CN116169882A - 一种高增益升压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种高增益升压变换器，包括第一开关管、第二开关管、第一开关电感单元、第二开关电感单元、第一电容单元、第二电容单元、第四二极管、第八二极管和输出单元；第一开关电感单元的第一端与电源的正极连接，第一开关电感单元的第二端与第一开关管的第一端、第四二极管的阳极、第二电容单元的第一端连接，第四二极管的阴极与第一电容单元的第一端、第二开关电感单元的第一端连接，第二开关电感单元的第二端与第二开关管的第一端、输出单元连接，第一电容单元的第二端、第一开关管的第二端和第八二极管的阴极与电源的负极连接。本实施例中的开关器件在较大的占空比下的应力低，可利用占空比提高电压增益。

Description

一种高增益升压变换器
技术领域
本领域属于变换器技术领域，具体涉及一种高增益升压变换器。
背景技术
传统的升压变换器具有结构简单和连续输入电流的特点，传统的升压变换器中，往往通过提高占空比来提高电压增益，但在极限占空比下，由于开关器件的高电压应力，变换器必须承受较高的开关损耗和二极管反向恢复损耗，导致变换器的电压转换比和功率处理能力受到严重限制，因此，传统的升压变换器无法提供高电压增益。
发明内容
本发明针对传统的升压变换器无法提供高电压增益的问题，提供一种高增益升压变换器。
本申请实施例提供了一种高增益升压变换器，包括第一开关管、第二开关管、第一开关电感单元、第二开关电感单元、第一电容单元、第二电容单元、第四二极管、第八二极管和输出单元。
第一开关电感的第一端与电源的正极连接，第一开关电感的第二端与第一开关管的第一端、第四二极管的阳极、第二电容单元的第一端连接，第四二极管的阴极与第一电容单元的第一端、第二开关电感单元的第一端连接，第二开关电感单元的第二端与第二开关管的第一端、输出单元连接，第二开关管的第二端与第八二极管的阳极连接；第一电容单元的第二端、第一开关管的第二端和第八二极管的阴极与电源的负极连接。
电源用于对第一开关电感单元充电，第一开关电感单元用于对第一电容单元和第二电容单元充电，第一电容单元和第二电容单元用于对第二开关电感单元充电，第二开关电感单元用于对输出单元充电。
优选的，所述第一开关电感单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感和第二电感。
第一电感的第一端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极、第二电感的第一端连接，第二电感的第二端与第三二极管的阴极连接，第三二极管的阳极、第二二极管的阳极与第一电感的第二端连接。
第一电感的第一端为第一开关电感单元的第一端，第二电感的第二端为第一开关电感单元的第二端。
优选的，所述第二开关电感单元包括第五二极管、第六二极管、第七二极管、第三电感和第四电感。
第三电感的第一端与第五二极管的阳极连接，第五二极管的阴极与第六二极管的阴极、第四电感的第一端连接，第四电感的第二端与第七二极管的阴极连接，第七二极管的阳极与第六二极管的阳极、第三电感的第二端连接。
第三电感的第一端为第二开关电感单元的第一端，第四电感的第二端为第二开关电感单元的第二端。
优选的，所述第一电容单元包括第一电容，所述第一电容的第一端为第一电容单元的第一端，所述第一电容的第二端为第一电容单元的第二端。
优选的，所述第二电容单元包括第二电容，所述第二电容的第一端为第二电容单元的第一端，所述第二电容的第二端为第二电容单元的第二端。
优选的，所述输出单元包括第三电容，第三电容的第一端与第二开关电感单元的第二端连接，第三电容的第二端与电源的负极连接，负载并接于第三电容两端。
优选的，所述输出单元还包括第九二极管，所述第三电容通过第九二极管与第二开关电感单元连接，第九二极管的阳极与第二开关电感单元的第二端连接，第九二极管的阴极与第三电容的第一端连接。
优选的，在一个开关周期内，第一开关管和第二开关管同时导通后，第一开关管和第二开关管同时关断，所述高增益升压变换器依次工作于第一工作模态和第二工作模态。
第一工作模态：第一开关管和第二开关管导通，第二二极管、第四二极管、第六二极管、第八二极管和第九二极管均承受反向偏置电压而关断，电源对第一电感进行充电，电源、第一电感以及第一开关管构成回路；第一电感和第二电感因第一二极管和第三二极正向导通而并联运行，电源对第二电感进行充电，第一电容与第二电容对第三电感和第四电感进行充电，第三电容与负载构成回路，能量从第三电容中向负载转移，第一电容、第二电容和第三电容均处于放电状态。
第二工作模态：第一开关管和第二开关管处于关断状态，第一电感和第二电感处于放电状态，第一电容和第二电容处于充电状态，导致第二二极管正向导通；第三电感和第四电感均处于放电状态，第四二极管、第六二极管、第八二极管和第九二极管正向导通，进而关断第一二极管、第三二极管、第五二极管和第七二极管，第一电感和第二电感通过第二二极管串联，第一电感和第二电感为第三电容充电，第一电感和第二电感为负载供能。
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。
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。
优选的，所述第一电容为非极性电容，所述第二电容为非极性电容。
该高增益升压变换器通过第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、第三电感和第四电感的充放电实现高电压增益，使用的电容数量少，提高了高增益升压变换器的可靠性；本实施例中的开关器件在较大的占空比下的应力低，可利用占空比提高电压增益；两个开关管的驱动信号同步，从而使得控制电路的实现更加简单；结构简单，使用的器件总数目更少。
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是本申请实施例的一种高增益升压变换器的拓扑结构图。
图2是第一开关管和第二开关管的驱动信号示意图。
图3是本申请实施例的一种高增益升压变换器的第一工作模态的等效电路图。
图4是本申请实施例的一种高增益升压变换器的第二工作模态的等效电路图。
附图标记：C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；R、负载；VIN、电源；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；D8、第八二极管；D9、第九二极管；S1、第一开关管；S2、第二开关管；L1、第一电感；L2、第二电感；L3、第三电感；L4、第四电感。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请实施例提供的一种高增益升压变换器，参照图1，具体地，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一开关电感单元、第二开关电感单元、第一电容单元、第二电容单元、第四二极管D4、第八二极管D8和输出单元。
电源VIN用于对第一开关电感单元充电，第一开关电感单元用于对第一电容单元和第二电容单元充电，第一电容单元和第二电容单元用于对第二开关电感单元充电，第二开关电感单元用于对输出单元充电。
所述第一开关电感单元包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1和第二电感L2；第一电感L1的第一端与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阴极、第二电感L2的第一端连接，第二电感L2的第二端与第三二极管D3的阴极连接，第三二极管D3的阳极、第二二极管D2的阳极与第一电感L1的第二端连接。第一电感L1的第一端为第一开关电感单元的第一端，第二电感L2的第二端为第一开关电感单元的第二端。
所述第二开关电感单元包括第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第三电感L3和第四电感L4；第三电感L3的第一端与第五二极管D5的阳极连接，第五二极管D5的阴极与第六二极管D6的阴极、第四电感L4的第一端连接，第四电感L4的第二端与第七二极管D7的阴极连接，第七二极管D7的阳极与第六二极管D6的阳极、第三电感L3的第二端连接。第三电感L3的第一端为第二开关电感单元的第一端，第四电感L4的第二端为第二开关电感单元的第二端。
所述第一电容单元包括第一电容C1，所述第一电容C1的第一端为第一电容单元的第一端，所述第一电容C1的第二端为第一电容单元的第二端。
所述第二电容单元包括第二电容C2，所述第二电容C2的第一端为第二电容单元的第一端，所述第二电容C2的第二端为第二电容单元的第二端。
所述输出单元包括第三电容C3和第九二极管D9，所述第三电容C3通过第九二极管D9与第二开关电感单元连接，第九二极管D9的阳极与第四电感L4的第二端连接，第九二极管D9的阴极与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端与电源VIN的负极连接，负载R并接于第三电容C3两端。
第一开关电感单元的第一端与电源VIN的正极连接，第一开关电感单元的第二端与第一开关管S1的第一端、第四二极管D4的阳极、第二电容单元的第一端连接，第四二极管D4的阴极与第一电容单元的第一端、第二开关电感单元的第一端连接，第二开关电感单元的第二端与第二开关管S2的第一端、第九二极管D9的阳极连接，第二开关管S2的第二端与第八二极管D8的阳极、第二电容单元的第二端连接；第一电容单元的第二端、第一开关管S1的第二端和第八二极管D8的阴极分别与电源VIN的负极连接。
值得说明的是，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。
进一步说明的是，所述第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3均为非极性电容。
图2为本申请实施例提供的一种高增益升压变换器在一个开关周期内的波形图，第一开关管S1和第二开关管S2同时导通或同时关闭，图中，Vgs为第一开关管S1和第二开关管S2的栅源电压，即代表第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号，第一开关管S1和第二开关管S2的栅源电压在同一时刻相等，t0-t1时间段内第一开关管S1和第二开关管S2导通，t0-t1时间段的时长为DTs，D为第一开关管S1的导通占空比，Ts为一个开关周期的时长；t1-t2时间段内第一开关管S1和第二开关管S2关断，t1-t2时间段的时长为（1-D）Ts。
此实施例提供的一种高增益升压变换器在一个开关周期内，第一开关管S1和第二开关管S2同时导通后，第一开关管S1和第二开关管S2同时关断，使得高增益升压变换器依次工作于第一工作模态和第二工作模态。
如图3所示，当高增益升压变换器处于第一工作模态时，第一开关管S1和第二开关管S2导通，第二二极管D2、第四二极管D4、第六二极管D6、第八二极管D8和第九二极管D9均承受反向偏置电压而关断，电源VIN对第一电感L1进行充电，电源VIN、第一电感L1以及第一开关管S1构成回路；第一电感L1和第二电感L2因第一二极管D1和第三二极正向导通而并联运行，电源VIN对第二电感L2进行充电，第一电容C1与第二电容C2对第三电感L3和第四电感L4进行充电，第三电容C3与负载R构成回路，能量从第三电容C3中向负载R转移，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3均处于放电状态。
如图4所示，当高增益升压变换器处于第二工作模态时，第一开关管S1和第二开关管S2处于关断状态，第一电感L1和第二电感L2处于放电状态，第一电容C1和第二电容C2处于充电状态，导致第二二极管D2正向导通；第三电感L3和第四电感L4均处于放电状态，第四二极管D4、第六二极管D6、第八二极管D8和第九二极管D9正向导通，进而关断第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和第七二极管D7，第一电感L1和第二电感L2通过第二二极管D2由并联模式切换到串联模式，第一电感L1和第二电感L2为第三电容C3充电，第一电感L1和第二电感L2为负载R供能。
进一步地，假定图1中的全部器件为理想器件，对高增益升压变换器的两种工作模态进行分析，设Vin为平均输入电压，VL1为第一电感L1两端的电压，VL2为第二电感L2两端的电压，VL3为第三电感L3两端的电压，VL4为第四电感L4两端的电压，Vc1为第一电容C1两端的电压，Vc2为第二电容C2两端的电压，Vo为平均输出电压。
如图3所示，当高增益升压变换器处于第一工作模态时，电源VIN对第一电感L1、第二电感L2进行充电，第一电容C1、第二电容C2对第三电感L3、第四电感L4进行充电：
VL1=VL2=Vin ；（1）
VL3=Vc1+Vc2 ；（2）
如图4所示，当高增益升压变换器处于第二工作模态时，电源VIN对第一电感L1、第二电感L2进行充电，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3均处于充电状态，则：
VL1+VL2=Vin-Vc1 ；（3）
VL3+VL4=Vc2-Vo ； （4）
根据伏秒平衡原理，在一个开关周期内，各电感两端的电压为零，因此可得：
2DVin +(Vin–Vc1)(1-D)=0 ；（5）
4DVc2 +(Vc2-Vo)(1-D)=0 ； （6）
式中，D为第一开关管S1的导通占空比。
由公式（5）可计算出第一电容C1的电压为：
Figure SMS_1
; （7）
式中，D为第一开关管S1的导通占空比。
由公式（6）和公式（7）可计算出该高增益升压变换器的电压增益M为：
Figure SMS_2
； （8）
式中，D为第一开关管S1的导通占空比。
本申请实施例提供的一种高增益升压变换器，结合两种工作模态及上述的电压增益分析，可推导出各开关器件的电压应力。
第一开关管S1和第二开关管S2的电压应力分别为：
Figure SMS_3
； （9）
Figure SMS_4
； （10）
各二极管的电压应力分别为：
Figure SMS_5
； （11）
Figure SMS_6
； （12）
Figure SMS_7
； （13）
Figure SMS_8
； （14）/>
Figure SMS_9
； （15）
Figure SMS_10
； （16）
Figure SMS_11
； （17）
Figure SMS_12
； （18）
Figure SMS_13
； （19）
通过以上电压应力的公式可知，仅有第五二极管D5的电压应力略高于输出电压，第二开关管S2的电压应力与输出电压一致，剩余的器件的电压应力小于输出电压，因此有利于器件的选型。
综上所述，本实施例提供的高增益升压变换器，通过电容C1，C2和电感L1，L2，L3，L4的充放电实现高电压增益，使用的电容数量少，提高了高增益升压变换器的可靠性；本实施例中的开关器件在较大的占空比下的应力低，可利用占空比提高电压增益；两个开关管的驱动信号同步，从而使得控制电路的实现更加简单；结构简单，使用的器件总数目更少。
本实施例中，通过第一开关电感单元和第二开关电感单元的结构进行设计，通过第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感L4进行充能；同时设有第一电容单元和第二电容单元进行辅助充能，并利用第一开关管S1、第二开关管S2、第四二极管D4和第八二极管D8对各单元进行连接，使通过控制第一开关管S1和第二开关管S2的导通、关断进行路径切换，形成电感并联充能，串联放电；而电感并联充能时，除了电源VIN之外对电感充能外，同时利用第一电容单元和第二电容单元辅助充能。其中，第一电感L1和第二电感L2主要由电源VIN充能，第三电感L3和第四电感L4主要由第一电容C1和第二电容C2充能，此时，第一电容C1和第二电容C2的串接形成等效的恒定电源。电感串联放电时，电源VIN跟所有的电感串联供电，除给予负载R提供增益升压外，还同时的对所有的电感进行充电。如此充放切换形成串并交替不但能给予负载R恒定电位，而且使高增益变换器可以稳定充能，增益放电。
需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，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单元中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种高增益升压变换器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第一开关电感单元、第二开关电感单元、第一电容单元、第二电容单元、第四二极管、第八二极管和输出单元；
第一开关电感的第一端与电源的正极连接，第一开关电感的第二端与第一开关管的第一端、第四二极管的阳极、第二电容单元的第一端连接，第四二极管的阴极与第一电容单元的第一端、第二开关电感单元的第一端连接，第二开关电感单元的第二端与第二开关管的第一端、输出单元连接，第二开关管的第二端与第八二极管的阳极连接；第一电容单元的第二端、第一开关管的第二端和第八二极管的阴极与电源的负极连接；
电源用于对第一开关电感单元充电，第一开关电感单元用于对第一电容单元和第二电容单元充电，第一电容单元和第二电容单元用于对第二开关电感单元充电，第二开关电感单元用于对输出单元充电。
2.根据权利要求1所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，所述第一开关电感单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感和第二电感；
第一电感的第一端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极、第二电感的第一端连接，第二电感的第二端与第三二极管的阴极连接，第三二极管的阳极、第二二极管的阳极与第一电感的第二端连接；
第一电感的第一端为第一开关电感单元的第一端，第二电感的第二端为第一开关电感单元的第二端。
3.根据权利要求2所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，所述第二开关电感单元包括第五二极管、第六二极管、第七二极管、第三电感和第四电感；
第三电感的第一端与第五二极管的阳极连接，第五二极管的阴极与第六二极管的阴极、第四电感的第一端连接，第四电感的第二端与第七二极管的阴极连接，第七二极管的阳极与第六二极管的阳极、第三电感的第二端连接；
第三电感的第一端为第二开关电感单元的第一端，第四电感的第二端为第二开关电感单元的第二端。
4.根据权利要求3所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，所述第一电容单元包括第一电容，所述第一电容的第一端为第一电容单元的第一端，所述第一电容的第二端为第一电容单元的第二端。
5.根据权利要求4所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，所述第二电容单元包括第二电容，所述第二电容的第一端为第二电容单元的第一端，所述第二电容的第二端为第二电容单元的第二端。
6.根据权利要求5所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，所述输出单元包括第三电容，第三电容的第一端与第二开关电感单元的第二端连接，第三电容的第二端与电源的负极连接，负载并接于第三电容两端。
7.根据权利要求5所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，所述输出单元还包括第九二极管，所述第三电容通过第九二极管与第二开关电感单元连接，第九二极管的阳极与第二开关电感单元的第二端连接，第九二极管的阴极与第三电容的第一端连接。
8.根据权利要求7所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，在一个开关周期内，第一开关管和第二开关管同时导通后，第一开关管和第二开关管同时关断，所述高增益升压变换器依次工作于第一工作模态和第二工作模态；
第一工作模态：第一开关管和第二开关管导通，第二二极管、第四二极管、第六二极管、第八二极管和第九二极管均承受反向偏置电压而关断，电源对第一电感进行充电，电源、第一电感以及第一开关管构成回路；第一电感和第二电感因第一二极管和第三二极正向导通而并联运行，电源对第二电感进行充电，第一电容与第二电容对第三电感和第四电感进行充电，第三电容与负载构成回路，能量从第三电容中向负载转移，第一电容、第二电容和第三电容均处于放电状态；
第二工作模态：第一开关管和第二开关管处于关断状态，第一电感和第二电感处于放电状态，第一电容和第二电容处于充电状态，导致第二二极管正向导通；第三电感和第四电感均处于放电状态，第四二极管、第六二极管、第八二极管和第九二极管正向导通，进而关断第一二极管、第三二极管、第五二极管和第七二极管，第一电感和第二电感通过第二二极管串联，第一电感和第二电感为第三电容充电，第一电感和第二电感为负载供能。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，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。
10.根据权利要求5所述的一种高增益升压变换器，其特征在于，所述第一电容为非极性电容，所述第二电容为非极性电容。
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