CN115498874A - 一种基于耦合电感的叠加型变换器及其控制方法 - Google Patents

一种基于耦合电感的叠加型变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及变换器技术领域，具体涉及一种基于耦合电感的叠加型变换器及其控制方法，叠加型变换器包括输入模块和耦合电感模块，第一二极管的正极与第二电容的第二端连接，第一二极管的负极与第一电容的第一端连接；第一初级绕组的第一端、第二初级绕组的第一端与电源的正极连接，第一初级绕组的第二端与第一二极管的正极连接；第一次级绕组、第二次级绕组与输出模块连接；第三电感的第一端与第一二极管的负极连接，第三电感的第二端与第一开关管的第一端连接；第二开关管的第一端与第二初级绕组的第二端连接；第一开关管的第二端、第二开关管的第二端与电源的负极连接。该变换器能有效降低开关管的电流应力和电压应力。

Description

一种基于耦合电感的叠加型变换器及其控制方法
技术领域
本发明属于变换器技术领域，具体涉及一种基于耦合电感的叠加型变换器及其控制方法。
背景技术
传统的升压变换器的升压倍数不足，而且在极限占空比下难以获得较高的电压增益，随着工业应用对变换器的要求越来越高，现发展出不同升压结构和方法解决以上问题；如级联型升压变换器将两个升压电路前后级联，前级变换器的输出作为后级变换器的输入，输出电压增益为两级变换器的乘积，非极限占空比下可获得高增益电压输出；但级联型变换器的前级元器件电流应力大，后级开关管电压应力高，对两级变换器开关管的驱动控制难度高、成本高、损耗大；因此，需提供一种使开关管的电流应力和电压应力小的变换器。
发明内容
本发明针对现有的升压变换器电流应力大、电压应力高的问题，提供一种基于耦合电感的叠加型变换器及其控制方法。
本发明的第一方面，提供一种基于耦合电感的叠加型变换器，包括电源、输入模块、耦合电感模块和输出模块；
耦合电感模块包括第一耦合电感和第二耦合电感，第一耦合电感包括第一初级绕组和第一次级绕组，第二耦合电感包括第二初级绕组和第二次级绕组；第一初级绕组的第一端与电源的正极连接；第二初级绕组的第一端与电源的正极连接；第一次级绕组和第二次级绕组分别与输出模块连接；
输入模块包括第一电容、第二电容、第一二极管、第一开关管、第二开关管和第三电感；第一二极管的正极与第一初级绕组的第二端、第二电容的第二端连接，第一二极管的负极与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端与电源的负极连接；第三电感的第一端与第一二极管的负极连接，第三电感的第二端与第一开关管的第一端、第二电容的第一端连接；第二开关管的第一端与第二初级绕组的第二端连接；第一开关管的第二端、第二开关管的第二端分别与电源的负极连接。
可选的，还包括钳位模块，所述钳位模块包括第三电容、第四电容、第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管；
所述第三电容的第二端与第二初级绕组的第二端连接，第三电容的第一端与第二二极管的负极、第四二极管的正极连接，第二二极管的正极与第一开关管的第一端连接，第二二极管的正极、第四二极管的负极与输出模块连接；
所述第四电容的第一端与第二开关管的第一端连接，第四电容的第二端与第三二极管的正极、第五二极管的负极连接，第三二极管的负极与第二开关管的第二端连接，第五二极管的正极与输出模块连接。
可选的，所述输出模块包括第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第六二极管、第七二极管和输出负载；
所述第五电容的第一端与第八电容的第二端连接，第八电容的第一端与输出负载的第一端连接；第五电容的第二端与第六电容的第一端连接，第六电容的第二端与输出负载的第二端连接；
第六二极管的正极与第五电容的第一端连接，第六二极管的负极与第七二极管的正极连接，第七二极管的负极与第八电容的第一端连接；
第一次级绕组、第二次级绕组和第七电容串联后，并接于第六二极管的两端；
第四二极管的负极与第五电容的第一端连接，第二二极管的正极与第六电容的第一端连接，第五二极管的正极与第六电容的第二端连接。
可选的，第一次级绕组的第一端与第六二极管的正极连接，第一次级绕组的第二端与第二次级绕组的第一端连接，第一次级绕组的第二端与第七电容的第二端连接，第七电容的第一端与第六二极管的负极连接。
可选的，第一初级绕组的第一端和第一次级绕组的第一端互为同名端；第二初级绕组的第一端和第二次级绕组的第一端互为同名端。
可选的，第一耦合电感包括第一漏感和第一励磁电感；第二耦合电感包括第二漏感和第二励磁电感；
第一耦合电感的匝数比与第二耦合电感的匝数比相等，第一耦合电感的耦合系数与第二耦合电感的耦合系数相等；第一漏感与第二漏感相等，第一励磁电感和第二励磁电感相等。
可选的，所述第一开关管为场效应管，第一开关管的第一端为场效应管的漏极，第一开关管的第二端为场效应管的源极，第一开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第二开关管为场效应管，第二开关管的第一端为场效应管的漏极，第二开关管的第二端为场效应管的源极，第二开关管的第三端为场效应管的栅极。
本发明的第二方面，根据第一方面的基于耦合电感的叠加型变换器提供一种控制方法，包括如下步骤：
生成第一控制信号、第二控制信号，第一控制信号的频率与第二控制信号的频率相同，第一控制信号与第二控制信号的相位差为180°，且第一控制信号的占空比、第二控制信号的占空比分别大于0.5；
将第一控制信号传输至第一开关管的第三端，并控制第一开关管的通断；第二控制信号传输至第二开关管的第三端，并控制第二开关管通断。
可选的，第一控制信号的周期和第二控制信号的周期满足使基于耦合电感的叠加型变换器工作于如下六种工作模态：
第一模态：第一开关管在第一漏感的作用下零电流导通，第二开关管导通；第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管反向截止，第七二极管正向导通；电源给第一励磁电感、第二励磁电感充电，第二励磁电感的能量通过第二次级绕组和第七二极管传输至第八电容；
第二工作模态：第一开关管导通、第二开关管导通，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管反向截止，电源给第一励磁电感、第二励磁电感、第一漏感和第二漏感充电；
第三工作模态：第一开关管导通、第二开关管关断，第三二极管、第四二极管和第六二极管正向导通，第二漏感对第四电容充电，并把第二开关管的电压应力钳位在第四电容的电压上；第二励磁电感的部分能量和第三电容的部分能量通过第四二极管对第五电容充电，第二励磁电感的剩余能量和第三电容的剩余能量通过第二次级绕组对第六二极管和第七电容充电；
第四工作模态：第一开关管导通，第二开关管在第二漏感的作用下零电流导通；第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管反向截止；电源给第一励磁电感、第二励磁电感充电；
第五工作模态：第一开关管关断、第二开关管导通，第一二极管导通，第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管反向截止；电源对第一励磁电感、第二励磁电感、第一漏感和第二漏感充电；
第六工作模态：第一开关管关断、第二开关管导通，第一二极管、第二二极管、第五二极管和第七二极管正向导通，第三二极管、第四二极管和第六二极管反向截止；第一漏感的能量传输至第一电容，并把第一开关管的电压应力钳位在第三电容的电压上；第一励磁电感的部分能量和第二电容的部分能量通过第一二极管传输至第六电容，第一励磁电感的剩余能量、第二电容的剩余能量和第七电容的能量传输至第八电容。
有益效果：采用交错并联的结构将boost变换器和准Z源模块的端口进行输入并联，且第一开关管、第二开关管交错并联，能有效降低开关管的电流应力和电压应力小，还可以降低电容的耐压值选型需求，可替换成高性能器件，提高***的功率密度和效率；将boost变换器和准Z源模块的端口进行输出串联，即输出端进行叠加，使交叠稳定，可大幅降低输入电流波纹，同时提高变换器的功率等级。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器的整体结构示意图。
图2示出了本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器的第一模态的电流流通路径示意图。
图3示出了本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器的第二模态的电流流通路径示意图。
图4示出了本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器的第三模态的电流流通路径示意图。
图5示出了本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器的第四模态的电流流通路径示意图。
图6示出了本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器的第五模态的电流流通路径示意图。
图7示出了本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器的第六模态的电流流通路径示意图。
图8示出了本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器的二极管与开关管工作的理论波形图。
附图标记：
D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；D5、第五二极管；D6、第六二极管；D7、第七二极管；
C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；C5、第五电容；C6、第六电容；C7、第七电容；C8、第八电容；
S1、第一开关管；S2、第二开关管；
Np1、第一初级绕组；Np2、第二初级绕组；Ns1、第一次级绕组；Ns2、第二次级绕组；Lm1、第一励磁电感；Lm2、第二励磁电感；Lk1、第一漏感；Lk2、第二漏感；
L3、第三电感；
Vin、电源；R、输出负载。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例1
本实施例提供一种基于耦合电感的叠加型变换器，包括电源Vin、输入模块、耦合电感模块、钳位模块和输出模块；
耦合电感模块包括第一耦合电感和第二耦合电感，第一耦合电感包括第一初级绕组Np1和第一次级绕组Ns1，第二耦合电感包括第二初级绕组Np2和第二次级绕组Ns2；第一初级绕组Np1的第一端与电源Vin的正极连接；第二初级绕组Np2的第一端与电源Vin的正极连接；第一次级绕组Ns1和第二次级绕组Ns2分别与输出模块连接；
输入模块包括第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第一开关管S1、第二开关管S2和第三电感L3；第一二极管D1的正极与第一初级绕组Np1的第二端、第二电容C2的第二端连接，第一二极管D1的负极与第一电容C1的第一端连接，第一电容C1的第二端与电源Vin的负极连接；第三电感L3的第一端与第一二极管D1的负极连接，第三电感L3的第二端与第一开关管S1的第一端、第二电容C2的第一端连接；第二开关管S2的第一端与第二初级绕组Np2的第二端连接；第一开关管S1的第二端、第二开关管S2的第二端分别与电源Vin的负极连接。
钳位模块包括第三电容C3、第四电容C4、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5；
所述第三电容C3的第二端与第二初级绕组Np2的第二端连接，第三电容C3的第一端与第二二极管D2的负极、第四二极管D4的正极连接，第二二极管D2的正极与第一开关管S1的第一端连接，第二二极管D2的正极、第四二极管D4的负极与输出模块连接；
所述第四电容C4的第一端与第二开关管S2的第一端连接，第四电容C4的第二端与第三二极管D3的正极、第五二极管D5的负极连接，第三二极管D3的负极与第二开关管S2的第二端连接，第五二极管D5的正极与输出模块连接。
所述输出模块包括第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第六二极管D6、第七二极管D7和输出负载R；
所述第五电容C5的第一端与第八电容C8的第二端连接，第八电容C8的第一端与输出负载R的第一端连接；第五电容C5的第二端与第六电容C6的第一端连接，第六电容C6的第二端与输出负载R的第二端连接；
第六二极管D6的正极与第五电容C5的第一端连接，第六二极管D6的负极与第七二极管D7的正极连接，第七二极管D7的负极与第八电容C8的第一端连接；
第一次级绕组Ns1、第二次级绕组Ns2和第七电容C7串联后，并接于第六二极管D6的两端；
第四二极管D4的负极与第五电容C5的第一端连接，第二二极管D2的正极与第六电容C6的第一端连接，第五二极管D5的正极与第六电容C6的第二端连接。
第一次级绕组Ns1的第一端与第六二极管D6的正极连接，第一次级绕组Ns1的第二端与第二次级绕组Ns2的第一端连接，第一次级绕组Ns1的第二端与第七电容C7的第二端连接，第七电容C7的第一端与第六二极管D6的负极连接。
第一初级绕组Np1的第一端和第一次级绕组Ns1的第一端互为同名端；第二初级绕组Np2的第一端和第二次级绕组Ns2的第一端互为同名端。
第一耦合电感包括第一漏感Lk1和第一励磁电感Lm1；第二耦合电感包括第二漏感Lk2和第二励磁电感Lm2；
第一耦合电感的匝数比与第二耦合电感的匝数比相等，第一耦合电感的耦合系数与第二耦合电感的耦合系数相等；第一漏感Lk1与第二漏感Lk2相等，第一励磁电感Lm1和第二励磁电感Lm2相等。
所述第一开关管S1为场效应管，第一开关管S1的第一端为场效应管的漏极，第一开关管S1的第二端为场效应管的源极，第一开关管S1的第三端为场效应管的栅极；
所述第二开关管S2为场效应管，第二开关管S2的第一端为场效应管的漏极，第二开关管S2的第二端为场效应管的源极，第二开关管S2的第三端为场效应管的栅极。
本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变换器工作于如下六种工作模态：
第一模态：第一开关管S1在第一漏感Lk1的作用下零电流导通，第二开关管S2导通；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6反向截止，第七二极管D7正向导通；电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2充电，第二励磁电感Lm2的能量通过第二次级绕组Ns2和第七二极管D7传输至第八电容C8；
第二工作模态：第一开关管S1导通、第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7反向截止，电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2、第一漏感Lk1和第二漏感Lk2充电；
第三工作模态：第一开关管S1导通、第二开关管S2关断，第三二极管D3、第四二极管D4和第六二极管D6正向导通，第二漏感Lk2对第四电容C4充电，并把第二开关管S2的电压应力钳位在第四电容C4的电压上；第二励磁电感Lm2的部分能量和第三电容C3的部分能量通过第四二极管D4对第五电容C5充电，第二励磁电感Lm2的剩余能量和第三电容C3的剩余能量通过第二次级绕组Ns2对第六二极管D6和第七电容C7充电；
第四工作模态：第一开关管S1导通，第二开关管S2在第二漏感Lk2的作用下零电流导通；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7反向截止；电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2充电；
第五工作模态：第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第一二极管D1导通，第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7反向截止；电源Vin对第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2、第一漏感Lk1和第二漏感Lk2充电；
第六工作模态：第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5和第七二极管D7正向导通，第三二极管D3、第四二极管D4和第六二极管D6反向截止；第一漏感Lk1的能量传输至第一电容C1，并把第一开关管S1的电压应力钳位在第三电容C3的电压上；第一励磁电感Lm1的部分能量和第二电容C2的部分能量通过第一二极管D1传输至第六电容C6，第一励磁电感Lm1的剩余能量、第二电容C2的剩余能量和第七电容C7的能量传输至第八电容C8。
实施例2
如图1所示，本发明公开实施例所提供的一种基于耦合电感的叠加型变化器，其包括电源Vin、输入模块、耦合电感模块、输出模块和钳位模块。
输入模块包括第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第一开关管S1、第二开关管S2和第三电感L3；第一二极管D1的正极与第二电容C2的第二端连接，第一二极管D1的负极与第一电容C1的第一端连接，第一电容C1的第二端与电源Vin的负极连接；第三电感L3的第一端与第一二极管D1的负极连接，第三电感L3的第二端与第一开关管S1的第一端连接；第二开关管S2的第一端与第二初级绕组Np2的第二端连接；第一开关管S1的第二端、第二开关管S2的第二端分别与电源Vin的负极连接。耦合电感模块包括第一耦合电感和第二耦合电感，第一耦合电感包括第一初级绕组Np1和第一次级绕组Ns1，第二耦合电感包括第二初级绕组Np2和第二次级绕组Ns2；第一初级绕组Np1的第一端与电源Vin的正极连接，第一初级绕组Np1的第二端与第一二极管D1的正极连接；第二初级绕组Np2的第一端与电源Vin的正极连接；第一次级绕组Ns1和第二次级绕组Ns2分别与输出模块连接。
第一初级绕组Np1的第一端和第一次级绕组Ns1的第一端互为同名端；第二初级绕组Np2的第一端和第二次级绕组Ns2的第一端互为同名端。
第一耦合电感包括第一漏感Lk1和第一励磁电感Lm1；第二耦合电感包括第二漏感Lk2和第二励磁电感Lm2；第一初级绕组Np1的第一端通过第一漏感Lk1与电源Vin的正极连接，第一励磁电感Lm1并接于第一初级绕组Np1的两端；第二初级绕组Np2的第一端通过第二漏感Lk2与电源Vin的正极连接，第二励磁电感Lm2并接于第二初级绕组Np2的两端；第一耦合电感的匝数比与第二耦合电感的匝数比相等，第一耦合电感的耦合系数与第二耦合电感的耦合系数相等；第一漏感Lk1与第二漏感Lk2相等，第一励磁电感Lm1和第二励磁电感Lm2相等。
所述钳位模块包括第三电容C3、第四电容C4、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5；所述第三电容C3的第二端与第二初级绕组Np2的第二端连接，第三电容C3的第一端与第二二极管D2的负极、第四二极管D4的正极连接，第二二极管D2的正极与第一开关管S1的第一端连接，第二二极管D2的正极、第四二极管D4的负极与输出模块连接；所述第四电容C4的第一端与第二开关管S2的第一端连接，第四电容C4的第二端与第三二极管D3的正极、第五二极管D5的负极连接，第三二极管D3的负极与第二开关管S2的第二端连接，第五二极管D5的正极与输出模块连接。
所述输出模块包括第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第六二极管D6、第七二极管D7和输出负载R。所述第五电容C5的第一端与第八电容C8的第二端连接，第八电容C8的第一端与输出负载R的第一端连接；第五电容C5的第二端与第六电容C6的第一端连接，第六电容C6的第二端与输出负载R的第二端连接；第六二极管D6的正极与第五电容C5的第一端连接，第六二极管D6的负极与第七二极管D7的正极连接，第七二极管D7的负极与第八电容C8的第一端连接。第四二极管D4的负极与第五电容C5的第一端连接，第二二极管D2的正极与第六电容C6的第一端连接，第五二极管D5的正极与第六电容C6的第二端连接。
第一次级绕组Ns1、第二次级绕组Ns2和第七电容C7串联后，并接于第六二极管D6的两端；具体来说，第四二极管D4的负极与第五电容C5的第一端连接，第二二极管D2的正极与第六电容C6的第一端连接，第五二极管D5的正极与第六电容C6的第二端连接。
本实施例中，第一开关管S1为场效应管，第一开关管S1的第一端为场效应管的漏极，第一开关管S1的第二端为场效应管的源极，第一开关管S1的第三端为场效应管的栅极；第二开关管S2为场效应管，第二开关管S2的第一端为场效应管的漏极，第二开关管S2的第二端为场效应管的源极，第二开关管S2的第三端为场效应管的栅极。
本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变换器在一个工作周期内具有六种工作模态，具体如下。
第一模态：第一开关管S1在第一漏感Lk1的作用下零电流导通，第二开关管S2导通；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6反向截止，第七二极管D7正向导通；电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2充电，第二励磁电感Lm2的能量通过第二次级绕组Ns2和第七二极管D7传输至第八电容C8；第一模态的电流流通路径如图2所示。
第二工作模态：第一开关管S1导通、第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7反向截止，电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2、第一漏感Lk1和第二漏感Lk2充电；第二模态的电流流通路径如图3所示。
第三工作模态：第一开关管S1导通、第二开关管S2关断，第三二极管D3、第四二极管D4和第六二极管D6正向导通，第二漏感Lk2对第四电容C4充电，并把第二开关管S2的电压应力钳位在第四电容C4的电压上；第二励磁电感Lm2的部分能量和第三电容C3的部分能量通过第四二极管D4对第五电容C5充电，第二励磁电感Lm2的剩余能量和第三电容C3的剩余能量通过第二次级绕组Ns2对第六二极管D6和第七电容C7充电；第三模态的电流流通路径如图4所示。
第四工作模态：第一开关管S1导通，第二开关管S2在第二漏感Lk2的作用下零电流导通；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7关断；电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2充电；第四模态的电流流通路径如图5所示。
第五工作模态：第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第一二极管D1导通，第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7反向截止；电源Vin对第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2、第一漏感Lk1和第二漏感Lk2充电；第五模态的电流流通路径如图6所示。
第六工作模态：第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5和第七二极管D7正向导通，第三二极管D3、第四二极管D4和第六二极管D6反向截止；第一漏感Lk1的能量传输至第一电容C1，并把第一开关管S1的电压应力钳位在第三电容C3的电压上；第一励磁电感Lm1的部分能量和第二电容C2的部分能量通过第一二极管D1传输至第六电容C6，第一励磁电感Lm1的剩余能量、第二电容C2的剩余能量和第七电容C7的能量通过第一次级绕组Ns1、第二次级绕组Ns2和第七二极管D7传输至第八电容C8，给第八电容C8充电；第六模态的电流流通路径如图7所示。
本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变换器，其一个工作周期内，二极管D2、D3、D4、D5、D6、D7和开关管S1、S2的理论波形如图8所示，图中，V gs1 为第一开关管S1的栅源电压，V gs2 为第二开关管S2的栅源电压，i Lm1 为第一励磁电感Lm1的电流，i Lm2 为第二励磁电感Lm2的电流，i in 为电源Vin的输入电流；i Lk1 为第一漏感Lk1的电流，i Lk2 为第二漏感Lk2的电流，i ds1 为第一开关管S1的漏源电流，i ds2 为第二开关管S2的漏源电流，i D2 为第二二极管D2的电流，i D3 为第三二极管D3的电流，i D4 为第四二极管D4的电流，i D5 为第五二极管D5的电流，i D6 为第六二极管D6的电流，i D7 为第七二极管D7的电流，Ts为第一开关管S1的工作周期，d为第一开关管S1的占空比。图中，在一个工作周期内，t 0 至t 1 时间段对应第一模态，t 1 至t 2 时间段对应第二模态，t 2 至t 3 时间段对应第三模态，t 3 至t 4 时间段对应第四模态，t 4 至t 5 时间段对应第五模态，t 5 至t 0 ´时间段对应第六模态，t 0 ´至t 2 ´属于下一工作周期。
本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变换器具有高电压增益，增益计算方法如下。
由于第一漏感Lk1、第二漏感Lk2对稳态性能影响很小，为简化分析，忽略第一漏感Lk1、第二漏感Lk2的影响。电源Vin分别对第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2充电，所以第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2的电压如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，V Lm1 为第一励磁电感Lm1的电压，V in 为电源Vin的电压，V C1 为第一电容C1两端的电压；V Lm2 为第一励磁电感Lm1的电压。
根据“伏秒平衡”定律，箝位电容的电压可以表示为如下：
Figure 751644DEST_PATH_IMAGE002
箝位电容包括第三电容C3和第四电容C4，式中，V C3 为第三电容C3两端的电压，V C4 为第四电容C4两端的电压，d为第一开关管S1的占空比，V in 为电源Vin的电压。
根据第三模态的回路列写KVL方程，第五电容C5和第七电容C7两端的电压关系式如下：
Figure 199943DEST_PATH_IMAGE004
式中，V C5 为第五电容C5两端的电压，V C6 为第六电容C6两端的电压，V in 为电源Vin的电压，V Lm1 为第一励磁电感Lm1的电压，V C3 为第三电容C3两端的电压，d为第一开关管S1的占空比，V C7 为第七电容C7两端的电压，V Lm2 为第二励磁电感Lm2的电压，n为第一耦合电感的匝数比。
同理，根据第五模态的电流回路列写KVL方程，第八电容C8两端电压关系式如下：
Figure 510839DEST_PATH_IMAGE006
式中，V C8 为第八电容C8两端的电压，n为第一耦合电感的匝数比，V Lm1 为第一励磁电感Lm1的电压，V Lm2 为第二励磁电感Lm2的电压，V C7 为第七电容C7两端的电压，d为第一开关管S1的占空比，V in 为电源Vin的电压。
根据电路的输出回路可知，电路的输出电压由输出电容提供，输出电容包括第五电容C5、第六电容C6和第八电容C8。因此，转换器的输出电压表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
式中，V o 为输出电压，输出电压即输出负载R两端的电压，V C5 为第五电容C5两端的电压，V C6 为第六电容C6两端的电压，V C8 为第八电容C8两端的电压，n为第一耦合电感的匝数比，d为第一开关管S1的占空比，V in 为电源Vin的电压。
因此，本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变换器的电压增益表示为：
Figure 217633DEST_PATH_IMAGE008
式中，G为电压增益，n为第一耦合电感的匝数比，d为第一开关管S1的占空比。
本实施例提供的一种基于耦合电感的叠加型变换器，将boost变换器和准Z源模块的端口进行输入并联、输出串联，并设有钳位模块，使得叠加型变换器仍具备钳位与升压功能，且输入并联和输出串联的结构特点可以减小磁性元件和电容的体积，降低电容的耐压值选型需求，可替换成高性能器件，提高***的功率密度和效率。输入端的boost变换器和准Z源模块的端口进行输入并联，第一开关管S1、第二开关管S2交错并联，第一开关管S1和第二开关管S2电流应力和电压应力小，同时可提高变换器的功率等级，且二极管D2、D3、D4、D5、D6、D7的工作交错，能有效降低二极管D2、D3、D4、D5、D6、D7的电压应力；输出端boost变换器和准Z源模块的端口进行输出串联，即进行输出端的叠加，交叠稳定，降低输出端的电流波纹和输出电压波纹。
输出侧通过第一次级绕组Ns1、第二次级绕组Ns2与第七电容C7串联，构成倍压单元，可提高输出增益，使叠加型变换器可以在合适的占空比下获得理想的增益。
钳位模块可以吸收第一漏感Lk1、第二漏感Lk2的能量，同时降低第一开关管S1、第二开关管S2的电压应力，将第一开关管S1、第二开关管S2的电压钳位在较低的电容电压上。
实施例3
本实施例提供一种基于耦合电感的叠加型变换器的控制方法，包括如下步骤：
生成第一控制信号、第二控制信号，第一控制信号的频率与第二控制信号的频率相同，第一控制信号与第二控制信号的相位差为180°，且第一控制信号的占空比、第二控制信号的占空比分别大于0.5；
将第一控制信号传输至第一开关管S1的第三端，并控制第一开关管S1的通断；第二控制信号传输至第二开关管S2的第三端，并控制第二开关管S2通断。
第一控制信号的周期和第二控制信号的周期满足使基于耦合电感的叠加型变换器工作于如下六种工作模态：
第一模态：第一开关管S1在第一漏感Lk1的作用下零电流导通，第二开关管S2导通；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6反向截止，第七二极管D7正向导通；电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2充电，第二励磁电感Lm2的能量通过第二次级绕组Ns2和第七二极管D7传输至第八电容C8；第一模态的电流流通路径如图2所示。
第二工作模态：第一开关管S1导通、第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7反向截止，电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2、第一漏感Lk1和第二漏感Lk2充电；第二模态的电流流通路径如图3所示。
第三工作模态：第一开关管S1导通、第二开关管S2关断，第三二极管D3、第四二极管D4和第六二极管D6正向导通，第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5和第七二极管D7关断，第二漏感Lk2对第四电容C4充电，并把第二开关管S2的电压应力钳位在第四电容C4的电压上；第二励磁电感Lm2的部分能量和第三电容C3的部分能量通过第四二极管D4对第五电容C5充电，第二励磁电感Lm2的剩余能量和第三电容C3的剩余能量通过第二次级绕组Ns2对第六二极管D6和第七电容C7充电；第三模态的电流流通路径如图4所示。
第四工作模态：第一开关管S1导通，第二开关管S2在第二漏感Lk2的作用下零电流导通；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7反向截止；电源Vin给第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2充电；第四模态的电流流通路径如图5所示。
第五工作模态：第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第一二极管D1导通，第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7反向截止；电源Vin对第一励磁电感Lm1、第二励磁电感Lm2、第一漏感Lk1和第二漏感Lk2充电；第五模态的电流流通路径如图6所示。
第六工作模态：第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5和第七二极管D7正向导通，第三二极管D3、第四二极管D4和第六二极管D6反向截止；第一漏感Lk1的能量传输至第一电容C1，并把第一开关管S1的电压应力钳位在第三电容C3的电压上；第一励磁电感Lm1的部分能量和第二电容C2的部分能量通过第一二极管D1传输至第六电容C6，第一励磁电感Lm1的剩余能量、第二电容C2的剩余能量和第七电容C7的能量传输至第八电容C8。第六模态的电流流通路径如图7所示。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于耦合电感的叠加型变换器，其特征在于，包括电源（Vin）、输入模块、耦合电感模块和输出模块；
耦合电感模块包括第一耦合电感和第二耦合电感，第一耦合电感包括第一初级绕组（Np1）和第一次级绕组（Ns1），第二耦合电感包括第二初级绕组（Np2）和第二次级绕组（Ns2）；第一初级绕组（Np1）的第一端与电源（Vin）的正极连接；第二初级绕组（Np2）的第一端与电源（Vin）的正极连接；第一次级绕组（Ns1）和第二次级绕组（Ns2）分别与输出模块连接；
输入模块包括第一电容（C1）、第二电容（C2）、第一二极管（D1）、第一开关管（S1）、第二开关管（S2）和第三电感（L3）；第一二极管（D1）的正极与第一初级绕组（Np1）的第二端、第二电容（C2）的第二端连接，第一二极管（D1）的负极与第一电容（C1）的第一端连接，第一电容（C1）的第二端与电源（Vin）的负极连接；第三电感（L3）的第一端与第一二极管（D1）的负极连接，第三电感（L3）的第二端与第一开关管（S1）的第一端、第二电容（C2）的第一端连接；第二开关管（S2）的第一端与第二初级绕组（Np2）的第二端连接；第一开关管（S1）的第二端、第二开关管（S2）的第二端分别与电源（Vin）的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感的叠加型变换器，其特征在于，还包括钳位模块，所述钳位模块包括第三电容（C3）、第四电容（C4）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）和第五二极管（D5）；
所述第三电容（C3）的第二端与第二初级绕组（Np2）的第二端连接，第三电容（C3）的第一端与第二二极管（D2）的负极、第四二极管（D4）的正极连接，第二二极管（D2）的正极与第一开关管（S1）的第一端连接，第二二极管（D2）的正极、第四二极管（D4）的负极与输出模块连接；
所述第四电容（C4）的第一端与第二开关管（S2）的第一端连接，第四电容（C4）的第二端与第三二极管（D3）的正极、第五二极管（D5）的负极连接，第三二极管（D3）的负极与第二开关管（S2）的第二端连接，第五二极管（D5）的正极与输出模块连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于耦合电感的叠加型变换器，其特征在于，所述输出模块包括第五电容（C5）、第六电容（C6）、第七电容（C7）、第八电容（C8）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）和输出负载（R）；
所述第五电容（C5）的第一端与第八电容（C8）的第二端连接，第八电容（C8）的第一端与输出负载（R）的第一端连接；第五电容（C5）的第二端与第六电容（C6）的第一端连接，第六电容（C6）的第二端与输出负载（R）的第二端连接；
第六二极管（D6）的正极与第五电容（C5）的第一端连接，第六二极管（D6）的负极与第七二极管（D7）的正极连接，第七二极管（D7）的负极与第八电容（C8）的第一端连接；
第一次级绕组（Ns1）、第二次级绕组（Ns2）和第七电容（C7）串联后，并接于第六二极管（D6）的两端；
第四二极管（D4）的负极与第五电容（C5）的第一端连接，第二二极管（D2）的正极与第六电容（C6）的第一端连接，第五二极管（D5）的正极与第六电容（C6）的第二端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于耦合电感的叠加型变换器，其特征在于，第一次级绕组（Ns1）的第一端与第六二极管（D6）的正极连接，第一次级绕组（Ns1）的第二端与第二次级绕组（Ns2）的第一端连接，第一次级绕组（Ns1）的第二端与第七电容（C7）的第二端连接，第七电容（C7）的第一端与第六二极管（D6）的负极连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于耦合电感的叠加型变换器，其特征在于，第一初级绕组（Np1）的第一端和第一次级绕组（Ns1）的第一端互为同名端；第二初级绕组（Np2）的第一端和第二次级绕组（Ns2）的第一端互为同名端。
6.根据权利要求4所述的一种基于耦合电感的叠加型变换器，其特征在于，第一耦合电感包括第一漏感（Lk1）和第一励磁电感（Lm1）；第二耦合电感包括第二漏感（Lk2）和第二励磁电感（Lm2）；
第一耦合电感的匝数比与第二耦合电感的匝数比相等，第一耦合电感的耦合系数与第二耦合电感的耦合系数相等；第一漏感（Lk1）与第二漏感（Lk2）相等，第一励磁电感（Lm1）和第二励磁电感（Lm2）相等。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于耦合电感的叠加型变换器，其特征在于，所述第一开关管（S1）为场效应管，第一开关管（S1）的第一端为场效应管的漏极，第一开关管（S1）的第二端为场效应管的源极，第一开关管（S1）的第三端为场效应管的栅极；
所述第二开关管（S2）为场效应管，第二开关管（S2）的第一端为场效应管的漏极，第二开关管（S2）的第二端为场效应管的源极，第二开关管（S2）的第三端为场效应管的栅极。
8.一种根据权利要求6所述的基于耦合电感的叠加型变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
生成第一控制信号、第二控制信号，第一控制信号的频率与第二控制信号的频率相同，第一控制信号与第二控制信号的相位差为180°，且第一控制信号的占空比、第二控制信号的占空比分别大于0.5；
将第一控制信号传输至第一开关管（S1）的第三端，并控制第一开关管（S1）的通断；第二控制信号传输至第二开关管（S2）的第三端，并控制第二开关管（S2）通断。
9.一种根据权利要求8所述的基于耦合电感的叠加型变换器的控制方法，其特征在于，第一控制信号的周期和第二控制信号的周期满足使基于耦合电感的叠加型变换器工作于如下六种工作模态：
第一模态：第一开关管（S1）在第一漏感（Lk1）的作用下零电流导通，第二开关管（S2）导通；第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第五二极管（D5）和第六二极管（D6）反向截止，第七二极管（D7）正向导通；电源（Vin）给第一励磁电感（Lm1）、第二励磁电感（Lm2）充电，第二励磁电感（Lm2）的能量通过第二次级绕组（Ns2）和第七二极管（D7）传输至第八电容（C8）；
第二工作模态：第一开关管（S1）导通、第二开关管（S2）导通，第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）和第七二极管（D7）反向截止，电源（Vin）给第一励磁电感（Lm1）、第二励磁电感（Lm2）、第一漏感（Lk1）和第二漏感（Lk2）充电；
第三工作模态：第一开关管（S1）导通、第二开关管（S2）关断，第三二极管（D3）、第四二极管（D4）和第六二极管（D6）正向导通，第二漏感（Lk2）对第四电容（C4）充电，并把第二开关管（S2）的电压应力钳位在第四电容（C4）的电压上；第二励磁电感（Lm2）的部分能量和第三电容（C3）的部分能量通过第四二极管（D4）对第五电容（C5）充电，第二励磁电感（Lm2）的剩余能量和第三电容（C3）的剩余能量通过第二次级绕组（Ns2）对第六二极管（D6）和第七电容（C7）充电；
第四工作模态：第一开关管（S1）导通，第二开关管（S2）在第二漏感（Lk2）的作用下零电流导通；第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）和第七二极管（D7）反向截止；电源（Vin）给第一励磁电感（Lm1）、第二励磁电感（Lm2）充电；
第五工作模态：第一开关管（S1）关断、第二开关管（S2）导通，第一二极管（D1）导通，第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第五二极管（D5）、第六二极管（D6）和第七二极管（D7）反向截止；电源（Vin）对第一励磁电感（Lm1）、第二励磁电感（Lm2）、第一漏感（Lk1）和第二漏感（Lk2）充电；
第六工作模态：第一开关管（S1）关断、第二开关管（S2）导通，第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第五二极管（D5）和第七二极管（D7）正向导通，第三二极管（D3）、第四二极管（D4）和第六二极管（D6）反向截止；第一漏感（Lk1）的能量传输至第一电容（C1），并把第一开关管（S1）的电压应力钳位在第三电容（C3）的电压上；第一励磁电感（Lm1）的部分能量和第二电容（C2）的部分能量通过第一二极管（D1）传输至第六电容（C6），第一励磁电感（Lm1）的剩余能量、第二电容（C2）的剩余能量和第七电容（C7）的能量传输至第八电容（C8）。
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