CN102290985A - 一种耦合电感升降压直流变换器 - Google Patents
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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
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 端相连,第一耦合电感的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、第二耦合电感的端相连,第二耦合电感的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。
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。
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。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的端与第二耦合电感Lc2的端为同名端。
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:
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:
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 端相连,第一耦合电感(Lc1)的端与第一开关管(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)的端为同名端。
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