CN114448235A - 一种适用于小压差功率变换的新型dc-dc电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于小压差功率变换的新型DC‑DC电路，属于电力电子技术领域。包括输入侧电容、四端网络、并联网络和输出侧电容。其中四端网络的主控开关与第一二极管以及四端网络和并联网络中第二二极管和第三二极管同步关断且在开关动作上互补，且当主控开关与第一二极管导通时，电路中的电感根据输入输出端形成的压差存储能量，当第二二极管和第三二极管导通时，则释放该能量。本发明提供的DC‑DC电路与其他类似DC‑DC变换器相比，在同等输入电压和同等输出电压的情况下，可以工作在相对较小的占比空下，从而降低变换电路的导通损耗，提升电路整体的变换效率。

Description

一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路。

背景技术

近年来商用储能装置和家用储能装置的应用越来越广泛。这些储能装置一方面可以为用户储存电能，比如储存来自光伏发电的多余电量，另一方面也可以为电力系统提供服务，比如通过放电来卖电给电网。然而，用户侧的储能装置，尤其是家用储能装置，其容量一般都很小。这种情况下，诸如光伏阵列的一次可再生能源的输出电压与储能电池组的电压之间的压差一般不大。这就要求它们之间的DC-DC转换器能够在小压差功率变换的情况下，具有较高的变换效率。在小压差功率变换应用中，经典的Buck变换电路通常工作在大占空比情况下，此时整个电路的变换效率相对较低。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在解决现有小压差功率变换应用中，经典的Buck变换电路通常工作在大占空比情况下，整个电路的变换效率相对较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，包括输入侧电容、四端网络、并联网络和输出侧电容；

输入侧电容、四端网络和并联网络依次级联组合，输出侧电容与四端网络以及并联网络级联组合；

四端网络包括主控开关、第一二极管、第二二极管和第一电感；

并联网络包括第三二极管、第二电感和第二电容；

主控开关和第一二极管同步通断，第二二极管和第三二极管同步通断，主控开关、第一二极管和第二二极管、第三二极管在开关动作上互补；

主控开关和第一二极管导通时，第一电感和第二电感基于输入侧电容两端输入电压和输出侧电容两端输出电压的压差存储能量；

第二二极管和第三二极管导通时，第一电感和第二电感释放存储的能量。

进一步的，四端网络的电路结构具体为：

主控开关的源极分别与第一二极管的阳极、第一电感的一端和第二二极管的阴极相连接。

进一步的，输入侧电容与四端网络级联组合的具体方式为：

输入侧电容的正极与主控开关的漏极连接，输入侧电容的负极与第二二极管的阳极连接。

进一步的，输入侧电容包括一个定值电容或多个并联组合的定值电容。

进一步的，并联网络的电路结构具体为：

第三二极管的阴极与第二电感的一端连接，第三二极管的阳极与第二电容的正极连接。

进一步的，四端网络和并联网络级联组合的具体方式为：

第三二极管的阳极与第一电感的另一端连接，第三二极管的阴极与第一二极管的阴极连接。

进一步的，输出侧电容与四端网络以及并联网络级联组合的具体方式为：

输出侧电容的正极与第二电感的另一端以及第二电容的负极连接，输出侧电容的负极与第二二极管的阳极连接。

进一步的，输出侧电容包括一个定值电容或多个并联组合的定值电容。

进一步的，主控开关具体为：

金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管和智能功率模块中任意一种单体开关器件或多单体组合型开关器件。

进一步的，第一二极管、第二二极管和第三二极管均由硅材质或碳化硅材质制成。

综上，本发明提供了一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，包括输入侧电容、四端网络、并联网络和输出侧电容。其中四端网络的主控开关与第一二极管以及四端网络和并联网络中第二二极管和第三二极管同步关断且在开关动作上互补，且当主控开关与第一二极管导通时，电路中的电感根据输入输出端形成的压差存储能量，当第二二极管和第三二极管导通时，则释放该能量。本发明提供的DC-DC电路与其他类似DC-DC变换器相比，在同等输入电压和同等输出电压的情况下，可以工作在相对较小的占比空下，从而降低变换电路的导通损耗，提升电路整体的变换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路的电路结构图。

附图中：C1-第一电容，S-主控开关，D1-第一二极管，D2-第二二极管，D3-第三二极管，L1-第一电感，L2-第二电感，C2-第二电容，C3-第三电容。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

近年来商用储能装置和家用储能装置的应用越来越广泛。这些储能装置一方面可以为用户储存电能，比如储存来自光伏发电的多余电量，另一方面也可以为电力系统提供服务，比如通过放电来卖电给电网。然而，用户侧的储能装置，尤其是家用储能装置，其容量一般都很小。这种情况下，诸如光伏阵列的一次可再生能源的输出电压与储能电池组的电压之间的压差一般不大。这就要求它们之间的DC-DC转换器能够在小压差功率变换的情况下，具有较高的变换效率。在小压差功率变换应用中，经典的Buck变换电路通常工作在大占空比情况下，此时整个电路的变换效率相对较低。

基于此，本发明提供了一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路。

以下是对本发明的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路的实施例进行的详细介绍。

请参阅图1，本发明提供了一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，包括：输入侧电容、四端网络、并联网络和输出侧电容。

在本实施例中，输入侧电容、四端网络和并联网络依次级联组合，输出侧电容与四端网络以及并联网络级联组合。其中，四端网络包括主控开关S、第一二极管D1、第二二极管D2和第一电感L1。并联网络包括第三二极管D3、第二电感L2和第二电容C2。

在本实施例中，主控开关S和第一二极管D1同步通断，第二二极管D2和第三二极管D3同步通断，主控开关S、第一二极管D1和第二二极管D2、第三二极管D3在开关动作上互补。

需要说明的是，在开关动作上互补是指当主控开关S、第一二极管D1同步导通时，第二二极管D2、第三二极管D3同步关断；反之，当主控开关S、第一二极管D1同步关断时，第二二极管D2、第三二极管D3同步导通。

具体的，四端网络的电路结构可以设计为主控开关S的源极分别与第一二极管D1的阳极、第一电感L1的一端和第二二极管D2的阴极相连接。并联网络的电路结构可以设计为第三二极管D3的阴极与第二电感L2的一端连接，第三二极管D3的阳极与第二电容C2的正极连接。四端网络和并联网络级联组合的具体方式为第三二极管D3的阳极与第一电感L1的另一端连接，第三二极管D3的阴极与第一二极管D1的阴极连接。主控开关S可以为可以是金氧半场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和智能功率模块(IPM)等单体开关器件或多单体组合型开关器件。各个二极管的材质可以是硅材质或碳化硅材质。开关器件的材质可以是硅材质或氮化镓材质或碳化硅材质。寄生体二极管Ds的阳极和阴极分别与主控开关S的源极和漏极连接。

基于上述设计，当主控开关S的门极接收到开通信号时，从电路原理上，第一二极管D1也会同时导通。当主控开关S的门极接收到关断信号时，从电路原理上，第一二极管D1也会反向偏置而关断。另外，当第二二极管D2导通时，第三二极管D3也应处于导通状态；第二二极管D2关断时，第三二极管D3也会关断。

在本实施例中，输入侧电容与四端网络级联组合的具体方式为输入侧电容的正极与主控开关S的漏极连接，输入侧电容的负极与第二二极管D2的阳极连接。输入侧电容包括一个定值电容(如第一电容C1)或多个并联组合的定值电容。输入侧电容的两端接入输入电压。

在本实施例中，输出侧电容与四端网络以及并联网络级联组合的具体方式为输出侧电容的正极与第二电感L2的另一端以及第二电容C2的负极连接，输出侧电容的负极与第二二极管D2的阳极连接。输出侧电容包括一个定值电容(如第三电容C3)或多个并联组合的定值电容。输出侧电容的两端为输出电压。

在本实施例中，主控开关S和第一二极管D1导通时，第一电感L1和第二电感L2基于输入侧电容两端输入电压和输出侧电容两端输出电压的压差存储能量；第二二极管D2和第三二极管D3导通时，第一电感L1和第二电感L2释放存储的能量。

当主控开关S的门极接收到开通信号时，主控开关S和第一二极管D1导通，第二二极管D2和第三二极管D3关断。此时电路存在两个电气回路。第一是VIN、C1、S、D1、L2、C3、VOUT组成一个电气回路。VIN与VOUT的压差作用于L2，L2储存能量，同时给C3和输出VOUT供电。第二，VIN、C1、S、L1、C2、VOUT组成一个电气回路，VIN与VOUT以及C2电压之间的压差作用于L1，L1储存能量，同时给C3和输出VOUT供电。

当主控开关S的门极接收到关断信号时，主控开关S和第一二极管D1关断，第二二极管D2和第三二极D3管导通。此时电路中的电气回路为：D2、L1、D3与L2串联再与C2，C3并联。L1、L2将储存的能量提供给输出VOUT。

本实施例提供了一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，包括输入侧电容、四端网络、并联网络和输出侧电容。其中四端网络的主控开关与第一二极管以及四端网络和并联网络中第二二极管和第三二极管同步关断且在开关动作上互补，且当主控开关与第一二极管导通时，电路中的电感根据输入输出端形成的压差存储能量，当第二二极管和第三二极管导通时，则释放该能量。本发明提供的DC-DC电路在相同占空比情况下，与其他类似DC-DC变换器相比，该新型变换器具有更大的电压增益。也就是说与其他类似DC-DC变换器相比，在同等输入电压和同等输出电压的情况下，可以工作在相对较小的占比空下，流过电路中各个元件的电流有效值得以降低，从而降低变换电路的导通损耗，提升电路整体的变换效率。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，包括：输入侧电容、四端网络、并联网络和输出侧电容；

所述输入侧电容、所述四端网络和所述并联网络依次级联组合，所述输出侧电容与所述四端网络以及所述并联网络级联组合；

所述四端网络包括主控开关、第一二极管、第二二极管和第一电感；

所述并联网络包括第三二极管、第二电感和第二电容；

所述主控开关和所述第一二极管同步通断，所述第二二极管和所述第三二极管同步通断，所述主控开关、所述第一二极管和所述第二二极管、第三二极管在开关动作上互补；

所述主控开关和所述第一二极管导通时，所述第一电感和所述第二电感基于所述输入侧电容两端输入电压和所述输出侧电容两端输出电压的压差存储能量；

所述第二二极管和所述第三二极管导通时，所述第一电感和所述第二电感释放存储的所述能量。

2.根据权利要求1所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述四端网络的电路结构具体为：

所述主控开关的源极分别与所述第一二极管的阳极、第一电感的一端和所述第二二极管的阴极相连接。

3.根据权利要求2所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述输入侧电容与所述四端网络级联组合的具体方式为：

所述输入侧电容的正极与所述主控开关的漏极连接，所述输入侧电容的负极与所述第二二极管的阳极连接。

4.根据权利要求3所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述输入侧电容包括一个定值电容或多个并联组合的定值电容。

5.根据权利要求2所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述并联网络的电路结构具体为：

所述第三二极管的阴极与所述第二电感的一端连接，所述第三二极管的阳极与第二电容的正极连接。

6.根据权利要求5所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述四端网络和所述并联网络级联组合的具体方式为：

所述第三二极管的阳极与所述第一电感的另一端连接，所述第三二极管的阴极与所述第一二极管的阴极连接。

7.根据权利要求5所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述输出侧电容与所述四端网络以及所述并联网络级联组合的具体方式为：

所述输出侧电容的正极与所述第二电感的另一端以及所述第二电容的负极连接，所述输出侧电容的负极与所述第二二极管的阳极连接。

8.根据权利要求7所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述输出侧电容包括一个定值电容或多个并联组合的定值电容。

9.根据权利要求1所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述主控开关具体为：

金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管和智能功率模块中任意一种单体开关器件或多单体组合型开关器件。

10.根据权利要求1所述的一种适用于小压差功率变换的新型DC-DC电路，其特征在于，所述第一二极管、第二二极管和第三二极管均由硅材质或碳化硅材质制成。

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