CN116155101A - 一种基于耦合电感的高增益变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于耦合电感的高增益变换器，其包括：第一升压单元、第二升压单元、第三升压单元和输出单元；第三升压单元包括耦合电感、第二开关管、第二电容、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管；第四二极管的阳极、第二开关管的第二端与第二升压单元连接；第二开关管的第一端与初级绕组的第一端、第六二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第五二极管的阴极、初级绕组的第二端、电源的负极连接；第五二极管的阳极与第七二极管的阴极、次级绕组的第二端连接，次级绕组的第一端与第二电容的第二端连接，第二电容的第一端与第二升压单元连接；该变换器在相同占空比下具有更高的电压增益。
Description
技术领域
本发明属于变换器技术领域，具体涉及一种基于耦合电感的高增益变换器。
背景技术
传统Boost变换器是应用最广泛的非隔离升压变换器，其输入电流连续，结构简单，由Boost变换器也衍生出了各种高升压直流变换器，例如将有源开关电容单元嵌入Boost变换器以提高电压增益。然而，由于Boost变换器的非理想性及其固有电阻，变换器较难实现高电压增益，若通过提高占空比来提高电压增益，则开关管的损耗增大，变换器的效率低下。
发明内容
本发明针对升压变换器电压增益低的问题，提供一种基于耦合电感的高增益变换器，提高了电压增益，在相同占空比下具有更高的电压增益。
一种基于耦合电感的高增益变换器，包括：
第一升压单元，其与电源连接。
第二升压单元，其与第一升压单元连接。
第三升压单元，其包括耦合电感、第二开关管、第二电容、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管，所述耦合电感包括初级绕组和次级绕组；第四二极管的阳极、第二开关管的第二端与第二升压单元连接；第二开关管的第一端与初级绕组的第一端、第六二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第五二极管的阴极、初级绕组的第二端、电源的负极连接；第五二极管的阳极与第七二极管的阴极、次级绕组的第二端连接，次级绕组的第一端与第二电容的第二端连接，第二电容的第一端与第二升压单元连接。
输出单元，其与第三升压单元和负载连接。
电源用于给第一升压单元充电，第一升压单元用于给第二升压单元充电，第二升压单用于给第三升压单元充电，第三升压单元用于给输出单元充电，输出单元用于给负载充电。
优选的，所述第二电容的第一端与第二升压单元的第一端连接，所述第二开关管的第二端与第二升压单元的第二端连接。
优选的，所述第二升压单元包括第一电容，第一电容的第一端为第二升压单元的第一端，第一电容的第二端为第二升压单元的第二端。
优选的，所述耦合电感还包括励磁电感和漏感；所述励磁电感并接于初级绕组两端，所述初级绕组的第二端与漏感的第一端连接，所述漏感的第二端与第五二极管的阴极、第四二极管的阴极连接。
优选的，所述初级绕组的第一端与所述次级绕组的第一端互为同名端。
优选的，所述输出单元包括第三电容和第四电容，所述第三电容的第一端与漏感的第二端、第四电容的第一端连接，第三电容的第二端与第六二极管的阴极、负载的正极连接，第四电容的第二端与第七二极管的阳极、负载的负极连接。
优选的，所述输出单元还包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻并接于第三电容的两端，所述第二电阻并接于第四电容的两端。
优选的，所述第一升压单元包括第一开关管、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管和第三二极管。
所述第一开关管的第二端与电源的负极连接，所述第一开关管的第一端与第二电感的第一端、第二二极管的阴极连接，所述第二电感的第二端与第三二极管的阴极、第一二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极与第三二极管的阳极、第一电感的第一端连接，所述第一二极管的阳极、第一电感的第二端与电源的正极连接。
优选的，所述变换器在一个工作周期内包括如下四种工作模态。
第一工作模态：第一开关管导通和第二开关管导通，第一二极管和第二二极管导通，第三二极管和第四二极管关断，电源给第一电感、第二电感进行充电；第一电容给励磁电感进行充电，第二开关管实现零电流开通；流经漏感和励磁电感的电流续流给负载供电，流经第六二极管、第七二极管的电流减小到零时，第一工作模态结束。
第二工作模态：电源给第一电感、第二电感充电，第一电容给励磁电感进行充电；第五二极管导通，第六二极管和第七二极管关断，第一电容和第二电容给漏感进行充电；第三电容、第四电容给负载供电；流经第五二极管的电流减小到零时，第二工作模态结束。
第三工作模态：电源给第一电感、第二电感充电；第五二极管关断，第一电容给漏感、励磁电感进行充电，第三电容和第四电容给负载供电。
第四工作模态：第一开关管和第二开关管关断，第三二极管导通，电源、第一电感和第二电感给第一电容充电；第六二极管和第七二极管导通，流经漏感和励磁电感的电流续流给负载供电，流经漏感和励磁电感的电流给第一电容和第二电容充电。
优选的，所述第一开关管为场效应管，第一开关管的第一端为场效应管的漏极，第一开关管的第二端为场效应管的源极，第一开关管的第三端为场效应管的栅极。
所述第二开关管为场效应管，第二开关管的第一端为场效应管的漏极，第二开关管的第二端为场效应管的源极，第二开关管的第三端为场效应管的栅极。
本申请实施例提供的变换器在相同占空比下具有更高的电压增益，可在合适的占空比下也能获得高的电压增益；结合耦合电感，进一步提高了电压增益，同时第一开关管、第二开关管的驱动信号同步，因此，控制电路的实现更加简单。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步详细说明。
图1为本发明提供的一种基于耦合电感的高增益变换器的拓扑结构示意图。
图2为本发明提供的一种基于耦合电感的高增益变换器在第一工作模态时的等效电路示意图。
图3为本发明提供的一种基于耦合电感的高增益变换器在第二工作模态时的等效电路示意图。
图4为本发明提供的一种基于耦合电感的高增益变换器在第三工作模态时的等效电路示意图。
图5为本发明提供的一种基于耦合电感的高增益变换器在第四工作模态时的等效电路示意图。
图6为本发明提供的一种基于耦合电感的高增益变换器在一个工作周期内的主要工作波形图。
附图标记：L1、第一电感；L2、第二电感；S1、第一开关管；S2、第二开关管；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；VIN、电源；RL、负载；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；D5、第五二极管；D6、第六二极管；D7、第七二极管；LP、初级绕组；LS、次级绕组；LM、励磁电感；L1K、漏感；R1、第一电阻；R2、第二电阻。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参考图1，具体地，一种基于耦合电感的高增益变换器，包括第一升压单元、第二升压单元、第三升压单元和输出单元。
所述第一升压单元包括第一开关管S1、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3。
所述第一开关管S1的第二端与电源VIN的负极连接，所述第一开关管S1的第一端与第二电感L2的第一端、第二二极管D2的阴极连接，所述第二电感L2的第二端与第三二极管D3的阴极、第一二极管D1的阴极连接，所述第二二极管D2的阳极与第三二极管D3的阳极、第一电感L1的第一端连接，所述第一二极管D1的阳极、第一电感L1的第二端与电源VIN的正极连接。
第二升压单元与第一升压单元连接；所述第二升压单元包括第一电容C1，第一电容C1的第一端与第一开关管S1的第一端连接，第一电容C1的第二端与第三升压单元连接；第一电容C1的第一端为第二升压单元的第一端，第一电容C1的第二端为第二升压单元的第二端。
第三升压单元包括耦合电感、第二开关管S2、第二电容C2、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7，所述耦合电感包括初级绕组LP和次级绕组LS，所述初级绕组LP的第一端与所述次级绕组LS的第一端互为同名端；第四二极管D4的阳极、第二开关管S2的第二端与第二升压单元的第二端连接；第二开关管S2的第一端与初级绕组LP的第一端、第六二极管D6的阳极连接，第四二极管D4的阴极与第五二极管D5的阴极、初级绕组LP的第二端、电源VIN的负极连接；第五二极管D5的阳极与第七二极管D7的阴极、次级绕组LS的第二端连接，次级绕组LS的第一端与第二电容C2的第二端连接，第二电容C2的第一端与第二升压单元的第一端连接。
所述耦合电感还包括励磁电感LM和漏感L1K，其等效电路结构为所述励磁电感LM并接于初级绕组LP两端，所述初级绕组LP的第二端与漏感L1K的第一端连接，所述漏感L1K的第二端与第五二极管D5的阴极、第四二极管D4的阴极连接。
输出单元与第三升压单元和负载RL连接；所述输出单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电容C3和第四电容C4，所述第一电阻R1并接于第三电容C3的两端，所述第二电阻R2并接于第四电容C4的两端；所述第三电容C3的第一端与漏感L1K的第二端、第四电容C4的第一端连接，第三电容C3的第二端与第六二极管D6的阴极、负载RL的正极连接，第四电容C4的第二端与第七二极管D7的阳极、负载RL的负极连接。
此实施例中，电源VIN为直流电源，其用于给第一升压单元、第二升压单元充电，第一升压单元用于给第二升压单元充电，第二升压单用于给第三升压单元充电，第三升压单元用于给输出单元、负载RL充电，输出单元用于给负载RL充电。
所述第一开关管S1为场效应管，第一开关管S1的第一端为场效应管的漏极，第一开关管S1的第二端为场效应管的源极，第一开关管S1的第三端为场效应管的栅极；所述第二开关管S2为场效应管，第二开关管S2的第一端为场效应管的漏极，第二开关管S2的第二端为场效应管的源极，第二开关管S2的第三端为场效应管的栅极。
第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7是通过节点电位的变换而形成路径切换，路径切换会造成各电容充能的区别，第二电容C2是受励磁电感LM与漏感L1K充电，也就是说，第二电容C2是在励磁电感LM与漏感L1K给予负载RL电压的同时充电，并在电感充能时反过来放电进行漏感L1K充能，第三电容C3和第四电容C4则是在电流流经漏感L1K和励磁电感LM的电流续流给负载RL供电时，同时进行充电，在第一电容C1及第二电容C2给予励磁电感LM与漏感L1K充能时，由第三电容C3与第四电容C4给予负载RL电压嵌位。第一电阻R1和第二电阻R2可以避免变换器空载时电路烧掉，同时可作为第三电容C3和第四电容C4放电限流使用。
在一个工作周期内，该变换器共有四个工作模态，控制第一开关管S1和第二开关管S2同时导通，并持续一段时间，使变换器依次工作于第一工作模态、第二工作模态和第三工作模态，再控制第一开关管S1和第二开关管S2同时关断，使变换器工作于第四工作模态。
如图2所示，当变换器处于第一工作模态时，第一开关管S1导通和第二开关管S2导通，第一二极管D1和第二二极管D2导通，第三二极管D3和第四二极管D4关断，电源VIN给第一电感L1、第二电感L2进行充电，流经第一电感L1、第二电感L2的电流开始线性上升；第一电容C1给励磁电感LM进行充电，流经励磁电感LM的电流开始线性上升；漏感L1K降低了流经第二开关管S2的电流上升率，第二开关管S2实现零电流开通；流经漏感L1K和励磁电感LM的电流续流给负载RL供电，流经第六二极管D6、第七二极管D7的电流减小到零时，第一工作模态结束，漏感L1K控制了流经第六二极管D6、第七二极管D7的电流变化率，实现了第六二极管D6、第七二极管D7的低反向恢复电流。
如图3所示，当变换器处于第二工作模态时，电源VIN给第一电感L1、第二电感L2充电，流经第一电感L1、第二电感L2的电流继续线性上升，第一电容C1给励磁电感LM进行充电，流经励磁电感LM的电流继续线性上升，第五二极管D5导通，第六二极管D6和第七二极管D7关断，第一电容C1和第二电容C2给漏感L1K进行充电；第三电容C3、第四电容C4给负载RL供电；流经第五二极管D5的电流减小到零时，漏感L1K控制了流经第五二极管D5的电流变化率，实现了第五二极管D5的低反向恢复电流，第二工作模态结束。
如图4所示，当变换器处于第三工作模态时，电源VIN给第一电感L1、第二电感L2充电，流经第一电感L1、第二电感L2的电流继续线性上升，第五二极管D5关断，第一电容C1给漏感L1K、励磁电感LM进行充电，流经漏感L1K、励磁电感LM的电流继续线性上升，第三电容C3和第四电容C4给负载RL供电。
如图5所示，当变换器处于第四工作模态时，第一开关管S1和第二开关管S2关断，第三二极管D3导通，电源VIN、第一电感L1和第二电感L2给第一电容C1充电，流经第一电感L1、第二电感L2的电流开始线性下降，第六二极管D6和第七二极管D7导通，流经漏感L1K和励磁电感LM的电流续流给负载RL供电，流经漏感L1K和励磁电感LM的电流给第一电容C1和第二电容C2充电，流经励磁电感LM的电流开始线性下降。
图6为本申请实施例提供的变换器在一个工作周期内的主要工作波形图，图中V gs 为开关管S1，S2的栅源电压，T S 为开关管S1，S2的工作周期，DT S 为开关管S1，S2的导通时间，i L1 为第一电感L1的电流，i L2 为第二电感L2的电流，第一电感L1的电流和第二电感L2的电流大小一致，i L1K 为漏感L1K的电流，i LM 为励磁电感LM的电流，i S2 为流经第一开关管S1的电流，i S1 为流经第二开关管S2的电流，i D5 为第五二极管D5的电流，i D6 为第六二极管D6的电流，i D7 为第七二极管D7的电流；t0-t5为一个工作周期，具体来说，t0-t1对应第一工作模态，t1-t2对应第二工作模态，t2-t3对应第三工作模态，t3-t4对应第四工作模态。
当变换器处于稳态时，开关管S1，S2的一个工作周期为T S ，第一开关管S1的占空比为D S1 ，第二开关管S2的占空比为D S2 ，假设D=D S1 =D S2 ，为了分析的方便性，设第一电感L1和第二电感L2的感值相等，并且忽略第一工作模态、第三工作模态这两个短暂的过程，第一工作模态、第三工作模态为开关模态，因此，通过分析一个工作周期内的第二模态和第四工作模态即可。
由于带抽头电感的耦合系数k约为0.97~0.98，因此漏感L1K对电压增益的影响可以忽略，耦合电感初级绕组LP与次级绕组LS的匝数比为：
式中，N 1 为耦合电感初级绕组LP的匝数，N 2 为耦合电感次级绕组LS的匝数。
根据基尔霍夫电压定律，对电感应用伏秒平衡定律可以在稳态下获得以下关系：
式中，D为开关管S1，S2的占空比，V O 为变换器的输出电压，即负载RL两端的电压，V C1 为第一电容C1的电压，V C2 为第二电容C2的电压，n为耦合电感的次级绕组LS与初级绕组LP的匝数比。
对第一电感L1和第二电感L2应用伏秒平衡可以在稳态下获得第一电容C1和第二电容C2的电压的平均值：
式中，V in 为电源VIN的电压，D为开关管S1，S2的占空比，V O 为负载RL两端的电压，V C1 为第一电容C1的电压，V C2 为第二电容C2的电压，n为耦合电感次级绕组LS与初级绕组LP的匝数比。
则根据上式可得输入输出电压的增益比M：
式中，V in 为电源VIN的电压，D为开关管S1，S2的占空比，V O 为负载RL两端的电压，n为耦合电感的次级绕组LS与初级绕组LP的匝数比。
由此可得，本申请实施例提供的变换器通过开关电感使变换器在相同占空比下具有更高的电压增益，此实施例中，一个开关管对应一套开关电感，第一开关管S1对应第一电感L1和第二电感L2，第二开关管S2对应耦合电感中的励磁电感LM；同时第一开关管S1、第二开关管S2的驱动信号同步，因此，控制电路的实现更加简单。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，包括：
第一升压单元，其与电源连接；
第二升压单元，其与第一升压单元连接；
第三升压单元，其包括耦合电感、第二开关管、第二电容、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管，所述耦合电感包括初级绕组和次级绕组；第四二极管的阳极、第二开关管的第二端与第二升压单元连接；第二开关管的第一端与初级绕组的第一端、第六二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第五二极管的阴极、初级绕组的第二端、电源的负极连接；第五二极管的阳极与第七二极管的阴极、次级绕组的第二端连接，次级绕组的第一端与第二电容的第二端连接，第二电容的第一端与第二升压单元连接；
输出单元，其与第三升压单元和负载连接；
电源用于给第一升压单元充电，第一升压单元用于给第二升压单元充电，第二升压单用于给第三升压单元充电，第三升压单元用于给输出单元充电，输出单元用于给负载充电。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述第二电容的第一端与第二升压单元的第一端连接，所述第二开关管的第二端与第二升压单元的第二端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述第二升压单元包括第一电容，第一电容的第一端为第二升压单元的第一端，第一电容的第二端为第二升压单元的第二端。
4.根据权利要求3所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述耦合电感还包括励磁电感和漏感；所述励磁电感并接于初级绕组两端，所述初级绕组的第二端与漏感的第一端连接，所述漏感的第二端与第五二极管的阴极、第四二极管的阴极连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述初级绕组的第一端与所述次级绕组的第一端互为同名端。
6.根据权利要求5所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述输出单元包括第三电容和第四电容，所述第三电容的第一端与漏感的第二端、第四电容的第一端连接，第三电容的第二端与第六二极管的阴极、负载的正极连接，第四电容的第二端与第七二极管的阳极、负载的负极连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述输出单元还包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻并接于第三电容的两端，所述第二电阻并接于第四电容的两端。
8.根据权利要求7所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述第一升压单元包括第一开关管、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管和第三二极管；
所述第一开关管的第二端与电源的负极连接，所述第一开关管的第一端与第二电感的第一端、第二二极管的阴极连接，所述第二电感的第二端与第三二极管的阴极、第一二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极与第三二极管的阳极、第一电感的第一端连接，所述第一二极管的阳极、第一电感的第二端与电源的正极连接。
9.根据权利要求8所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述变换器在一个工作周期内包括如下四种工作模态，
第一工作模态：第一开关管导通和第二开关管导通，第一二极管和第二二极管导通，第三二极管和第四二极管关断，电源给第一电感、第二电感进行充电；第一电容给励磁电感进行充电，第二开关管实现零电流开通；流经漏感和励磁电感的电流续流给负载供电，流经第六二极管、第七二极管的电流减小到零时，第一工作模态结束；
第二工作模态：电源给第一电感、第二电感充电，第一电容给励磁电感进行充电；第五二极管导通，第六二极管和第七二极管关断，第一电容和第二电容给漏感进行充电；第三电容、第四电容给负载供电；流经第五二极管的电流减小到零时，第二工作模态结束；
第三工作模态：电源给第一电感、第二电感充电；第五二极管关断，第一电容给漏感、励磁电感进行充电，第三电容和第四电容给负载供电；
第四工作模态：第一开关管和第二开关管关断，第三二极管导通，电源、第一电感和第二电感给第一电容充电；第六二极管和第七二极管导通，流经漏感和励磁电感的电流续流给负载供电，流经漏感和励磁电感的电流给第一电容和第二电容充电。
10.根据权利要求8或9所述的一种基于耦合电感的高增益变换器，其特征在于，所述第一开关管为场效应管，第一开关管的第一端为场效应管的漏极，第一开关管的第二端为场效应管的源极，第一开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第二开关管为场效应管，第二开关管的第一端为场效应管的漏极，第二开关管的第二端为场效应管的源极，第二开关管的第三端为场效应管的栅极。
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