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
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:
(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:
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,
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:
(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:
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:
(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:
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:
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。
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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