CN115051563A - 一种多倍次超高电压增益dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种多倍次超高电压增益DC‑DC变换器，该变换器包含基本Boost以及n个多倍次扩展单元。多倍次扩展单元均由一个电感、一个电容、两个二极管所构成，通过调节多倍次扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益调节。该变换器具有控制及驱动电路简单、输入输出电压增益高、可靠性高的特点；较适合于输入电压低但输出电压大且可靠性要求高的应用场合。

Description

一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC-DC变换器，具体涉及一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器。
背景技术
在如风力、光伏发电等部分低功率且不需要电气隔离的应用场合中，常常使用非隔离型DC-DC变换器将输入电压提高以满足负载或母线要求，此时最常见的非隔离型升压DC-DC变换器是Boost变换器。理论上通过调节占空比D，这些变换器的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变换器输入输出电压增益的方案多采用基本Boost电路与开关电容、开关电感等构建，但升压能力仍然较低，在超高电压增益应用场合时会出现极端占空比的情况，导致效率会急剧下降。因此研究可实现超高电压增益升压DC/DC变换器具有重要意义。
发明内容
为解决现有非隔离型高增益DC-DC变换器电压增益不高的问题，本发明提供一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，该变换器由一个基本Boost和若干个多倍次扩展单元组成。每增加一级多倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统Boost的电压增益系数的分母次数增加一次，使得在占空比不变的情况下，输出电压得到极大提高。该变换器具有控制及驱动电路简单、输出电压增益高、可靠性高的特点；较适合于输出电压增益要求高且可靠性要求高的应用场合。
本发明采取的技术方案为：
一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，该变换器包括：
一个Boost变换器，n个多倍次扩展单元；
所述Boost变换器包括电感L1、功率开关S、二极管D0、电容C0；
直流电源uin的正极连接电感L1一端，直流电源uin负极分别连接功率开关S源极、电容C0另一端；电容C0一端连接二极管D0阴极，二极管D0阳极连接功率开关S漏极；
第一个多倍次扩展单元包括二极管D11、D12，电容C11，电感L11；
电感L1另一端分别连接二极管D11阳极、二极管D12阳极；二极管D12阴极分别连接电容C11另一端、电感L11一端；电容C11一端连接功率开关S源极；二极管D11阴极连接功率开关S漏极；
第二个多倍次扩展单元包括二极管D21、D22，电容C21，电感L21；
电感L11另一端分别连接二极管D21阳极、二极管D22阳极；二极管D22阴极分别连接电容C21另一端、电感L21一端；电容C21一端连接功率开关S源极；二极管D21阴极连接功率开关S漏极；
......以此类推，n＞2，
第n-1个多倍次扩展单元包括二极管D(n-1)1、D(n-1)2，电容C(n-1)1，电感L(n-1)1；
电感L(n-2)1另一端分别连接二极管D(n-1)1阳极、二极管D(n-1)2阳极；二极管D(n-1)2阴极分别连接电容C(n-1)1另一端、电感L(n-1)1一端；电容C(n-1)1一端连接功率开关S源极；二极管D(n-1)1阴极连接功率开关S漏极；
第n个多倍次扩展单元包括二极管Dn1、Dn2，电容Cn1，电感Ln1；
电感L(n-1)1另一端分别二极管Dn1阳极、二极管Dn2阳极；二极管Dn2阴极分别连接电容Cn1另一端、电感Ln1一端；电容Cn1一端连接功率开关S源极；二极管Dn1阴极连接功率开关S漏极；
负载R两端分别连接电容C0一端、电容C0另一端。
功率开关S的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，每增加一级倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统Boost的电压增益系数的分母次数增加一次，使得变换器的输出电压得到极大提高。
多倍次扩展单元数为2时，电感L1、L11、L21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S导通，二极管D12、D22、D0均关断，此时电感L1、L11、L21均充电，电容C11、C21放电。电感L1、L11、L21端电压如下所示：
Figure BDA0003696427200000031
(2)功率开关S关断，二极管D12、D22、D0均导通，此时电感L1、L11、L21均放电，电容C11、C21充电。电感L1、L11、L21端电压如下所示：
Figure BDA0003696427200000032
以2个多倍次扩展单元为例：
一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，该变换器包括：
一个Boost变换器，2个多倍次扩展单元；
所述Boost变换器包括电感L1、功率开关S、二极管D0、电容C0；
直流电源uin的正极连接电感L1一端，直流电源uin负极分别连接功率开关S源极、电容C0另一端；电容C0一端连接二极管D0阴极，二极管D0阳极连接功率开关S漏极；
第一个多倍次扩展单元包括二极管D11、D12，电容C11，电感L11；
电感L1另一端分别连接二极管D11阳极、二极管D12阳极；二极管D12阴极分别连接电容C11另一端、电感L11一端；电容C11一端连接功率开关S源极；二极管D11阴极连接功率开关S漏极；
第二个多倍次扩展单元包括二极管D21、D22，电容C21，电感L21；
电感L11另一端分别连接二极管D21阳极、二极管D22阳极；二极管D22阴极分别连接电容C21另一端、电感L21一端；电容C21一端连接功率开关S源极；二极管D21阴极连接功率开关S漏极；
负载R两端分别连接电容C0一端、电容C0另一端。
本发明一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，技术效果如下：
1)、每增加一级多倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统Boost的电压增益系数的分母次数增加一次，使得在占空比不变的情况下，输出电压得到极大提高。具体如下：
当使用n个增益扩展单元时，
电压增益：
Figure BDA0003696427200000041
开关管电压应力为：
Figure BDA0003696427200000042
输出电容上的电压为：
Figure BDA0003696427200000043
其中：为D占空比，uin为输入电压,uS为功率开关电压应力，uC0为输出电容的电压应力。
2)、本发明DC-DC变换器仅使用一个功率开关，控制简单，成本低。
附图说明
图1是本发明电路原理图。
图2是基本Boost变换器电路原理图。
图3是本发明多倍次扩展单元数为2时的电路拓扑图。
图4是本发明多倍次扩展单元数为2时输入输出增益与基本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，多倍次扩展单元数为2时，D＝0.6时的输出波形仿真图。
具体实施方式
如图1所示，一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，该变换器包含一个基本Boost变换器以及n个多倍次扩展单元。其中：
如图2所示，基本Boost变换器包括电感L1、功率开关S、二极管D0、电容C0；其连接形式如下：电感L1一端与直流电源uin的正极相连，二极管D0阳极与功率开关S漏极相连，二极管D0阴极与电容C0的一端相连，电容C0的另一端与功率开关S源极和直流电源uin的负极相连；
第一个多倍次扩展单元包括两个二极管D11、D12、一个电容C11，一个电感L11；其中二极管D11的阳极与D12的阳极相连，二极管D12的阴极分别连接电容C11的一端以及电感L11的一端，电容C11的另一端与直流电源uin的负极相连；
第二个多倍次扩展单元包括两个二极管D21、D22、一个电容C21，一个电感L21；其中二极管D21的阳极与D22的阳极相连，二极管D22的阴极分别连接电容C21的一端以及电感L21的一端，电容C21的另一端与直流电源uin的负极相连；
......以此类推，
第n个多倍次扩展单元中，包括两个二极管Dn1、Dn2、一个电容Cn1，一个电感Ln1；其中二极管Dn1的阳极与Dn2的阳极相连，二极管Dn2的阴极分别连接电容Cn1的一端以及电感Ln1的一端，电容Cn1的另一端与直流电源uin的负极相连；
第一个多倍次扩展单元与基本Boost变换器之间的连接关系如下：
第一个多倍次扩展单元的二极管D11的阳极和二极管D12的阳极交点与基本Boost的电感L1的一端相连，二极管D11的阴极与基本Boost的功率开关S的漏极以及二极管D0的阳极相连，第一个多倍次扩展单元的电容C11的另一端分别与直流电源uin的负极、功率开关S的源极、电容C0的一端以及负载R的一端相连；
各个多倍次扩展单元之间的连接关系如下：
第n-1个多倍次扩展单元中二极管D(n-1)1的阴极与第n个多倍次扩展单元中二极管Dn1的阴极相连，第n-1个多倍次扩展单元中电感L(n-1)1与第n个多倍次扩展单元中二极管Dn1的阳极以及二极管Dn2的阳极的交点相连，第n-1个多倍次扩展单元中电容C(n-1)1与第n个多倍次扩展单元中电容Cn1相连。
负载R的一端与基本Boost二极管D0的阴极和电容C0的一端相连，另一端与分别与电容C0的另一端、功率开关的源极、多倍次扩展单元电容C11、C21……Cn1的另一端以及直流电源uin的负极相连。
功率开关S的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，每增加一级倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统Boost的电压增益系数的分母次数增加一次，使得变换器的输出电压得到极大提高。
多倍次扩展单元数为2时，电感L1、L11、L21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S导通，二极管D12、D22、D0均关断，此时电感L1、L11、L21均充电，电容C11、C21放电。电感L1、L11、L21端电压如下所示：
Figure BDA0003696427200000061
(2)：功率开关S关断，二极管D12、D22、D0均导通，此时电感L1、L11、L21均放电，电容C11、C21充电。电感L1、L11、L21端电压如下所示：
Figure BDA0003696427200000062
实施例：
如图3所示，为本发明多倍次扩展单元数为2时的电路拓扑图：该变换器包括一个基本Boost以及n个增益扩展单元。其中：
基本Boost变换器包括电感L1、功率开关S、二极管D0、电容C0；电感L1一端与直流电源uin的正极相连，另一端与第一个多倍次扩展单元相连；二极管D0阳极与功率开关S漏极相连，另一端分别与电容C0和负载R相连。
第一个多倍次扩展单元包括两个二极管D11、D12、一个电容C11，一个电感L11；其中二极管D11的阳极与D12的阳极相连，二极管D12的阴极分别连接电容C11的一端以及电感L11的一端，电容C11的另一端与直流电源uin的负极相连；
第二个多倍次扩展单元包括两个二极管D21、D22、一个电容C21，一个电感L21；其中二极管D21的阳极与D22的阳极相连，二极管D22的阴极分别连接电容C21的一端以及电感L21的一端，电容C21的另一端与直流电源uin的负极相连；
第一个多倍次扩展单元与基本Boost变换器之间的连接关系如下：
第一个多倍次扩展单元的二极管D11与二极管D12的阳极交点与基本Boost的电感L1的一端相连，二极管D11的阴极与基本Boost的功率开关S的漏极以及二极管D0的阳极相连，第一个多倍次扩展单元的电容C11的另一端分别与直流电源uin的负极、功率开关S的源极、电容C0的一端以及负载R的一端相连。
各个多倍次扩展单元之间的连接关系如下：
第n-1个多倍次扩展单元中二极管D(n-1)1的阴极与第n个多倍次扩展单元中二极管Dn1的阴极相连，第n-1个多倍次扩展单元中电感L(n-1)1与第n个多倍次扩展单元中二极管Dn1的阳极以及二极管Dn2的阳极的交点相连，第n-1个多倍次扩展单元中电容C(n-1)1与第n个多倍次扩展单元中电容Cn1相连。
负载R的一端与基本Boost变换器的二极管D0的阴极及电容C0的交点相连，另一端与分别与电容C0的另一端、功率开关的源极、扩展单元电容C11、C21……Cn1的另一端以及直流电源uin的负极相连。
功率开关S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L1、L11、L21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S导通，二极管D12、D22、D0均关断，此时电感L1、L11、L21均充电，电容C11、C21放电。电感L1、L11、L21端电压如下所示：
Figure BDA0003696427200000071
(2)功率开关S关断，二极管D12、D22、D0均导通，此时电感L1、L11、L21均放电，电容C11、C21充电。电感L1、L11、L21端电压如下所示：
Figure BDA0003696427200000072
根据接在功率开关S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 BDA0003696427200000081
图4是本发明多倍次扩展单元数为2时输入输出增益与Boost变换器的输入输出增益对比图。可以发现所提变换器的电压增益仿真结果与理论计算结果一致，并且所提变换器的电压增益远高于传统Boost变换器的电压增益。
图5是本发明输入电压30V，增益扩展单元数为2时，D＝0.6时的输出波形仿真图。可以发现输出电压为156V，与理论计算结果一致且输出电压纹波极小，可以满足绝大多数需要高增益DC-DC变换器的应用场合。

Claims (4)

1.一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，其特征在于，该变换器包括：
一个Boost变换器，n个多倍次扩展单元；
所述Boost变换器包括电感L1、功率开关S、二极管D0、电容C0；
直流电源uin的正极连接电感L1一端，直流电源uin负极分别连接功率开关S源极、电容C0另一端；电容C0一端连接二极管D0阴极，二极管D0阳极连接功率开关S漏极；
第一个多倍次扩展单元包括二极管D11、D12，电容C11，电感L11；
电感L1另一端分别连接二极管D11阳极、二极管D12阳极；二极管D12阴极分别连接电容C11另一端、电感L11一端；电容C11一端连接功率开关S源极；二极管D11阴极连接功率开关S漏极；
第二个多倍次扩展单元包括二极管D21、D22，电容C21，电感L21；
电感L11另一端分别连接二极管D21阳极、二极管D22阳极；二极管D22阴极分别连接电容C21另一端、电感L21一端；电容C21一端连接功率开关S源极；二极管D21阴极连接功率开关S漏极；
......以此类推，n＞2，
第n-1个多倍次扩展单元包括二极管D(n-1)1、D(n-1)2，电容C(n-1)1，电感L(n-1)1；
电感L(n-2)1另一端分别连接二极管D(n-1)1阳极、二极管D(n-1)2阳极；二极管D(n-1)2阴极分别连接电容C(n-1)1另一端、电感L(n-1)1一端；电容C(n-1)1一端连接功率开关S源极；二极管D(n-1)1阴极连接功率开关S漏极；
第n个多倍次扩展单元包括二极管Dn1、Dn2，电容Cn1，电感Ln1；
电感L(n-1)1另一端分别二极管Dn1阳极、二极管Dn2阳极；二极管Dn2阴极分别连接电容Cn1另一端、电感Ln1一端；电容Cn1一端连接功率开关S源极；二极管Dn1阴极连接功率开关S漏极；
负载R两端分别连接电容C0一端、电容C0另一端。
2.根据权利要求1所述一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，其特征在于，功率开关S的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，每增加一级倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统Boost的电压增益系数的分母次数增加一次。
3.根据权利要求1所述一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，其特征在于，多倍次扩展单元数为2时，电感L1、L11、L21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S导通，二极管D12、D22、D0均关断，此时电感L1、L11、L21均充电，电容C11、C21放电；电感L1、L11、L21端电压如下所示：
Figure FDA0003696427190000021
(2)功率开关S关断，二极管D12、D22、D0均导通，此时电感L1、L11、L21均放电，电容C11、C21充电；电感L1、L11、L21端电压如下所示：
Figure FDA0003696427190000022
4.一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器，其特征在于，该变换器包括：
一个Boost变换器，2个多倍次扩展单元；
所述Boost变换器包括电感L1、功率开关S、二极管D0、电容C0；
直流电源uin的正极连接电感L1一端，直流电源uin负极分别连接功率开关S源极、电容C0另一端；电容C0一端连接二极管D0阴极，二极管D0阳极连接功率开关S漏极；
第一个多倍次扩展单元包括二极管D11、D12，电容C11，电感L11；
电感L1另一端分别连接二极管D11阳极、二极管D12阳极；二极管D12阴极分别连接电容C11另一端、电感L11一端；电容C11一端连接功率开关S源极；二极管D11阴极连接功率开关S漏极；
第二个多倍次扩展单元包括二极管D21、D22，电容C21，电感L21；
电感L11另一端分别连接二极管D21阳极、二极管D22阳极；二极管D22阴极分别连接电容C21另一端、电感L21一端；电容C21一端连接功率开关S源极；二极管D21阴极连接功率开关S漏极；
负载R两端分别连接电容C0一端、电容C0另一端。
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