CN112701923A - 一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器 - Google Patents

Abstract

一种新型的高增益Zeta DC‑DC变换器，该变换器该变换器包含一个直流输入源，一个基本Zeta变换器，n‑1个增益扩展单元。增益扩展单元由一个电感、两个电容及一个二极管所构成，通过调节增益扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。该变换器具有控制及驱动电路简单、输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势，较适合于输入电压与输出电压变化范围比较大的应用场合。

Description

一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种DC-DC变换器，具体涉及一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器。

背景技术

在输入和输出电压变化均较大的应用场合，输入电压即可能高于输出电压，也可能低于输出电压，此时适用的常见非隔离型升降压DC-DC变换器有Flyback、隔离型Cuk、隔离型Sepic以及Zeta电路。理论上通过调节占空比D，这些变换器的输入输出增益可以在零至无穷大之间变化，但受元器件及电路寄生参数的影响，这些变换器的升压能力受到了较大的限制。目前提高DC-DC变换器输入输出增益的方案多基于隔离型Boost电路级联直流变压器而构建，因而这些电路开关元器件多，且损耗较大。因此研究即可实现高增益升压、降低功率损耗，实现一种新型宽输入输出升降压DC/DC变换器具有重要意义。

发明内容

为解决现有隔离型高增益DC-DC变换器开关元器件较多且损耗较大的问题，本发明基于基本Zeta电路提出一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器。该变换器由基本Zeta变换器和若干个增益扩展单元组成。通过调节增益扩展单元的个数即可实现对变换器输入输出增益以及开关器件电压应力的调节。该变换器具有控制及驱动电路简单、输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势；较适合于输入电压与输出电压变化范围比较大的应用场合。

本发明采取的技术方案为：

一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包含一个直流输入源，1个基本Zeta变换器，1个漏感吸收单元，n-1个增益扩展单元；其中：

基本Zeta变换器包含一个原副边n₁:n₂的变压器，三个电感L、L_r、L₁，两个电容C₁₁、C₁₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁；其连接形式如下：功率开关S₁的漏极接直流输入源的正极，功率开关S₁的源极分别连接电感L的一端、电感L_r的一端，电感L_r的另一端与变压器原边上端相连，电感的L另一端分别与变压器原边下端、直流输入源负极相连，电容C₁₁的一端与变压器副边上端相连，电容C₁₁另一端分别与电感L₁的一端、二极管D₁的阴极相连，电感L₁的另一端与电容C₁₂相连，二极管D₁的阳极分别与电容C₁₂的另一端、变压器副边下端相连；

第1个增益扩展单元包含电感L₂、二极管D₂和两个电容C₂₁、C₂₂；其中，电容C₂₁的另一端分别与电感L₂的一端、二极管D₂的阴极相连，电感L₂的另一端与电容C₂₂的一端相连；

第2个增益扩展单元包含电感L₃、二极管D₃和两个电容C₃₁、C₃₂；其中，电容C₃₁的另一端分别与电感L₃的一端、二极管D₃的阴极相连，电感L₃的另一端与电容C₃₂的一端相连；

......依次类推，第i个增益扩展单元，1＜i≤n-1中，

第i个增益扩展单元包含电感L_i、二极管D_i和两个电容C_i1、C_i2；其中，电容C_i1的另一端分别与电感L_i的一端、二极管D_i的阴极相连，电感L_i的另一端与电容C_i2的一端相连；

漏感吸收单元包含电感L₀，二极管D₀，两个电容C₀₁、C₀₂；其中，电容C₀₁的另一端分别与电感L₀的一端、二极管D₀的阴极相连，电感L₀的另一端与电容C₀₂的一端相连；

各个增益扩展单元之间的连接形式如下：

1＜i≤n-1，第i-1个增益扩展单元中电容C_i2的一端、电感L_i的另一端的交点与第i个增益扩展单元中电容C_(i+1)2的另一端相连，第i-1个增益扩展单元中电容C_i1的一端与第i个增益扩展单元中电容C_(i+1)1的一端相连。

第1个增益扩展单元与基本Zeta变换器之间的连接关系如下：

基本Zeta变换器中电容C₁₁的一端与变压器副边上端相连的交点与第1个增益扩展单元中电容C₂₁的一端相连，基本Zeta变换器中电感L₁的另一端与电容C₁₂的一端相连的交点与第1个增益扩展单元中二极管D₂的阳极和电容C₂₂另一端的交点相连。

漏感吸收单元与基本Zeta变换器之间的连接关系如下：

基本Zeta变换器中电感L_r的一端与漏感吸收单元中电容C₀₁的一端相连，变压器原边下端与漏感吸收单元中二极管D₀的阳极和电容C₀₂另一端的交点相连，基本Zeta变换器中二极管D₁的阳极与电容C₁₂的另一端相连的交点与漏感吸收单元中电感L₀的另一端和电容C₀₂一端的交点相连。

负载R_PL的两端分别与第n-1个增益扩展单元中电容C_n2的一端和漏感吸收单元中C₀₂的另一端相连。

所述功率开关S₁的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。

本发明一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器，技术效果如下：

1、可同时实现升降压，且输入输出增益高，开关器件电压应力低，输出电容串联。电感L的电流连续导通时，具体如下：

输入输出增益为：

开关管电压应力为：

增益扩展单元中每个输出电容上的电压为：

漏感吸收单元中输出电容上的电压为：

其中：D为占空比，u_in为输入电压，u_o为输出电压，u_s为功率开关电压应力，n-1为增益扩展单元数量，0≤i≤n-1。

2、仅含有1个功率开关，控制策略及驱动电路简单。

附图说明

图1是本发明电路原理图。

图2是本发明增益扩展单元数为2时的电路拓扑图。

图3是传统Zeta变换器电路原理图。

图4是本发明增益扩展单元数为2时，变压器变比为1：2时的输入输出增益与传统Zeta变换器的输入输出增益对比图。

图5是本发明本发明输入电压30V，增益扩展单元数为2时，D＝0.735时的输出波形仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示为本发明增益扩展单元数n＝3时的电路拓扑图：

一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个基本Zeta变换器，n-1个增益扩展单元，以及一个漏感吸收单元；其中：

基本Zeta变换器包含一个原副边n₁:n₂的变压器，三个电感L、L_r、L₁，两个电容C₁₁、C₁₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁；其连接形式如下：功率开关S₁的漏极接直流输入源的正极，功率开关S₁的源极分别连接电感L的一端以及电感L_r的一端，电感L_r的另一端与变压器原边上端相连，电感的L另一端与变压器原边下端和电源负极相连，电容C₁₁的一端与变压器副边上端相连，另一端与电感L₁的一端以及二极管D₁的阴极相连，电感L₁的另一端与电容C₁₂相连，二极管D₁的阳极与电容C₁₂的另一端以及变压器副边下端相连；

增益扩展单元以及漏感吸收单元均含有相同的内部结构，以第1个增益扩展单元为例，其含有：一个电感L₂，一个二极管D₂，两个电容C₂₁、C₂₂。其中，电容C₂₁的另一端分别与电感L₂的一端以及二极管D₂的阴极相连，电感L₂的另一端与电容C₂₂的一端相连。

第1个增益扩展单元与基本Zeta变换器之间的连接关系如下：

基本Zeta变换器中电容C₁₁的一端与变压器副边上端相连的交点与第1个增益扩展单元中电容C₂₁的一端相连，基本Zeta变换器中电感L₁的另一端与电容C₁₂的一端相连的交点与第1个增益扩展单元中二极管D₂的阳极和电容C₂₂另一端的交点相连。

漏感吸收单元与基本Zeta变换器之间的连接关系如下：

基本Zeta变换器中电感L_r的一端与漏感吸收单元中电容C₀₁的一端相连，变压器原边下端与漏感吸收单元中二极管D₀的阳极和电容C₀₂另一端的交点相连，基本Zeta变换器中二极管D₁的阳极与电容C₁₂的另一端相连的交点与漏感吸收单元中电感L₀的另一端和电容C₀₂一端的交点相连。

负载R_PL的两端分别与第n-1个增益扩展单元中电容C_n2的一端和漏感吸收单元中C₀₂的另一端相连；

2、根据权利要求1所述功率开关S1的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。调节占空比即可控制功率开关S1的开通关断时间，根据电感的电压平衡公式即可调节输出的电压等级。

在电感L的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：

(1)：功率开关S₁导通，二极管D₀、D₁、D₂、D₃均关断，此时电感L、L₀、L₁、L₂、L₃电容C₀₂、C₁₂、C₂₂、C₃₂充电，电容C₀₁、C₁₁、C₂₁、C₃₁放电；电感L、L₀、L₁、L₂、L₃端电压如下式所示：

(2)：功率开关S₁关断，二极管D₀、D₁、D₂、D₃均导通，此时电感L、L₀、L₁、L₂、L₃电容C₀₂、C₁₂、C₂₂、C₃₂放电，电容C₀₁、C₁₁、C₂₁、C₃₁充电；电感L、L₀、L₁、L₂、L₃端电压如下式所示：

上述将电路分为2种工作状态，根据接在功率开关S1的栅极上的控制器的占空比，可得出每个电容上的电压等级如下所示：

图4是本发明增益扩展单元数为2时的输入输出增益与传统Zeta变换器的输入输出增益对比图。由图4可看出，在占空比相同时，本发明提出的变换器的增益高于传统变换器，且有一个漏感吸收单元能解决功率损耗和开关管两端过高的峰值的问题。

图5是本发明本发明输入电压30V，增益扩展单元数为2时，D＝0.735时的输出波形仿真图，仿真验证了本发明的可行性。

Claims (3)

1.一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包含一个直流输入源，1个基本Zeta变换器，1个漏感吸收单元，n-1个增益扩展单元；其中：

基本Zeta变换器包含一个原副边n₁:n₂的变压器，三个电感L、L_r、L₁，两个电容C₁₁、C₁₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁；其连接形式如下：功率开关S₁的漏极接直流输入源的正极，功率开关S₁的源极分别连接电感L的一端、电感L_r的一端，电感L_r的另一端与变压器原边上端相连，电感的L另一端分别与变压器原边下端、直流输入源负极相连，电容C₁₁的一端与变压器副边上端相连，电容C₁₁另一端分别与电感L₁的一端、二极管D₁的阴极相连，电感L₁的另一端与电容C₁₂相连，二极管D₁的阳极分别与电容C₁₂的另一端、变压器副边下端相连；

第1个增益扩展单元包含电感L₂、二极管D₂和两个电容C₂₁、C₂₂；其中，电容C₂₁的另一端分别与电感L₂的一端、二极管D₂的阴极相连，电感L₂的另一端与电容C₂₂的一端相连；

第2个增益扩展单元包含电感L₃、二极管D₃和两个电容C₃₁、C₃₂；其中，电容C₃₁的另一端分别与电感L₃的一端、二极管D₃的阴极相连，电感L₃的另一端与电容C₃₂的一端相连；

......依次类推，第i个增益扩展单元，1＜i≤n-1中，

第i个增益扩展单元包含电感L_i、二极管D_i和两个电容C_i1、C_i2；其中，电容C_i1的另一端分别与电感L_i的一端、二极管D_i的阴极相连，电感L_i的另一端与电容C_i2的一端相连；

漏感吸收单元包含电感L₀，二极管D₀，两个电容C₀₁、C₀₂；其中，电容C₀₁的另一端分别与电感L₀的一端、二极管D₀的阴极相连，电感L₀的另一端与电容C₀₂的一端相连；

各个增益扩展单元之间的连接形式如下：

1＜i≤n-1，第i-1个增益扩展单元中电容C_i2的一端、电感L_i的另一端的交点与第i个增益扩展单元中电容C_(i+1)2的另一端相连，第i-1个增益扩展单元中电容C_i1的一端与第i个增益扩展单元中电容C_(i+1)1的一端相连；

第1个增益扩展单元与基本Zeta变换器之间的连接关系如下：

基本Zeta变换器中电容C₁₁的一端与变压器副边上端相连的交点与第1个增益扩展单元中电容C₂₁的一端相连，基本Zeta变换器中电感L₁的另一端与电容C₁₂的一端相连的交点与第1个增益扩展单元中二极管D₂的阳极和电容C₂₂另一端的交点相连；

漏感吸收单元与基本Zeta变换器之间的连接关系如下：

基本Zeta变换器中电感L_r的一端与漏感吸收单元中电容C₀₁的一端相连，变压器原边下端与漏感吸收单元中二极管D₀的阳极和电容C₀₂另一端的交点相连，基本Zeta变换器中二极管D₁的阳极与电容C₁₂的另一端相连的交点与漏感吸收单元中电感L₀的另一端和电容C₀₂一端的交点相连；

负载R_PL的两端分别与第n-1个增益扩展单元中电容C_n2的一端和漏感吸收单元中C₀₂的另一端相连。

2.根据权利要求1所述一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器，其特征在于：

功率开关S1的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化。

3.根据权利要求1所述一种新型的高增益Zeta DC-DC变换器，其特征在于：

增益扩展单元数n＝2时，在电感L的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：

(1)：功率开关S₁导通，二极管D₀、D₁、D₂、D₃均关断，此时电感L、L₀、L₁、L₂、L₃电容C₀₂、C₁₂、C₂₂、C₃₂充电，电容C₀₁、C₁₁、C₂₁、C₃₁放电；电感L、L₀、L₁、L₂、L₃端电压如下式所示：

(2)：功率开关S₁关断，二极管D₀、D₁、D₂、D₃均导通，此时电感L、L₀、L₁、L₂、L₃电容C₀₂、C₁₂、C₂₂、C₃₂放电，电容C₀₁、C₁₁、C₂₁、C₃₁充电；电感L、L₀、L₁、L₂、L₃端电压如下式所示：

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