CN115242093A - 一种高增益的开关直流升压电路 - Google Patents

一种高增益的开关直流升压电路 Download PDF

Info

Publication number
CN115242093A
CN115242093A CN202211149971.3A CN202211149971A CN115242093A CN 115242093 A CN115242093 A CN 115242093A CN 202211149971 A CN202211149971 A CN 202211149971A CN 115242093 A CN115242093 A CN 115242093A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
inductor
booster circuit
capacitor
switching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211149971.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115242093B (zh
Inventor
丁琛洲
刘寻
罗元
姜俊敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chinese University of Hong Kong Shenzhen
Original Assignee
Chinese University of Hong Kong Shenzhen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chinese University of Hong Kong Shenzhen filed Critical Chinese University of Hong Kong Shenzhen
Priority to CN202211149971.3A priority Critical patent/CN115242093B/zh
Publication of CN115242093A publication Critical patent/CN115242093A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115242093B publication Critical patent/CN115242093B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高增益的开关直流升压电路，包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；第一开关S1的第一端连接开关直流升压电路的输入端Vin，第一开关S1的第二端通过第二电感L2连接到开关直流升压电路的输出端Vout；第二开关S2的第一端连接到第一开关S1与直流升压电路的输入端Vin之间，第二开关S2的第二端通过第一电感L1接地；第三开关S3的第一端连接到第二开关S2与第一电感L1之间，第三开关S3的第二端与第四开关S4的第一端连接，第四开关S4的第二端连接到输出端Vout。本发明能够实现相同的充电阶段占比D下输出更高的直流输出电压，从而有效提高开关直流升压电路的增益。

Description

一种高增益的开关直流升压电路
技术领域
本发明涉及直流升压电路，特别是涉及一种高增益的开关直流升压电路。
背景技术
开关直流升压电路是一种将电压较低的直流电转换为电压较高的直流电的电路。传统的开关直流升压电路通过在负载两端并联电容进行稳压，在电感充电阶段将电感接在输入电源和地之间对电感进行充电，此时负载功耗由电容提供，在电感放电阶段将电感接在电源与输出端之间，通过电感向输出端放电，同时为负载电容充电。
设充电阶段占比为D，则输出电压与输入电压的比值为1/(1-D)，若想继续增大输出电压则需要增大充电阶段的时间占比，这意味着需要延长电感的充电阶段时间的占比，但在实际电路中，电感存在寄生电阻，过大的电感电流导致在电感上的功率损耗增大，使传统开关直流升压电路的升压能力有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高增益的开关直流升压电路，能够实现相同的充电阶段占比D下输出更高的直流输出电压，从而有效提高开关直流升压电路的增益。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 一种高增益的开关直流升压电路，包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；
所述第一开关S1的第一端连接开关直流升压电路的输入端Vin，第一开关S1的第二端通过第二电感L2连接到开关直流升压电路的输出端Vout；
所述第二开关S2的第一端连接到第一开关S1与直流升压电路的输入端Vin之间，所述第二开关S2的第二端通过第一电感L1接地；
所述第三开关S3的第一端连接到第二开关S2与第一电感L1之间，第三开关S3的第二端与第四开关S4的第一端连接，所述第四开关S4的第二端连接到开关直流升压电路的输出端Vout；
所述第一电容C1的一端连接到第一开关S1与第二电感L2之间，第一电容C1的另一端连接到第三开关S3与第四开关S4之间；
所述第二电容C2的一端连接到开关直流升压电路的输出端Vout，第二电容C2的另一端接地。
所述第一开关S1、第三开关S3通过开关管驱动信号同步控制，从而保持通断同步。所述第二开关S2、第四开关S4通过开关管驱动信号同步控制，从而保持通断同步。所述第一开关S1、第三开关S3导通时，第二开关S2、第四开关S4截止；所述第一开关S1、第三开关S3截止时，第二开关S2、第四开关S4导通；设第二开关S2、第四开关S4导通的时间占比为D，则第一开关S1、第三开关S3导通的时间占比为1-D。
本发明的有益效果是：本发明能够实现相同的充电阶段占比D下输出更高的直流输出电压，从而有效提高开关直流升压电路的增益。
附图说明
图1为第一阶段的电路原理示意图；
图2为第二阶段的电路原理示意图；
图3为输出电压与输入电压之比的仿真结果示意图；
图4为加入电感寄生电阻后第一阶段和第二阶段的电路原理示意图；
图5为加入电感寄生电阻后输出电压与输入电压之比与占空比的图像关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种高增益的开关直流升压电路，包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；
所述第一开关S1的第一端连接开关直流升压电路的输入端Vin，第一开关S1的第二端通过第二电感L2连接到开关直流升压电路的输出端Vout；
所述第二开关S2的第一端连接到第一开关S1与直流升压电路的输入端Vin之间，所述第二开关S2的第二端通过第一电感L1接地；
所述第三开关S3的第一端连接到第二开关S2与第一电感L1之间，第三开关S3的第二端与第四开关S4的第一端连接，所述第四开关S4的第二端连接到开关直流升压电路的输出端Vout；
所述第一电容C1的一端连接到第一开关S1与第二电感L2之间，第一电容C1的另一端连接到第三开关S3与第四开关S4之间；
所述第二电容C2的一端连接到开关直流升压电路的输出端Vout，第二电容C2的另一端接地。
所述第一开关S1、第三开关S3通过开关管驱动信号同步控制，从而保持通断同步。所述第二开关S2、第四开关S4通过开关管驱动信号同步控制，从而保持通断同步。所述第一开关S1、第三开关S3导通时，第二开关S2、第四开关S4截止；所述第一开关S1、第三开关S3截止时，第二开关S2、第四开关S4导通；设第二开关S2、第四开关S4导通的时间占比为D，则第一开关S1、第三开关S3导通的时间占比为1-D。
传统的开关直流升压电路的输出电压与输入电压比值为
Figure 537274DEST_PATH_IMAGE002
。考虑到实际电路中电感具有电阻，电感上电阻的带来的损耗会使得实际转换的电压与理论计算值有差值，当D越大时差值越大，同时电感电阻与输出电阻的比值越大意味着电路升压能力更弱。提升其升压能力有降低电感和晶体管的电阻和改变电路拓扑两种方式，本发明提出一种新的开关直流升压电路拓扑，该电路的输出电压与输入电压比值为
Figure 533043DEST_PATH_IMAGE004
(1)
可以实现在相同的充电阶段占比D下输出更高的直流输出电压。
具体的，本发明的工作分为两个阶段：
第一个阶段为电感充电阶段：如图1所示：当S2和S4开关管导通时，输入电压Vin通过流过S2开关管的电流为电感L1充电储能，同时S1和S3开关管断开。同时电容C1和电感L2并联，L2两端电压差为C1上的电压。电容C1为L2充电，将电容C1中储存的能量转移到电感L2中。此时输出端通过电容C2放出能量为负载供电。至此第一阶段完成。
第二阶段为电感放电阶段，如图2所示：S1和S3开关管导通，S2和S4开关管断开，此时电感L2接在输入端Vin和输出端Vout之间，输入端Vin的电压小于输出端Vout，但由于电感中的电流不会突然变化，电流仍然从Vin流出并通过电感L2流向Vout为负载供电，同时为电容C2储存能量，在这个过程中，电感L2中存储的能量降低。开关管S1、电容C1、开关管S3和电感L1串联接在输入端Vin和地gnd之间。将电感L1中的能量转移到电容C2之中。
设一个开关周期为T，在一个开关周期中一阶段（图1所示）的时长为DT，第二阶段（图2所示）的时长为（1-D）T。
第一阶段电感L1两端的电压为Vin、第二电感L1两端的电压为Vin-VC1。根据电感伏秒平衡公式
Figure 843938DEST_PATH_IMAGE006
(2)
可推得电容C1两端的平均电压为
Figure 911251DEST_PATH_IMAGE008
(3)
第一阶段电感L2两端的电压为VC1，第二阶段电感L2两端的电压为Vin-Vout。根据电感伏秒平衡公式
Figure 397727DEST_PATH_IMAGE010
(4)
可推得输出电压为
Figure 892294DEST_PATH_IMAGE012
(5)
因此，本发明的输出电压与输入电压转换比与传统直流开关升压变换器的该数值比为
Figure 690486DEST_PATH_IMAGE014
(6)
在D取值范围（0，1）内，该数值始终大于1，本发明的升压能力相比于传统结构均有提升；设第二开关S2、第四开关S4导通的时间占比为D为占空比，本发明与传统直流开关升压变换器中，输出电压与输入电压之比的仿真结果示意图如图3所示，可以看出，在相同占空比下，本申请的升压能力相比于传统结构更大，增益更高；
在本申请的实施例中，考虑电感寄生电阻后，进行如下升压能力的分析：
由于实际电路中的电感是非理想器件，电感的实现通常伴随着寄生电阻的引入，因此实际电路升压能力受电感电阻值的影响，图4为加入电感寄生电阻后的电路图。原电感被替换为电感与电阻RL的串联。同时将负载电阻R引入，将原负载电流表达式ILOAD替换为Vout/R。
伏秒平衡的公式（2）（4）及安秒平衡加入电感寄生电阻后变为：
Figure 295910DEST_PATH_IMAGE016
(7)
Figure 761527DEST_PATH_IMAGE018
(8)
Figure 424065DEST_PATH_IMAGE020
(9)
Figure 584919DEST_PATH_IMAGE022
（10）
合并式（7）（8）（9）（10）消去IL1、IL2、VC1后得到
Figure 853089DEST_PATH_IMAGE024
(11)
传统直流开关升压电路考虑电感寄生电阻时的输出电压与输入电压之比为
Figure 48578DEST_PATH_IMAGE026
(12)
式（11）与式（12）之比为本发明电压转换比
Figure 9581DEST_PATH_IMAGE028
与传统直流开关升压电路转换比
Figure 923310DEST_PATH_IMAGE030
的比值，化简后得
Figure 604959DEST_PATH_IMAGE032
(13)
由于RL为寄生电阻，远小于负载电阻，因此本发明转换比在较大范围内均大于传统直流开关升压电路的转换比；
实际电路输出电压与输入电压之比与占空比的图像关系如图5所示（图5为电感寄生电阻与输出端负载电阻比值为0.001时）。
当D<0.9033 时，本发明的电压转换比高于传统开关升压电路。特别是当D在0.6-0.8时输出电压远大于传统结构，可以获得16的转换比，可以应用于高增益的输出电压场景。在实际电路中，D通常小于0.8。因此在考虑电感电阻的影响下，本发明可以获得最高16的转换比，而传统结构仅能获得5，本发明是传统结构的3.2倍。
在实际电路实现中，占空比D大于0.9是难以实现的，因此传统直流开关升压变换器最大升压能力有限，而本发明可以在开关占空比D在0.6-0.8时即输出很高的输出电压，如图5所示，因此可以应用于高增益的输出电压场景，同时相较于传统的直流开关升压变换器在升压能力上有较大提升。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高增益的开关直流升压电路，其特征在于：包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；
所述第一开关S1的第一端连接开关直流升压电路的输入端Vin，第一开关S1的第二端通过第二电感L2连接到开关直流升压电路的输出端Vout；
所述第二开关S2的第一端连接到第一开关S1与直流升压电路的输入端Vin之间，所述第二开关S2的第二端通过第一电感L1接地；
所述第三开关S3的第一端连接到第二开关S2与第一电感L1之间，第三开关S3的第二端与第四开关S4的第一端连接，所述第四开关S4的第二端连接到开关直流升压电路的输出端Vout；
所述第一电容C1的一端连接到第一开关S1与第二电感L2之间，第一电容C1的另一端连接到第三开关S3与第四开关S4之间；
所述第二电容C2的一端连接到开关直流升压电路的输出端Vout，第二电容C2的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种高增益的开关直流升压电路，其特征在于：所述第一开关S1、第三开关S3通过开关管驱动信号同步控制，从而保持通断同步。
3.根据权利要求2所述的一种高增益的开关直流升压电路，其特征在于：所述第二开关S2、第四开关S4通过开关管驱动信号同步控制，从而保持通断同步。
4.根据权利要求3所述的一种高增益的开关直流升压电路，其特征在于：所述第一开关S1、第三开关S3导通时，第二开关S2、第四开关S4截止；所述第一开关S1、第三开关S3截止时，第二开关S2、第四开关S4导通；
设第二开关S2、第四开关S4导通的时间占比为D，则第一开关S1、第三开关S3导通的时间占比为1-D。
CN202211149971.3A 2022-09-21 2022-09-21 一种高增益的开关直流升压电路 Active CN115242093B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211149971.3A CN115242093B (zh) 2022-09-21 2022-09-21 一种高增益的开关直流升压电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211149971.3A CN115242093B (zh) 2022-09-21 2022-09-21 一种高增益的开关直流升压电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115242093A true CN115242093A (zh) 2022-10-25
CN115242093B CN115242093B (zh) 2023-06-06

Family

ID=83680985

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211149971.3A Active CN115242093B (zh) 2022-09-21 2022-09-21 一种高增益的开关直流升压电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115242093B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10271815A (ja) * 1997-03-25 1998-10-09 Kenzo Watanabe 昇降圧型ｄｃ−ｄｃコンバータ
US6236191B1 (en) * 2000-06-02 2001-05-22 Astec International Limited Zero voltage switching boost topology
CN104578773A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 西安理工大学 一种用于双向dc/dc变换器的软开关电路及控制方法
CN114513125A (zh) * 2022-02-22 2022-05-17 广东志成冠军集团有限公司 单相逆变器及其控制方法、控制系统
CN114583990A (zh) * 2022-05-07 2022-06-03 深圳古瑞瓦特新能源有限公司 宽范围增益的单相逆变器、控制方法及三相逆变器
CN114583952A (zh) * 2022-03-18 2022-06-03 南通大学 一种用于储能系统的双向直流变换器及其控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10271815A (ja) * 1997-03-25 1998-10-09 Kenzo Watanabe 昇降圧型ｄｃ−ｄｃコンバータ
US6236191B1 (en) * 2000-06-02 2001-05-22 Astec International Limited Zero voltage switching boost topology
CN104578773A (zh) * 2014-12-30 2015-04-29 西安理工大学 一种用于双向dc/dc变换器的软开关电路及控制方法
CN114513125A (zh) * 2022-02-22 2022-05-17 广东志成冠军集团有限公司 单相逆变器及其控制方法、控制系统
CN114583952A (zh) * 2022-03-18 2022-06-03 南通大学 一种用于储能系统的双向直流变换器及其控制方法
CN114583990A (zh) * 2022-05-07 2022-06-03 深圳古瑞瓦特新能源有限公司 宽范围增益的单相逆变器、控制方法及三相逆变器

Also Published As

Publication number Publication date
CN115242093B (zh) 2023-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111431399B (zh) 一种可扩展Cuk DC-DC变换器
US6198260B1 (en) Zero voltage switching active reset power converters
JPH05166593A (ja) ガス放電ランプ動作用のタップ付きインダクタ昇圧変換器
CN112701923B (zh) 一种高增益Zeta DC-DC变换器
CN109995265B (zh) 程控高压重频纳秒脉冲电源、系统及控制方法
CN112713766B (zh) 一种高增益Cuk DC-DC变换器
CN107404228A (zh) 一种新颖的宽范围输入功率变换电路
CN109309448A (zh) 一种宽输入宽输出Cuk DC-DC变换器
CN112290802A (zh) 一种l-llc谐振变换器的超宽增益范围调节方法
CN109450260A (zh) 一种电容串接式交错并联反激电路
CN112511003A (zh) 一种双向dc/dc变换器及其控制方法
CN110034681B (zh) 一种交错并联zvzcs高升压dc/dc变换器
CN105122618B (zh) 转换器
CN110086342A (zh) 一种开关变换器及其控制方法
CN210864451U (zh) Dc-dc转换器
CN116155101B (zh) 一种基于耦合电感的高增益变换器
CN115242093A (zh) 一种高增益的开关直流升压电路
CN106899207A (zh) 高变比直流降压变换器的改进型恒定导通时间控制方法
CN110661424A (zh) 一种高变压器利用率高增益反激式dc/dc变换器
CN113965085B (zh) 一种单输入高可靠性电容电流一致型Cuk DC-DC变换器
CN113162424B (zh) 一种压电陶瓷致动器驱动方法及驱动电路
WO2021109538A1 (zh) 一种适用于高压输入的dc-dc电路
CN114552974A (zh) 应用于脉冲负载的两级式dc-dc变换器及其控制方法
JP2005536170A (ja) 効率の良いｒｆ増幅のためのスイッチモード電源および駆動方法
CN107147325A (zh) 电流馈电型高功率脉冲电流源

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant