CN216819707U - 一种高增益dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高增益DC/DC变换器，所述第一电感、第三电感、第六电感和第二电感、第四电感、第五电感分别构成三绕组耦合电感，第一电感和第二电感为一次绕组、第三电感和第四电感为二次绕组、第五电感和第六电感为三次绕组，第一电感的漏电感和磁化电感分别为第七电感和第九电感，第二电感的漏电感和磁化电感分别为第八电感和第十电感，第三电感和第五电感的漏电感为第十一电感，第六电感的漏电感为第十二电感和第四电感；通过新型的电感耦合结构实现了高电压增益，低电流纹波，减轻了二极管反向恢复问题，且功率器件低电压应力。并通过DSP芯片和PWM控制器实现DC/DC变换电路中开关管的控制，技术成熟，便于实现，结构简单，降低成本。

Description

一种高增益DC/DC变换器

技术领域

本实用新型属于双向直流电源技术领域，涉及一种高增益DC/DC变换器。

背景技术

在过去的几十年里，可再生能源、电动汽车和不间断电源的发展是电力电子领域最具吸引力的话题之一，其中DC/DC双向变换器是其应用的关键组件。但是由于可再生能源、电动汽车、不间断电源侧直流电压等级低，因此需要通过高升降压的双向变换器来实现。

现有技术中的DC/DC双向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电压增益和高效率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高增益DC/DC变换器，能够结局现有技术中升压变换器电压增益低、耦合电感结构增大电流纹波、二极管具有强烈的反向恢复以及功率器件电压应力大的缺点。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种高增益DC/DC变换器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感、第十二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻和第一直流源；

所述第一电感、第三电感、第六电感和第二电感、第四电感、第五电感分别构成三绕组耦合电感，第一电感和第二电感为一次绕组、第三电感和第四电感为二次绕组、第五电感和第六电感为三次绕组，第一电感的漏电感和磁化电感分别为第七电感和第九电感，第二电感的漏电感和磁化电感分别为第八电感和第十电感，第三电感和第五电感的漏电感为第十一电感，第六电感的漏电感为第十二电感和第四电感；

第一直流源正极分别连接第七电感和第八电感一端，第七电感另一端分别第一电感和第九电感一端，第一电感和第九电感另一端相连接，并分别连接第一开关管漏极、第一二极管正极和第十一电感一端，第十一电感另一端依次连接第三电感、第五电感和第三电容负极，第一二极管负极分别连接第一电容正极和第三二极管正极，第三二极管负极连接第三电容正极和第五二极管正极，第五二极管负极分别连接第五电容正极和第一电阻正极；

第八电感分别连接第二电感和第十电感，第二电感和第十电感另一端相连接，并分别连接第二开关管漏极、第一电容负极、第二电容正极和第十二电感，第十二电感另一端还依次连接第四电感、第六电感、第四电容正极，第二电容负极分别连接第二二极管正极、第四二极管负极，第四电容负极分别连接第四二极管正极、第五电容负极和第一电阻，第一直流源负极连接第一开关管源极、第二开关管源极和第二二极管负极。

进一步，所述第一直流源电压值为20V。

进一步，所述第一开关管和第二开关管均为型号为AUIRFS6535的N 通道功率MOSFET开关管。

进一步，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管均为型号为LQA06T300的整流二极管，第五二极管为型号为C3D10060A的肖特基二极管。

进一步，所述第一电感、第三电感、第六电感与第二电感、第四电感、第五电感所构成耦合电感磁芯型号为T184-52各绕组电感值为20μH。

进一步，所述第七电感、第八电感的磁芯型号为T184-52电感值为1.45 μH，第九电感、第十电感的磁芯型号为T184-52电感值为80μH，第十一电感、第十二电感的磁芯型号为T184-52电感值为2.9μH。

进一步，所述第一电容、第二电容均为耐压值450V容量50μF，第三电容、第四电容、第五电容均为耐压值450V容量20μF。

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在第一电阻两端，输出端依次连接DSP芯片和PWM控制器，PWM控制器上设置两个输出端，分别连接第一开关管的栅极和第二开关管的栅极。

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高增益DC/DC变换器，所述第一电感、第三电感、第六电感和第二电感、第四电感、第五电感分别构成三绕组耦合电感，第一电感和第二电感为一次绕组、第三电感和第四电感为二次绕组、第五电感和第六电感为三次绕组，第一电感的漏电感和磁化电感分别为第七电感和第九电感，第二电感的漏电感和磁化电感分别为第八电感和第十电感，第三电感和第五电感的漏电感为第十一电感，第六电感的漏电感为第十二电感和第四电感；通过新型的电感耦合结构实现了高电压增益，低电流纹波，减轻了二极管反向恢复问题，且功率器件低电压应力。并通过DSP芯片和PWM 控制器实现DC/DC变换电路中开关管的控制，技术成熟，便于实现，结构简单，降低成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电路拓扑图；

图2为本实用新型实施例第一种工作状态示意图；

图3为本实用新型实施例第二种工作状态示意图；

图4为本实用新型实施例第三种工作状态示意图；

图5为本实用新型实施例第四种工作状态示意图；

图6为本实用新型实施例第五种工作状态示意图；

图7为本实用新型实施例第六种工作状态示意图；

图8为本实用新型实施例第七种工作状态示意图；

图9为本实用新型实施例第八种工作状态示意图；

图10为本实用新型实施例第九种工作状态示意图。

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、第五二极管D₅、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、第六电感L₆、第七电感L₇、第八电感L₈、第九电感L₉、第十电感L₁₀、第十一电感L₁₁、第十二电感L₁₂、第一电容 C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第一电阻R₁和第一直流源V_in；

其中，第一电感L₁、第三电感L₃、第六电感L₆构成三绕组耦合电感，第一电感L₁为一次绕组、第三电感L₃为二次绕组、第六电感L₆为三次绕组，第七电感L₇为第一电感L₁的漏电感、第九电感L₉为第一电感L₁的磁化电感，第二电感L₂、第四电感L₄、第五电感L₅也构成三绕组耦合电感，第二电感L₂为一次绕组、第四电感L₄为二次绕组、第五电感L₅为三次绕组，第八电感L₈为第二电感L₂的漏电感、第十电感L₁₀为第二电感L₂的磁化电感，第十一电感L₁₁为第三电感L₃和第五电感L₅总的漏电感，第十二电感L₁₂为第四电感L₄和第六电感L₆总的漏电感；

所述第一直流源V_in正极、第七电感L₇一端、第八电感L₈一端相连接，第七电感L₇另一端、第一电感L₁一端、第九电感L₉一端相连接，第一电感L₁另一端、第九电感L₉另一端、第一开关管S₁漏极、第一二极管D₁正极、第十一电感L₁₁一端相连接，第十一电感L₁₁另一端、第三电感L₃一端相连接，第三电感L₃另一端、第五电感L₅一端相连接，第五电感L₅另一端、第三电容C₃负极相连接，第一二极管D₁负极、第一电容C₁正极、第三二极管D₃正极相连接，第三二极管D₃负极、第三电容C₃正极、第五二极管D₅正极相连接，第五二极管D₅负极、第五电容C₅正极、第一电阻R₁正极相连接，第八电感L₈另一端、第二电感L₂一端、第十电感L₁₀一端相连接，第二电感L₂另一端、第十电感L₁₀另一端、第二开关管S₂漏极、第一电容C₁负极、第二电容C₂正极、第十二电感L₁₂相连接，第十二电感L₁₂另一端、第四电感L₄一端相连接，第四电感L₄另一端、第六电感L₆一端相连接，第六电感L₆另一端、第四电容C₄正极相连接，第二电容C₂负极、第二二极管D₂正极、第四二极管D₄负极相连接，第四电容C₄负极、第四二极管D₄正极、第五电容C₅负极、第一电阻R₁相连接，第一直流源V_in负极、第一开关管S₁源极、第二开关管S₂源极、第二二极管D₂负极接地。

本实用新型提供一种优选实施例为，所述第一直流源V_in电压值为 20V；第一开关管S₁和第二开关管S₂均采用型号为AUIRFS6535的N通道功率MOSFET开关管；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LQA06T300的整流二极管，第五二极管D5采用型号为C3D10060A的肖特基二极管；第一电感L₁、第三电感L₃、第六电感L₆与第二电感L₂、第四电感L₄、第五电感L₅所构成耦合电感磁芯型号为 T184-52各绕组电感值为20μH，第七电感L₇、第八电感L₈的磁芯型号为 T184-52电感值为1.45μH，第九电感L₉、第十电感L₁₀采用磁芯型号为 T184-52电感值为80μH，第十一电感L₁₁、第十二电感L₁₂采用磁芯型号为T184-52电感值为2.9μH；第一电容C₁、第二电容C₂均采用耐压值450V 容量50μF的电容，第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅均采用耐压值 450V容量20μF的电容。

本实用新型提供的一种优选实施例为，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在第一电阻R1两端，输出端依次连接DSP 芯片和PWM控制器，PWM控制器上设置两个输出端，分别连接第一开关管S1的栅极和第二开关管S2的栅极。

本实用新型的原理及工作过程：

本实用新型一种高增益DC/DC变换器分为以下九种工作模式：

第一种工作模式：如图2所示，第一开关管S₁和第二开关管S₂均开通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄均反偏截至，第五二极管D₅正向导通。第一直流源V_in和第一电感L₁通过第一开关管S₁对第七电感L₇进行充电，第一直流源V_in和第八电感L₈通过第二开关管S₂对第二电感L₂进行放电，第十一电感L₁₁和第十二电感L₁₂通过第五二极管D₅对第五电容C₅进行充电，维持第一电阻R₁两端电压稳定。此模式在流经第五二极管D₅的电流为0时结束。

第二种工作模式：如图3所示，第一开关管S₁和第二开关管S₂均开通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅均反偏截至。第一直流源V_in通过第一开关管S₁对第七电感 L₇、第九电感L₉进行充电，又通过第二开关管S₂对第八电感L₈、第十电感 L₁₀进行充电，第五电容C₅维持第一电阻R₁两端电压稳定。

第三种工作模式：如图4所示，第一开关管S₁开通，第二开关管S₂关断，第一二极管D₁、第五二极管D₅反偏截至，第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄正向导通。第十电感L₁₀通过第二电感L₂将能量传输至第四电感L₄和第五电感L₅，第五电感L₅和第一电容C₁通过第三二极管 D₃对第十一电感L₁₁和第三电容C₃进行充电，第四电感L₄通过第四二极管 D₄对第十二电感L₁₂和第四电容C₄进行充电，第一直流源V_in通过第二二极管D₂对第二电容C₂进行充电，第五电容C₅维持第一电阻R₁两端电压稳定。此模式在流经第二二极管D₂的电流为0时结束。

第四种工作模式：如图5所示，第一开关管S₁开通，第二开关管S₂关断，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第五二极管D₅反偏截至，第三二极管D₃、第四二极管D₄正向导通。第十电感L₁₀通过第二电感L₂将能量传输至第四电感L₄和第五电感L₅，第五电感L₅通过第三二极管D₃对第十一电感L₁₁和第三电容C₃进行充电，第四电感L₄和第二电容C₂通过第四二极管D₄对第十二电感L₁₂和第四电容C₄进行充电，第五电容C₅维持第一电阻R₁两端电压稳定。

第五种工作模式：如图6所示，第一开关管S₁和第二开关管S₂均开通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第五二极管D₅反偏截至，第三二极管D₃、第四二极管D₄正向导通。第一直流源V_in和第二电感L₂通过第二开关管S₂对第八电感L₈进行充电，第十电感L₁₀通过第二电感L₂将能量传输至第四电感L₄和第五电感L₅，第五电感L₅通过第三二极管D₃对第十一电感L₁₁和第三电容C₃进行充电，第四电感L₄和第二电容C₂通过第四二极管 D₄对第十二电感L₁₂和第四电容C₄进行充电，第五电容C₅维持第一电阻R₁两端电压稳定。此模式在流经第三二极管D₃的电流为0时结束。

第六种工作模式：如图7所示，第一开关管S₁和第二开关管S₂均开通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第五二极管D₅反偏截至，第四二极管D₄正向导通。第十电感L₁₀通过第二电感L₂将能量传输至第四电感L₄，第四电感L₄和第二电容C₂通过第四二极管D₄对第十二电感L₁₂和第四电容C₄进行充电，第五电容C₅维持第一电阻R₁两端电压稳定。此模式在流经第四二极管D₄的电流为0时结束。

第七种工作模式：如图8所示，第一开关管S₁和第二开关管S₂均开通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅均反偏截至。第一直流源V_in通过第一开关管S₁对第七电感 L₇、第九电感L₉进行充电，又通过第二开关管S₂对第八电感L₈、第十电感 L₁₀进行充电，第五电容C₅维持第一电阻R₁两端电压稳定。

第八种工作模式：如图9所示，第一开关管S₁关断，第二开关管S₂开通，第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄反偏截至，第一二极管D₁、第五二极管D₅正向导通。第一直流源V_in通过第二开关管S₂对第八电感L₈、第十电感L₁₀进行充电，并通过第一二极管D₁对第一电容C₁进行充电，第九电感L₉通过第一电感L₁将能量传输至第三电感L₃和第六电感 L₆，第三电感L₃、第六电感L₆、第十一电感L₁₁、第十二电感L₁₂、第三电容C₃和第四电容C₄通过第五二极管D₅对第五电容C₅进行充电，维持第一电阻R₁两端电压稳定。

第九种工作模式：如图10所示，第一开关管S₁关断，第二开关管S₂开通，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄反偏截至，第五二极管D₅正向导通。第一直流源V_in通过第二开关管S2对第八电感L₈、第十电感L₁₀进行充电，第九电感L₉通过第一电感L₁将能量传输至第三电感L₃和第六电感L₆，第三电感L₃、第六电感L₆、第十一电感 L₁₁、第十二电感L₁₂、第三电容C₃和第四电容C₄通过第五二极管D₅对第五电容C₅进行充电，维持第一电阻R₁两端电压稳定。

本实用新型通过新型的电感耦合结构实现了高电压增益，低电流纹波，减轻了二极管反向恢复问题，且功率器件低电压应力。并通过DSP芯片和 PWM控制器实现DC/DC变换电路中开关管的控制，技术成熟，便于实现，结构简单，降低成本。

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)

1.一种高增益DC/DC变换器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感、第十电感、第十一电感、第十二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻和第一直流源；

所述第一电感、第三电感、第六电感和第二电感、第四电感、第五电感分别构成三绕组耦合电感，第一电感和第二电感为一次绕组、第三电感和第四电感为二次绕组、第五电感和第六电感为三次绕组，第一电感的漏电感和磁化电感分别为第七电感和第九电感，第二电感的漏电感和磁化电感分别为第八电感和第十电感，第三电感和第五电感的漏电感为第十一电感，第六电感的漏电感为第十二电感和第四电感；

第一直流源正极分别连接第七电感和第八电感一端，第七电感另一端分别第一电感和第九电感一端，第一电感和第九电感另一端相连接，并分别连接第一开关管漏极、第一二极管正极和第十一电感一端，第十一电感另一端依次连接第三电感、第五电感和第三电容负极，第一二极管负极分别连接第一电容正极和第三二极管正极，第三二极管负极连接第三电容正极和第五二极管正极，第五二极管负极分别连接第五电容正极和第一电阻正极；

第八电感分别连接第二电感和第十电感，第二电感和第十电感另一端相连接，并分别连接第二开关管漏极、第一电容负极、第二电容正极和第十二电感，第十二电感另一端还依次连接第四电感、第六电感、第四电容正极，第二电容负极分别连接第二二极管正极、第四二极管负极，第四电容负极分别连接第四二极管正极、第五电容负极和第一电阻，第一直流源负极连接第一开关管源极、第二开关管源极和第二二极管负极。

2.根据权利要求1所述的一种高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一直流源电压值为20V。

3.根据权利要求1所述的一种高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为型号为AUIRFS6535的N通道功率MOSFET开关管。

4.根据权利要求1所述的一种高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管均为型号为LQA06T300的整流二极管，第五二极管为型号为C3D10060A的肖特基二极管。

5.根据权利要求1所述的一种高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电感、第三电感、第六电感与第二电感、第四电感、第五电感所构成耦合电感磁芯型号为T184-52各绕组电感值为20μH。

6.根据权利要求1所述的一种高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第七电感、第八电感的磁芯型号为T184-52电感值为1.45μH，第九电感、第十电感的磁芯型号为T184-52电感值为80μH，第十一电感、第十二电感的磁芯型号为T184-52电感值为2.9μH。

7.根据权利要求1所述的一种高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电容、第二电容均为耐压值450V容量50μF，第三电容、第四电容、第五电容均为耐压值450V容量20μF。

8.根据权利要求1所述的一种高增益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在第一电阻两端，输出端依次连接DSP芯片和PWM控制器，PWM控制器上设置两个输出端，分别连接第一开关管的栅极和第二开关管的栅极。

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