CN116232062A - 一种基于耦合电感的高电压增益变换器 - Google Patents

一种基于耦合电感的高电压增益变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，包括主电路，所述主电路包括：第一开关管；第一升压模块；第二升压模块，包括第一二极管、第一升压单元、第二升压单元和耦合电感，第一二极管的阳极与第一升压模块的第二端、第一升压单元的第一端连接，第一二极管的阴极与初级绕组的第一端连接，第二次级绕组的第二端与第一升压单元的第二端连接，第一次级绕组的第二端与第二升压单元的第一端连接，第二升压单元的第二端与第一开关管的第二端、电源的负极连接；输出模块，其与第二升压单元和负载连接，所述一种基于耦合电感的高电压增益变换器解决了传统的Boost变换器在合适的占空比下难以获得高电压增益的问题。

Description

一种基于耦合电感的高电压增益变换器
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，具体涉及一种基于耦合电感的高电压增益变换器。
背景技术
传统的Boost变换器成本较低，结构简单，易于拓扑，已被广泛应用于提升电压水平。而传统Boost变换器的高电压增益通常通过增大占空比实现，但在极端占空比条件下，变换器会出现诸多问题，如Boost变换器的输出二极管会出现振幅较大的短脉冲电流，导致严重的二极管反向恢复问题，功率开关管承受较大的电压应力，电感和电容的等效串联电阻会影响变换器的转换效率等。因此，在极端占空比条件下，传统Boost变换器难以实现高电压增益，在合适占空比下传统Boost变换器的电压增益有待提高。
发明内容
本发明针对传统Boost变换器在合适的占空比下难以获得高电压增益的问题，提供一种基于耦合电感的高电压增益变换器。
一种基于耦合电感的高电压增益变换器，包括主电路，所述主电路包括：
第一开关管；第一升压模块，第一升压模块的第一端与电源的正极连接，第一升压模块的第二端与第一开关管的第一端连接。
第二升压模块，包括第一二极管、第一升压单元、第二升压单元和耦合电感，所述耦合电感包括初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组；第一二极管的阳极与第一升压模块的第二端、第一升压单元的第一端连接，第一二极管的阴极与初级绕组的第一端连接，初级绕组的第二端与第一次级绕组的第一端、第二次级绕组的第一端连接，第二次级绕组的第二端与第一升压单元的第二端连接，第一次级绕组的第二端与第二升压单元的第一端连接，第二升压单元的第二端与第一开关管的第二端、电源的负极连接。
输出模块，其与第二升压单元和负载连接；第一升压模块用于给第二升压单元充电，第二升压单元用于给第一升压单元充电，第一升压单元用于给输出模块充电，输出模块用于给负载充电。
优选的，所述第一升压单元包括第一电容，所述第一电容的第一端为第一升压单元的第一端，第一电容的第二端为第一升压单元的第二端。
优选的，所述第二升压单元包括第二电容，所述第二电容的第一端为第二升压单元的第一端，所述第二电容的第二端为第二升压单元的第二端。
优选的，所述第一升压模块包括第一电感，所述第一电感的第一端为第一升压模块的第一端，第一电感的第二端为第一升压模块的第二端。
优选的，所述耦合电感还包括励磁电感，所述励磁电感并接于初级绕组两端。
优选的，所述初级绕组的第一端、第一次级绕组的第一端和第二次级绕组的第一端互为同名端。
优选的，所述输出模块包括第二二极管、第三二极管、第四二极管、第三电容、第四电容和第五电容。
第二二极管的阳极与第一电容的第二端、第四电容的第一端连接，第二二极管的阴极与第三电容的第一端、第四二极管的阳极连接，第三电容的第二端与第二电容的第二端、第三二极管的阴极连接，第四二极管的阴极与第五电容的第一端连接，第五电容的第二端与第四电容的第二端、第三二极管的阳极连接；负载并接于第五电容两端。
优选的，所述变换器在一个开关周期内包括如下两种工作模态，
第一工作模态；第一开关管和第四二极管导通，第一二极管、第二二极管和第三二极管关断；电源向第一电感充电；第二电容通过第一次级绕组、第二次级绕组向第一电容和励磁电感充电；第三电容和第四电容通过第四二极管向第五电容和负载充电，当第一开关管关断时，第一工作模态结束。
第二工作模态：第一二极管、第二二极管和第三二极管导通，第一开关管和第四二极管关断；电源、第一电感和励磁电感通过第一二极管向第二电容充电；电源、第一电感和第一电容通过第二二极管、第三二极管向第三电容和第四电容充电；第五电容向负载充电，当第一开关管导通时，第二工作模态结束。
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。
优选的，还包括电压测试单元、主控单元和驱动单元。
所述电压测试单元与负载两端连接，用于检测所述基于耦合电感的高电压增益变换器的输出电压。
所述主控单元用于将根据输出电压输出占空比信号。
所述驱动单元的输出端与第一开关管的第三端连接，用于根据占空比信号输出控制信号。
本申请提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，通过调节第一耦合电感的初级绕组与第一耦合电感的第一次级绕组的匝数比、第一耦合电感的初级绕组与第一耦合电感的第二次级绕组的匝数比、以及第一开关管的导通占空比，可以调节电压增益比，以获得合适的输出电压。
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电压增益变换器的拓扑结构图。
图2为本发明提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器的等效电路图。
图3为本发明提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器在第一工作模态时的工作电路图。
图4为本发明提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器在第二工作模态时的工作电路图。
图5为本发明提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器在一个开关周期内的主要工作波形图。
附图标记：VIN、电源；L1、第一电感；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；C5、第五电容；S1、第一开关管；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；R、负载；LN1、初级绕组；LN2、第一次级绕组；LN3、第二次级绕组；LM1、励磁电感。
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。
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。
参照图1，本申请实施例提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，包括主电路、电压测试单元、主控单元和驱动单元，所述主电路包括第一开关管S1、第一升压模块、第二升压模块和输出模块。
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。
第一升压模块，第一升压模块的第一端与电源VIN的正极连接，第一升压模块的第二端与第一开关管S1的第一端连接，所述第一升压模块包括第一电感L1，所述第一电感L1的第一端为第一升压模块的第一端，第一电感L1的第二端为第一升压模块的第二端。
第二升压模块，包括第一二极管D1、第一升压单元、第二升压单元和耦合电感，所述第一升压单元包括第一电容C1，所述第一电容C1的第一端为第一升压单元的第一端，第一电容C1的第二端为第一升压单元的第二端；所述第二升压单元包括第二电容C2，所述第二电容C2的第一端为第二升压单元的第一端，所述第二电容C2的第二端为第二升压单元的第二端；所述耦合电感包括初级绕组LN1、第一次级绕组LN2、第二次级绕组LN3和励磁电感LM1，所述初级绕组LN1的第一端、第一次级绕组LN2的第一端和第二次级绕组LN3的第一端互为同名端。如图2所示，具体来说，第一二极管D1的阳极与第一升压模块的第二端、第一升压单元的第一端连接，第一二极管D1的阴极与初级绕组LN1的第一端连接，初级绕组LN1的第二端与第一次级绕组LN2的第一端、第二次级绕组LN3的第一端连接，第二次级绕组LN3的第二端与第一升压单元的第二端连接，第一次级绕组LN2的第二端与第二升压单元的第一端连接，第二升压单元的第二端与第一开关管S1的第二端、电源VIN的负极连接。此实施例中，所述励磁电感LM1等效于并接在初级绕组LN1两端，电源VIN为直流电源VIN。
所述输出模块包括第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5；第二二极管D2的阳极与第一电容C1的第二端、第四电容C4的第一端连接，第二二极管D2的阴极与第三电容C3的第一端、第四二极管D4的阳极连接，第三电容C3的第二端与第二电容C2的第二端、第三二极管D3的阴极连接，第四二极管D4的阴极与第五电容C5的第一端连接，第五电容C5的第二端与第四电容C4的第二端、第三二极管D3的阳极连接；负载R并接于第五电容C5两端。
第一升压模块用于给第一升压单元充电，第二升压单元用于给第一升压单元充电，第一升压单元用于给输出模块充电，输出模块用于给负载R充电。
所述电压测试单元与负载R两端连接，用于检测变换器的输出电压；所述主控单元用于根据输出电压输出占空比信号。如图1所示，主控单元包括误差比较器、PI调节器和电压比较器，误差比较器将输出电压与设定电压进行比较，得到比较信号；所示PI调节器根据所述比较信号、PI调节器的比例系数和PI调节器的积分系数输出调节信号，PI调节器的比例系数、PI调节器的积分系数取决于PI调节器的结构；所述电压比较器根据锯齿波与所述调节信号输出占空比信号，所述驱动单元根据占空比信号输出控制信号，控制信号传输至第一开关管S1的第三端。图1中，Ki为PI调节器的积分调节系数，Kp为PI调节器的比例调节系数。
此实施例提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器在一个开关周期内，通过控制第一开关管S1导通，使得基于耦合电感的高电压增益变换器工作于第一工作模态，然后通过控制第一开关管S1关断，使得基于耦合电感的高电压增益变换器工作于第二工作模态。
如图3所示，当基于耦合电感的高电压增益变换器处于第一工作模态时，第一开关管S1和第四二极管D4导通，第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3关断；电源VIN向第一电感L1充电，第一电感L1的电流增大；第二电容C2通过第一次级绕组LN2、第二次级绕组LN3向第一电容C1和励磁电感LM1充电，励磁电感LM1电流增大；第三电容C3和第四电容C4通过第四二极管D4向第五电容C5和负载R充电，当第一开关管S1关断时，第一工作模态结束。
如图4所示，当基于耦合电感的高电压增益变换器处于第二工作模态时，第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3导通，第一开关管S1和第四二极管D4关断；电源VIN、第一电感L1和励磁电感LM1通过第一二极管D1向第二电容C2充电，第一电感L1的电流和励磁电感LM1的电流减小；电源VIN、第一电感L1和第一电容C1通过第二二极管D2、第三二极管D3向第三电容C3和第四电容C4充电；第五电容C5向负载R充电，当第一开关管S1导通时，第二工作模态结束。
图5为本申请实施例提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器在一个开关周期内的波形图，t0-t1时间段为第一工作模态，t1-t2时间段为第二工作模态，图中，V gs 为第一开关管S1的栅源电压，V ds 为第一开关管S1的漏源电压，i L 为第一电感L1的电流，i LM 为第一耦合电感的励磁电感LM1的电流，V C2 为第二电容C2的电压，第二电容C2的充放电波动较小，几乎视为恒定，当基于耦合电感的高电压增益变换器处于稳态时，设第一开关管S1工作的工作周期为T S ，第一开关管S1的占空比为D S1 ，假设D=D S1 ，通过对第一电感L1和第一耦合电感的励磁电感LM1应用伏秒平衡，可以在稳态下获得以下关系：
Figure SMS_1
；/>
式中，V C1 为第一电容C1的电压，V C2 为第二电容C2的电压，V in 为电源VIN的电压，n为初级绕组LN1与第一次级绕组LN2的匝数比，m为初级绕组LN1与第二次级绕组LN3的匝数比，D为第一开关管S1的导通占空比。
由上式可得第一电容C1和第二电容C2的电压，即：
Figure SMS_2
；
式中，V C1 为第一电容C1的电压，V C2 为第二电容C2的电压，V in 为电源VIN的电压，n为初级绕组LN1与第一次级绕组LN2的匝数比，m为初级绕组LN1与第二次级绕组LN3的匝数比，D为第一开关管S1的导通占空比。
由上式可得第三电容C3和第四电容C4的电压：
Figure SMS_3
;
式中，V C1 为第一电容C1的电压，V C2 为第二电容C2的电压，V C3 为第三电容C3的电压，V C4 为第四电容C4的电压，V in 为电源VIN的电压，n为初级绕组LN1与第一次级绕组LN2的匝数比，m为初级绕组LN1与第二次级绕组LN3的匝数比，D为第一开关管S1的导通占空比。
因此可得输出电压V O ：
Figure SMS_4
;
式中，V C1 为第一电容C1的电压，V C3 为第三电容C3的电压，V C4 为第四电容C4的电压，V in 为电源VIN的电压，n为初级绕组LN1与第一次级绕组LN2的匝数比，m为初级绕组LN1与第二次级绕组LN3的匝数比，D为第一开关管S1的导通占空比。
则根据上式可得输入输出电压的增益比M:
Figure SMS_5
;
式中，V in 为电源VIN的电压，n为初级绕组LN1与第一次级绕组LN2的匝数比，m为初级绕组LN1与第二次级绕组LN3的匝数比，D为第一开关管S1的导通占空比；V O 为输出电压。
综上所述，本申请提供的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，利用耦合电感和第一升压模块、第一升压单元、第二升压单元的配合，进行能量积累与传递，通过输出模块辅助，实现基于耦合电感的高电压增益变换器的高电压增益比。基于耦合电感的高电压增益变换器可通过其整体结构与耦合电感的匝数比实现高电压增益比，避免利用极端的导通占空比下获得高电压增益比。通过调节耦合电感的初级绕组LN1与耦合电感的第一次级绕组LN2的匝数比、耦合电感的初级绕组LN1与耦合电感的第二次级绕组LN3的匝数比、以及第一开关管S1的导通占空比，可以调节电压增益比，以获得合适的输出电压。通过电压测试单元、主控单元和驱动单元调节第一开关管S1的导通占空比，第一开关管S1的控制信号根据输出电压动态调节，可增强基于耦合电感的高电压增益变换器的工作稳定性。
需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
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电压增益变换器，其特征在于，包括主电路，所述主电路包括：
第一开关管；
第一升压模块，第一升压模块的第一端与电源的正极连接，第一升压模块的第二端与第一开关管的第一端连接；
第二升压模块，包括第一二极管、第一升压单元、第二升压单元和耦合电感，所述耦合电感包括初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组；第一二极管的阳极与第一升压模块的第二端、第一升压单元的第一端连接，第一二极管的阴极与初级绕组的第一端连接，初级绕组的第二端与第一次级绕组的第一端、第二次级绕组的第一端连接，第二次级绕组的第二端与第一升压单元的第二端连接，第一次级绕组的第二端与第二升压单元的第一端连接，第二升压单元的第二端与第一开关管的第二端、电源的负极连接；
输出模块，其与第一升压单元和负载连接；
第一升压模块用于给第二升压单元充电，第二升压单元用于给第一升压单元充电，第一升压单元用于给输出模块充电，输出模块用于给负载充电。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，其特征在于，所述第一升压单元包括第一电容，所述第一电容的第一端为第一升压单元的第一端，第一电容的第二端为第一升压单元的第二端。
3.根据权利要求2所述的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，其特征在于，所述第二升压单元包括第二电容，所述第二电容的第一端为第二升压单元的第一端，所述第二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电压增益变换器，其特征在于，所述第一升压模块包括第一电感，所述第一电感的第一端为第一升压模块的第一端，第一电感的第二端为第一升压模块的第二端。
5.根据权利要求4所述的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，其特征在于，所述耦合电感还包括励磁电感，所述励磁电感并接于初级绕组两端。
6.根据权利要求5所述的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，其特征在于，所述初级绕组的第一端、第一次级绕组的第一端和第二次级绕组的第一端互为同名端。
7.根据权利要求6所述的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，其特征在于，所述输出模块包括第二二极管、第三二极管、第四二极管、第三电容、第四电容和第五电容；
第二二极管的阳极与第一电容的第二端、第四电容的第一端连接，第二二极管的阴极与第三电容的第一端、第四二极管的阳极连接，第三电容的第二端与第二电容的第二端、第三二极管的阴极连接，第四二极管的阴极与第五电容的第一端连接，第五电容的第二端与第四电容的第二端、第三二极管的阳极连接；
负载并接于第五电容两端。
8.根据权利要求6所述的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，其特征在于，所述变换器在一个开关周期内包括如下两种工作模态，
第一工作模态；第一开关管和第四二极管导通，第一二极管、第二二极管和第三二极管关断；电源向第一电感充电；第二电容通过第一次级绕组、第二次级绕组向第一电容和励磁电感充电；第三电容和第四电容通过第四二极管向第五电容和负载充电，当第一开关管关断时，第一工作模态结束；
第二工作模态：第一二极管、第二二极管和第三二极管导通，第一开关管和第四二极管关断；电源、第一电感和励磁电感通过第一二极管向第二电容充电；电源、第一电感和第一电容通过第二二极管、第三二极管向第三电容和第四电容充电；第五电容向负载充电，当第一开关管导通时，第二工作模态结束。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，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。
10.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于耦合电感的高电压增益变换器，其特征在于，还包括电压测试单元、主控单元和驱动单元；
所述电压测试单元与负载两端连接，用于检测所述基于耦合电感的高电压增益变换器的输出电压；
所述主控单元用于将根据输出电压输出占空比信号；
所述驱动单元的输出端与第一开关管的第三端连接，用于根据占空比信号输出控制信号，控制信号传输至第一开关管的第三端。
CN202310515186.3A 2023-05-09 2023-05-09 一种基于耦合电感的高电压增益变换器 Active CN116232062B (zh)

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