CN112737330B - 一种高增益Buck-Boost DC-DC变换器 - Google Patents

一种高增益Buck-Boost DC-DC变换器 Download PDF

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Abstract

一种高增益Buck‑Boost DC‑DC变换器,该变换器包含一个直流输入源,一个基本Buck‑Boost变换器,m‑1个电压扩展单元,1个漏感吸收单元,1个变压器单元。电压扩展单元由一个电感、两个电容及一个二极管所构成,通过调节电压扩展单元的个数,即可实现对变换器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、高效率、开关器件电压应力低和元器件较少等优势;较适合于电压增益较大的应用场合。

Description

一种高增益Buck-Boost DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC-DC变换器,具体涉及一种新型高增益Buck-Boost DC-DC变换器。
背景技术
常见非隔离型升降压DC-DC变换器,如:Buck-Boost、Cuk、Sepic以及Zeta电路受元器件及电路寄生参数的影响,难以实现电压高增益。将传统的非隔离型升降压DC-DC变换器做改进能够实现电压高增益,但电路较为复杂且元器件数目较多。传统的隔离型DC-DC变换器能轻易的实现高增益,但由于漏感的存在开关管的上会产生较大的电压尖峰,因此研究即可实现高增益升压同时也可消除漏感影响的新型高增益升压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变换器漏感产生的开关管电压尖峰问题,本发明基于Buck-Boost电路提出一种带变压器的高增益DC-DC变换器,该变换器由基本Buck-Boost变换器、一个变压器、一个漏感吸收单元和若干个增益扩展单元组成。改进的电路能将漏感中的能量利用起来输出到后级电路并解决开关管电压尖峰问题。调节增益扩展单元的个数即可实现对变换器输出增益。该变换器具有控制及驱动电路简单、元器件较少和开关管应力较低等优势;较适合于电压增益较大的应用场合。
本发明采取的技术方案为:
一种高增益Buck-Boost DC-DC变换器,该变换器包含一个直流输入源,一个基本Buck-Boost变换器,m-1个电压扩展单元,1个漏感吸收单元;其中:
基本Buck-Boost变换器包含一个原副边n1:n2的变压器T,两个电感L、Lr,一个电容C,一个功率开关S1,一个二极管D;其连接形式如下:
开关S1的漏极连接直流输入源的正极,开关S1的源极分别连接电感L一端、电感Lr一端,电感L另一端、变压器T原边的下端与直流输入源的负极相连;电感Lr另一端连接变压器T原边的上端,变压器T副边的上端与二极管D的阴极相连,二极管D的阳极与电容C的一端相连,电容C的另一端与变压器T副边的下端连接;
漏感吸收单元包含二极管D0,一个电容C0;其中,电容C0的一端与二极管D0的阳极相连;二极管D0的阴极连接电感Lr一端;
第1个电压扩展单元包含电感L1、二极管D1、两个电容C11、C12;其中,电容C11的另一端分别与电感L1的一端以及二极管D1的阴极相连,二极管D1的阳极与电容C12的一端相连,电容C12的另一端与电感L1的另一端相连;
第2个电压扩展单元包含电感L2、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,二极管D2的阳极与电容C22的一端相连,电容C22的另一端与电感L2的另一端相连;
......依次类推,第i个电压扩展单元,1<i≤m-1中,
第i个电压扩展单元包含电感Li、二极管Di、两个电容Ci1、Ci2;其中,电容Ci1的另一端分别与电感Li的一端以及二极管Di的阴极相连,二极管Di的阳极与电容Ci2的一端相连,电容Ci2的另一端与电感Li的另一端相连;
各个电压扩展单元之间的连接形式如下:
1<i≤m-1,第i-1个电压扩展单元中电容C(i-1)2的一端与二极管D(i-1)阳极的交点与第i个电压扩展单元中电容Ci2另一端与电感Li另一端的交点相连,第i-1个电压扩展单元中电容C(i-1)1的一端与第i个电压扩展单元中电容Ci1的一端相连。
漏感吸收单元与基本Buck-Boost变换器之间的连接关系如下:
基本Buck-Boost变换器中电感L的一端、开关S1的源极以及电感Lr一端的交点与漏感吸收单元中二极管D0的阴极相连,基本Buck-Boost变换器中直流电源负极和电感L的另一端的交点与漏感吸收单元中电容C0的另一端相连;
第1个电压扩展单元与基本Buck-Boost变换器之间的连接关系如下:
基本Buck-Boost变换器中二极管D的阴极与第1个电压扩展单元中电容C11的一端相连,基本Buck-Boost变换器中二极管D的阳极与电容C一端的交点与第1个电压扩展单元中电感L1另一端与电容C12另一端的交点相连;
负载RL的两端分别与第m-1个电压扩展单元中电容C(m-1)2一端与二极管D(m-1)阳极的交点和漏感吸收单元中电容C0的另一端相连。
本发明是一种新型高增益Buck-Boost DC-DC变换器,技术效果如下:
1、可实现升压,且输出增益高,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:
输出增益为:
Figure GDA0003316820710000031
开关管电压应力为:
Figure GDA0003316820710000032
输出电容上的电压为:
Figure GDA0003316820710000033
其中:D为占空比,uin为输入电压,uo为输出电压,us为功率开关电压应力,m-1为增益单元数量0<i≤m-1。n1和n2电压原、副变边匝数。
2、元器件数目较少;
3、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是本发明电压扩展单元数为2,漏感吸收单元数为1时的电路拓扑图。
图3是传统隔离型Buck-Boost变换器电路原理图。
图4是发明电压扩展单元数为2,漏感吸收单元数为1时的输出增益与传统Buck-Boost变换器的输入输出增益对比图。
图5是本发明输入电压30V,电压扩展单元数为2,漏感吸收单元数为1时,D=0.725时的输出波形仿真图。
图6是本发明输入电压30V,电压扩展单元数为2,D=0.725,无漏感吸收单元时开关管应力图。
图7是本发明输入电压30V,电压扩展单元数为2,D=0.725,有漏感吸收单元时开关管应力图。
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所示为本发明电压扩展单元个数为2,漏感吸收单元个数为1时的电路拓扑图:
一种新型高增益Buck-Boost变换器,该变换器包含一个直流输入源,一个负载,一个基本Buck-Boost变换器,两个电压扩展单元,一个漏感吸收单元。其中:
基本Buck-Boost变换器包含一个原副边n1:n2的变压器T,两个电感L、Lr,一个电容C,一个功率开关S1,一个二极管D;其连接形式如下:
开关S1的漏极连接直流输入源的正极,开关S1的源极分别连接电感L一端、电感Lr一端,电感L另一端、变压器T原边的下端与直流输入源的负极相连;电感Lr另一端连接变压器T原边的上端,变压器T副边的上端与二极管D的阴极相连,二极管D的阳极与电容C的一端相连,电容C的另一端与变压器T副边的下端连接。
漏感吸收单元包含二极管D0,一个电容C0;其中,电容C0的一端与二极管D0的阳极相连;
第1个与第2个电压扩展单元均含有相同的内部结构,以第1个电压扩展单元为例;
第1个电压扩展单元包含电感L1、二极管D1、两个电容C11、C12;其中,电容C11的另一端分别与电感L1的一端以及二极管D1的阴极相连,二极管D1的阳极与电容C12的一端相连,电容C12的另一端与电感L1的另一端相连;
各个电压扩展单元之间的连接形式如下:
第1个电压扩展单元中电容C12的一端与二极管D1阳极的交点与第2个电压扩展单元中电容C22另一端与电感L2另一端的交点相连,第1个电压扩展单元中电容C11的一端与第2个电压扩展单元中电容C21的一端相连。
漏感吸收单元与基本Buck-Boost变换器之间的连接关系如下:
基本Buck-Boost变换器中电感L的一端、开关S1的源极以及变压器原边一端的交点与漏感吸收单元中二极管D0的阴极相连,基本Buck-Boost变换器中直流电源负极和电感L的另一端的交点与漏感吸收单元中电容C0的另一端相连;
第1个电压扩展单元与基本Buck-Boost变换器之间的连接关系如下:
基本Buck-Boost变换器中二极管D的阴极与第1个电压扩展单元中电容C11的一端相连,基本Buck-Boost变换器中二极管D的阳极与电容C一端的交点与第1个电压扩展单元中电感L1另一端与电容C12另一端的交点相连;
负载RL的两端分别与第2个电压扩展单元中电容C22一端与二极管D2阳极的交点。和漏感吸收单元中电容C0的另一端相连。
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D、D0、D1、D2均关断,此时电感L、L1、L2、Lr,电容C11、C21充电,电容C0、C、C12、C22放电;电感L、L1、L2、Lr端电压如下式所示:
Figure GDA0003316820710000051
(2):功率开关S1关断,二极管D、D0、D1、D2均导通,此时电感L、L1、L2、Lr,电容C11、C21放电,电容C0、C、C12、C22充电;电感L、L1、L2、Lr端电压如下式所示:
Figure GDA0003316820710000052
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:
Figure GDA0003316820710000061
图4是本发明电压扩展单元数为2,漏感吸收单元数为1时的输出增益与传统Buck-Boost变换器的输出增益对比图。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为传统变换器的四倍
图5是本发明电压扩展单元数为2,漏感吸收单元数为1时,D=0.725时的输出波形仿真图和开关管应力图。仿真验证了本发明的可行性,实现了电压高增益。
图6与图7是本发明电压扩展单元数为2,D=0.725,有无漏感吸收单元时开关管应力图。仿真验证了本发明的可行性,开关管电压尖峰明显减小。

Claims (3)

1.一种高增益Buck-Boost DC-DC变换器,其特征在于:该变换器包含一个直流输入源,一个Buck-Boost变换器,m-1个电压扩展单元,1个漏感吸收单元;其中:
Buck-Boost变换器包含一个原副边n1:n2的变压器T,两个电感L、Lr,一个电容C,一个功率开关S1,一个二极管D;其连接形式如下:
开关S1的漏极连接直流输入源的正极,开关S1的源极分别连接电感L一端、电感Lr一端,电感L另一端、变压器T原边的下端与直流输入源的负极相连;电感Lr另一端连接变压器T原边的上端,变压器T副边的上端与二极管D的阴极相连,二极管D的阳极与电容C的一端相连,电容C的另一端与变压器T副边的下端连接;
漏感吸收单元包含二极管D0,一个电容C0;其中,电容C0的一端与二极管D0的阳极相连;二极管D0的阴极连接电感Lr一端;
第1个电压扩展单元包含电感L1、二极管D1、两个电容C11、C12;其中,电容C11的另一端分别与电感L1的一端以及二极管D1的阴极相连,二极管D1的阳极与电容C12的一端相连,电容C12的另一端与电感L1的另一端相连;
第2个电压扩展单元包含电感L2、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,二极管D2的阳极与电容C22的一端相连,电容C22的另一端与电感L2的另一端相连;
......依次类推,第i个电压扩展单元,1<i≤m-1中,
第i个电压扩展单元包含电感Li、二极管Di、两个电容Ci1、Ci2;其中,电容Ci1的另一端分别与电感Li的一端以及二极管Di的阴极相连,二极管Di的阳极与电容Ci2的一端相连,电容Ci2的另一端与电感Li的另一端相连;
各个电压扩展单元之间的连接形式如下:
1<i≤m-1,第i-1个电压扩展单元中电容C(i-1)2的一端与二极管D(i-1)阳极的交点与第i个电压扩展单元中电容Ci2另一端与电感Li另一端的交点相连,第i-1个电压扩展单元中电容C(i-1)1的一端与第i个电压扩展单元中电容Ci1的一端相连;
漏感吸收单元与Buck-Boost变换器之间的连接关系如下:
Buck-Boost变换器中电感L的一端、开关S1的源极以及电感Lr一端的交点与漏感吸收单元中二极管D0的阴极相连,Buck-Boost变换器中直流电源负极和电感L的另一端的交点与漏感吸收单元中电容C0的另一端相连;
漏感吸收单元中二极管D0的阳极与电容C0的一端交点与Buck-Boost变换器中电容C的另一端相连;
第1个电压扩展单元与Buck-Boost变换器之间的连接关系如下:
Buck-Boost变换器中二极管D的阴极与第1个电压扩展单元中电容C11的一端相连,Buck-Boost变换器中二极管D的阳极与电容C一端的交点与第1个电压扩展单元中电感L1另一端与电容C12另一端的交点相连;
负载RL的两端分别与第m-1个电压扩展单元中电容C(m-1)2一端与二极管D(m-1)阳极的交点和漏感吸收单元中电容C0的另一端相连。
2.根据权利要求1所述一种高增益Buck-Boost DC-DC变换器,其特征在于:功率开关S1的栅极连接控制器,其占空比在0至1之间变化。
3.根据权利要求1所述一种高增益Buck-Boost DC-DC变换器,其特征在于:电压扩展单元数为2,漏感吸收单元数为1时,在电感L的电流连续导通时,根据功率开关状态的不同,将电路分为2种工作状态:
(1):功率开关S1导通,二极管D、D0、D1、D2均关断,此时电感L、L1、L2、Lr,电容C11、C21充电,电容C0、C、C12、C22放电;电感L、L1、L2、Lr端电压如下式所示:
Figure FDA0003316820700000021
(2):功率开关S1关断,二极管D、D0、D1、D2均导通,此时电感L、L1、L2、Lr,电容C11、C21放电,电容C0、C、C12、C22充电;电感L、L1、L2、Lr端电压如下式所示:
Figure FDA0003316820700000031
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Legal Events

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Application publication date: 20210430

Assignee: NANJING YANXU ELECTRICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980039976

Denomination of invention: A High Gain Buck Boost DC-DC Converter

Granted publication date: 20220201

License type: Common License

Record date: 20230823