CN1588772A - 组合式直流－直流升压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式直流－直流升压变换器，属于直流变换技术领域。包括：用于为Boost电路和Cuk电路提供共用主升压电感和开关管；用于对变换器电路的主策动点的电压进行正向升压并储能，以产生变换器输出电源的正极点的电压的Boost电路；用于对变换器电路的主策动点的电压进行负向升压并储能，以产生变换器输出电源的负极点的电压的Cuk电路。本发明提出的升压变换器，电路简单，共用的主升压电感和升压开关管组成电路的主升压泵，在它的策动下，Boost单元给出电压增益，Cuk单元给出电压增益。本变换器的稳定系数W为0.0095，稳定系数提高约一倍，同时功率管的电压应力大大减小。

Description

组合式直流-直流升压变换器

技术领域

本发明涉及一种组合式直流-直流升压变换器，尤其是一种组合基本升压变换器(以下简称Boost电路)和电容隔离升降压变换器(以下简称Cuk电路)的升压变换器，属于直流变换技术领域。

技术背景

升压变换器Boost电路是最基本的和最常用的升压电路，当其占空比接近0.9时电路的升压增益迅速增加，使电路的工作稳定性和电能转换效率很难保证，设计上应予避免。Cuk线路具有升降压功能，输出纹波小，但作为升压电路，比Boost电路的增益小，占空比接近0.9时电路的工作稳定性和电能转换效率同样很难保证。美国专利US 6,522,192公开了一种电压倍增电路，克服了前述Boost电路的缺点，但由于其使用了三个电子开关，使电路复杂，成本高，并且有瞬态的电流冲击。

铁路机车的空调电源一般需要先将DC110V变换成DC540V，再逆变为3相AC380V，并且要求较宽的电压输入范围(DC40V-DC150V)和高工作稳定性。当输入电压为40V时，升压比M为13.25。为便于对电路的稳定性进行比较分析，定义稳定系数 $W=\frac{\mathrm{dD}}{\mathrm{dM}},$ 式中D为占空比，M为升压增益。

1、若用如图1所示的Boost电路，有： $M=\frac{1}{1-D},$ 当M为13.25时，D为0.926，稳定系数W为0.0055。

2、若用如图2所示的Cuk电路，有： $M=\frac{D}{1-D},$ 当M为13.25时，D为0.931，稳定系数W为0.0048。

以上分析表明占空比接近0.9时，两种电路的稳定性都变得很差，并且功率器件的的工作电压偏高，尤其是Cuk电路。一般稳定系数越大越好。

发明内容

本发明目的在于提出一种组合式直流-直流升压变换器，提供直流-直流电路拓扑，在等升压比为10时取代通常的Boost电路，降低占空比，使电路的工作更稳定，同时降低功率管和整流二极管的工作电压。

本发明提出的组合式直流-直流升压变换器，包括：

(1)用于为Boost电路和Cuk电路提供共用主升压电感12和开关管13，其中变换器的输入电源11的正极与主升压电感12的一端相连接，主升压电感12的另一端与开关管13的漏极相连接，开关管13的源极与变换器输入电源11的负极连接，主升压电感12与开关管13的漏极的连接处为变换器电路的主策动点V1；

(2)用于对变换器电路的主策动点V1的电压进行正向升压并储能，以产生变换器输出电源的正极点Vb的电压的Boost电路，由开关二极管21和储能电容22组成，其中开关二极管21的阳极与电路的主策动点V1连接，开关二极管21的阴极与储能电容22相连接后成为输出电源的正极点Vb；

(3)用于对变换器电路的主策动点V1的电压进行负向升压并储能，以产生变换器输出电源的负极点Vk的电压的Cuk电路，由隔离电容33、储能电感35、开关二极管31和滤波电容32组成，其中隔离电容33的一端与电路的主策动点V1相连接，隔离电容33的另一端与储能电感35串连后成为输出电源的负极点Vk，开关二极管31的阴极与变换器输入电源11的负极连接，开关二极管31的阳极与隔离电容33和储能电感35的连接点相连接，滤波电容32跨接在变换器输入电源11的负极和变换器输出电源的负极点Vk之间。

本发明提出的组合式直流-直流升压变换器，电路简单，共用的主升压电感12和升压开关管13组成电路的主升压泵，在它的策动下，Boost单元给出电压增益1/(1-D)，Cuk单元给出电压增益D/(1-D)，总的电压增益为(1+D)/(1-D)。

Cuk线路为负输出，将其与Boost电路简单的直接组合即构成了组合式升压变换器。本发明提出的升压变换器，升压增益 $M=\frac{1+D}{1-D},$ 因此当本发明变换器的M与已有Boost电路和Cuk电路同为13.25、占空比D同为0.862时，本变换器的稳定系数W为0.0095，因此稳定系数比Boost电路和Cuk电路提高约一倍，同时功率管的电压应力大大减小。

附图说明

图1是已有的常规Boost直流-直流升压电路图。

图2是已有的常规Cuk直流-直流电路图。

图3是本发明提出的组合式直流-直流升压变换器的电路图。

图4和图5分别是本发明的组合式直流-直流升压变换器的电压和电流波形图。

具体实施方式

本发明提出的组合式直流-直流升压变换器，其电路如图3所示，包括：

(1)用于为Boost电路和Cuk电路提供共用主升压电感12和开关管13，其中变换器的输入电源11的正极与主升压电感12的一端相连接，主升压电感12的另一端与开关管13的漏极相连接，开关管13的源极与变换器输入电源11的负极连接，主升压电感12与开关管13的漏极的连接处为变换器电路的主策动点V1；

(2)用于对变换器电路的主策动点V1的电压进行正向升压并储能，以产生变换器输出电源的正极点Vb的电压的Boost电路，由开关二极管21和储能电容22组成，其中开关二极管21的阳极与电路的主策动点V1连接，开关二极管21的阴极与储能电容22相连接后成为输出电源的正极点Vb；

(3)用于对变换器电路的主策动点V1的电压进行负向升压并储能，以产生变换器输出电源的负极点Vk的电压的Cuk电路，由隔离电容33、储能电感35、开关二极管31和滤波电容32组成，其中隔离电容33的一端与电路的主策动点V1相连接，隔离电容33的另一端与储能电感35串连后成为输出电源的负极点Vk，开关二极管31的阴极与变换器输入电源11的负极连接，开关二极管31的阳极与隔离电容33和储能电感35的连接点相连接，滤波电容32跨接在变换器输入电源11的负极和变换器输出电源的负极点Vk之间。

Cuk和Boost直流-直流升压电路电压波形如图(4)所示，电流波形如图(5)所示。在开关管13导通(Ton)期间，主策动点V1电压约等于0，而V2点约等于-Vc/(1-D)，输入电源11通过主升压电感12，开关管13构成回路，主升压电感12中的电流升高储能，储能电感35中的电流也通过隔离电容33流入升压开关管13，并且储能电感35中的电流也升高储能。此时，开关二极管21反向，储能电容22通过负载电阻14放电。开关管13关断瞬间主策动点V1电压由零跃升至Vc/(1-D)，而V2点约等于0。在开关管13关断(Toff)期间，输入电源11通过主升压电感12，开关二极管21，负载电阻14，储能电感35，开关二极管31构成回路，同时输入电源11通过主升压电感12，隔离电容33，开关二极管31构成回路，储能电感35通过负载电阻14、储能电容22构成回路。此时主升压电感12和储能电感35中的电流均降低释放能量，而隔离电容33和储能电容22均储存能量。

当然，本发明之组合式DC-DC升压电路并不局限于所举实施例，如采用其它形式的电源开关13、增加Cuk和Boost的组合级数等，这些变化均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1、一种组合式直流—直流升压变换器，其特征在于该变换器包括：

(1)用于为Boost电路和Cuk电路提供共用主升压电感12和开关管13，其中变换器的输入电源11的正极与主升压电感12的一端相连接，主升压电感12的另一端与开关管13的漏极相连接，开关管13的源极与变换器输入电源11的负极连接，主升压电感12与开关管13的漏极的连接处为变换器电路的主策动点V1；

(2)用于对变换器电路的主策动点V1的电压进行正向升压并储能，以产生变换器输出电源的正极点Vb的电压的Boost电路，由开关二极管21和储能电容22组成，其中开关二极管21的阳极与电路的主策动点V1连接，开关二极管21的阴极与储能电容22相连接后成为输出电源的正极点Vb；

(3)用于对变换器电路的主策动点V1的电压进行负向升压并储能，以产生变换器输出电源的负极点Vk的电压的Cuk电路，由隔离电容33、储能电感35、开关二极管31和滤波电容32组成，其中隔离电容33的一端与电路的主策动点V1相连接，隔离电容33的另一端与储能电感35串连后成为输出电源的负极点Vk，开关二极管31的阴极与变换器输入电源11的负极连接，开关二极管31的阳极与隔离电容33和储能电感35的连接点相连接，滤波电容32跨接在变换器输入电源11的负极和变换器输出电源的负极点Vk之间。

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