一端，二极管D2的阴极连接电容C22的另一端，功率开关S2的源极、直流输入源uin的负极均连接接地端；
第2个扩展单元包含电感L31、L32，电容C31、C32，二极管D3，功率开关S3；其中，电感L31的一端连接直流输入源uin的正极，电感L31的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容C31的一端，电容C31的另一端分别连接电感L32的一端、二极管D3的阳极，电感L32的另一端连接电容C32的一端，二极管D3的阴极连接电容C32的另一端，功率开关S3的源极连接接地端；
......依次类推，n个扩展单元中：
第n个扩展单元包含电感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；其中，电感Ln+1,1的一端接直流输入源uin的正极，电感Ln+1,1的另一端分别连接功率开关Sn+1的漏极、电容Cn+1,1的一端，电容Cn+1,1的另一端分别连接电感Ln+1,2的一端、二极管Dn+1的阳极，电感Ln+1,2的另一端连接电容Cn+1,2的一端，二极管Dn+1的阴极连接电容Cn+1,2的另一端，功率开关Sn+1的源极连接接地端；
基本Cuk变换器中的电容C12的另一端连接第1个扩展单元中的电容C22的一端；
n个扩展单元之间的连接关系如下：
第1个扩展单元中的电容C22的另一端连接第2个扩展单元中的电容C32的一端，第2个扩展单元中的电容C32的另一端连接第3个扩展单元中的中的电容C42的一端，......依次类推，第n-1个扩展单元中电容Cn2的另一端连接第n个扩展单元中的容Cn+1,2一端；
负载R的一端连接基本Cuk变换器中的电容C21的一端，负载R的另一端连接第n个扩展单元中的电容Cn+1,2的另一端。
2.根据权利要求1所述一种单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......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的任意一个损坏时，整个电路可继续正常工作。
3.一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包含基本Cuk变换器，2个扩展单元；
所述基本Cuk变换器包含电感L11、L12，电容C11、C12，功率开关S1，二极管D1；其中，电感L11的一端连接直流输入源uin的正极，电感L11的另一端分别连接功率开关S1的漏极、电容C11的一端，电容C11的另一端分别连接电感L12的一端、二极管D1的阳极，电感L12的另一端与连接电容C12的一端，功率开关S1的源极、二极管D1的阴极、电容C12的另一端均连接直流输入源uin的负极；
2个扩展单元中：
第1个扩展单元包含电感L21、L22，电容C21、C22，二极管D2，功率开关S2；其中，电感L21的一端连接直流输入源uin的正极，电感L21的另一端分别连接功率开关S2的漏极、电容C21的一端，电容C21的另一端分别连接电感L22的一端、二极管D2的阳极，电感L22的另一端连接电容C22的一端，二极管D2的阴极连接电容C22的另一端，功率开关S2的源极、直流输入源uin的负极均连接接地端；
第2个扩展单元包含电感L31、L32，电容C31、C32，二极管D3，功率开关S3；其中，电感L31的一端连接直流输入源uin的正极，电感L31的另一端分别连接功率开关S3的漏极、电容C31的一端，电容C31的另一端分别连接电感L32的一端、二极管D3的阳极，电感L32的另一端连接电容C32的一端，二极管D3的阴极连接电容C32的另一端，功率开关S3的源极连接接地端；
基本Cuk变换器中的电容C12的另一端连接第1个扩展单元中的电容C22的一端；
第1个扩展单元中的电容C22的另一端连接第2个扩展单元中的电容C32的一端，
负载R的一端连接基本Cuk变换器中的电容C21的一端，负载R的另一端连接第2个扩展单元中的电容C32的另一端。
4.根据权利要求3所述一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器，其特征在于：拓展单元数等于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L11、L12、L21、L22、L31、L31端电压如下式所示：
Figure FDA0003298171110000031
(2)：功率开关S1、S2及S3关断，二极管D1、D2、D3均导通；电感L11、L12、L21、L22、L31、L31端电压如下式所示：
Figure FDA0003298171110000032
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Application publication date: 20220121

Assignee: Nanjing Chixun Electric Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980049857

Denomination of invention: A Single Input High Reliability Capacitive Current Consistent Cuk DC-DC Converter

Granted publication date: 20231027

License type: Common License

Record date: 20231206