CN103762841B - 一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器。本发明以直流电源、开关管、第一电容、第二电感、第二二极管、第二电容和负载构成主Buck-Boost变换器；以直流电源、开关管、第一电容、第一电感、第一二极管和第三二极管构成嵌入Buck-Boost变换器。当开关管开通时，直流电源给第一电感充电，直流电源和第一电容共同给第二电感充电，同时第二电容给负载供电；当开关管关断时，第一电感给第一电容充电，同时第二电感给第二电容和负载供电。仅使用一个开关管实现一个Buck-Boost变换器嵌入到另一个Buck-Boost变换器中，增益可以达到D/(1-D)²。

Description

一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器

技术领域

本发明涉及高增益非隔离型DC-DC变换器领域，具体涉及一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器。

背景技术

近年来，高增益升压DC-DC变换器广泛用于UPS、分布式光伏发电和电池储能***。目前，高增益升压DC-DC变换器有开关电容型、开关电感型，通过增加开关电容或电感来实现电压的升高，同时也使电路结构变得很复杂。此外，还有通过隔离变压器或耦合电感来实现高增益，然而变压器和耦合电感的漏感难以控制，会极大地增加器件的应力和能量损耗。此外，嵌入式DC-DC变换器可以实现高增益，同样受到很大的青睐，若将基本的Buck-Boost变换器嵌入到另一个Buck-Boost变换器中，可以得到结构简单的高增益级联变换器，但是如何使用一个开关管实现高增益嵌入式变换器仍是个难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器变换器。

本发明采用的技术方案如下。

一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器变换器，以直流电源、开关管、第一电容、第二电感、第二二极管、第二电容和负载构成主Buck-Boost变换器；以直流电源、开关管、第一电容、第一电感、第一二极管和第三二极管构成嵌入Buck-Boost变换器。

上述的嵌入式单开关Buck-Boost变换器变换器中，直流电源的正极与开关管的漏极连接，开关管的源极与第一电容的负极、第一电感的一端连接，第一电感的另一端与第一二极管的阳极、第三二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第一电容的正极、第二二极管的阴极、第二电感的一端连接，第二电感的另一端与直流电源的负极、第三二极管的阴极、第二电容的正极、负载的一端连接，负载的另一端与第二二极管的阳极、第二电容的负极连接。

上述的嵌入式单开关Buck-Boost变换器变换器中，当开关管开通时，直流电源给第一电感充电，直流电源和第一电容共同给第二电感充电，同时第二电容给负载供电；当开关管关断时，第一电感给第一电容充电，同时第二电感给第二电容和负载供电。

上述变换器的工作模式包括第一电感L₁的电流和第二电感L₂的电流均工作于连续导通模式（L₂-CCM模式）、第一电感L₁的电流工作于连续导通模式而第二电感L₂的电流工作于断续导通模式（L2-DCM模式）。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：仅使用一个开关管，实现一个Buck-Boost变换器嵌入到另一个Buck-Boost变换器中，极大的简化了电路结构，增益可以达到D/(1-D)²，D为开关管控制信号的占空比。

附图说明

图1是本发明的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器结构图；

图2是图1所示的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器工作于L₂-CCM模式下关键电流波形图；

图3是图1所示的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器工作于L₂-DCM模式下关键电流波形图；

图4a、图4b分别是图1所示的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器工作于L₂-CCM模式下的两种工作模态；

图5是图1所示的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器工作于L₂-DCM模式下的一种工作模态；

图6是图1所示的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器工作于L₂-CCM模式下的仿真波形图；

图7是图1所示的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器工作于L₂-DCM模式下的仿真波形图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施不限于此。

参考图1，本发明的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器，以直流电源V_in、开关管Q、第一电容C₁、第二电感L₂、第二二极管D₂、第二电容C_o和负载R构成主Buck-Boost变换器；以直流电源V_in、开关管Q、第一电容C₁、第一电感L₁、第一二极管D₁和第三二极管D₃构成嵌入Buck-Boost变换器，其增益可以达到D/(1-D)²，D为开关管控制信号的占空比。

直流电源V_in的正极与开关管Q的漏极连接，开关管Q的源极与第一电容C₁的负极、第一电感L₁的一端连接，第一电感L₁的另一端与第一二极管D₁的阳极、第三二极管D₃的阳极连接，第一二极管D₁的阴极与第一电容C₁的正极、第二二极管D₂的阴极、第二电感L₂的一端连接，第二电感L₂的另一端与直流电源V_in的负极、第三二极管D₃的阴极、第二电容C_o的正极、负载R的一端连接，负载R的另一端与第二二极管D₂的阳极、第二电容C_o的负极连接。

下面以图1为主电路结构，结合图2～图5叙述本发明的具体工作原理。

首先考虑变换器工作在L₂-CCM模式，关键电流波形图如图2所示：

图2中t₀-t₁阶段，开关管Q开通，第一二极管D₁和第二二极管D₂截止，第三二极管D₃导通，直流电源V_in经开关管Q和第三二极管D₃给第一电感L₁充电，第一电感L₁的电流i_L1线性上升；直流电源V_in和第一电容C₁共同经开关管Q给第二电感L₂充电，第二电感L₂的电流i_L2线性上升，同时第二电容C_o给负载R供电，电流路径如图4a所示。

图2中t₁-t₂阶段，开关管Q关断，第一电感L₁通过第一二极管D₁续流，第二电感L₂通过第二二极管D₂续流，第三二极管D₃截止，第一电感L₁经第一二极管D₁给第一电容C₁充电，第一电感L₁的电流i_L1线性下降，第二电感L₂经第二二极管D₂同时给第二电容C_o和负载R供电，第二电感L₂的电流i_L2线性下降，电流路径如图4b所示。

再考虑变换器工作在L₂-DCM模式，关键电流波形图如图3所示：

图2和图3的t₀-t₂阶段，变换器的工作过程完全相同。t＝t₃，第二电感L₂的电流i_L2下降为零。

图3的t₂-t₃阶段，开关管Q继续关断，第二二极管D₂和第三二极管D₃截止，第一电感L₁经第一二极管D₁继续给第一电容C₁充电，第一电感L₁的电流i_L1继续线性下降，同时第二电容C_o给负载R供电，电流路径如图5所示。

图6示出变换器工作于L₂-CCM模式下的仿真波形图，从上到下依次是开关管的门极控制信号v_gQ、第一电感的电流i_L1、第二电感的电流i_L2、流过第一电容的电流i_C1、流过第二电容的电流i_C2，从图6中可见第一电感的电流i_L1和第二电感的电流i_L2均连续。

图7示出变换器工作于L₂-DCM模式下的仿真波形图，从上到下依次是开关管的门极控制信号v_gQ、第一电感的电流i_L1、第二电感的电流i_Lx、流过第一电容的电流i_C1、流过第二电容的电流i_C2，从图6中可见第一电感的电流i_L1连续，而第二电感的电流i_L2断续。

Claims (3)

1.一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器，其特征在于：以直流电源（V _in ）、开关管（Q）、第一电容（C ₁ ）、第二电感（L ₂ ）、第二二极管（D ₂ ）、第二电容（C _o ）和负载（R）构成主Buck-Boost变换器；以直流电源（V _in ）、开关管（Q）、第一电容（C ₁ ）、第一电感（L ₁ ）、第一二极管（D ₁ ）和第三二极管（D ₃ ）构成嵌入Buck-Boost变换器；直流电源（V _in ）的正极与开关管（Q）的漏极连接，开关管（Q）的源极与第一电容（C ₁ ）的负极、第一电感（L ₁ ）的一端连接，第一电感（L ₁ ）的另一端与第一二极管（D ₁ ）的阳极、第三二极管（D ₃ ）的阳极连接，第一二极管（D ₁ ）的阴极与第一电容（C ₁ ）的正极、第二二极管（D ₂ ）的阴极、第二电感（L ₂ ）的一端连接，第二电感（L ₂ ）的另一端与直流电源（V _in ）的负极、第三二极管（D ₃ ）的阴极、第二电容（C _o ）的正极、负载（R）的一端连接，负载（R）的另一端与第二二极管（D ₂ ）的阳极、第二电容（C _o ）的负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器，其特征在于：当开关管（Q）开通时，直流电源（V _in ）给第一电感（L ₁ ）充电，直流电源（V _in ）和第一电容（C ₁ ）共同给第二电感（L ₂ ）充电，同时第二电容（C _o ）给负载（R）供电；当开关管（Q）关断时，第一电感（L ₁ ）给第一电容（C ₁ ）充电，同时第二电感（L ₂ ）给第二电容（C _o ）和负载（R）供电。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式单开关Buck-Boost变换器，其特征在于：变换器的工作模式包括第一电感（L ₁ ）的电流和第二电感（L ₂ ）的电流均工作于连续导通模式，和第一电感（L ₁ ）的电流工作于连续导通模式而第二电感（L ₂ ）的电流工作于断续导通模式。