CN209120060U - 基于耦合电感的高增益dc/dc变换器及电源系统 - Google Patents

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CN209120060U CN201821580588.2U CN201821580588U CN209120060U CN 209120060 U CN209120060 U CN 209120060U CN 201821580588 U CN201821580588 U CN 201821580588U CN 209120060 U CN209120060 U CN 209120060U
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乔记阳
周绍元
李虎威
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Abstract

本实用新型涉及基于耦合电感的高增益DC/DC变换器及电源系统，该变换器包括耦合电感、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第四电容、输出电容、输出整流单元、开关管以及用于连接电源模块的电源端口。首先，本方案提供的DC/DC变换器具备较高增益，能够显著提升升压能力，实现电压高比例输出。而且，采用了耦合电感，与传统的升压电路相比较，在显著提高了升压能力的基础上，不存在因耦合电感副边绕组续流而产生的电压尖峰，显著提高了电路的工作效率，与传统的升压变换器相比，适合运用在可再生能源场合，比如光伏发电场合。

Description

基于耦合电感的高增益DC/DC变换器及电源系统
技术领域
本实用新型涉及基于耦合电感的高增益DC/DC变换器及电源系统。
背景技术
随着传统化不可再生能源的日趋减少和人类生存环境的恶化严重，发展新型清洁型的可再生能源已经到了十分迫切的地步，世界各国科研人员都在大力研究和开发新的能源，其中太阳能和风能已经得到了大力推广。不过对于这些新能源系统，如何满足电网中的高电压需要，实现并网运行仍然是至关重要的问题。目前，许多研究人员研究了大量的升压拓扑来满足这些应用的需求，在不同的转换器中，通常传统的BOOST变换器理论上可以通过采用极限占空比来获取高电压增益，但是，极限占空比会带来以下问题：增加输入电流纹波、降低电路的转换效率、增加EMI等。
授权公告号为CN105515377B的中国发明专利文件公开了一种基于耦合电感和倍压电容的软开关高增益直流变换器，包括输入电源、升压主电路和输出电路，升压主电路包括二极管、耦合电感、储能电容、倍压电容、主开关管、钳位开关管、钳位电容、钳位二极管等元器件，该变换器电路结构能够避免通过增大占空比而导致的输入电流纹波增大、电路转换效率低的缺点，而且，该电路结构能够实现电压高增益。但是，该电路结构的电压增益提升有限。而且，实际应用中，由于寄生参数的限制，无法实现非常高的电压增益。若采用级联型的拓扑结构来提高增益的话，器件数量增加所带来的效率不高的问题又会凸显。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，用以解决现有的直流变换器的电压增益提升有限，无法实现非常高的电压增益的问题。本实用新型同时提供一种电源系统，用以解决现有电源系统中的直流变换器的电压增益提升有限，无法实现非常高的电压增益的问题。
为实现上述目的，本实用新型包括以下技术方案。
一种基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，包括耦合电感、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第四电容、输出电容、输出整流单元、开关管以及用于连接电源模块的电源端口，所述电源端口的正极端和负极端之间连接有第一支路，所述第一支路上依次串设所述耦合电感的原边绕组和所述开关管，且所述耦合电感的原边绕组的同名端连接所述正极端，所述开关管与第二支路并联设置，所述第二支路上依次串设所述耦合电感的副边绕组、第二电容、第一二极管、第四二极管和第四电容，且所述耦合电感的副边绕组的同名端连接所述耦合电感的原边绕组的异名端，所述第一电容的一端连接所述耦合电感的原边绕组与所述开关管的连接点，所述第一电容的另一端连接第一二极管与第四二极管的连接点，所述耦合电感的副边绕组与第二电容的连接点与所述负极端之间连接有第三支路，所述第三支路上串设有所述输出整流单元和输出电容，所述第三二极管的阳极连接所述第四二极管与第四电容的连接点，所述第三二极管的阴极连接所述耦合电感的副边绕组与所述输出整流单元的连接点，所述输出电容的两端为所述DC/DC变换器的电压输出端。
本方案提供的DC/DC变换器具备较高增益，能够显著提升升压能力，实现较高电压输出。而且，采用了耦合电感，与传统的升压电路相比较，在显著提高了升压能力的基础上，不存在因耦合电感副边绕组续流而产生的电压尖峰，显著提高了电路的工作效率。
进一步地，所述DC/DC变换器还包括第三电容，所述第三电容串设在所述第三支路上，且所述第三电容的一端连接所述耦合电感的副边绕组，所述第三电容的另一端连接所述输出整流单元，所述第三二极管的阴极连接所述第三电容的另一端与所述输出整流单元的连接点。与传统的升压电路相比较，能够进一步提高电路的升压能力，而且在显著提高了升压能力的基础上，也能够进一步提高电路的工作效率。
进一步地，所述DC/DC变换器还包括第二二极管，所述第二二极管的阳极连接所述耦合电感的原边绕组的异名端与所述耦合电感的副边绕组的同名端的连接点，所述第二二极管的阴极连接所述第二电容与第一二极管的连接点。其中耦合电感的副边绕组、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管构成不对称升压结构，提升了升压能力，而且根据自举原理，进一步提高电路的升压能力。
进一步地，所述DC/DC变换器的增益MCCM的计算公式为：
MCCM＝Vo/Vin＝(2+2N)/(1-D)
其中，Vo为DC/DC变换器的输出电压，Vin为DC/DC变换器的输入电压，D为开关管的占空比，N为耦合电感的副边绕组与原边绕组的匝数比。与传统的对称结构的升压单元相比较，随着占空比的增加，该DC/DC变换器具有十分优越的升压性能，而且，占空比越高，升压能力和电路的工作效率具备更加优越的优势，与传统的升压变换器相比，适合运用在可再生能源场合，比如光伏发电场合。
进一步地，所述输出整流单元为输出整流二极管。
一种电源系统，包括电源模块和基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，所述DC/DC变换器包括耦合电感、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第四电容、输出电容、输出整流单元、开关管以及用于连接电源模块的电源端口，所述电源端口的正极端和负极端之间连接有第一支路，所述第一支路上依次串设所述耦合电感的原边绕组和所述开关管，且所述耦合电感的原边绕组的同名端连接所述正极端，所述开关管与第二支路并联设置，所述第二支路上依次串设所述耦合电感的副边绕组、第二电容、第一二极管、第四二极管和第四电容，且所述耦合电感的副边绕组的同名端连接所述耦合电感的原边绕组的异名端，所述第一电容的一端连接所述耦合电感的原边绕组与所述开关管的连接点，所述第一电容的另一端连接第一二极管与第四二极管的连接点，所述耦合电感的副边绕组与第二电容的连接点与所述负极端之间连接有第三支路，所述第三支路上串设有所述输出整流单元和输出电容，所述第三二极管的阳极连接所述第四二极管与第四电容的连接点，所述第三二极管的阴极连接所述耦合电感的副边绕组与所述输出整流单元的连接点，所述输出电容的两端为所述DC/DC变换器的电压输出端。
本方案提供的电源系统中的DC/DC变换器具备较高增益，能够显著提升升压能力，实现较高电压输出。而且，采用了耦合电感，与传统的升压电路相比较，在显著提高了升压能力的基础上，不存在因耦合电感副边绕组续流而产生的电压尖峰，显著提高了系统的工作效率。
进一步地，所述DC/DC变换器还包括第三电容，所述第三电容串设在所述第三支路上，且所述第三电容的一端连接所述耦合电感的副边绕组，所述第三电容的另一端连接所述输出整流单元，所述第三二极管的阴极连接所述第三电容的另一端与所述输出整流单元的连接点。与传统的升压电路相比较，能够进一步提高升压能力，而且在显著提高了升压能力的基础上，也能够进一步提高系统工作效率。
进一步地，所述DC/DC变换器还包括第二二极管，所述第二二极管的阳极连接所述耦合电感的原边绕组的异名端与所述耦合电感的副边绕组的同名端的连接点，所述第二二极管的阴极连接所述第二电容与第一二极管的连接点。其中耦合电感的副边绕组、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管构成不对称升压结构，提升了升压能力，而且根据自举原理，进一步提高系统的升压能力。
进一步地，所述DC/DC变换器的增益MCCM的计算公式为：
MCCM＝Vo/Vin＝(2+2N)/(1-D)
其中，Vo为DC/DC变换器的输出电压，Vin为DC/DC变换器的输入电压，D为开关管的占空比，N为耦合电感的副边绕组与原边绕组的匝数比。与传统的对称结构的升压单元相比较，随着占空比的增加，系统具有十分优越的升压性能，而且，占空比越高，升压能力和工作效率具备更加优越的优势，与传统的升压变换器相比，适合运用在可再生能源场合，比如光伏发电场合。
进一步地，所述输出整流单元为输出整流二极管。
附图说明
图1是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器拓扑图；
图2是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器等效电路图；
图3是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器的波形图；
图4是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器第一种开关模态的等效图；
图5是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器第二种开关模态的等效图；
图6是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器第三种开关模态的等效图；
图7是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器第四种开关模态的等效图；
图8是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器第五种开关模态的等效图；
图9是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器第六种开关模态的等效图；
图10是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器第七种开关模态的等效图；
图11是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器第八种开关模态的等效图；
图12是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器的第一个试验波形图；
图13是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器的第二个试验波形图；
图14是基于耦合电感的高增益DC/DC变换器的第三个试验波形图。
具体实施方式
电源系统实施例
本实施例提供一种电源系统，包括两大部分，分别是电源模块和基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，电源模块的电能输出端连接该DC/DC变换器的输入端。该电源模块为现有技术，可以由多个电池模块构成，如图1所示，为输入电源Vin。以下重点对DC/DC变换器的拓扑结构和运行过程进行说明。
DC/DC变换器包括耦合电感、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第四电容、输出电容、输出整流单元、开关管以及用于连接电源模块的电源端口。耦合电感包括原边绕组和副边绕组，分别对应图1中的原边绕组L1和副边绕组L2，第一二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第四电容、输出电容和开关管分别对应图1中的二极管D1、二极管D3、二极管D4、电容C1、电容C2、电容C4、输出电容Co和开关管S。电源端口包括正极端和负极端，正极端用于连接输入电源Vin的正极，负极端用于连接输入电源Vin的负极。本实施例中，输出整流单元为输出整流二极管Do，简称为整流二极管Do，当然，输出整流单元还可以是其他的整流拓扑结构。本实施例中，开关管S为MOS管或者IGBT。
为了便于说明电路结构，定义三条支路，分别是第一支路、第二支路和第三支路。电源端口的正极端和负极端之间连接有第一支路，第一支路上依次串设耦合电感的原边绕组L1和开关管S，且原边绕组L1的同名端连接电源端口的正极端，开关管S与第二支路并联设置，第二支路上依次串设副边绕组L2、电容C2、二极管D1、二极管D4和电容C4，且副边绕组L2的同名端连接原边绕组L1的异名端，电容C1的一端连接原边绕组L1与开关管S的连接点，电容C1的另一端连接二极管D1与二极管D4的连接点。副边绕组L2与电容C2的连接点与电源端口的负极端之间连接第三支路，第三支路上串设整流二极管Do和输出电容Co，二极管D3的阳极连接二极管D4和电容C4的连接点，二极管D3的阴极连接副边绕组L2与整流二极管Do的连接点，输出电容Co的两端为该DC/DC变换器的电压输出端，输出电压为Vo，这里，输出电容Co与负载电阻R并联设置，负载电阻R表示负载。
进一步地，DC/DC变换器还包括第三电容，对应图1中的电容C3，电容C3串设在第三支路上，且电容C3的一端连接副边绕组L2与电容C2的连接点，电容C3的另一端连接整流二极管Do，电容C3能够储存电容C4提供的能量。
DC/DC变换器还包括第二二极管，对应图1中的二极管D2，二极管D2的阳极连接原边绕组L1的异名端与副边绕组L2的同名端的连接点，二极管D2的阴极连接电容C2与二极管D1的连接点。其中副边绕组L2、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2构成不对称结构的升压单元，提高电路的升压能力。而且，根据自举原理，进一步提高电路的升压能力。
因此，图1给出了DC/DC变换器的一种具体的实现结构。按照各个元器件的两端来说连接关系的话，电源端口的正极端连接原边绕组L1的同名端，原边绕组L1的异名端分别连接二极管D2的阳极、电容C1的一端、副边绕组L2的同名端和开关管S的漏极，副边绕组L2的异名端分别连接电容C2的一端和电容C3的一端，电容C2的另一端分别连接二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，二极管D1的阴极分别连接电容C1的另一端和二极管D4的阳极，二极管D4的阴极分别连接电容C4的一端和二极管D3的阳极，二极管D3的阴极分别连接电容C3的另一端和整流二极管Do的阳极，整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极、电容C4的另一端与电源端口的负极端相连接。
耦合电感的原边绕组L1和副边绕组L2的匝数比为N。如图2所示，耦合电感的原边绕组等效为励磁电感LM和漏电感LK。图2中，相关二极管两端的正负极方向为电压应力的方向。
设定耦合电感原边绕组L1的电流为耦合电感副边绕组L2的电流为输出二极管Do的电流为开关管S的电压为VDS，二极管D1的电流为二极管D2的电流为二极管D3的电流为二极管D4的电流为耦合电感原边绕组L1的电压为耦合电感副边绕组L2的电压为DC/DC变换器的波形如图3所示，其工作过程分为8个开关模态，分别为第一种开关模态至第八种开关模态，具体描述如下：
第一种开关模态，对应图3中的[t0，t1]：等效电路如图4所示，在t0时刻开通开关管S，耦合电感原边绕组L1充电，耦合电感副边绕组L2通过二极管D1与电容C2串联给电容C1充电，输出电容Co给负载电阻R供电。
第二种开关模态，对应图3中的[t1，t2]：等效电路如图5所示，在t1时刻二极管D1关断，二极管D3导通，耦合电感原边绕组L1继续充电，耦合电感副边绕组L2储存能量，电容C4放电，电容C4与耦合电感副边绕组L2一起给电容C3充电，输出电容Co给负载电阻R供电。
第三种开关模态，对应图3中的[t2，t3]：等效电路如图6所示，在t2时刻二极管D2导通，耦合电感副边绕组L2通过二极管D2给电容C2充电，耦合电感原边绕组L1继续充电，耦合电感副边绕组L2储存能量，电容C4放电，电容C4与耦合电感副边绕组L2一起给电容C3充电，输出电容Co给负载电阻R供电。
第四种开关模态，对应图3中的[t3，t4]：等效电路如图7所示，开关管S关断，耦合电感原边绕组L1开始放电，耦合电感副边绕组L2开始放电，耦合电感副边绕组L2通过二极管D2给电容C2充电，输出电容Co给负载电阻R供电。
第五种开关模态，对应图3中的[t4，t5]：等效电路如图8所示，开关管S关断，耦合电感原边绕组L1放电，耦合电感副边绕组L2放电，输入电源与耦合电感原边绕组L1和电容C1串联，给电容C4充电，输入电源与耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2和电容C3串联，给输出电容Co和负载电阻R供电。
第六种开关模态，对应图3中的[t5，t6]：等效电路如图9所示，在t5时刻二极管D1导通，耦合电感原边绕组L1放电，耦合电感副边绕组L2放电，输入电源与耦合电感原边绕组L1和电容C1串联并通过二极管D4给电容C4充电，输入电源与耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2和电容C2串联并通过二极管D1给电容C4充电，输入电源与耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2和电容C3串联，给输出电容Co和负载电阻R供电。
第七种开关模态，对应图3中的[t6，t7]：等效电路如图10所示，在t6时刻耦合电感副边绕组L2与电容C2串联并通过二极管D1给电容C1充电，输入电源与耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2、电容C2串联并通过二极管D1和二极管D4给电容C4充电，输入电源与耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2和电容C3串联，给输出电容Co和负载电阻R供电。
第八种开关模态，对应图3中的[t7，t8]：等效电路如图11所示，在t7时刻二极管D4关断，耦合电感副边绕组L2与电容C2串联，输入电源与耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2和电容C3串联，给输出电容Co和负载电阻R供电。
由上述分析可得，该DC/DC变换器的增益MCCM的计算公式为：
MCCM＝Vo/Vin＝(2+2N)/(1-D)
其中，Vo为DC/DC变换器的输出电压，Vin为DC/DC变换器的输入电压，D为开关管S的占空比，N为耦合电感的副边绕组L2与原边绕组L1的匝数比。
图12为输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，开关管S的漏源两端的电压差VDS的纵坐标为50V/单元格，耦合电感原边电流的纵坐标为20A/单元格，耦合电感副边电流的纵坐标为10A/单元格，单位为20us/单元格的实验波形。图13为输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，开关管S的漏源两端的电压差VDS的纵坐标为50V/单元格，耦合电感原边电压的纵坐标为50V/单元格，耦合电感副边电压的纵坐标为50V/单元格，单位为20us/单元格的实验波形。图14为输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，开关管S的漏源两端的电压差VDS的纵坐标为50V/单元格，整流二极管Do的电压的纵坐标为100V/单元格，二极管D4的电压的纵坐标为50V/单元格，单位为20ms/单元格的实验波形。另外，图12-图14中的两个箭头是示波器的波形自动稳定标定生成的，属于示波器自身功能。
以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。
基于耦合电感的高增益DC/DC变换器实施例
本实施例提供一种基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，该变换器可以单独保护，由于上述电源系统实施例中已对该变换器的拓扑结构以及工作过程进行了详细地描述，这里就不再具体说明。

Claims (8)

1.一种基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，其特征在于，包括耦合电感、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第四电容、输出电容、输出整流单元、开关管以及用于连接电源模块的电源端口，所述电源端口的正极端和负极端之间连接有第一支路，所述第一支路上依次串设所述耦合电感的原边绕组和所述开关管，且所述耦合电感的原边绕组的同名端连接所述正极端，所述开关管与第二支路并联设置，所述第二支路上依次串设所述耦合电感的副边绕组、第二电容、第一二极管、第四二极管和第四电容，且所述耦合电感的副边绕组的同名端连接所述耦合电感的原边绕组的异名端，所述第一电容的一端连接所述耦合电感的原边绕组与所述开关管的连接点，所述第一电容的另一端连接第一二极管与第四二极管的连接点，所述耦合电感的副边绕组与第二电容的连接点与所述负极端之间连接有第三支路，所述第三支路上串设有所述输出整流单元和输出电容，所述第三二极管的阳极连接所述第四二极管与第四电容的连接点，所述第三二极管的阴极连接所述耦合电感的副边绕组与所述输出整流单元的连接点，所述输出电容的两端为所述DC/DC变换器的电压输出端。
2.根据权利要求1所述的基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第三电容，所述第三电容串设在所述第三支路上，且所述第三电容的一端连接所述耦合电感的副边绕组，所述第三电容的另一端连接所述输出整流单元，所述第三二极管的阴极连接所述第三电容的另一端与所述输出整流单元的连接点。
3.根据权利要求2所述的基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第二二极管，所述第二二极管的阳极连接所述耦合电感的原边绕组的异名端与所述耦合电感的副边绕组的同名端的连接点，所述第二二极管的阴极连接所述第二电容与第一二极管的连接点。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述输出整流单元为输出整流二极管。
5.一种电源系统，包括电源模块和基于耦合电感的高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器包括耦合电感、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第四电容、输出电容、输出整流单元、开关管以及用于连接电源模块的电源端口，所述电源端口的正极端和负极端之间连接有第一支路，所述第一支路上依次串设所述耦合电感的原边绕组和所述开关管，且所述耦合电感的原边绕组的同名端连接所述正极端，所述开关管与第二支路并联设置，所述第二支路上依次串设所述耦合电感的副边绕组、第二电容、第一二极管、第四二极管和第四电容，且所述耦合电感的副边绕组的同名端连接所述耦合电感的原边绕组的异名端，所述第一电容的一端连接所述耦合电感的原边绕组与所述开关管的连接点，所述第一电容的另一端连接第一二极管与第四二极管的连接点，所述耦合电感的副边绕组与第二电容的连接点与所述负极端之间连接有第三支路，所述第三支路上串设有所述输出整流单元和输出电容，所述第三二极管的阳极连接所述第四二极管与第四电容的连接点，所述第三二极管的阴极连接所述耦合电感的副边绕组与所述输出整流单元的连接点，所述输出电容的两端为所述DC/DC变换器的电压输出端。
6.根据权利要求5所述的电源系统，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第三电容，所述第三电容串设在所述第三支路上，且所述第三电容的一端连接所述耦合电感的副边绕组，所述第三电容的另一端连接所述输出整流单元，所述第三二极管的阴极连接所述第三电容的另一端与所述输出整流单元的连接点。
7.根据权利要求6所述的电源系统，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第二二极管，所述第二二极管的阳极连接所述耦合电感的原边绕组的异名端与所述耦合电感的副边绕组的同名端的连接点，所述第二二极管的阴极连接所述第二电容与第一二极管的连接点。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的电源系统，其特征在于，所述输出整流单元为输出整流二极管。
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