CN117856624A - 一种宽范围升降压直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽范围升降压直流变换器包括耦合电感，所述耦合电感的第一线圈的同名端电连接电压输入端的正极、第四半导体开关器件的漏极和第二半导体开关器件的漏极；所述耦合电感的第一线圈的异名端电连接第一半导体开关器件的漏极和第三半导体开关器件的源极；耦合电感的第二线圈的同名端电连接第二半导体开关器件的源极，滤波电容的一端和负载的一端，耦合电感的第二线圈的异名端电连接第五半导体开关器件的漏极和第四半导体开关器件的源极。本发明实现了宽范围的升降压直流电压转换，减小了升降压直流变换器的体积，提高了升降压直流变换器的功率密度。

Description

一种宽范围升降压直流变换器
技术领域
本发明用于电学技术领域，主要涉及到宽范围升降压直流变换器。
背景技术
升降压直流变换器被广泛应用于宽范围电压变化的场合，如光伏发电、新能源供电、蓄电池充放电等场景。如蓄电池充放电时，电压变化较大，需要具有宽范围调压能力的直流变换器稳定输出电压，以满足负载供电需求。传统的直流升降压变换器，如Buck-Boost,反激变换器等，虽然能够实现升降压的功能，但其受电路寄生参数影响，升降压调节范围有限，体积重量大，因此需要进行改进。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种宽范围升降压直流变换器。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案进行实现：
一种宽范围升降压直流变换器，包括耦合电感La，所述耦合电感La的第一线圈的同名端电连接电压输入端的正极、第四半导体开关器件S4的漏极和第二半导体开关器件S2的漏极；所述耦合电感La的第一线圈的异名端电连接第一半导体开关器件S1的漏极和第三半导体开关器件S3的源极；耦合电感La的第二线圈的同名端电连接第二半导体开关器件S2的源极，滤波电容Cf的一端和负载R的一端，耦合电感La的第二线圈的异名端电连接第五半导体开关器件S5的漏极和第四半导体开关器件S4的源极；第五半导体开关器件S5的源极电连接电压输入端的负极和第一半导体开关器件S1的源极；第三半导体开关器件S3的漏极电连接滤波电容Cf的一另端和负载R的另一端。
进一步的改进，所述第一半导体开关器件S1、第二半导体开关器件S2、第三半导体开关器件S3、第四半导体开关器件S4和第五半导体开关器件S5为MOSFET或IGBT。
进一步的改进，所述第一半导体开关器件S1和第二半导体开关器件S2的开关信号相同并与第三半导体开关器件S3的开关信号互补；第四半导体开关器件S4与第五半导体开关器件S5的开关信号互补。
进一步的改进，第一半导体开关器件S1、第二半导体开关器件S2、第三半导体开关器件S3、第四半导体开关器件S4和第五半导体开关器件S5的开关频率为fs，开关周期为Ts，Ts＝1/fs；第一半导体开关器件S1、第二半导体开关器件S2和第三半导体开关器件S3的占空比为D1，第四半导体开关器件S4和第五半导体开关器件S5的占空比为D2。
进一步的改进，在升压区间，即负载两端电压Vo＞电压输入端的输入电压Vin，则所述宽范围升降压直流变换器工作于模式一或模式二；
其中，模式一的工作区间为D1Ts，模式二的工作区间为1-D1Ts；
宽范围升降压直流变换器工作于模式一时，第一半导体开关器件S1、第二半导体开关器件S2和第五半导体开关器件S5处于导通状态，第三半导体开关器件S3和第四半导体开关器件S4处于关闭状态，输入电压Vin经第一半导体开关器件S1和第二半导体开关器件S2分别向耦合电感La充电，此时耦合电感La储能，滤波电容Cf向负载R供电；
宽范围升降压直流变换器工作于模式二时，第一半导体开关器件S1、第二半导体开关器件S2和第四半导体开关器件S4处于关闭状态，第三半导体开关器件S3和第五半导体开关器件S5处于导通状态，此时耦合电感La释放能量，输入电压Vin和耦合电感La同时向滤波电容Cf和负载R供电。
进一步的改进，在降压区间，即负载两端电压Vo＜电压输入端的输入电压Vin，则所述宽范围升降压直流变换器工作于模式三或模式四；
其中，模式三的工作区间为D2Ts，模式四的工作区间为1-D2Ts；
宽范围升降压直流变换器工作于模式三时，第一半导体开关器件S1、第二半导体开关器件S2和第四半导体开关器件S4处于关闭状态，第三半导体开关器件S3和第五半导体开关器件S5处于导通状态，此时耦合电感La释放能量，输入电压Vin和耦合电感La同时向滤波电容Cf和负载R供电
宽范围升降压直流变换器工作于模式四时，第一半导体开关器件S1、第二半导体开关器件S2和第五半导体开关器件S5处于关闭状态，第三半导体开关器件S3和第四半导体开关器件S4处于导通状态，此时耦合电感La释放能量，耦合电感La经过第三半导体开关器件S3和第四半导体开关器件S4向滤波电容Cf和负载R供电。
本发明与现有方法相比，具有以下优点：
本发明实现了宽范围的升降压直流电压转换，减小了升降压直流变换器的体积，提高了升降压直流变换器的功率密度。
附图说明
图1为本发明所提出的宽范围升降压直流变换器电路拓扑图；
图2为本发明所提出的宽范围升降压直流变换器控制方法示意图；
图3a为本发明所提出的宽范围升降压直流变换器工作模式一的示意图；
图3b为本发明所提出的宽范围升降压直流变换器工作模式二的示意图；
图3c为本发明所提出的宽范围升降压直流变换器工作模式三的示意图；
图3d为本发明所提出的宽范围升降压直流变换器工作模式四的示意图；
图4为考虑电感寄生电阻Ra的宽范围升降压直流变换器拓扑图；
图5为宽范围升降压直流变换器的增益随占空比变化的曲线。
具体的实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提出的一种宽范围升降压直流变换器，包括输入电压Vin，耦合电感La，半导体开关器件S1，S2，S3，S4，S5，输出滤波电容Cf，负载R；输入电压Vin的正极分别连接耦合电感La的第一端、S2的漏极和S4的漏极；输入电压Vin的负极分别连接S1的源极和S5的源极；耦合电感La的第二端分别连接S5的漏极和S4的源极；耦合电感La的第三端分别连接S1的漏极和S3的源极；耦合电感La的第四端分别连接S2的源极、Cf的低压端和负载R的低压端；S3的漏极分别连接Cf的高压端和负载R的高压端；耦合电感La的第一端和第二端互为异名端。
本实施例中所述半导体开关器件S1，S2，S3，S4，S5均为MOSFET或IGBT。
本实施例提供一种宽范围升降压直流变换器控制方法，应用于上述宽范围升降压直流变换器拓扑，方法包括以下步骤：
如图2所示，宽范围升降压直流变换器的工作模式为模式1、模式2、模式3、模式4，开关器件S1，S2，S3，S4，S5在高频工作时的开关频率为fs，开关周期为Ts，fs和Ts的关系为Ts＝1/fs，S1和S2开关信号相同并与S3互补，S4与S5互补。在升压区间，即Vo＞Vin，S1、S2和S3高频工作，S4始终关闭，S5始终导通，模式1工作区间定义为D1Ts，则模式2工作区间为(1-D1)Ts；在降压区间,即Vo＜Vin，S1和S2始终关闭，S3始终导通，S4和S5高频工作，模式3工作区间定义为D2Ts，则模式4工作区间为(1-D2)Ts；其中D1和D2为开关器件占空比，D1和D2大于0并且小于1。升压区间，电路工作于模式1和模式2；降压区间，电路工作于模式3和模式4。
模式1:如图3a所示，开关器件S1、S2和S5导通，开关器件S3和S4关闭，输入电压Vin经开关器件S1和S2分别向耦合电感La充电，此时耦合电感La储能，滤波电容Cf向负载R供电。
模式2:如图3b所示，开关器件S3和S5导通，开关器件S1、S2和S4关闭，此时耦合电感La释放能量，输入电压Vin和耦合电感La同时向滤波电容Cf和负载R供电。
模式3:如图3c所示，开关器件S3和S5导通，开关器件S1、S2和S4关闭，此时耦合电感La释放能量，输入电压Vin和耦合电感La同时向滤波电容Cf和负载R供电。
模式4:如图3d所示，开关器件S3和S4导通，开关器件S1、S2和S5关闭，此时耦合电感La释放能量，耦合电感La经过开关器件S3和S4向滤波电容Cf和负载R供电。
根据所述高增益耦合电感型升压直流变换器控制方法，升压区间工作时，在D1Ts区间，耦合电感La两端电压为输入电压Vin，耦合电感La的结构对称，其自感感量为互感感量为/>理想情况下，iLa1＝iLa2＝iLa，应用伏秒平衡和安秒平衡原理，有：
在(1-D1)Ts区间，有：
稳态运行时，耦合电感La两端电压伏秒平衡，有：
输出与输入电压的增益G为：
降压区间工作时，在D2Ts区间，耦合电感La两端电压为输入电压Vin和输出电压Vo的差值，理想情况下，iLa1＝iLa2＝iLa，应用伏秒平衡和安秒平衡原理，有：
在(1-D2)Ts区间，有：
稳态运行时，耦合电感La两端电压伏秒平衡，有：
(Vin-Vo)D2Ts＝Vo(1-D2)Ts (7)
输出与输入电压的增益G为：
根据所述宽范围升降压直流变换器控制方法，在宽范围升降压直流变换器升降压模式切换点，此时升压模式开关器件占空比D1为0，由公式(1)得到：
降压模式开关器件占空比D2为1，由公式(6)得到：
由公式(9)，公式(10)，可知此时耦合电感La的纹波电流diLa为零，输入电压Vin等于输出电压Vo，宽范围升降压直流变换器可实现升降压平滑切换。
如图4所示，考虑电感寄生电阻Ra的影响，电感寄生电阻Ra的阻值为Ra*，负载R的阻值为R*，对宽范围升降压直流变换器，重新应用伏秒平衡和安秒平衡原理，得到宽范围升降压直流变换器的升压增益G1和降压增益G2为：
考虑寄生电阻Ra的影响时，在宽范围升降压直流变换器升降压模式切换点，有：
根据公式(13)，公式(14)，可知G1＝G2，即此时输入电压Vin和输出电压Vo转换关系一致，在考虑寄生电阻Ra的影响时，此时耦合电感La的纹波电流diLa同样为零，宽范围升降压直流变换器仍可实现升降压平滑切换。
使用统一占空比D表示宽范围升降压直流变换器的开关器件在降压模式和升压模式下的占空比，即：
其中，D1和D2变化范围为0到1。
可得理想情况下，升降压直流变换器的增益G3为：
可得考虑寄生电阻Ra的影响时，升降压直流变换器的增益G4为：
宽范围升降压直流变换器的增益随占空比D的变化曲线如图5所示，其具有宽范围的直流升降压能力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种宽范围升降压直流变换器，其特征在于，包括耦合电感(La)，所述耦合电感(La)的第一线圈的同名端电连接电压输入端的正极、第四半导体开关器件(S4)的漏极和第二半导体开关器件(S2)的漏极；所述耦合电感(La)的第一线圈的异名端电连接第一半导体开关器件(S1)的漏极和第三半导体开关器件(S3)的源极；耦合电感(La)的第二线圈的同名端电连接第二半导体开关器件(S2)的源极，滤波电容(Cf)的一端和负载(R)的一端，耦合电感(La)的第二线圈的异名端电连接第五半导体开关器件(S5)的漏极和第四半导体开关器件(S4)的源极；第五半导体开关器件(S5)的源极电连接电压输入端的负极和第一半导体开关器件(S1)的源极；第三半导体开关器件(S3)的漏极电连接滤波电容(Cf)的一另端和负载(R)的另一端。
2.如权利要求1所述的宽范围升降压直流变换器，其特征在于，所述第一半导体开关器件(S1)、第二半导体开关器件(S2)、第三半导体开关器件(S3)、第四半导体开关器件(S4)和第五半导体开关器件(S5)为MOSFET或IGBT。
3.如权利要求1所述的宽范围升降压直流变换器，其特征在于，所述第一半导体开关器件(S1)和第二半导体开关器件(S2)的开关信号相同并与第三半导体开关器件(S3)的开关信号互补；第四半导体开关器件(S4)与第五半导体开关器件(S5)的开关信号互补。
4.如权利要求1所述的宽范围升降压直流变换器，其特征在于，第一半导体开关器件(S1)、第二半导体开关器件(S2)、第三半导体开关器件(S3)、第四半导体开关器件(S4)和第五半导体开关器件(S5)的开关频率为fs，开关周期为Ts，Ts＝1/fs；第一半导体开关器件(S1)、第二半导体开关器件(S2)和第三半导体开关器件(S3)的占空比为D1，第四半导体开关器件(S4)和第五半导体开关器件(S5)的占空比为D2。
5.如权利要求4所述的宽范围升降压直流变换器，其特征在于，在升压区间，即负载两端电压Vo＞电压输入端的输入电压Vin，则所述宽范围升降压直流变换器工作于模式一或模式二；
其中，模式一的工作区间为D1Ts，模式二的工作区间为(1-D1)Ts；
宽范围升降压直流变换器工作于模式一时，第一半导体开关器件(S1)、第二半导体开关器件(S2)和第五半导体开关器件(S5)处于导通状态，第三半导体开关器件(S3)和第四半导体开关器件(S4)处于关闭状态，输入电压Vin经第一半导体开关器件(S1)和第二半导体开关器件(S2)分别向耦合电感(La)充电，此时耦合电感(La)储能，滤波电容(Cf向)负载(R)供电；
宽范围升降压直流变换器工作于模式二时，第一半导体开关器件(S1)、第二半导体开关器件(S2)和第四半导体开关器件(S4)处于关闭状态，第三半导体开关器件(S3)和第五半导体开关器件(S5)处于导通状态，此时耦合电感(La)释放能量，输入电压(Vin)和耦合电感(La)同时向滤波电容(Cf)和负载(R)供电。
6.如权利要求4所述的宽范围升降压直流变换器，其特征在于，在降压区间，即负载两端电压Vo＜电压输入端的输入电压Vin，则所述宽范围升降压直流变换器工作于模式三或模式四；
其中，模式三的工作区间为D2Ts，模式四的工作区间为(1-D2)Ts；
宽范围升降压直流变换器工作于模式三时，第一半导体开关器件(S1)、第二半导体开关器件(S2)和第四半导体开关器件(S4)处于关闭状态，第三半导体开关器件(S3)和第五半导体开关器件(S5)处于导通状态，此时耦合电感(La)释放能量，输入电压Vin和耦合电感(La)同时向滤波电容(Cf)和负载(R)供电
宽范围升降压直流变换器工作于模式四时，第一半导体开关器件(S1)、第二半导体开关器件(S2)和第五半导体开关器件(S5)处于关闭状态，第三半导体开关器件(S3)和第四半导体开关器件(S4)处于导通状态，此时耦合电感(La)释放能量，耦合电感(La)经过第三半导体开关器件(S3)和第四半导体开关器件(S4)向滤波电容(Cf)和负载(R)供电。
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