CN115642800A - 一种非隔离高电压增益单开关dc-dc变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种非隔离高电压增益单开关DC‑DC变换器，包括直流电压源，耦合电感，开关管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管以及电阻。它通过适当地选择耦合电感匝数比以获取所需的电压增益，选择由电容和二极管组成的无源箝位电路以降低开关管上的电压应力，利用箝位电容回收漏电感中的能量避免产生较大的电压尖峰；本发明在降低开关管应力的同时，开关管能够选择阻值较小的通态电阻以减小导通损耗、提高效率。

Description

一种非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及非隔离高电压增益单开关DC-DC 变换器及其控制方法。

背景技术

传统能源的使用过程中存在污染环境、资源消耗大等缺点，为了能够缓解传统能源资源短缺问题以及减轻环境污染新能源应运而生。

光能、风能等清洁能源污染较小，但其输出电压较低，一般在15-40V，为了达到较高的直流母线电压，必须采用高电压增益的DC-DC变换器；现有技术如通过增加占空比获得高电压输出，会导致较高的导通损耗；又如隔离型升压变换器，通过设置高匝数比来获取高增益电压，但是会产生较大的电压尖峰，而且漏电感中的能量难以转移利用；又如开关电容转换器存在工作效率低、电容充电路径设置困难、体积较大的缺点，当半导体开关打开时，二极管和开关管中还会流过较大的脉冲电流，增加了电流应力和导通损耗；因此，需要设计一种新型高增益DC-DC变换器来解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器及控制方法，针对现有技术中存在高导通损耗、漏电感能量难以转移利用、存在电压尖峰、工作效率低、体积大以及存在大的脉冲电流的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，包括有直流电压源，耦合电感，开关管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管以及电阻；

所述的耦合电感原边异名端连接直流电压源正极，同名端连接开关管的漏极和第一二极管的正极；

所述的耦合电感副边同名端连接第二电容的正极和第四二极管的正极，异名端连接第三电容的负极和第三二极管的负极；

所述的第一电容正极分别接在第一二极管的负极和第二二极管的正极；第一电容的负极和开关管的源极连接，第二电容的负极分别连接第二二极管的负极和第三二极管的正极，第三电容的正极分别连接第四二极管的负极和第五二极管的正极；

所述的第四电容的正极分别连接第五二极管的负极和电阻的一端，第四电容的负极和开关管的源极连接；

直流电压源的负极、开关管的源极和电阻的另一端均接地。

所述的直流电压源，其电压值范围为18-20V。

所述的耦合电感原边与耦合电感的励磁电感并联，与耦合电感原边的漏感串联。

所述的开关管型号为IRF200P223的N沟道功率MOSFET开关管。

所述的耦合电感的匝数比用以调整电压增益。

所述的第一电容、第二电容和第三电容均为20μF，第四电容为440μF。

所述的第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管及第五二极管均采用型号为MUR1560GF的二极管。

非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，开关管开通，第三二极管和第四二极管处于导通状态；来自直流电压源的能量传递到耦合电感的励磁电感以及耦合电感原边的漏感；耦合电感的励磁电感将能量传送到耦合电感副边，再由耦合电感副边向第二电容和第三电容充电；第四电容向电阻充电；当流过耦合电感的励磁电感的电流

与流过耦合电感的漏感的电流

相等时此阶段结束；

步骤2，第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管都进入导通状态，第一二极管继续保持截止状态；第二电容和第三电容向第四电容和电阻充电；在此工作阶段，耦合电感副边的能量流动方向与来自第二电容和第三电容的电荷流相反，耦合电感副边的一些能量被转移到第一电容中；当开关管驱动信号消失时此阶段结束；

步骤3，开关管关断，第一二极管、第二二极管和第五二极管导通，第三二极管和第四二极管截止；直流电压源通过第一二极管、第二二极管、第五二极管、耦合电感原边和副边直接向电阻供电；第一电容中残余的能量被传递到电阻；开关管上的电压应力由于第一电容和第一二极管的存在而降低；耦合电感副边漏感中的能量流向第四电容，向第四电容充电；同时，耦合电感原边的漏感释放能量；当流过耦合电感原边的漏感电流

为零时此阶段结束；

步骤4，第三二极管和第四二极管处于导通状态，第一二极管、第二二极管和第五二极管处于截止状态；耦合电感的励磁电感产生的能量被放电到第二电容和第三电容中，流过耦合电感的励磁电感电流

逐渐减小；第四电容向电阻充电；当下一周期的开关管的驱动信号到来时此阶段结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，它包括直流电压源，耦合电感，开关管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管以及电阻。它通过适当地选择耦合电感匝数比以获取所需的电压增益，选择由电容和二极管组成的无源箝位电路以降低开关管上的电压应力，利用箝位电容回收漏电感中的能量避免产生较大的电压尖峰。此外，本发明在降低开关管应力的同时，开关管能够选择阻值较小的通态电阻以减小导通损耗、提高效率。与传统导通损耗高、存在电压尖峰、效率低、成本高、体积大的各类升压变换器相比具有显著优势。

附图说明

图1为本发明具体实施实例中的一种非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器电路的拓扑图。

图2为本发明具体实施实例中等效电路图。

图3为本发明具体实施实例中一个开关周期下主要元件的电压电流波形图。

图4为本发明具体实施实例中第一阶段模态图。

图5为本发明具体实施实例中第二阶段模态图。

图6为本发明具体实施实例中第三阶段模态图。

图7为本发明具体实施实例中第四阶段模态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明公开了非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，如图1和图2所示，包括直流电压源V_in，耦合电感L，开关管S，第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅以及电阻R；

所述耦合电感原边L_N1的异名端连接直流电压源V_in正极，同名端连接开关管 S的漏极和第一二极管D₁的正极；

所述耦合电感副边L_N2同名端连接第二电容C₂的正极和第四二极管D₄的正极，异名端连接第三电容C₃的负极和第三二极管D₃的负极；

所述第一电容C₁正极分别接在第一二极管D₁的负极和第二二极管D₂的正极；第一电容C₁的负极和开关管S的源极连接，第二电容C₂的负极分别连接第二二极管D₂的负极和第三二极管D₃的正极，第三电容C₃的正极分别连接第四二极管 D₄的负极和第五二极管D₅的正极；

所述第四电容Co的正极分别连接第五二极管D₅的负极和电阻R的一端，第四电容C₄的负极和开关管S的源极连接；

所述直流电压源V_in负极、开关管S源极和电阻R的另一端均接地。

本发明的一种优选实例为，所述直流电压源V_in电压值范围为18-20V。

本发明的另一种优选实例为，所述耦合电感原边L_N1与耦合电感的励磁电感 L_m并联，与耦合电感原边的漏感L_lk1串联。

本发明的另一种优选实例为，所述开关管S型号为IRF200P223的N沟道功率MOSFET开关管。

本发明的另一种优选实例为，所述耦合电感的匝数比n用以调整电压增益。

本发明的另一种优选实例为，所述第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃均为20μF，第四电容C₄为440μF。

本发明的另一种优选实例为，所述第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄及第五二极管D₅均采用型号为MUR1560G的二极管。

非隔离高电压增益单开关DC-DC变换方法，包括以下步骤：

步骤1，如图3中t₀-t₁阶段，变换器模态图如图4所示。此工作阶段开关管 S开通，第三二极管D₃和第四二极管D₄处于导通状态；来自直流电压源V_in的能量传递到耦合电感的励磁电感L_m以及耦合电感原边的漏感L_lk1；耦合电感的励磁电感L_m将能量传送到耦合电感副边L_N2，再由耦合电感副边L_N2向第二电容C₂和第三电容C₃充电；第四电容C₄向电阻R充电；当流过耦合电感的励磁电感L_m的电流

与流过耦合电感的漏感L_lk1的电流

相等时此阶段结束；

步骤2，如图3中t₁-t₂阶段，变换器模态图如图5所示。此工作阶段开关管 S继续保持开通，第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄和第五二极管D₅都进入导通状态，第一二极管D₁继续保持截止状态；第二电容C₂和第三电容C₃向第四电容C₄和电阻R充电；在此工作阶段，耦合电感副边L_N2的能量流动方向与来自第二电容C₂和第三电容C₃的电荷流相反，耦合电感副边L_N2的一些能量被转移到第一电容C₁中；

步骤3，如图3中t₂-t₃阶段，变换器模态图如图6所示。此工作阶段开关管S关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第五二极管D₅导通，第三二极管D₃和第四二极管D₄截止；直流电压源V_in通过第一二极管D₁、第二二极管D₂、第五二极管D₅、耦合电感原边和副边直接向电阻R供电；第一电容C₁中残余的能量被传递到电阻R；开关管S上的电压应力由于第一电容C₁和第一二极管D₁的存在而降低；耦合电感副边漏感L_lk2中的能量流向第四电容C₄，向第四电容C₄充电；同时，耦合电感原边的漏感L_lk1释放能量；当流过耦合电感原边的漏感电流

为零时此阶段结束；

步骤4，如图3中t₃-t₄阶段，变换器模态图如图7所示。此工作阶段开关管 S继续保持关断，第三二极管D₃和第四二极管D₄处于导通状态，第一二极管D₁、第二二极管D₂和第五二极管D₅处于截止状态；耦合电感的励磁电感L_m产生的能量被放电到第二电容C₂和第三电容C₃中，流过耦合电感的励磁电感电流

逐渐减小；第四电容C₄向电阻R充电；

本发明公开的一种非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，在匝数比固定的情况下，占空比越大电压增益越大；在占空比固定的情况下，耦合电感匝数比越大电压增益越大。

最后应说明的是：以上各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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，其特征在于，包括有直流电压源，耦合电感，开关管，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管以及电阻；

所述的耦合电感原边异名端连接直流电压源正极，同名端连接开关管的漏极和第一二极管的正极；

所述的耦合电感副边同名端连接第二电容的正极和第四二极管的正极，异名端连接第三电容的负极和第三二极管的负极；

所述的第一电容正极分别接在第一二极管的负极和第二二极管的正极；第一电容的负极和开关管的源极连接，第二电容的负极分别连接第二二极管的负极和第三二极管的正极，第三电容的正极分别连接第四二极管的负极和第五二极管的正极；

所述的第四电容的正极分别连接第五二极管的负极和电阻的一端，第四电容的负极和开关管的源极连接；

直流电压源的负极、开关管的源极和电阻的另一端均接地。

2.根据权利要求1所述的非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，其特征在于，所述的直流电压源，其电压值范围为18-20V。

3.根据权利要求1所述的非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，其特征在于，所述的耦合电感原边与耦合电感的励磁电感并联，与耦合电感原边的漏感串联。

4.根据权利要求1所述的非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，其特征在于，所述的开关管型号为IRF200P223的N沟道功率MOSFET开关管。

5.根据权利要求1所述的非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，其特征在于，所述的耦合电感的匝数比用以调整电压增益。

6.根据权利要求1所述的非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，其特征在于，所述的第一电容、第二电容和第三电容均为20μF，第四电容为440μF。

7.根据权利要求1所述的非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器，其特征在于，所述的第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管及第五二极管均采用型号为MUR1560GF的二极管。

8.利用权利要求1所述的一种非隔离高电压增益单开关DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，开关管开通，第三二极管和第四二极管处于导通状态；来自直流电压源的能量传递到耦合电感的励磁电感以及耦合电感原边的漏感；耦合电感的励磁电感将能量传送到耦合电感副边，再由耦合电感副边向第二电容和第三电容充电；第四电容向电阻充电；当流过耦合电感的励磁电感的电流

与流过耦合电感的漏感的电流

相等时此阶段结束；

步骤2，第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管都进入导通状态，第一二极管继续保持截止状态；第二电容和第三电容向第四电容和电阻充电；在此工作阶段，耦合电感副边的能量流动方向与来自第二电容和第三电容的电荷流相反，耦合电感副边的一些能量被转移到第一电容中；当开关管驱动信号消失时此阶段结束；

步骤3，开关管关断，第一二极管、第二二极管和第五二极管导通，第三二极管和第四二极管截止；直流电压源通过第一二极管、第二二极管、第五二极管、耦合电感原边和副边直接向电阻供电；第一电容中残余的能量被传递到电阻；开关管上的电压应力由于第一电容和第一二极管的存在而降低；耦合电感副边漏感中的能量流向第四电容，向第四电容充电；同时，耦合电感原边的漏感释放能量；当流过耦合电感原边的漏感电流

为零时此阶段结束；

步骤4，第三二极管和第四二极管处于导通状态，第一二极管、第二二极管和第五二极管处于截止状态；耦合电感的励磁电感产生的能量被放电到第二电容和第三电容中，流过耦合电感的励磁电感电流

逐渐减小；第四电容向电阻充电；当下一周期的开关管的驱动信号到来时此阶段结束。

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