CN216564938U - 一种三绕组耦合电感高增益dc/dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，通过电感耦合结构实现了高电压增益，功率器件低电压应力、体积小，低电流纹波，软开关技术减轻了二极管反向恢复问题，提高电路的效率和功率密度。技术成熟，便于实现，本申请的结构简单，能够解决现有技术中的变换器的电压增益低、耦合电感的使用增大电流纹波、二极管器件存在严重的反向恢复问题、功率器件硬开关且体积大、电压应力大的缺点。
Description
技术领域
本实用新型属于直流电源技术领域，涉及一种三绕组耦合电感高增益 DC/DC变换器。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展和可再生能源更广泛的应用，高效率、高功率密度和高增益DC/DC电源在军事、医疗、通信等领域的要求更为严格。
现有技术中的DC/DC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、二极管器件存在严重的反向恢复问题；4、功率器件硬开关使得电路效率降低；5、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三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器；能够解决现有技术中的变换器的电压增益低、耦合电感的使用增大电流纹波、二极管器件存在严重的反向恢复问题、功率器件硬开关且体积大、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：
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型提供一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，通过电感耦合结构实现了高电压增益，功率器件低电压应力、体积小，低电流纹波，软开关技术减轻了二极管反向恢复问题，提高电路的效率和功率密度。技术成熟，便于实现，本申请的结构简单，能够解决现有技术中的变换器的电压增益低、耦合电感的使用增大电流纹波、二极管器件存在严重的反向恢复问题、功率器件硬开关且体积大、电压应力大的缺点。
进一步的，本申请中通过DSP芯片和PWM控制器实现DC/DC变换电路中开关管的控制，操作方便。
附图说明
图1为本实用新型具体实施例中一种三绕组耦合电感高增益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。
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三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，如图1所示，包括第一开关管S1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管 D3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感 L5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻 R1和第一直流源Vin；
所述第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4构成三绕组耦合电感，第二电感L2为一次绕组，第三电感L3为二次绕组，第四电感L4为三次绕组；所述第五电感L5为第二电感L2的磁化电感，第六电感为第二电感L2 的漏电感；
所述第一直流源Vin正极连接第一电感L1后分别连接第一电容C1负极、第二二极管D2正极和第一开关管S1漏极；
所述第一电容C1正极分别连接第一二极管D1正极和第三电感L3同名端，所述第三电感L3异名端分别连接第四电感L4同名端、第五电感L5和第二电感L2的异名端；
所述第五电感L5和第二电感L2并联，并连接第六电感后，分别连接第二二极管D2负极和第三电容C3正极；
所述第四电感L4异名端依次连接第二电容C2负极和第三二极管D3正极；
所述第二电容C2正极和第三二极管D3正极之间连接第一二极管D1负极；
所述第三二极管D3负极分别连接第四电容C4正极和第一电容C1一端；所述第一开关管S1源极、第三电容C3负极和第四电容C4负极合流后连接第一电容C1另一端。
本实用新型提供的一种优选实施例为，所述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控制器的输出端连接第一开关管S1栅极；
具体的，所述并DSP芯片和PWM控制器用于实现DC/DC变换电路中开关管的控制。
进一步的，所述第一直流源Vin电压值采用25V。
进一步的，所述第一开关管S1采用型号为IRFB4310N的功率 MOSFET开关管。
进一步的，所述第一二极管D1、第三二极管D3均采用型号为 MUR420的快恢复二极管，第二二极管D2采用型号为SR360的肖特基二极管。
进一步的，所述第一电感L1的电感值为170uH，第二电感L2的电感值为180uH，第三电感L3的电感值为290uH，第四电感L4的电感值为 70uH，第五电感L5的电感值为160uH，第六电感的电感值为3.6uH。
进一步的，所述第一电容C1容量4.7uF，第二电容C2容量47uF，第三电容C3容量3.9uF，第四电容C4容量100uF。
进一步的，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容 C4的耐压值均为250V。
本实用新型的原理及工作过程：本实用新型一种三绕组耦合电感高增益 DC/DC变换器分为以下五种工作模式；
第一种工作模式：如图2所示，第一开关管S1导通，第一二极管D1 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通过第一开关管S1对第一电感L1进行充电，第一电容C1通过第一二极管 D1对第二电容C2和第三电容C3进行充电，流经第五电感L5和第六电感 L6的电流线性减少，第四电容C4维持第一电阻R1两端电压稳定，此模式流经第一二极管D1的电流降为0时结束。
第二种工作模式：如图3所示，第一开关管S1导通，第三二极管D3 正向导通，第一二极管D1、第二二极管D2反偏截止。第一直流源Vin仍通过第一开关管S1对第一电感L1进行充电，第二电容C2和第三电容C3 通过第三二极管D3向第四电容C4和第一电阻R1放电，第三电容C3同时对第一电容C1进行充电，流经第五电感L5和第六电感L6的电流反向线性增加，此模式流经第三二极管D3的电流降为0时结束。
第三种工作模式：如图4所示，第一开关管S1导通，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3均反偏截止。第一直流源Vin仍通过第一开关管S1对第一电感L1进行充电，第三电容C3对第一电容C1进行充电，流经第五电感L5和第六电感L6的电流仍反向线性增加，第四电容C4 维持第一电阻R1两端电压稳定。
第四种工作模式：如图5所示，第一开关管S1关断，第一二极管D1、第二二极管D2正向导通，第三二极管D3反偏截至。第一直流源Vin和第一电感L1通过第二二极管D2对第三电容C3进行充电，第一直流源Vin、第一电感L1和第一电容C1通过第一二极管D1对第二电容C2和第三电容 C3进行充电，流经第五电感L5和第六电感L6的电流反向线性减少并正向线性增加，第四电容C4维持第一电阻R1两端电压稳定，此模式流经第二二极管D2的电流降为0时结束。
第五种工作模式：如图6所示，第一开关管S1关断，第一二极管D1 正向导通，第二二极管D2、第三二极管D3反偏截至。第一直流源Vin、第一电感L1和第一电容C1通过第一二极管D1对第二电容C2和第三电容C3 进行充电，流经第五电感L5和第六电感L6的电流线性减少，第四电容C4 维持第一电阻R1两端电压稳定。
通过以上五种工作模式的交替运行，本实用新型三绕组耦合电感高增益 DC/DC变换器在尽可能减少使用器件数量与体积的同时大大的提升了电压增益，能够解决现有技术中的变换器的电压增益低、耦合电感的使用增大电流纹波、二极管器件存在严重的反向恢复问题、功率器件硬开关且体积大、电压应力大的缺点。
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 (8)
1.一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，包括第一开关管S1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1和第一直流源Vin；
所述第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4构成三绕组耦合电感，第二电感L2为一次绕组，第三电感L3为二次绕组，第四电感L4为三次绕组；所述第五电感L5为第二电感L2的磁化电感，第六电感为第二电感L2的漏电感；
所述第一直流源Vin正极连接第一电感L1后分别连接第一电容C1负极、第二二极管D2正极和第一开关管S1漏极；
所述第一电容C1正极分别连接第一二极管D1正极和第三电感L3同名端，所述第三电感L3异名端分别连接第四电感L4同名端、第五电感L5和第二电感L2的异名端；
所述第五电感L5和第二电感L2并联，并连接第六电感后，分别连接第二二极管D2负极和第三电容C3正极；
所述第四电感L4异名端依次连接第二电容C2负极和第三二极管D3正极；
所述第二电容C2正极和第三二极管D3正极之间连接第一二极管D1负极；
所述第三二极管D3负极分别连接第四电容C4正极和第一电容C1一端；所述第一开关管S1源极、第三电容C3负极和第四电容C4负极合流后连接第一电容C1另一端。
2.根据权利要求1所述一种三绕组耦合电感高增益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；
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控制器的输出端连接第一开关管S1栅极。
3.根据权利要求1所述一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一直流源Vin电压值采用25V。
4.根据权利要求1所述一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一开关管S1采用型号为IRFB4310N的功率MOSFET开关管。
5.根据权利要求1所述一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一二极管D1、第三二极管D3均采用型号为MUR420的快恢复二极管，第二二极管D2采用型号为SR360的肖特基二极管。
6.根据权利要求1所述一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电感L1的电感值为170uH，第二电感L2的电感值为180uH，第三电感L3的电感值为290uH，第四电感L4的电感值为70uH，第五电感L5的电感值为160uH，第六电感的电感值为3.6uH。
7.根据权利要求1所述一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电容C1容量4.7uF，第二电容C2容量47uF，第三电容C3容量3.9uF，第四电容C4容量100uF。
8.根据权利要求1所述一种三绕组耦合电感高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4的耐压值均为250V。
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