CN211296565U - 级联的降压型dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种级联的降压型DC‑DC变换器，包括电容电感储能模块1至电容电感储能模块n、电感L1至电感Ln‑1和电容Co，电容电感储能模块j包括二极管Dj_1、电容Cj_1、二极管Dj_2、电子开关Sj和电感Lj_1，电子开关Sj包括二极管Dj_3、N型MOS管Mj_1和控制器j，j的取值范围是1至n。本实用新型具有如下工作特征：电路结构简单、易于扩展、适用的控制方法多样、高效率、输入和输出电流均连续、输出和输入电压共地且极性一致、输出电压Vo小于或等于直流电源电压Vi。

Description

级联的降压型DC-DC变换器

技术领域

本实用新型涉及直流-直流(DC-DC)变换器，尤其是一种输入和输出电流均连续且输入和输出电压同极性的级联的降压型DC-DC变换器，可作为高降压比的基本单元组建多输入和多输出的直流电源系统，如：直流电源模块并联系统、LED阵列驱动系统、分布式光伏发电系统等。

背景技术

现有具有降压功能的基本DC-DC变换器包括Buck变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变换器。如表1所列，在不考虑输出电容的情况下，上述这5种具有降压功能的基本DC-DC变换器都不满足“输入和输出电流均连续且输入和输出电压同极性”的要求。

表1

级联是获得高降压比的常用手段。当采用上述基本DC-DC变换器进行级联时，仅Speic和Buck的组合或Speic和Zeta的组合或Cuk和Cuk的组合可满足“输入和输出电流均连续且输入和输出电压同极性”的要求。但是，Speic和Buck的组合和Speic和Zeta的组合内部存在电流不连续的问题，而Cuk和Cuk的组合则存在输入和输出不共地的问题。

发明内容

为了克服现有“输入和输出电流均连续且输入和输出电压同极性”的降压型DC-DC变换器级联方案中Speic和Buck的组合和Speic和Zeta的组合内部存在电流不连续的问题以及Cuk和Cuk的组合存在输入和输出不共地的问题，本实用新型提供一种级联的降压型DC-DC变换器，能够实现级间电流仍连续以及输入和输出共地，以此扩充DC-DC变换器的级联种类。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种级联的降压型DC-DC变换器，包括电容电感储能模块1至电容电感储能模块n、电感L1至电感Ln-1和电容Co，电容电感储能模块j具有端口Vij+、端口Voj+和端口Gndj，电容电感储能模块1的端口Vi1+与直流电源Vi的正端相连，电容电感储能模块1的端口Vo1+与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与电容电感储能模块2的端口Vi2+相连，依次类推，电感Ln-1的另一端与电容电感储能模块n的端口Vin+相连，电容电感储能模块n的端口Von+同时与电容Co的一端以及负载Z的一端相连，负载Z的另一端同时与电容Co的另一端、电容电感储能模块j的端口Gndj和直流电源Vi的负端相连，j的取值范围是1至n，电容电感储能模块j包括二极管Dj_1、电容Cj_1、二极管Dj_2、电子开关Sj和电感Lj_1，所述电子开关Sj具有端口aj和端口bj，电容Cj_1的一端同时与电容电感储能模块j的端口Vij+和电子开关Sj的端口aj相连，电容Cj_1的另一端同时与二极管Dj_1的阳极和电感Lj_1的一端相连，二极管Dj_1的阴极同时与电容电感储能模块j的端口Voj+和电子开关Sj的端口bj相连，电感Lj_1的另一端与二极管Dj_2的阴极相连，二极管Dj_2的阳极与电容电感储能模块j的端口Gndj相连。

本实用新型中，当电子开关S1截止时，二极管D1_1导通，直流电源Vi、电容C1_1、二极管D1_1、电感L1和电容电感储能模块2构成一个回路，二极管D1_2、电感L1_1、二极管D1_1、电感L1和电容电感储能模块2构成另一个回路。

当电子开关S1导通时，二极管D1_1截止，直流电源Vi、电子开关S1、电感L1和电容电感储能模块2构成一个回路，二极管D1_2、电感L1_1、电容C1_1、电子开关S1、电感L1和电容电感储能模块2构成另一个回路。

依次类推，当电子开关Sn截止时，二极管Dn_1导通，电容电感储能模块n-1、电感Ln-1、电容Cn_1、二极管Dn_1、电容Co和负载Z构成一个回路，二极管Dn_2、电感Ln_1、二极管Dn_1、电容Co和负载Z构成另一个回路。

当电子开关Sn导通时，二极管Dn_1截止，电容电感储能模块n-1、电感Ln-1、电子开关Sn、电容Co和负载Z构成一个回路，二极管Dn_2、电感Ln_1、电容Cn-1、电子开关Sn、电容Co和负载Z构成另一个回路。

进一步，所述电子开关Sj可采用单向导通的电子开关，即所述电子开关Sj导通时其电流从端口aj流入并从端口bj流出。该优选的方案是为了防止电流反流。

再进一步，所述电子开关Sj包括二极管Dj_3、N型MOS管Mj_1和控制器j，所述控制器j具有端口vgj，二极管Dj_3的阳极与所述电子开关Sj的端口aj相连，二极管Dj_3的阴极与N型MOS管Mj_1的漏极相连，N型MOS管Mj_1的源极与所述电子开关Sj的端口bj相连，N型MOS管Mj_1的门极与所述控制器j的端口vgj相连。

所述控制器j决定N型MOS管Mj_1的工作状态，所述控制器j采用电源控制芯片。

更进一步，控制器1至控制器n的输出信号vgs1至vgsn的相位依次滞后设定的角度θ，θ的取值范围是0至2π。

本实用新型的技术构思为：采用n-1个电感将n个电容电感储能模块级联起来，既实现高降压比和高效率的降压变换，又实现输入电流连续、级间电流连续、输出电流连续、输入和输出共地且输出电压极性不变。

本实用新型的有益效果主要表现在：所述级联的降压型DC-DC变换器电路结构简单、易于扩展、适用的控制方法多样，具有高效率、输入和输出电流均连续、输出和输入电压共地且极性一致、输出电压Vo小于或等于直流电源电压Vi的工作特征。

附图说明

图1是本实用新型的电路图。

图2是本实用新型中控制器1至控制器n输出信号的时序关系图。

图3是n＝3时本实用新型实施例在θ＝0的条件下的仿真工作波形图。

图4是n＝3时本实用新型实施例在θ＝2π/3的条件下的仿真工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图4，一种级联的降压型DC-DC变换器，包括电容电感储能模块1至电容电感储能模块n、电感L1至电感Ln-1和电容Co，电容电感储能模块j具有端口Vij+、端口Voj+和端口Gndj，电容电感储能模块1的端口Vi1+与直流电源Vi的正端相连，电容电感储能模块1的端口Vo1+与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与电容电感储能模块2的端口Vi2+相连，依次类推，电感Ln-1的另一端与电容电感储能模块n的端口Vin+相连，电容电感储能模块n的端口Von+同时与电容Co的一端以及负载Z的一端相连，负载Z的另一端同时与电容Co的另一端、电容电感储能模块j的端口Gndj和直流电源Vi的负端相连，j的取值范围是1至n，电容电感储能模块j包括二极管Dj_1、电容Cj_1、二极管Dj_2、电子开关Sj和电感Lj_1，所述电子开关Sj具有端口aj和端口bj，电容Cj_1的一端同时与电容电感储能模块j的端口Vij+和电子开关Sj的端口aj相连，电容Cj_1的另一端同时与二极管Dj_1的阳极和电感Lj_1的一端相连，二极管Dj_1的阴极同时与电容电感储能模块j的端口Voj+和电子开关Sj的端口bj相连，电感Lj_1的另一端与二极管Dj_2的阴极相连，二极管Dj_2的阳极与电容电感储能模块j的端口Gndj相连。

进一步，为了防止电流反流，所述电子开关Sj可采用单向导通的电子开关，即所述电子开关Sj导通时其电流从端口aj流入并从端口bj流出。

再进一步，所述电子开关Sj包括二极管Dj_3、N型MOS管Mj_1和控制器j，所述控制器j具有端口vgj，二极管Dj_3的阳极与所述电子开关Sj的端口aj相连，二极管Dj_3的阴极与N型MOS管Mj_1的漏极相连，N型MOS管Mj_1的源极与所述电子开关Sj的端口bj相连，N型MOS管Mj_1的门极与所述控制器j的端口vgj相连。

所述控制器j决定N型MOS管Mj_1的工作状态，所述控制器j采用常规的电源控制芯片，如：UC3842和IR2110等的组合。

更进一步，控制器1至控制器n的输出信号vgs1至vgsn的相位依次滞后设定的角度θ，θ的取值范围是0至2π(见图2)。

当实施例处于连续导通模式(CCM)时，电感L1_1可近似为恒流源，其稳态工作过程包含以下多个阶段。

(1)当N型MOS管M1_1截止时，二极管D1_1导通，直流电源Vi、电容C1_1、二极管D1_1、电感L1和电容电感储能模块2构成一个回路，二极管D1_2、电感L1_1、二极管D1_1、电感L1和电容电感储能模块2构成另一个回路。此时，C1_1充电，而L1的工作状态和电容电感储能模块2的工作状态相关。

(2)当N型MOS管M1_1导通时，二极管D1_1截止，直流电源Vi、二极管D1_3、N型MOS管M1_1、电感L1和电容电感储能模块2构成一个回路，二极管D1_2、电感L1_1、电容C1_1、二极管D1_3、N型MOS管M1_1、电感L1和电容电感储能模块2构成另一个回路。此时，C1_1放电，而L1的工作状态和电容电感储能模块2的工作状态相关。

以此类推，(3)当N型MOS管Mn_1截止时，二极管Dn_1导通，电容电感储能模块n-1、电感Ln-1、电容Cn_1、二极管Dn_1、电容Co和负载Z构成一个回路，二极管Dn_2、电感Ln_1、二极管Dn_1、电容Co和负载Z构成另一个回路。此时，Cn_1充电，Ln_1放磁。

(4)当N型MOS管Mn_1导通时，二极管Dn_1截止，电容电感储能模块n-1、电感Ln-1、二极管Dn_3、N型MOS管Mn_1、电容Co和负载Z构成一个回路，二极管Dn_2、电感Ln_1、电容Cn-1、二极管Dn_3、N型MOS管Mn_1、电容Co和负载Z构成另一个回路。此时，Cn_1放电，Ln_1充磁。

图3是n＝3时实施例在θ＝0的条件下的仿真工作波形图。图4是n＝3时实施例在θ＝2π/3的条件下的仿真工作波形图。由图3和图4可知，实施例的输入电流ii连续，输出电流io3连续，级间电流io1和io2也连续，输出电压Vo小于直流电源电压Vi，Vo和Vi共地且同极性。对比图3和图4可知，θ对io1、io2和io3的纹波存在影响。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种级联的降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述级联的降压型DC-DC变换器包括电容电感储能模块1至电容电感储能模块n、电感L1至电感Ln-1和电容Co，电容电感储能模块j具有端口Vij+、端口Voj+和端口Gndj，电容电感储能模块1的端口Vi1+与直流电源Vi的正端相连，电容电感储能模块1的端口Vo1+与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与电容电感储能模块2的端口Vi2+相连，依次类推，电感Ln-1的另一端与电容电感储能模块n的端口Vin+相连，电容电感储能模块n的端口Von+同时与电容Co的一端以及负载Z的一端相连，负载Z的另一端同时与电容Co的另一端、电容电感储能模块j的端口Gndj和直流电源Vi的负端相连，j的取值范围是1至n，电容电感储能模块j包括二极管Dj_1、电容Cj_1、二极管Dj_2、电子开关Sj和电感Lj_1，所述电子开关Sj具有端口aj和端口bj，电容Cj_1的一端同时与电容电感储能模块j的端口Vij+和电子开关Sj的端口aj相连，电容Cj_1的另一端同时与二极管Dj_1的阳极和电感Lj_1的一端相连，二极管Dj_1的阴极同时与电容电感储能模块j的端口Voj+和电子开关Sj的端口bj相连，电感Lj_1的另一端与二极管Dj_2的阴极相连，二极管Dj_2的阳极与电容电感储能模块j的端口Gndj相连。

2.如权利要求1所述的级联的降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述电子开关Sj采用单向导通的电子开关，即所述电子开关Sj导通时其电流从端口aj流入并从端口bj流出。

3.如权利要求2所述的级联的降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述电子开关Sj包括二极管Dj_3、N型MOS管Mj_1和控制器j，所述控制器j具有端口vgj，二极管Dj_3的阳极与所述电子开关Sj的端口aj相连，二极管Dj_3的阴极与N型MOS管Mj_1的漏极相连，N型MOS管Mj_1的源极与所述电子开关Sj的端口bj相连，N型MOS管Mj_1的门极与所述控制器j的端口vgj相连。

4.如权利要求3所述的级联的降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述控制器j采用电源控制芯片。

5.如权利要求3或4所述的级联的降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述控制器1至控制器n的输出信号vgs1至vgsn的相位依次滞后设定的角度θ，θ的取值范围是0至2π。

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