CN211791277U

CN211791277U - 一种级联的升降压型dc-dc变换器

Info

Publication number: CN211791277U
Application number: CN201821850733.4U
Authority: CN
Inventors: 陈怡�
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2028-11-12

Abstract

一种级联的升降压型DC‑DC变换器，包括电感L1至电感L3、1个升压型电容储能模块、1个降压型电容储能模块和电容Co，升压型电容储能模块包括二极管Da_1、电容Ca_1、二极管Da_2和电子开关Sa，降压型电容储能模块包括二极管Db_1、电容Cb_1、二极管Db_2和电子开关Sb，电子开关Sa包括二极管Da_3、N型MOS管Ma_1和控制器a，电子开关Sb包括二极管Db_3、N型MOS管Mb_1和控制器b。本实用新型具有如下工作特征：电路结构简单、适用的控制方法多样、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大于或小于或等于直流电源电压Vi。

Description

一种级联的升降压型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升降压型DC-DC变换器，可作为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

现有具有升降压功能的基本DC-DC变换器包括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4种具有升降压功能的基本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

采用级联基本DC-DC变换器的方式，将Boost变换器和Buck变换器进行级联，可获得输入和输出电流均连续且输入和输出电压同极性的升降压型DC-DC变换器，但是其组合内部存在电流不连续的问题。

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”的升降压型DC-DC变换器级联方案中Boost和Buck的组合内部存在电流不连续的问题，本实用新型提供一种级联的升降压型DC-DC变换器，能够实现输入和输出电流均连续、级间电流仍连续以及输入和输出共地，以此扩充升降压型DC-DC变换器的种类。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种级联的升降压型DC-DC变换器，包括电感L1至电感L3、1个升压型电容储能模块、1个降压型电容储能模块和电容Co，升压型电容储能模块具有端口Via+、端口Voa+和端口Gnda，降压型电容储能模块具有端口Vib+、端口Vob+和端口Gndb，电感L1的一端与直流电源Vi的正端相连，电感L3的另一端同时与电容Co的一端和负载Z的一端相连，负载Z的另一端同时与电容Co的另一端、直流电源Vi的负端、升压型电容储能模块的端口Gnda和降压型电容储能模块的端口Gndb相连，升压型电容储能模块和降压型电容储能模块的其余部分插入电感L1至电感L3之间并呈串联关系；

所述升压型电容储能模块包括二极管Da_1、电容Ca_1、二极管Da_2和电子开关Sa，所述电子开关Sa具有端口c和端口d，二极管Da_1的阳极同时与升压型电容储能模块的端口Via+和电子开关Sa的端口c相连，二极管Da_1的阴极同时与电容Ca_1的一端和升压型电容储能模块的端口Voa+相连，电子开关Sa的端口d同时与电容Ca_1的另一端和二极管Da_2的阳极相连，二极管Da_2的阴极与升压型电容储能模块的端口Gnda相连；

所述降压型电容储能模块包括二极管Db_1、电容Cb_1、二极管Db_2和电子开关Sb，所述电子开关Sb具有端口e和端口f，电容Cb_1的一端同时与降压型电容储能模块的端口Vib+和电子开关Sb的端口e相连，电容Cb_1的另一端同时与二极管Db_1的阳极和二极管Db_2的阴极相连，二极管Db_1的阴极同时与降压型电容储能模块的端口Vob+和电子开关Sb的端口f相连，二极管Db_2的阳极与降压型电容储能模块的端口Gndb相连。

一种优选的连接方式是：电感L1的另一端与升压型电容储能模块的端口Via+相连，升压型电容储能模块的端口Voa+与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与降压型电容储能模块的端口Vib+相连，降压型电容储能模块的端口Vob+与电感L3的一端相连。

当电子开关Sa截止时，二极管Da_1导通，直流电源Vi、电感L1、二极管Da_1、电感L2和降压型电容储能模块构成一个回路，直流电源Vi、电感L1、二极管Da_1、电容Ca_1和二极管Da_2构成另一个回路。

当电子开关Sa导通时，二极管Da_1截止，直流电源Vi、电感L1、电子开关Sa和二极管Da_2构成一个回路，直流电源Vi、电感L1、电子开关Sa、电容Ca_1、电感L2和降压型电容储能模块构成另一个回路。

当电子开关Sb截止时，二极管Db_1导通，升压型电容储能模块、电感L2、电容Cb_1、二极管Db_1、电感L3、电容Co和负载Z构成一个回路，二极管Db_2、二极管Db_1、电感L3、电容Co和负载Z构成另一个回路。

当电子开关Sb导通时，二极管Db_1截止，升压型电容储能模块、电感L2、电子开关Sb、电感L3、电容Co和负载Z构成一个回路，二极管Db_2、电容Cb_1、电子开关Sb、电感L3、电容Co和负载Z构成另一个回路。

另一种优选的连接方式是：电感L1的另一端与降压型电容储能模块的端口Vib+相连，降压型电容储能模块的端口Vob+与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与升压型电容储能模块的端口Via+相连，升压型电容储能模块的端口Voa+与电感L3的一端相连。

当电子开关Sb截止时，二极管Db_1导通，直流电源Vi、电感L1、电容Cb_1、二极管Db_1、电感L2和升压型电容储能模块构成一个回路，二极管Db_2、二极管Db_1、电感L2和升压型电容储能模块构成另一个回路。

当电子开关Sb导通时，二极管Db_1截止，直流电源Vi、电感L1、电子开关Sb、电感L2和升压型电容储能模块构成一个回路，二极管Db_2、电容Cb_1、电子开关Sb、电感L2和升压型电容储能模块构成另一个回路。

当电子开关Sa截止时，二极管Da_1导通，降压型电容储能模块、电感L2、二极管Da_1、电感L3、电容Co和负载Z构成一个回路，降压型电容储能模块、电感L2、二极管Da_1、电容Ca_1和二极管Da_2构成另一个回路。

当电子开关Sa导通时，二极管Da_1截止，降压型电容储能模块、电感L2、电子开关Sa和二极管Da_2构成一个回路，降压型电容储能模块、电感L2、电子开关Sa、电容Ca_1、电感L3、电容Co和负载Z构成另一个回路。

进一步，电子开关Sa采用单向导通的电子开关，即电子开关Sa导通时其电流从端口c流入并从端口d流出；电子开关Sb采用单向导通的电子开关，即电子开关Sb导通时其电流从端口e流入并从端口f流出。该优选方案是为了防止电流反流。

再进一步，所述电子开关Sa包括二极管Da_3、N型MOS管Ma_1和控制器a，所述控制器a具有端口vga，二极管Da_3的阳极与所述电子开关Sa的端口c相连，二极管Da_3的阴极与N型MOS管Ma_1的漏极相连，N型MOS管Ma_1的源极与所述电子开关Sa的端口d相连，N型MOS管Ma_1的门极与所述控制器a的端口vga相连；

所述电子开关Sb包括二极管Db_3、N型MOS管Mb_1和控制器b，所述控制器b具有端口vgb，二极管Db_3的阳极与所述电子开关Sb的端口e相连，二极管Db_3的阴极与N型MOS管Mb_1的漏极相连，N型MOS管Mb_1的源极与所述电子开关Sb的端口f相连，N型MOS管Mb_1的门极与所述控制器b的端口vgb相连。

所述控制器a决定N型MOS管Ma_1的工作状态，控制器b决定N型MOS管Mb_1的工作状态，所述控制器a和控制器b均采用电源控制芯片。

更进一步，控制器a和控制器b的输出信号vgsa和vgsb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3个电感将升压型电容储能模块和降压型电容储能模块级联起来，既实现高效率的升降压变换，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：所述级联的升降压型DC-DC变换器电路结构简单、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大于、小于或等于直流电源电压Vi的工作特征。

附图说明

图1是本实用新型的一种电路图。

图2是本实用新型的另一种电路图。

图3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4是本实用新型实施例1在θ＝0的条件下的仿真工作波形图。

图5是本实用新型实施例1在θ＝π的条件下的仿真工作波形图。

图6是本实用新型实施例2在θ＝0的条件下的仿真工作波形图。

图7是本实用新型实施例2在θ＝π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。

实施例1

参考图1和图3～图5，一种级联的升降压型DC-DC变换器，包括电感L1至电感L3、1个升压型电容储能模块、1个降压型电容储能模块和电容Co，升压型电容储能模块具有端口Via+、端口Voa+和端口Gnda，降压型电容储能模块具有端口Vib+、端口Vob+和端口Gndb，电感L1的一端与直流电源Vi的正端相连，电感L3的另一端同时与电容Co的一端和负载Z的一端相连，负载Z的另一端同时与电容Co的另一端、直流电源Vi的负端、升压型电容储能模块的端口Gnda和降压型电容储能模块的端口Gndb相连，升压型电容储能模块和降压型电容储能模块的其余部分插入电感L1至电感L3之间并呈串联关系，电感L1的另一端与升压型电容储能模块的端口Via+相连，升压型电容储能模块的端口Voa+与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与降压型电容储能模块的端口Vib+相连，降压型电容储能模块的端口Vob+与电感L3的一端相连。

所述升压型电容储能模块包括二极管Da_1、电容Ca_1、二极管Da_2和电子开关Sa，所述电子开关Sa具有端口c和端口d，二极管Da_1的阳极同时与升压型电容储能模块的端口Via+和电子开关Sa的端口c相连，二极管Da_1的阴极同时与电容Ca_1的一端和升压型电容储能模块的端口Voa+相连，电子开关Sa的端口d同时与电容Ca_1的另一端和二极管Da_2的阳极相连，二极管Da_2的阴极与升压型电容储能模块的端口Gnda相连。

进一步，为了防止电流反流，电子开关Sa采用单向导通的电子开关，即电子开关Sa导通时其电流从端口c流入并从端口d流出；电子开关Sb采用单向导通的电子开关，即电子开关Sb导通时其电流从端口e流入并从端口f流出。

所述控制器a决定N型MOS管Ma_1的工作状态，控制器b决定N型MOS管Mb_1的工作状态，所述控制器a和控制器b均采用常规的电源控制芯片，例如：控制器a可采用UC3842等，控制器b可采用UC3842和IR2110等的组合。

当实施例1处于连续导通模式(CCM)时，其稳态工作过程包含以下多个阶段。

(1)当N型MOS管Ma_1截止时，二极管Da_1导通，直流电源Vi、电感L1、二极管Da_1、电感L2和降压型电容储能模块构成一个回路，直流电源Vi、电感L1、二极管Da_1、电容Ca_1和二极管Da_2构成另一个回路。此时，Ca_1充电，L1放磁，而L2的工作状态和降压型电容储能模块的工作状态相关。

(2)当N型MOS管Ma_1导通时，二极管Da_1截止，直流电源Vi、电感L1、二极管Da_3、N型MOS管Ma_1和二极管Da_2构成一个回路，直流电源Vi、电感L1、二极管Da_3、N型MOS管Ma_1、电容Ca_1、电感L2和降压型电容储能模块构成另一个回路。此时，Ca_1放电，L1充磁，而L2的工作状态和降压型电容储能模块的工作状态相关。

(3)当N型MOS管Mb_1截止时，二极管Db_1导通，升压型电容储能模块、电感L2、电容Cb_1、二极管Db_1、电感L3、电容Co和负载Z构成一个回路，二极管Db_2、二极管Db_1、电感L3、电容Co和负载Z构成另一个回路。此时，Cb_1充电，L3放磁。

(4)当N型MOS管Mb_1导通时，二极管Db_1截止，升压型电容储能模块、电感L2、二极管Db_3、N型MOS管Mb_1、电感L3、电容Co和负载Z构成一个回路，二极管Db_2、电容Cb_1、二极管Db_3、N型MOS管Mb_1、电感L3、电容Co和负载Z构成另一个回路。此时，Cb_1放电，L3充磁。

图4是实施例1在θ＝0的条件下的仿真工作波形图。图5是实施例1在θ＝π的条件下的仿真工作波形图。由图4和图5可知，实施例1的输入电流ii连续，输出电流iob连续，级间电流ioa也连续，输出电压Vo可大于也可小于直流电源电压Vi，Vo和Vi共地且同极性。对比图4和图5可知，θ对ii、ioa和iob的纹波存在影响。

实施例2

参考图2、图3、图6和图7，一种级联的升降压型DC-DC变换器，电感L1的另一端与降压型电容储能模块的端口Vib+相连，降压型电容储能模块的端口Vob+与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与升压型电容储能模块的端口Via+相连，升压型电容储能模块的端口Voa+与电感L3的一端相连。

实施例2的其余结构和实施例1相同。

当实施例2处于连续导通模式(CCM)时，其稳态工作过程包含以下多个阶段。

(1)当N型MOS管Mb_1截止时，二极管Db_1导通，直流电源Vi、电感L1、电容Cb_1、二极管Db_1、电感L2和升压型电容储能模块构成一个回路，二极管Db_2、二极管Db_1、电感L2和升压型电容储能模块构成另一个回路。此时，Cb_1充电，L2的工作状态和升压型电容储能模块的工作状态相关。

(2)当N型MOS管Mb_1导通时，二极管Db_1截止，直流电源Vi、电感L1、二极管Db_3、N型MOS管Mb_1、电感L2和升压型电容储能模块构成一个回路，二极管Db_2、电容Cb_1、二极管Db_3、N型MOS管Mb_1、电感L2和升压型电容储能模块构成另一个回路。此时，Cb_1放电，L2的工作状态和升压型电容储能模块的工作状态相关。

(3)当N型MOS管Ma_1截止时，二极管Da_1导通，降压型电容储能模块、电感L2、二极管Da_1、电感L3、电容Co和负载Z构成一个回路，降压型电容储能模块、电感L2、二极管Da_1、电容Ca_1和二极管Da_2构成另一个回路。此时，Ca_1充电。

(4)当N型MOS管Ma_1导通时，二极管Da_1截止，降压型电容储能模块、电感L2、电子开关Sa和二极管Da_2构成一个回路，降压型电容储能模块、电感L2、电子开关Sa、电容Ca_1、电感L3、电容Co和负载Z构成另一个回路。此时，Ca_1放电。

图6是实施例2在θ＝0的条件下的仿真工作波形图。图7是实施例2在θ＝π的条件下的仿真工作波形图。由图6和图7可知，实施例2的输入电流ii连续，输出电流ioa连续，级间电流iob也连续，输出电压Vo可大于也可小于直流电源电压Vi，Vo和Vi共地且同极性。对比图6和图7可知，θ对iob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

1.一种级联的升降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述级联的升降压型DC-DC变换器包括电感L1至电感L3、1个升压型电容储能模块、1个降压型电容储能模块和电容Co，升压型电容储能模块具有端口Via+、端口Voa+和端口Gnda，降压型电容储能模块具有端口Vib+、端口Vob+和端口Gndb，电感L1的一端与直流电源Vi的正端相连，电感L3的另一端同时与电容Co的一端和负载Z的一端相连，负载Z的另一端同时与电容Co的另一端、直流电源Vi的负端、升压型电容储能模块的端口Gnda和降压型电容储能模块的端口Gndb相连，升压型电容储能模块和降压型电容储能模块的其余部分插入电感L1至电感L3之间并呈串联关系；

2.如权利要求1所述的一种级联的升降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述电感L1的另一端与升压型电容储能模块的端口Via+相连，升压型电容储能模块的端口Voa+与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与降压型电容储能模块的端口Vib+相连，降压型电容储能模块的端口Vob+与电感L3的一端相连。

3.如权利要求1所述的一种级联的升降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述电感L1的另一端与降压型电容储能模块的端口Vib+相连，降压型电容储能模块的端口Vob+与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与升压型电容储能模块的端口Via+相连，升压型电容储能模块的端口Voa+与电感L3的一端相连。

4.如权利要求1～3之一所述的一种级联的升降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述电子开关Sa采用单向导通的电子开关，即所述电子开关Sa导通时其电流从端口c流入并从端口d流出，所述电子开关Sb采用单向导通的电子开关，即所述电子开关Sb导通时其电流从端口e流入并从端口f流出。

5.如权利要求4所述的一种级联的升降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述电子开关Sa包括二极管Da_3、N型MOS管Ma_1和控制器a，所述控制器a具有端口vga，二极管Da_3的阳极与所述电子开关Sa的端口c相连，二极管Da_3的阴极与N型MOS管Ma_1的漏极相连，N型MOS管Ma_1的源极与所述电子开关Sa的端口d相连，N型MOS管Ma_1的门极与所述控制器a的端口vga相连；

6.如权利要求5所述的一种级联的升降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述控制器a和控制器b均采用电源控制芯片。

7.如权利要求5或6所述的一种级联的升降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述控制器a和控制器b的输出信号vgsa和vgsb的相位依次滞后设定的角度θ，θ的取值范围是0至2π。