CN112350573A - 一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路 - Google Patents

一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Boost‑改进升压增益Cuk变换器单开关DC‑DC电路。包括Boost变换单元、带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元；所述Boost变换单元和带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元将开关管复用成为单开关高增益电路；所述Boost变换单元的输入连接直流电源，所述带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元的输出端连接负载。本发明电路具有输入电源电流连续，并且输出电流纹波较小的特点；实现了高电压增益、高转换效率和较低的电磁干扰。

Description

一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路
技术领域
本发明属于电能储能、电动汽车、UPS和智能电网等领域，尤其涉及一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关高增益DC-DC电路。
背景技术
太阳能、风能、氢能等被认为是未来世界能源结构的主要基础，是解决能源危机的有效途径之一。但光伏、燃料电池等新能源发电单体的输出电压远低于可并网所需的直流母线电压。因此，对于这类新能源发电***，高增益升压DC-DC变换器是其中必不可少的组成部分。此外，在UPS供电***、电动汽车、航空电源以及照明智能电网***等应用领域，高增益升压DC-DC变换器也同样扮演着重要角色。二次型Boost变换器即是两个Boost变换器集成为只有单个可控开关器件的二次型高增益电路，二次型Boost变换器有着较好的电压增益和输入电流不突变的特点，但二极管电流断续且输出纹波较大；传统升压Cuk变换器拓扑有着输出电流连续纹波小、输入电流连续的优点，但同时也存在着电压增益不高的缺陷。因此，研究低成本、高增益、低纹波、高效率的升压DC-DC变换器成为当前电动汽车、新能源发电等领域待以研究的关键技术问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，具体是Boost变换单元和改进升压增益Cuk变换单元集成的单开关高增益电路，使该电路的增益效果进一步提升，并且结合Cuk电路输入电源电流连续和输出负载电流脉动小的特点，使电路具有高电压增益、高转换效率、低纹波和低电磁干扰的特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，包括Boost变换单元、带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元；所述Boost变换单元和带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元将开关管复用成为单开关高增益电路；所述Boost变换单元的输入连接直流电源，所述带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元的输出端连接负载。
在本发明一实施例中，所述Boost变换单元包括第一电感L1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一直流母线电容C1、功率MOS开关管Q1；所述带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元包括复用的功率MOS开关管Q1、第一直流母线电容C1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2，还包括第二电感L2、第三电感L3、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、中间电容C2、改进升压增益网络第一电容C3、改进升压增益网络第二电容C4、输出电容C5。
在本发明一实施例中，所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3均是高频电感。
在本发明一实施例中，所述第一直流母线电容C1、输出电容C5为电解电容；中间电容C2、改进升压增益网络第一电容C3、改进升压增益网络第二电容C4均为高频电容。
在本发明一实施例中，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5均为快恢复功率二极管。
在本发明一实施例中，所述功率MOS开关管Q1为硅基功率MOS管或IGBT，或是宽禁带半导体功率MOS管或IGBT，并采用PWM或PFM控制方式。
在本发明一实施例中，直流电源正极连接第一电感L1的a1端；所述第一电感L1的a2端的连接第一功率二极管D1的阳极和第二功率二极管D2的阳极；所述第一功率二极管D1的阴极连接功率MOS开关管Q1的漏极、中间电容C2的一端、改进升压增益网络第二电容C4的另外一端、第四功率二极管D4的阳极以及第二电感的b2端；所述第二功率二极管D2的阴极连接第一直流母线电容C1的正端、第二电感L2的b1端以及改进升压增益网络第一电容C3的另外一端；所述第一母线电容C1的负端连接直流电源负极、功率MOS开关管Q1的源极以及第五功率二极管D5的阴极；所述改进升压增益网络第一电容C3的一端连接第四功率二极管D4的阴极以及第三功率二极管D3的阳极；所述改进升压增益网络第二电容C4的一端连接第三功率二极管D3的阴极、第三电感L3的c1端；所述第三电感L3的c2端连接输出电容C5的正端以及负载RL的正端；所述中间电容C2的另外一端连接第五功率二极管D5的阳极以及输出电容C5的负端、负载RL的负端。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、通过将改进开关电容升压增益Cuk变换单元和Boost变换单元实现复用功率开关管，进一步地提高了电路的电压增益以及转换效率；
2、电路具有输入电流连续，输入输出电流纹波小和较低的电磁干扰的特点。
附图说明
图1是本发明的Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路实施例电路原理图。
图2是本发明Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路实施例电路开关管Q1在导通阶段，各元件工作状态的模态1示意图。
图3是本发明Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路实施例电路开关管Q1在关断阶段，各元件工作状态的模态2示意图。
图4是CCM模式下其开关周期关键器件工作波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本实施例提供了一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，其电路部分的设计内容具体为：直流输入电源Ui、第一电感电感L1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一母线电容C1、第二电感L2、功率MOS开关管Q1、中间电容C2、改进升压增益网络第一电容C3、改进升压增益网络第二电容C4、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、第三电感L3、输出电容C5、负载RL。
直流电源正极连接第一电感L1的a1端；所述第一电感L1的a2端的连接第一功率二极管D1的阳极和第二功率二极管D2的阳极；所述第一功率二极管D1的阴极连接功率MOS开关管Q1的漏极、中间电容C2的一端、改进升压增益网络第二电容C4的另外一端、第四功率二极管D4的阳极以及第二电感的b2端；所述第二功率二极管D2的阴极连接第一直流母线电容C1的正端、第二电感L2的b1端以及改进升压增益网络第一电容C3的另外一端；所述第一母线电容C1的负端连接直流电源负极、功率MOS开关管Q1的源极以及第五功率二极管D5的阴极；所述改进升压增益网络第一电容C3的一端连接第四功率二极管D4的阴极以及第三功率二极管D3的阳极；所述改进升压增益网络第二电容C4的一端连接第三功率二极管D3的阴极、第三电感L3的c1端；所述第三电感L3的c2端连接输出电容C5的正端以及负载RL的正端；所述中间电容C2的另外一端连接第五功率二极管D5的阳极以及输出电容C5的负端、负载RL的负端。
以下为本发明提供电路方案工作过程的具体实施例：
下面结合具体实例说明本实施例的一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路的具体工作模态，如图2、图3所示；图4为CCM模式下其开关周期关键器件工作波形。
参照图2，该图是Q1导通时段，其半导体功率器件波形图对应图4中的ton阶段。电源Ui给第一电感L1充能；第一母线电容C1给第二电感L2充能；并且第一母线电容C1和改进升压增益网络第一电容C3串联给改进升压增益网络第二电容C4充电；第一母线电容C1和改进升压增益网络第一电容C3以及中间电容C2串联，给第三电感L3充电，给输出电容C5、负载RL供电。
参照图3，该图是Q1关断时段，其半导体功率器件波形图对应图4中的toff阶段。电源Ui和第一电感L1串联放电给第一母线电容C1充电；第一母线电容C1和第二电感L2串联放电给中间电容C2充电；第二电感L2放电，通过二极管D4给改进升压增益网络第一电容C3充电；第一母线电容C1、第二电感L2、改进升压增益网络第二电容C4和第三电感L3形成放电回路，同时给负载RL供电。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，其特征在于，包括Boost变换单元、带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元；所述Boost变换单元和带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元将开关管复用成为单开关高增益电路；所述Boost变换单元的输入连接直流电源，所述带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元的输出端连接负载。
2.根据权利要求1所述的一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，其特征在于，所述Boost变换单元包括第一电感L1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第一直流母线电容C1、功率MOS开关管Q1；所述带开关电容单元的改进升压增益Cuk变换单元包括复用的功率MOS开关管Q1、第一直流母线电容C1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2，还包括第二电感L2、第三电感L3、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、中间电容C2、改进升压增益网络第一电容C3、改进升压增益网络第二电容C4、输出电容C5。
3.根据权利要求2所述的一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，其特征在于，所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3均是高频电感。
4.根据权利要求2所述的一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，其特征在于，所述第一直流母线电容C1、输出电容C5为电解电容；中间电容C2、改进升压增益网络第一电容C3、改进升压增益网络第二电容C4均为高频电容。
5.根据权利要求2所述的一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，其特征在于，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5均为快恢复功率二极管。
6.根据权利要求2所述的一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，其特征在于，所述功率MOS开关管Q1为硅基功率MOS管或IGBT，或是宽禁带半导体功率MOS管或IGBT，并采用PWM或PFM控制方式。
7.根据权利要求2所述的一种Boost-改进升压增益Cuk变换器单开关DC-DC电路，其特征在于，直流电源正极连接第一电感L1的a1端；所述第一电感L1的a2端的连接第一功率二极管D1的阳极和第二功率二极管D2的阳极；所述第一功率二极管D1的阴极连接功率MOS开关管Q1的漏极、中间电容C2的一端、改进升压增益网络第二电容C4的另外一端、第四功率二极管D4的阳极以及第二电感的b2端；所述第二功率二极管D2的阴极连接第一直流母线电容C1的正端、第二电感L2的b1端以及改进升压增益网络第一电容C3的另外一端；所述第一母线电容C1的负端连接直流电源负极、功率MOS开关管Q1的源极以及第五功率二极管D5的阴极；所述改进升压增益网络第一电容C3的一端连接第四功率二极管D4的阴极以及第三功率二极管D3的阳极；所述改进升压增益网络第二电容C4的一端连接第三功率二极管D3的阴极、第三电感L3的c1端；所述第三电感L3的c2端连接输出电容C5的正端以及负载RL的正端；所述中间电容C2的另外一端连接第五功率二极管D5的阳极以及输出电容C5的负端、负载RL的负端。
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