CN115940641A

CN115940641A - 一种升压变换器

Info

Publication number: CN115940641A
Application number: CN202310222167.1A
Authority: CN
Inventors: 乐卫平; 林伟群; 唐亚海
Original assignee: Shenzhen CSL Vacuum Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen CSL Vacuum Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2023-03-09
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2043-03-09
Also published as: CN115940641B

Abstract

本发明涉及一种升压变换器，其包括第一升压模块、第二升压模块和输出模块；第二升压模块包括开关网络，所述开关网络包括第一二极管、第二二极管、第二电容、第三电容和第二电感；第一二极管的阴极与第二电感的第一端、第二电容的第二端连接，第二电感的第二端与第三电容的第一端、第二二极管的阳极连接；第一升压模块包括第一开关管，当所述第一开关管导通时，第一二极管与第二二极管截止；当所述第一开关管关断时，第一二极管与第二二极管导通；输出模块与第二升压模块连接，所述一种升压变换器解决了现有的变换器电压增益低的问题。

Description

一种升压变换器

技术领域

本发明涉及变换器技术领域，具体涉及一种升压变换器。

背景技术

由于DC-DC变换器拥有极高的效率和大范围的输入输出使得它有广泛的应用。Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta等传统DC-DC变换器可用于提供升压或降压增益，但它们的电压增益是有限的，需提高占空比来提高电压增益，但会因此导致变换器的效率低。

发明内容

针对现有技术的变换器的电压增益低的缺陷，本发明提出一种升压变换器。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种升压变换器，包括第一升压模块、第二升压模块和输出模块；

第二升压模块包括开关网络，所述开关网络包括第一二极管、第二二极管、第二电容、第三电容和第二电感；

第一二极管的阴极与第二电感的第一端、第二电容的第二端连接，第二电感的第二端与第三电容的第一端、第二二极管的阳极连接；

第一升压模块包括第一开关管，当所述第一开关管导通时，第一二极管与第二二极管截止；当所述第一开关管关断时，第一二极管与第二二极管导通；

输出模块与第二升压模块连接。

优选的，所述第二升压模块还包括第二升压单元，所述第二升压单元的第一端与第一升压模块连接，所述第二升压单元的第二端与第一二极管的阳极连接。

优选的，所述第二升压模块还包括第三升压单元，第三升压单元的第一端与第三电容的第二连接，第三升压单元的第二端与输出模块连接。

优选的，所述第一升压模块还包括第一升压单元，所述第一升压单元的第一端与电源的正极连接，第一升压单元的第二端与第一开关管的第一端连接，第一开关管的第二端与电源的负极连接。

优选的，所述输出模块包括输出电容，输出电容的第一端与第二二极管的阴极连接，输出电容的第二端与第三升压单元的第二端连接；负载并接于输出电容两端。

优选的，所述第一升压单元为第一电感。

优选的，所述第二升压单元为第一电容。

优选的，所述第三升压单元为第三电感。

优选的，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。

优选的，所述升压变换器在一个开关周期内包括第一工作模态和第二工作模态；

第一工作模态：第一开关管导通，第一二极管和第二二极管截止，电源给第一电感充电；第一电容给第二电容、第三电容和第二电感充电；输出电容给负载供电，输出电容给第三电感充电；

第二工作模态：第一开关管截止，第一二极管和第二二极管导通，电源、第一电感和第二电容给第一电容充电；第二电感、第三电感、第二电容、第三电容给负载供电。

有益效果：在相同的占空比下，本实施例提供的变换器的电压增益是传统的变换器的两倍，且第一开关管、第一二极管、第二二极管的的电压应力低，是传统变换器的一半，变换器的传输效率高。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步详细说明。

图1为本发明提供的一种升压变换器的拓扑结构图之一。

图2为本发明提供的一种升压变换器的拓扑结构图之二。

图3为本发明提供的一种升压变换器在第一工作模态时的工作电路图。

图4为本发明提供的一种升压变换器在第二工作模态时的工作电路图。

图5为本发明提供的一种升压变换器在一个开关周期内的主要工作波形图之一。

图6为本发明提供的一种升压变换器在一个开关周期内的主要工作波形图之二。

附图标记：VIN、电源；L1、第一电感；L2、第二电感；L3、第三电感；S1、第一开关管；D1、第一二极管；D2、第二二极管；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；Co、输出电容；R、负载；10、第一升压单元；20、第二升压单元；30、开关网络；40、第四升压单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参考图1所示，本实施例提供一种升压变换器包括第一升压模块、第二升压模块和输出模块。

参考图2所示，第一升压模块包括第一升压单元10和第一开关管S1，所述第一升压单元10为第一电感L1；第一电感L1的第一端和第一开关管S1的第二端为变换器的输入端，输入端与电源VIN连接，具体来说，第一电感L1的第一端与电源VIN的正极连接，第一开关管S1的第二端与电源VIN的负极连接，第一电感L1的第二端与第一开关管S1的第一端连接。

此实施例中，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。

第二升压模块包括第二升压单元20、第三升压单元40和开关网络30，所述第二升压单元20为第一电容C1，所述第三升压单元40为第三电感L3，所述开关网络30包括第一二极管D1、第二二极管D2、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2；

第一电容C1的第一端与第一电感L1的第二端连接，第一电容C1的第二端与第一二极管D1的阳极、第三电容C3的第二端、第三电感L3的第一端连接，第一二极管D1的阴极与第二电容C2的第二端、第二电感L2的第一端连接，第三电容C3的第一端与第二电感L2的第二端、第二二极管D2的阳极连接，第一开关管S1的第二端与第二电容C2的第一端、第二二极管D2的阴极连接。

输出模块包括输出电容Co，输出电容Co的第一端与第二二极管D2的阴极连接，输出电容Co的第二端与第三电感L3的第二端连接。输出电容Co的两端为变换器的输出端，其两端电压为输出电压，负载R并接于输出电容Co的两端；具体来说，输出电容Co的第一端与负载R的正极连接，输出电容Co的第二端与负载R的负极连接。

在一个周期内升压变换器具有第一模态和第二模态。

如图3所示，当变换器处于第一模态时，第一开关管S1导通，第一二极管D1、第二二极管D2截止，电源VIN给第一电感L1充电；第一电容C1给第二电容C2、第三电容C3、第二电感L2充电；输出电容Co给直流负载R、第三电感L3充电。

如图4所示，当变换器处于第二模态时，第一开关管S1截止，第一二极管D1、第二二极管D2导通，电源VIN和第一电感L1、第二电容C2给第一电容C1充电；第二电感L2、第三电感L3、第二电容C2和第三电容C3释放电能提供给直流负载R。

本实施例提供的变换器的电压增益是传统的变换器的两倍，本实施例提供的变换器的第一开关管S1、第一二极管D1、第二二极管D2的的电压应力低，电压应力为传统变换器的一半；该变换器实现了高电压增益的同时使第一开关管S1、第一二极管D1和第二二极管D2承受较低的电压应力，保证了变换器的传输效率。

实施例2

参照图1、图2，具体地，一种升压变换器，包括第一升压模块、第二升压模块和输出模块；

第一升压模块包括第一升压单元10和第一开关管S1，所述第一升压单元10为第一电感L1；

第一电感L1的第一端和第一开关管S1的第二端为变换器的输入端，输入端与电源VIN连接，具体来说，第一电感L1的第一端与电源VIN的正极连接，第一开关管S1的第二端与电源VIN的负极连接，第一电感L1的第二端与第一开关管S1的第一端连接。

第二升压模块包括第二升压单元20、开关网络30和第三升压单元40，所述第二升压单元20为第一电容C1，所述开关网络30包括第一二极管D1、第二二极管D2、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2，所述第三升压单元40为第三电感L3。

输出模块包括输出电容Co，输出电容Co的两端为变换器的输出端，具体来说，输出电容Co的第一端与负载R的正极、电源VIN的负极连接，输出电容Co的第二端与负载R的负极、第三电感的第二端连接。

第一升压模块的第一开关管S1用于控制第一二极管D1、第二二极管D2的导通和截止，控制变化器中电流的流通路径，使各个器件进行有序的充放电，从而使输出电容Co的电压增大，实现变换器的高电压增益。

此实施例中，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和输出电容Co均为无极性电容。

在一个周期内升压变换器具有第一模态和第二模态。

如图4所示，当变换器处于第二模态时，第一开关管S1截止，第一二极管D1、第二二极管D2导通，电源VIN和第一电感L1、第二电容C2给第一电容C1充电；第二电感L2、第三电感L3、第二电容C2和第三电容C3释放电能提供给负载R。

图5，图6为本实施例提供的变换器在一个工作周期内的主要工作波形图，图中，为第一开关管S1的跨压，为第一电容C1的电压，为第二电容C2的电压，为第三电容C3的电压，为负载R的电压，为第一电感L1的电流，为第二电感L2的电流，为第三电感L3的电流。在充放电过程中，第一电容C1的电压、第二电容C2的电压和第三电容C3的电压几乎恒定，因此纹波可以忽略不计。

当变换器处于稳定状态时，通过对第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3应用伏秒平衡可以在稳态下获得以下关系：

；

式中，为电源VIN的电压，为第一开关管S1的占空比，为第一电容C1的电压，为第二电容C2的电压，为第三电容C3的电压，为负载R的电压。

由上式可得第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的电压，即：

；

式中，为电源VIN的电压，为第一开关管S1的占空比，为第一电容C1的电压，为第二电容C2的电压，为第三电容C3的电压。

进一步可得输入电压和输出电压的增益比、第一二极管D1、第二二极管D2和开关管的电压应力：

；

式中，为第一开关管S1的漏源电压，为电源VIN的电压，为负载R的电压，为第一开关管S1的占空比，为第一二极管D1的电压，为第二二极管D2的电压。

由此可得，在相同的占空比下，本实施例提供的变换器的电压增益是传统的变换器的两倍，本实施例提供的变换器的第一开关管S1、第一二极管D1、第二二极管D2的的电压应力低，电压应力为传统变换器的一半；该变换器实现了高电压增益的同时使第一开关管S1、第一二极管D1和第二二极管D2承受较低的电压应力，保证了变换器的传输效率。且在没有额外附加的滤波装置下，本实施例提供的变换器的输入、输出电流是连续的，本实施例提供的变换器的输入端和输出端共地。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种升压变换器，其特征在于，包括第一升压模块、第二升压模块和输出模块；

第二升压模块包括开关网络（30），所述开关网络（30）包括第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第二电容（C2）、第三电容（C3）和第二电感（L2）；第一二极管（D1）的阴极与第二电感（L2）的第一端、第二电容（C2）的第二端连接，第二电感（L2）的第二端与第三电容（C3）的第一端、第二二极管（D2）的阳极连接；

第一升压模块包括第一开关管（S1），当所述第一开关管（S1）导通时，第一二极管（D1）与第二二极管（D2）截止；当所述第一开关管（S1）关断时，第一二极管（D1）与第二二极管（D2）导通；

输出模块与第二升压模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种升压变换器，其特征在于，所述第二升压模块还包括第二升压单元（20），所述第二升压单元（20）的第一端与第一升压模块连接，所述第二升压单元（20）的第二端与第一二极管（D1）的阳极连接。

3.根据权利要求2所述的一种升压变换器，其特征在于，所述第二升压模块还包括第三升压单元（40），第三升压单元（40）的第一端与第三电容（C3）的第二连接，第三升压单元（40）的第二端与输出模块连接。

4.根据权利要求3所述的一种升压变换器，其特征在于，所述第一升压模块还包括第一升压单元（10），所述第一升压单元（10）的第一端与电源（VIN）的正极连接，第一升压单元（10）的第二端与第一开关管（S1）的第一端连接，第一开关管（S1）的第二端与电源（VIN）的负极连接。

5.根据权利要求4所述的一种升压变换器，其特征在于，所述输出模块包括输出电容（Co），输出电容（Co）的第一端与第二二极管（D2）的阴极连接，输出电容（Co）的第二端与第三升压单元（40）的第二端连接；负载（R）并接于输出电容（Co）两端。

6.根据权利要求5所述的一种升压变换器，其特征在于，所述第一升压单元（10）为第一电感（L1）。

7.根据权利要求6所述的一种升压变换器，其特征在于，所述第二升压单元（20）为第一电容（C1）。

8.根据权利要求7所述的一种升压变换器，其特征在于，所述第三升压单元（40）为第三电感（L3）。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种升压变换器，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。

10.根据权利要求1-8任一项所述的一种升压变换器，其特征在于，所述升压变换器在一个开关周期内包括第一工作模态和第二工作模态；

第一工作模态：第一开关管（S1）导通，第一二极管（D1）和第二二极管（D2）截止，电源（VIN）给第一电感（L1）充电；第一电容（C1）给第二电容（C2）、第三电容（C3）和第二电感（L2）充电；输出电容（Co）给负载（R）供电，输出电容（Co）给第三电感（L3）充电；

第二工作模态：第一开关管（S1）截止，第一二极管（D1）和第二二极管（D2）导通，电源（VIN）、第一电感（L1）和第二电容（C2）给第一电容（C1）充电；第二电感（L2）、第三电感（L3）、第二电容（C2）、第三电容（C3）给负载（R）供电。