CN114301282A - 一种基于耦合电感的高增益dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合电感的高增益DC‑DC变换器，包括并联的boost升压电路和电压倍增电路：boost升压电路包括电感L、箝位电路、开关管S和电容C₂，电感L的一端与电源V_g的正极相连，电感L的另一端与箝位电路相连，箝位电路分别与开关管S的漏极、电容C₂的阳极、电压倍增电路相连，开关管S的源极和电容C₂的阴极分别与电源V_g的负极相连；电压倍增电路的输出端之间依次串联有二极管D₄和输出电容C_o，输出电容C_o的两端用于并联负载R_L且为负载R_L供电。该变换器能够实现更高增益的同时降低电路的损耗，具有输入电流连续、避免损害电源以及方便实现最大功率点跟踪(MPPT)、开关管和二极管的电压应力低的优点。

Description

一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器。

背景技术

DC-DC转换器是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，一个优秀的变换器需要具备高电压增益、低开关电压应力和高效率转换的特点。对于传统的隔离型DC-DC变换器，如反激变换器、半桥变换器、全桥变换器来说，为达到高电压增益，需要将变压器匝比和开关管的占空比加大，然而大的匝比会导致漏感变大，从而使得变换器的效率降低且体积变大，另外，大的占空比还会引起开关管的导通损耗增加，进一步加剧变换器的损耗。

在光伏发电和燃料电池应用中，对输入输出的电气隔离并不是必要的，因此传统的boost变换器可以成为一种选择，因为该变换器结构简单，损耗低，然而要实现高增益的情况下，需要将占空比增大，这样同样导致开关管导通损耗增加，输出二极管的反向恢复损耗增大，此外还会产生大的电磁干扰和大的输入电流纹波。开关管的电压应力和输出电压应力相同，输出电压越高，开关管的耐压等级就需要越高，伴随而来的则是大的导通电阻，进一步增加开关管的导通损耗。

为了解决以上问题，开关电容(SC)和开关电感(SL)变换器相应被提出，这些变换器可以在小占空比情况下实现高电压增益，但是开关电容变换器中的半导体器件的电流应力太高，开关电感变换器中的半导体器件的电压应力太高，这些都将使得系统的转换效率降低。为了解决以上问题，耦合电感变换器相继被提出，耦合电感变换器具备吸收漏感能量的特点，可以通过调整匝比和占空比来实现高电压增益，通过匝比合理选择，可以避免出现极限占空比的使用。但是，现有的耦合电感变换器使用器件多、电路的损耗高导致变换器的工作效率也低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，使其在合理的耦合电感的匝比的情况下，选择适当的占空比，能够获得较高的电压增益，同时电路结构中使用器件较少、工作效率高、故障率低、实际应用也行之有效。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，包括并联的boost升压电路和电压倍增电路：

所述boost升压电路包括电感L、箝位电路、开关管S和电容C₂，所述电感L的一端与电源V_g的正极相连，所述电感L的另一端与箝位电路相连，所述箝位电路分别与开关管S的漏极、电容C₂的阳极、电压倍增电路相连，开关管S的源极和电容C₂的阴极分别与电源V_g的负极相连；

所述电压倍增电路的输出端之间依次串联有二极管D₄和输出电容C_o，所述输出电容C_o的两端用于并联负载R_L且为负载R_L供电。

优选，所述箝位电路包括电容C₁、二极管D₁、耦合电感原边N_p、励磁电感L_m和电感L_k，所述电容C₁的阴极与电感L相连，所述电容C₁和电感L的公共端分别与二极管D₁的阳极、开关管S的漏极相连，所述二极管D₁的阴极分别与电容C₂的阳极、电感L_k的一端相连，电感L_k的另一端和耦合电感原边N_p的同名端相连，耦合电感原边N_p的异名端与电容C₁的阳极相连，所述励磁电感L_m与耦合电感原边N_p并联。

优选，所述电压倍增电路包括耦合电感副边N_s、二极管D₂、二极管D₃、电容C₃和电容C₄，所述耦合电感副边N_s的同名端与电容C₁的阳极相连，耦合电感副边N_s的异名端分别与二极管D₃的阳极、电容C₃的阳极相连，所述二极管D₃的阴极分别与二极管D₄的阳极、电容C₄的阳极相连，电容C₃的阴极与二极管D₂的阳极相连，二极管D₂的阴极与电源V_g的负极相连，电容C₄的阴极与二极管D₁的阴极相连。

优选，所述二极管D₄的阴极与电容C_o的阳极相连，电容C_o的阴极与二极管D₂的阳极相连。

优选，所述电容C_o、C₁、C₂、C₃和C₄均为电解电容。

优选，所述开关管S为N沟道增强型MOS场效应管。

优选，所述开关管S的占空比D取值为0.38-0.43。

优选，耦合电感的原副边的耦合系数k取值为0.16-0.2。

本发明的有益效果是：

本发明的DC-DC变换器是一款主要基于Sepic的带耦合电感的高增益变换器，该变换器能够实现更高增益的同时降低电路的损耗，开关管包含箝位回路，能够吸收漏感能量。具有高电压增益、输入电流连续、避免损害电源以及方便实现最大功率点跟踪(MPPT)、开关管和二极管的电压应力低等诸多优点，在提高系统的转换效率的同时降低系统的制作成本，漏感能量能够被回收利用可进一步提高系统的效率，在小的占空比的情况下实现高电压增益。

附图说明

图1是本发明基于耦合电感的高增益DC-DC变换器电路原理示意图；

图2是本发明开关管导通时的等效电路示意图；

图3是本发明开关管关断时的等效电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明与现有的DC-DC升压变换器电路拓扑结构相比，利用改进后的新型耦合电感单元，通过调节耦合电感绕组的匝数比，避免了极限占空比的出现，实现了小占空比条件下获得高升压增益的理想目的，利用设计的耦合电感绕组的连接方式，减少了电路的电压应力，减少了电磁干扰、增加了电路结构的可靠性。且本发明的DC-DC变换器拓扑结构整体设计合理、使用安全、操作简单，具有较大的应用潜力，使用的器件较少、设计成本低，减少了器件损耗，提高了电路的工作效率，基本上达到了设计要求的理想效果。具体结构如图1所示，一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，包括并联的boost升压电路(Boost stage)和电压倍增电路(voltage multiplier cell，VMC)。

所述boost升压电路包括电感L、箝位电路(clamp circuit，也称钳位电路)、开关管S和电容C₂，所述电感L的一端与电源V_g的正极相连，所述电感L的另一端与箝位电路相连，所述箝位电路分别与开关管S的漏极、电容C₂的阳极、电压倍增电路相连，开关管S的源极和电容C₂的阴极分别与电源V_g的负极相连。

所述电压倍增电路的输出端之间依次串联有二极管D₄和输出电容C_o，所述输出电容C_o的两端用于并联负载R_L且为负载R_L供电。

箝位电路是将脉冲信号波形的某一部分固定在一个选定的电平上，而使原信号其余部分的波形形状保持不变的电路。箝位电路可以使失去直流分量的脉冲信号恢复直流成分，故又称直流恢复器。本发明中，优选，所述箝位电路包括电容C₁、二极管D₁、耦合电感原边N_p、励磁电感L_m和电感L_k，所述电容C₁的阴极与电感L相连，所述电容C₁和电感L的公共端分别与二极管D₁的阳极、开关管S的漏极相连，所述二极管D₁的阴极分别与电容C₂的阳极、电感L_k的一端相连，电感L_k的另一端和耦合电感原边N_p的同名端相连，耦合电感原边N_p的异名端与电容C₁的阳极相连，所述励磁电感L_m与耦合电感原边N_p并联。

电压倍增电路是能使输出电压为基发电压的多倍并为辅助对称输出器提供稳定偏置电压的电路，本发明中，优选，所述电压倍增电路包括耦合电感副边N_s、二极管D₂、二极管D₃、电容C₃和电容C₄，所述耦合电感副边N_s的同名端与电容C₁的阳极相连，耦合电感副边N_s的异名端分别与二极管D₃的阳极、电容C₃的阳极相连，所述二极管D₃的阴极分别与二极管D₄的阳极、电容C₄的阳极相连，电容C₃的阴极与二极管D₂的阳极相连，二极管D₂的阴极与电源V_g的负极相连，电容C₄的阴极与二极管D₁的阴极相连。本发明通过耦合电感的独特链接方式且结合电压倍增电路模块，使得电路具有高的升压能力，变换器中的开关管和输出二极管D₄的电压应力较低，使得变换器的整体效率可以得到较大提高。

优选，所述二极管D₄的阴极与电容C_o的阳极相连，电容C_o的阴极与二极管D₂的阳极相连。

图1中，所述电容C_o、C₁、C₂、C₃和C₄均为电解电容，所述开关管S为N沟道增强型MOS场效应管，本发明通过控制开关管的导通或者关断实现变换器中的储能元件的储能或者放能，通过调节耦合电感绕组的匝数比，避免了极限占空比的出现，实现了小占空比条件下获得高升压增益的理想目的，利用设计的耦合电感绕组的连接方式，减少了电路的电压应力，减少了电磁干扰、增加了电路结构的可靠性。开关管导通和关断时电路的不同工作状态分别如图2和图3所示：

开关管导通时，如图2所示，电源V_g给电感L充电，电容C₂上存储的能量通过开关S释放到励磁电感L_m和电容C₁上。电容C₂、C₃、C₄串联通过开关管S将能量释放到输出电容C_o和负载R_L上，由基尔霍夫电压定律可以得到如下方程：

V_L-II＝V_g (1)

V_Lm-II＝V_C2-V_C1 (2)

V_NS-II＝V_C1-V_C2-V_C3-V_C4+V_O (3)

式中，V_L-II，V_Lm-II,V_NS-II分别是开关管S导通时电感L、励磁电感L_m和副边电感N_S的电压，V_O是输出电压，V_C1、V_C2、V_C3和V_C4分别是电容C₁-C₄的电压。

耦合电感原副边电压关系为：

V_NS-II＝knV_Lm-II (4)

式中，k是耦合电感的耦合系数，其表达式为k＝L_m/(L_m+L_k)，n为匝数，L_m为原边电感，L_k为副边电感，优选，耦合电感的原副边的耦合系数k取值为0.16-0.2。

当开关管关断的时候，如图3所示，电源V_g和电感L通过二极管D₁将能量输送到电容C₂上。电容C₁上存储的能量通过L_m、L_k、V_g和L传输给电容C₂。励磁电感上存储的能量通过励磁电感上存储的能量通过D₂、D₃、V_g、L、C₁、N_S传输给C₃和C₄，负载则由输出电容Co供电。由基尔霍夫电压定律可得：

V_L-V＝V_g-V_C2 (5)

V_Lm-V＝-V_C1 (6)

V_NS-V＝V_C1+V_C2-V_C3 (7)

V_C3＝V_C2+V_C4 (8)

式中，V_L-V,V_Lm-V,V_NS-V分别是电感L，励磁电感L_m,副边电感N_S在开关管关断时的电压。

耦合电感原副边的电压关系为：

V_NS-V＝knV_Lm-V (9)

联立公式(1)-(9)可以解出变换器的输出电压增益M为：

式中，D为开关管S的占空比，优选，所述开关管S的占空比D取值为0.38-0.43。

假设耦合电感没有漏感，即原副边的耦合系数k＝1，则变换器的理想电压增益为：

本实施例的直流变换拓扑与传统的变换拓扑相比，升压增益高，特别需要注意的是，当设计要求输出电压转换为输入电压的10倍以上时，如果根据传统回流拓扑的升压增益的表达式Vo＝V_g/(1-D)来计算，当达到设计要求的10倍升压增益，此时要求的占空比D必须达到0.9，众所周知此时电路的开关管将处于极限状态下，这样会很容易影响整个电路的工作效率，增加器件损坏的概率，最终影响整个电路的升压转换效率。

而在本实施方式中，根据电路电压关系的分析，发明中涉及的一种新型高增益DC-DC变换器拓扑的输出、输入电压关系式B为：

从输出、输入电压关系会中可以得到，如果设计要求电路结构能够得到10倍的升压增益时，只需要合理的调节耦合电感绕组之间匝数比关系就可以得到理想的升压倍数，而且随着耦合电感绕组的匝数比的增加，占空比D也会有所降低，优先取值为0.38-0.43。所以当设计要求得到很高的升压倍数时，避免了极限占空比情况的出现、减少了器件的开关损耗、降低器件损坏的概率、使得变换器拓扑的安全性、可靠性得到了进一步的提高，从而整体上提高了电路的工作效率。

本发明在输入、输出电压满足升压增益以及变换器功率在300W的测试条件下进行测试，整个电路的整体工作效率可以达到96％左右，基本满足设计要求。上述分析和实验结果表明，本实施例的一种新型高增益DC-DC变换器拓扑具有提升电压转换比的能力，并且由于耦合电感的独特设计，可以有效的减少器件的电压应力，极大地减少损耗，提高电路结构的整体工作效率，非常适应于直流升压提升设备中。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，其特征在于，包括并联的boost升压电路和电压倍增电路：

所述boost升压电路包括电感L、箝位电路、开关管S和电容C₂，所述电感L的一端与电源V_g的正极相连，所述电感L的另一端与箝位电路相连，所述箝位电路分别与开关管S的漏极、电容C₂的阳极、电压倍增电路相连，开关管S的源极和电容C₂的阴极分别与电源V_g的负极相连；

所述电压倍增电路的输出端之间依次串联有二极管D₄和输出电容C_o，所述输出电容C_o的两端用于并联负载R_L且为负载R_L供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述箝位电路包括电容C₁、二极管D₁、耦合电感原边N_p、励磁电感L_m和电感L_k，所述电容C₁的阴极与电感L相连，所述电容C₁和电感L的公共端分别与二极管D₁的阳极、开关管S的漏极相连，所述二极管D₁的阴极分别与电容C₂的阳极、电感L_k的一端相连，电感L_k的另一端和耦合电感原边N_p的同名端相连，耦合电感原边N_p的异名端与电容C₁的阳极相连，所述励磁电感L_m与耦合电感原边N_p并联。

3.根据权利要求2所述的一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述电压倍增电路包括耦合电感副边N_s、二极管D₂、二极管D₃、电容C₃和电容C₄，所述耦合电感副边N_s的同名端与电容C₁的阳极相连，耦合电感副边N_s的异名端分别与二极管D₃的阳极、电容C₃的阳极相连，所述二极管D₃的阴极分别与二极管D₄的阳极、电容C₄的阳极相连，电容C₃的阴极与二极管D₂的阳极相连，二极管D₂的阴极与电源V_g的负极相连，电容C₄的阴极与二极管D₁的阴极相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述二极管D₄的阴极与电容C_o的阳极相连，电容C_o的阴极与二极管D₂的阳极相连。

5.根据权利要求3所述的一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述电容C_o、C₁、C₂、C₃和C₄均为电解电容。

6.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述开关管S为N沟道增强型MOS场效应管。

7.根据权利要求6所述的一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述开关管S的占空比D取值为0.38-0.43。

8.根据权利要求2所述的一种基于耦合电感的高增益DC-DC变换器，其特征在于，耦合电感的原副边的耦合系数k取值为0.16-0.2。

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