CN102290985A - 一种耦合电感升降压直流变换器 - Google Patents

一种耦合电感升降压直流变换器 Download PDF

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吴红飞
邢岩
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Abstract

一种耦合电感升降压直流变换器，属于宽输入电压范围的升降压直流变换器。该耦合电感升降压直流变换器包括输入电源(Vin)、第一电容(C1)、第一耦合电感(Lc1)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第二电容(C2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第二耦合电感(Lc2)、第三电容(C3)和负载(Ro)，其中第一耦合电感(Lc1)和第二耦合电感(Lc2)通过共用一个电感磁芯相互耦合在一起。本发明的耦合电感升降压直流变换器输入输出电流连续，输入输出电感共用磁芯，变换器体积重量小、功率密度高，尤其适合宽输入电压范围升降压变换、大电流且要求输入输出电流脉动小的场合应用。

Description

一种耦合电感升降压直流变换器
技术领域
本发明涉及一种耦合电感升降压直流变换器，属于宽输入电压范围的升降压直流变换器。
背景技术
能源危机和环境污染问题日益严重，新型能源的开发和利用受到世界各国的重视。在热能温差发电、蓄电池充电等场合需要采用具有升降压特性的直流变换器。开发一种具有高效率、高功率密度、宽输入电压范围的升降压直流变换器具有重要的现实意义。
传统的单管升降压变换器如Buck-Boost、Flyback、SEPIC和Cuk 变换器等都具有升降压变换的功能，但它们的器件应力较高、体积和重量较大。特别是Buck-Boost和Cuk变换器，其输出电压的极性与输入电压相反，更加限制了它们在某些场合的应用。
Boost与Buck变换器级联可以构成两种升降压变换器，如附图1(a)和附图1(b)所示。附图1(a)所示Buck级联Boost变换器由于拓扑结构简洁而获得了较多的应用，但其电感在中间，工作于降压模式时，输入电流断续，工作于升压模式时，输出电流断续，不适合热发电、蓄电池充电等输出大电流且要求电流脉动很小的应用场合。附图1(b)所示Boost级联Buck变换器电感分布在两端，输入输出电流连续，但需要采用两个电感，体积和重量较大，从而降低了变换器的功率密度。
发明内容
本发明提出了一种耦合电感升降压直流变换器，能够实现宽输入电压范围升降压变换，同时工作时输入输出电流连续，有效地提高了变换器效率和功率密度。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种耦合电感升降压直流变换器，包括输入电源、第一电容、第一耦合电感、第一开关管、第二开关管、第二电容、第三开关管、第四开关管、第二耦合电感、第三电容和负载；其中，输入电源的正输出端与第一电容的一端、第一耦合电感的                                                
Figure 467665DEST_PATH_IMAGE001
端相连，第一耦合电感的
Figure 897509DEST_PATH_IMAGE002
端与第一开关管的漏极、第二开关管的源极相连，第二开关管的漏极与第二电容的一端、第三开关管的漏极相连，第三开关管的源极与第四开关管的漏极、第二耦合电感的
Figure 998189DEST_PATH_IMAGE002
端相连，第二耦合电感的
Figure 141553DEST_PATH_IMAGE001
端与第三电容的一端、负载的一端相连，负载的另一端与第三电容的另一端、第四开关管的源极、第二电容的另一端、第一开关管的源极、第一电容的另一端和输入电源的负输出端相连。
所述第一耦合电感和第二耦合电感通过共用一个电感磁芯而相互耦合在一起，第一耦合电感的
Figure 785024DEST_PATH_IMAGE001
端与第二耦合电感的端为同名端。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的耦合电感升降压直流变换器，实际上是由Boost变换器和Buck变换器级联且输入输出电感共用磁芯所构成，尤其适合宽输入电压范围升降压变换、大电流且要求输入输出电流脉动小的场合应用。通过输入输出电感的反向耦合，可以有效地减小耦合电感磁芯中直流偏磁磁通，提高磁芯的利用率，有利于减小磁性元件的损耗和体积，进而提高变换器的功率密度。
附图说明
图1(a)是Buck级联Boost升降压变换器电路原理图；图1(b)是Boost级联Buck升降压变换器电路原理图。
图2是本发明耦合电感升降压变换器实施例一电路原理图。
图3(a)是本发明耦合电感升降压变换器实施例二电路原理图；图3(b)是本发明耦合电感升降压变换器实施例三电路原理图；图3(c)是本发明耦合电感升降压变换器实施例四电路原理图。
图4(a)是本发明耦合电感升降压变换器实施例一Boost模式下等效电路原理图；图4(b)是本发明耦合电感升降压变换器实施例一Buck模式下等效电路原理图。
图5(a)是本发明耦合电感升降压变换器实施例一Boost模式下工作模态1等效电路原理图；图5(b)是本发明耦合电感升降压变换器实施例一Boost模式下工作模态2等效电路原理图。
图6(a)是本发明耦合电感升降压变换器实施例一Buck模式下工作模态1等效电路原理图；图6(b)是本发明耦合电感升降压变换器实施例一Buck模式下工作模态2等效电路原理图。
其中：Vin为输入电源；Lc1、Lc2分别为第一、第二耦合电感；
Figure 973746DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 678659DEST_PATH_IMAGE002
分别为耦合电感Lc1、Lc2线圈绕组的两端；Q1--Q4为功率开关管或功率二极管；C1--C3为电容；Ro为负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
如附图2所示，是本发明耦合电感升降压直流变换器实施例一的电路原理图： 其结构包括输入电源Vin、第一电容C1、第一耦合电感Lc1、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第二电容C2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第二耦合电感Lc2、第三电容C3和负载Ro，其中：输入电源Vin的正输出端与第一电容C1的一端、第一耦合电感Lc1的端相连，第一耦合电感Lc1的
Figure 807338DEST_PATH_IMAGE002
端与第一开关管Q1的漏极、第二开关管Q2的源极相连，第二开关管Q2的漏极与第二电容C2 的一端、第三开关管Q3的漏极相连，第三开关管Q3的源极与第四开关管Q4的漏极、第二耦合电感Lc2的
Figure 649654DEST_PATH_IMAGE002
端相连，第二耦合电感Lc2的
Figure 532159DEST_PATH_IMAGE001
端与第三电容C3的一端、负载Ro的一端相连，负载Ro的另一端与第三电容C3的另一端、第四开关管Q4的源极、第二电容C2 的另一端、第一开关管Q1的源极、第一电容C1的另一端和输入电源Vin的负输出端相连。所述第一耦合电感Lc1和第二耦合电感Lc2通过共用一个电感磁芯而相互耦合在一起且第一耦合电感Lc1的
Figure 9277DEST_PATH_IMAGE001
端与第二耦合电感Lc2的
Figure 951825DEST_PATH_IMAGE001
端为同名端。
本发明所述的耦合电感升降压直流变换器，在具体实施方式中，根据第二开关管Q2和第四开关管Q4的实现方式不同而具有多种实施方式。第二开关管Q2和第四开关管Q4可以是功率开关管，也可以是功率二极管，图2所示实施例一中第二开关管Q2和第四开关管Q4均为功率开关管，其他三种实施方式的电路原理图如图3所示。其中，图3(a)所示实施例二中第二开关管Q2为功率开关管、第四开关管Q4为功率二极管；图3(b)所示实施例三中第二开关管Q2为功率二极管、第四开关管Q4为功率开关管；图3(c)所示实施例四中第二开关管Q2和第四开关管Q4均为功率二极管。
下面以实施例一所示电路原理图为例，结合附图2和附图4~6，说明本发明耦合电感升降压变换器的工作过程。
根据输入、输出电压大小关系，耦合电感升降压变换器可以有Boost和Buck两种工作模式。开关管Q1、Q3的占空比分别记为d1、d2，输出电压记为Vo，则在电感电流连续的情况下，变换器工作进入稳态时输入、输出电压关系为：
  (1)
当Vin<Vo时，变换器工作在Boost模式，此时，Q1处于开关状态，Q3一直导通，Q4一直关断，其等效电路如图4(a)所示；当Vin>Vo时，变换器工作在Buck模式，此时，Q3处于开关状态，Q1一直关断，Q2一直导通，其等效电路如图4(b)所示。
下面以Boost工作模式为例分析变换器的开关模态，第一、第二耦合电感Lc1、Lc2的电流分别记为iL1、iL2，自感分别为L1、L2，Lm为激磁电感，k为耦合系数。 
工作模态1，如图5(a)所示：Q1开通，Q2关断，iL1、iL2满足：
 
Figure 561109DEST_PATH_IMAGE004
 (2)
式(2)表明：在Q1导通期间，电流iL1、iL2在输入电压、自感和互感的共同作用下线性增大。
工作模态2，如图5(b)所示：Q1关断，Q2导通，iL1、iL2满足：
 
Figure 33679DEST_PATH_IMAGE005
 (3)
式(3)表明：在开关管Q1关断期间，电流iL1、iL2在输入电压、输出电压、自感和互感的共同作用下线性减小。
Buck工作模式下变换器的开关模态及工作过程分析与Boost工作模式类似，在此不再赘述，Buck工作模式下变换器的开关模态等效电路图如图6所示。
本发明所述的耦合电感升降压直流变换器，其第一耦合电感Lc1和第二耦合电感Lc2通过共用一个电感磁芯而相互耦合在一起且第一耦合电感Lc1的端与第二耦合电感Lc2的
Figure 557512DEST_PATH_IMAGE001
端为同名端。通过反向耦合方式，可以有效地减小耦合电感磁芯中直流偏磁磁通，提高磁芯的利用率，有利于减小磁性元件的损耗和体积进而提高变换器的功率密度。
本发明所述的耦合电感升降压直流变换器输入输出共地、输入输出电流连续，输入输出电感共用磁芯，变换器体积重量小、功率密度高，尤其适合宽输入电压范围升降压变换、大电流且要求输入输出电流脉动小的场合应用。

Claims (1)

1.一种耦合电感升降压直流变换器，包括输入电源(Vin)、第一电容(C1)、第一耦合电感(Lc1)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第二电容(C2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第二耦合电感(Lc2)、第三电容(C3)和负载(Ro)；其中，输入电源(Vin)的正输出端与第一电容(C1)的一端、第一耦合电感(Lc1)的                                                
Figure 279296DEST_PATH_IMAGE001
端相连，第一耦合电感(Lc1)的
Figure 602829DEST_PATH_IMAGE002
端与第一开关管(Q1)的漏极、第二开关管(Q2)的源极相连，第二开关管(Q2)的漏极与第二电容(C2) 的一端、第三开关管(Q3)的漏极相连，第三开关管(Q3)的源极与第四开关管(Q4)的漏极、第二耦合电感(Lc2)的
Figure 6129DEST_PATH_IMAGE002
端相连，第二耦合电感(Lc2)的端与第三电容(C3)的一端、负载(Ro)的一端相连，负载(Ro)的另一端与第三电容(C3)的另一端、第四开关管(Q4)的源极、第二电容(C2) 的另一端、第一开关管(Q1)的源极、第一电容(C1)的另一端和输入电源(Vin)的负输出端相连，其特征在于，所述第一耦合电感((Lc1)和第二耦合电感(Lc2)通过共用一个电感磁芯而相互耦合在一起，第一耦合电感((Lc1)的端与第二耦合电感(Lc2)的
Figure 483708DEST_PATH_IMAGE001
端为同名端。
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