CN216531075U

CN216531075U - 一种双耦合电感高增益dc/dc变换器

Info

Publication number: CN216531075U
Application number: CN202123359325.3U
Authority: CN
Inventors: 陈景文; 郑乃文
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2031-12-28

Abstract

本实用新型提供一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，通过交错结构和电感耦合结构实现了高电压增益，低电流纹波，功率器件低电压应力、体积小，同时减轻了二极管反向恢复问题，提高电路的效率和功率密度。本申请中的变换器结构简单，成本低廉，均采用目前市场上的常规器件。

Description

一种双耦合电感高增益DC/DC变换器

技术领域

本实用新型属于直流电源技术领域，涉及一种双耦合电感高增益DC/DC变换器。

背景技术

新能源作为一种清洁、高效、绿色、可持续的能源而备受国内外关注，其在能源结构中所占比重也逐年增大。新能源发电主要包括光伏、风电及燃料电池发电等，其中在光伏与燃料电池发电领域中，由于光伏电池和燃料电池的输出电压较低，为与高压直流母线电压等级相匹配，需要使用升压直流变换器对电源侧的输出电压进行升压。

现有技术中的的升压变换器具有以下缺点：1、电压增益低；2、耦合电感的使用可提高增益，但会增大电流纹波；3、二极管器件会造成强烈的反向恢复问题，使得电路损耗大；4、功率器件体积大、电压应力大。因此，近年来，国内外研究人员一直在努力研究能够实现高效率、高功率密度和高增益以及更好的运行特性的新型结构。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，能够解决现有技术中的升压变换器电压增益低、电流纹波大、二极管器件反向恢复问题严重、功率器件体积大、电压应力大的缺点。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1和第一直流源Vin；

所述第一电感L1、第二电感L2构成双绕组耦合电感，第一电感L1为一次绕组、第二电感L2为二次绕组，第三电感L3和第四电感L4构成双绕组耦合电感，第三电感L3为一次绕组，第四电感L4为二次绕组；

所述第一直流源Vin正极连接第一电感L1同名端后分别连接第一开关管S1漏极和第一二极管D1正极，所述第一二极管D1正极分别连接第三二极管D3负极、第四电感L4异名端、第二电容C2异名端和第二电容C2负极；

所述第三二极管D3正极分别连接第三电感L3异名端和第二开关管S2漏极，所述第三电感L3同名端连接第一电容C1正极；

所述第二电容C2正极分别连接第三电容C3正极、第一电阻R1、第二二极管D2负极和第四二极管D4负极；所述第四二极管D4正极连接第四电感L4的同名端；所述第二二极管D2正极连接第二电感L2同名端；

所述第一直流源Vin、第一电容C1负极、第一开关管S1源极、第二开关管S2源极、第三电容C3负极合流后连接第一电阻R1。

进一步，还包括电压传感器、DSP芯片和PWM控制器；

所述电压传感器测量端连接第一电阻R1两端，输出端依次连接DSP芯片和PWM控制器，PWM控制器上设置有两个输出端，分别连接第一开关管S1和第二开关管S2的栅极。

进一步，所述第一直流源Vin电压值为120V。

进一步，所述第一开关管S1、第二开关管S2均为型号为IRF200B211的功率MOSFET开关管。

进一步，所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4均采用型号为IDP15E65D2XKSA1的快恢复二极管。

进一步，所述第一电感L1、第三电感L3的电感值为600uH，第二电感L2、第四电感L4的电感值为1200uH。

进一步，所述第一电容C1和第三电容C3的容量均为100uF。

进一步，所述第二电容C2的容量22uF。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

进一步的，本申请通过DSP芯片和PWM控制器实现DC/DC变换电路中开关管的控制，实现对变换器的控制，操作方便，且能够精确控制本申请中的变换器状态的切换。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例中一种双耦合电感高增益DC/DC变换器的电路拓扑图；

图2为本实用新型具体实施例中第一种工作状态示意图；

图3为本实用新型具体实施例中第二种工作状态示意图；

图4为本实用新型具体实施例中第三种工作状态示意图；

图5为本实用新型具体实施例中第四种工作状态示意图；

图6为本实用新型具体实施例中第五种工作状态示意图；

图7为本实用新型具体实施例中第六种工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型提供一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，如图1所示，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1和第一直流源Vin；

本实用新型提供的一种优选实施例为，在本申请中的变换器，还包括电压传感器、DSP芯片和PWM控制器；

所述电压传感器测量端连接第一电阻R1两端，输出端依次连接DSP芯片和PWM控制器，PWM控制器上设置有两个输出端，分别连接第一开关管S1和第二开关管S2的栅极；通过DSP芯片和PWM控制器实现DC/DC变换电路中开关管的控制，实现对变换器的控制，操作方便，且能够精确控制本申请中的变换器状态的切换。

进一步的，所述第一直流源Vin电压值为120V。

进一步的，所述第一开关管S1、第二开关管S2均为型号为IRF200B211的功率MOSFET开关管。

进一步的，所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4均采用型号为IDP15E65D2XKSA1的快恢复二极管。

进一步的，所述第一电感L1、第三电感L3的电感值为600uH，第二电感L2、第四电感L4的电感值为1200uH。

进一步的，所述第一电容C1和第三电容C3的容量均为100uF；所述第二电容C2的容量22uF。

本实用新型的原理及工作过程：

本实用新型一种双耦合电感高增益DC/DC变换器在使用时，包括以下六种工作模式：

第一种工作模式：如图2所示，第一开关管S1、第二开关管S2导通，第二二极管D2、第四二极管D4正向导通，第一二极管D1、第三二极管D3反偏截止。第一直流源Vin通过第一开关管S1为第一电感L1提供能量，第二电感L2通过磁耦合方式获得能量，并通过第二二极管D2对第二电容C2进行充电；第一电容C1通过第二开关管S2为第三电感L3提供能量，第四电感L4通过磁耦合方式获得能量，并通过第四二极管D4对第二电容C2进行充电；第三电容C3维持第一电阻R1两端电压稳定。

第二种工作模式：如图3所示，第一开关管S1导通、第二开关管S2关断，第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4正向导通，第一二极管D1反偏截止。第一直流源Vin通过第一开关管S1为第一电感L1提供能量，第二电感L2通过磁耦合方式获得能量，并通过第二二极管D2、第二开关管S2体二极管、第三二极管D3对第三电容C3进行充电；第一电容C1和第二电容C2通过第三二极管D3对第三电容C3进行充电，并为第三电感L3提供能量，第四电感L4通过磁耦合方式获得能量，并通过第四二极管D4、第二开关管S2体二极管、第三二极管D3对第三电容C3进行充电。

第三种工作模式：如图4所示，第一开关管S1导通、第二开关管S2关断，第二二极管D2、第三二极管D3正向导通，第一二极管D1、第四二极管D4反偏截止。第一直流源Vin通过第一开关管S1为第一电感L1提供能量，第二电感L2通过磁耦合方式获得能量，并通过第二二极管D2、第二开关管S2体二极管、第三二极管D3对第三电容C3进行充电；第一电容C1和第二电容C2通过第三二极管D3对第三电容C3进行充电。

第四种工作模式：如图5所示，第一开关管S1、第二开关管S2关断，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3正向导通，第四二极管D4反偏截止。第一直流源Vin和第二电容C2通过第一二极管D1对第三电容C3进行充电，并为第一电感L1提供能量，第二电感L2通过磁耦合方式获得能量，并通过第二二极管D2、第二开关管S2体二极管、第三二极管D3对第三电容C3进行充电；第一电容C1和第二电容C2通过第三二极管D3对第三电容C3进行充电。

第五种工作模式：如图6所示，第一开关管S1、第二开关管S2关断，第一二极管D1、第三二极管D3正向导通，第二二极管D2、第四二极管D4反偏截止。第一直流源Vin和第二电容C2通过第一二极管D1对第三电容C3进行充电；第一电容C1和第二电容C2通过第三二极管D3对第三电容C3进行充电。

第六种工作模式：如图7所示，第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第一二极管D1、第四二极管D4正向导通，第二二极管D2、第三二极管D3反偏截止。第一直流源Vin和第二电容C2通过第一二极管D1对第三电容C3进行充电；第一电容C1通过第二开关管S2为第三电感L3提供能量，第四电感L4通过磁耦合方式获得能量，并通过第四二极管D4、第一开关管S1体二极管、第一二极管D1对第三电容C3进行充电。

通过以上六种工作模式的交替运行，本实用新型双耦合电感高增益DC/DC变换器通过交错结构和电感耦合结构实现了高电压增益，低电流纹波，功率器件低电压应力、体积小，同时减轻了二极管反向恢复问题，提高电路的效率和功率密度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1和第一直流源Vin；

2.根据权利要求1所述一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，还包括电压传感器、DSP芯片和PWM控制器；

3.根据权利要求1所述一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一直流源Vin电压值为120V。

4.根据权利要求1所述的一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一开关管S1、第二开关管S2均为型号为IRF200B211的功率MOSFET开关管。

5.根据权利要求1所述的一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4均采用型号为IDP15E65D2XKSA1的快恢复二极管。

6.根据权利要求1所述的一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电感L1、第三电感L3的电感值为600uH，第二电感L2、第四电感L4的电感值为1200uH。

7.根据权利要求1所述的一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电容C1和第三电容C3的容量均为100uF。

8.根据权利要求1所述的一种双耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第二电容C2的容量22uF。