CN217335426U - 一种宽占空比dc/dc变换器 - Google Patents

一种宽占空比dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种宽占空比DC/DC变换器，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻和第一直流源；其中，第一电感、第二电感构成双绕组耦合电感，第二电感为一次绕组、第一电感为二次绕组，第三电感为第二电感的磁化电感、第四电感为第一电感的漏电感。通过新型的电感耦合结构实现了宽占空比降压功能，功率器件低电压应力低、体积小，低电流纹波，且减轻了二极管反向恢复问题，提高电路的效率。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

一种宽占空比DC/DC变换器
技术领域
本实用新型属于直流电源技术领域，涉及一种宽占空比DC/DC变换器。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展和新型耐高压功率器件的出现，高降压比DC/DC电源已经广泛应用于军事、医疗、通信等领域。因此往往需要通过高降压比的DC/DC变换器实现直流电源在上述领域中的应用。现有的DC/DC变换器具有以下缺点：1）、占空比调节范围窄；2）、耦合电感的使用可增大占空比调节范围，但会功率器件电压应力及电路体积；3）、二极管器件存在严重的反向恢复问题，且会导致电流纹波过大；4）、功率器件硬开关使得电路效率降低。因此，近年来，国内外研究人员一直在努力研究能够实现宽占空比降压功能和高效率以及更好的运行特性的新型结构。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中，现有降压变换器占空比调节范围窄、耦合电感结构增大器件电压应力及体积、二极管具有强烈的反向恢复且增大电流纹波以及功率器件硬开关降低电路效率的缺点，提供一种宽占空比DC/DC变换器。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型一种宽占空比DC/DC变换器，第一直流源正极、第一开关管漏极相连接，第一开关管源极、第二开关管漏极、第一电容正极相连接，第二开关管源极、第三开关管漏极、第三电容正极相连接，第三开关管源极、第四开关管漏极、第二电容正极相连接，第一电容负极、第二电容负极、第四电感一端相连接，第四电感另一端、第一电感一端相连接，第一电感另一端、第二电感一端、第三电感一端、第一二极管负极、第五电感一端相连接，第四开关管源极、第三电容负极、第二电感另一端、第三电感另一端、第六电感一端、第二二极管负极相连接，第五电感另一端、第六电感另一端、第四电容正极、第一电阻一端相连接，第一直流源负极、第一二极管正极、第二二极管正极、第四电容负极、第一电阻另一端相连接。
本实用新型一种宽占空比DC/DC变换器进一步的改进在于：
所述第一直流源电压值为400V。
所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管均为型号为IRFP254N的N通道功率MOSFET开关管。
所述第一二极管、第二二极管均为型号为MBR2560的整流二极管。
所述第一电感电感值为40uH，第二电感和第四电感电感值均为20uH，第三电感、第五电感和第六电感电感值均为100uH。
所述第一电容、第二电容容量10uF，第三电容容量100uF，第四电容容量220uF。
本实用新型另一方面，一种宽占空比DC/DC变换器，包括电压传感器、DSP芯片、PWM控制器和所述的DC/DC变换电路；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、第二开关管的栅极、第三开关管的栅极和第四开关管的栅极。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型一种宽占空比DC/DC变换器，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻和第一直流源；其中，第一电感、第二电感构成双绕组耦合电感，第二电感为一次绕组、第一电感为二次绕组，第三电感为第二电感的磁化电感、第四电感为第一电感的漏电感；第一直流源正极、第一开关管漏极相连接，第一开关管源极、第二开关管漏极、第一电容正极相连接，第二开关管源极、第三开关管漏极、第三电容正极相连接，第三开关管源极、第四开关管漏极、第二电容正极相连接，第一电容负极、第二电容负极、第四电感一端相连接，第四电感另一端、第一电感一端相连接，第一电感另一端、第二电感一端、第三电感一端、第一二极管负极、第五电感一端相连接，第四开关管源极、第三电容负极、第二电感另一端、第三电感另一端、第六电感一端、第二二极管负极相连接，第五电感另一端、第六电感另一端、第四电容正极、第一电阻一端相连接，第一直流源负极、第一二极管正极、第二二极管正极、第四电容负极、第一电阻另一端相连接。通过新型的电感耦合结构实现了宽占空比降压功能，功率器件低电压应力低、体积小，低电流纹波，且减轻了二极管反向恢复问题，提高电路的效率。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九种工作状态示意图。
其中：Vin为直流源；S1、S2、S3和S4为开关管；D1和D2为二极管；C1、C2、C3和C4为电容；L1、L2、L3、L4、L5和L6为电感；R1为电阻。其中，“+”表示的是电容的正极对应的正参考方向，“-”表示的是电容的负极对应的负参考方向。“•”表示耦合电感线圈同名端。
具体实施方式
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、方法、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、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
参见图1，本实用新型一种宽占空比DC/DC变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、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；其中，第一电感L1、第二电感L2构成双绕组耦合电感，第二电感L2为一次绕组、第一电感L1为二次绕组，第三电感L3为第二电感L2的磁化电感、第四电感L4为第一电感L1的漏电感；第一直流源Vin正极、第一开关管S1漏极相连接，第一开关管S1源极、第二开关管S2漏极、第一电容C1正极相连接；第二开关管S2源极、第三开关管S3漏极、第三电容C3正极相连接；第三开关管S3源极、第四开关管S4漏极、第二电容C2正极相连接；第一电容C1负极、第二电容C2负极、第四电感L4一端相连接；第四电感L4另一端、第一电感L1一端相连接；第一电感L1另一端、第二电感L2一端、第三电感L3一端、第一二极管D1负极、第五电感L5一端相连接；第四开关管S4源极、第三电容C3负极、第二电感L2另一端、第三电感L3另一端、第六电感L6一端、第二二极管D2负极相连接，第五电感L5另一端、第六电感L6另一端、第四电容C4正极、第一电阻R1一端相连接，第一直流源Vin负极、第一二极管D1正极、第二二极管D2正极、第四电容C4负极、第一电阻R1另一端相连接。
其中，第一直流源Vin电压值为400V；第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4均为型号为IRFP254N的N通道功率MOSFET开关管；第一二极管D1、第二二极管D2均为型号为MBR2560的整流二极管；第一电感L1电感值为40uH，第二电感L2和第四电感L4电感值均为20uH，第三电感L3、第五电感L5和第六电感L6电感值均为100uH；第一电容C1、第二电容C2容量10uF，第三电容C3容量100uF，第四电容C4容量220uF。
具体的，本实施例图1中给出了各器件的具体连接关系。
下面介绍本实用新型的原理及工作过程：
本实用新型一种宽占空比DC/DC变换器分为以下九种工作模式。
第一种工作模式：参见图2，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4均关断，第一二极管D1正向导通，第二二极管D2反偏截至。第四电感L4与第一开关管S1结电容、第二开关管S2结电容、第三开关管S3结电容、第四开关管S4结电容发生谐振，第一开关管S1结电容和第三开关管S3结电容开始放电，第二开关管S2结电容和第四开关管S4结电容开始充电。此模式在第二二极管D2两端电压降为0时结束。
第二种工作模式：参见图3，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4均关断，第一二极管D1、第二二极管D2正向导通。第四电感L4与第一开关管S1结电容、第二开关管S2结电容、第三开关管S3结电容、第四开关管S4结电容继续发生谐振，第一开关管S1结电容和第三开关管S3结电容保持放电，直至第一开关管S1和第三开关管S3两端电压降至0，第二开关管S2结电容和第四开关管S4结电容保持充电。
第三种工作模式：参见图4，第一开关管S1的体二极管、第三开关管S3的体二极管均导通，第二开关管S3和第四开关管S4均关断，第一二极管D1、第二二极管D2正向导通。第四电感L4电流减小至0，再反向增大。此模式在第一二极管D1两端电压降为0时结束。
第四种工作模式：参见图5，第一开关管S1、第三开关管S3均导通，第二开关管S3和第四开关管S4均关断，第一二极管D1反偏截至，第二二极管D2正向导通。第一直流源Vin对第一电容C1和第四电容C4进行充电，第三电容C3对第二电容C2和第四电容C4进行充电，此时，第五电感L5充电，第六电感L6放电。
第五种工作模式：参见图6，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4均关断，第一二极管D1反偏截至，第二二极管D2正向导通。第四电感L4与第一开关管S1结电容、第二开关管S2结电容、第三开关管S3结电容、第四开关管S4结电容发生谐振，第二开关管S2结电容和第四开关管S4结电容开始放电，第一开关管S1结电容和第三开关管S3结电容开始充电。此模式在第一二极管D1两端电压降为0时结束。
第六种工作模式：参见图7，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4均关断，第一二极管D1、第二二极管D2正向导通。第四电感L4与第一开关管S1结电容、第二开关管S2结电容、第三开关管S3结电容、第四开关管S4结电容继续发生谐振，第二开关管S2结电容和第四开关管S4结电容保持放电，直至第二开关管S2和第四开关管S4两端电压降至0，第一开关管S1结电容和第三开关管S3结电容保持充电。
第七种工作模式：参见图8，第一开关管S1、第三开关管S3均关断，第二开关管S2的体二极管和第四开关管S4的体二极管均导通，第一二极管D1、第二二极管D2正向导通。第四电感L4电流减小至0，再反向增大。此模式在第二二极管D2两端电压降为0时结束。
第八种工作模式：参见图9，第一开关管S1、第三开关管S3均关断，第二开关管S3和第四开关管S4均导通，第一二极管D1正向导通，第二二极管D2反偏截至。第一电容C1和第二电容C2对第三电容C3进行充电，此时，第五电感L5放电，第六电感L6充电。
本实用新型还公开了一种宽占空比DC/DC变换器，包括电压传感器、DSP芯片、PWM控制器和所述的DC/DC变换电路；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、第二开关管S2的栅极、第三开关管S3的栅极和第四开关管S4的栅极。
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽占空比DC/DC变换器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻和第一直流源；其中，第一电感、第二电感构成双绕组耦合电感；第二电感为一次绕组、第一电感为二次绕组，第三电感为第二电感的磁化电感、第四电感为第一电感的漏电感；第一直流源正极、第一开关管漏极相连接；第一开关管源极、第二开关管漏极、第一电容正极相连接；第二开关管源极、第三开关管漏极、第三电容正极相连接；第三开关管源极、第四开关管漏极、第二电容正极相连接；第一电容负极、第二电容负极、第四电感一端相连接；第四电感另一端、第一电感一端相连接；第一电感另一端、第二电感一端、第三电感一端、第一二极管负极、第五电感一端相连接；第四开关管源极、第三电容负极、第二电感另一端、第三电感另一端、第六电感一端、第二二极管负极相连接；第五电感另一端、第六电感另一端、第四电容正极、第一电阻一端相连接；第一直流源负极、第一二极管正极、第二二极管正极、第四电容负极、第一电阻另一端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽占空比DC/DC变换器，其特征在于，所述第一直流源的电压值为400V。
3.根据权利要求1所述的一种宽占空比DC/DC变换器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管均为型号为IRFP254N的N通道功率MOSFET开关管。
4.根据权利要求1所述的一种宽占空比DC/DC变换器，其特征在于，所述第一二极管、第二二极管均为型号为MBR2560的整流二极管。
5.根据权利要求1所述的一种宽占空比DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电感电感值为40uH，第二电感和第四电感电感值均为20uH，第三电感、第五电感和第六电感电感值均为100uH。
6.根据权利要求1所述的一种宽占空比DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电容、第二电容的容量为10uF，第三电容容量为100uF，第四电容容量为220uF。
7.根据权利要求1所述的一种宽占空比DC/DC变换器，其特征在于，还包括电压传感器、DSP芯片、PWM控制器；
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、第二开关管的栅极、第三开关管的栅极和第四开关管的栅极。
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