CN206237306U - 直流‑直流变换器、升压单元、电动汽车和电池备份*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种直流‑直流变换器、升压单元、电动汽车和电池备份***。升压单元包括：第一电感器、升压电容器、第一单向导通器件、第二单向导通器件、第三单向导通器件、第四单向导通器件、第二电感器。所述直流‑直流变换器包括：开关，连接到输入电压；主二极管，连接到开关；稳压电容器，第一端与主二极管串联连接且第二端连接到输入电压，并且稳压电容器的第一端和第二端是该直流‑直流变换器的输出端；根据本实用新型，通过利用升压单元来替换普通直流‑直流变换器中的电感，可以提高电压增益。

Description

直流-直流变换器、升压单元、电动汽车和电池备份***

技术领域

本公开实施例涉及一种升压单元、包括该升压单元的直流(DC)-直流变换器、电动汽车和电池备份***。

背景技术

为提升电路的电压转换比，通常DC-DC变换器选取极值的占空比或者引入变压器结构。另外，也尝试通过改变电路的拓扑结构来提高电路的电压转换比。但是，上述方法所实现的电压增益仍严格的受到电路拓扑结构和占空比取值的限制。

因此，需要一种能够提高电压增益的新的电路结构。

实用新型内容

根据本公开实施例，提供一种升压单元，包括：第一电感器，第一端是该升压单元的输入端；升压电容器，第一端连接到第一电感器的第二端；第一单向导通器件，第一端连接到第一电感器的第二端，第二端连接到该升压单元的输出端；第二单向导通器件，第一端连接到第一电感器的第一端，第二端连接到升压电容器的第二端；第三单向导通器件，第一端连接到升压电容器的第二端，第二端连接到第二电感器的第一端；第四单向导通器件，第一端连接到第一电感器的第一端，第二端连接到第二电感器的第一端；以及第二电感器，第二端是该升压单元的输出端。

在一个例子中，在充电阶段中，所述第一单向导通器件、第二单向导通器件和第四单向导通器件导通，而所述第三单向导通器件截止，并且在放电阶段中，所述第一单向导通器件、第二单向导通器件和第四单向导通器件截止，而所述第三单向导通器件导通。

在一个例子中，第一单向导通器件、第二单向导通器件、第三单向导通器件和第四单向导通器件是二极管，并且每个单向导通器件的第一端是相应二极管的阳极，且每个单向导通器件的第二端是该二极管的阴极。

根据本公开另一个实施例，提供一种直流DC-DC变换器，包括：开关，连接到输入电压；主二极管，连接到开关；稳压电容器，第一端与主二极管串联连接且第二端连接到输入电压，并且稳压电容器的第一端和第二端是该DC-DC变换器的输出端；和如上所述的任一个升压单元。

在一个例子中，该DC-DC变换器包括的升压单元的数目为两个或更多个，所述两个或更多个升压单元级联，并且DC-DC变换器还包括：连接控制单元，连接在每两级升压单元之间，被配置为在充电期间将本级升压单元与前一级升压单元并联，且在放电期间将本级升压单元与前一级升压单元串联。

在一个例子中，所述连接控制单元包括：第一连接控制器件，第一端连接到前一级升压单元的输入端，第二端连接到下一级升压单元的输入端；第二连接控制器件，第一端连接到前一级升压单元的输出端，第二端连接到第一连接控制器件的第二端；以及第三连接控制部件，第一端连接到前一级升压单元的输出端，第二端连接到下一级升压单元的输出端。

在一个例子中，在充电期间，第一连接控制器件和第三连接控制器件导通，而第二连接控制器件截止，并且在放电期间，第一连接控制器件和第三连接控制器件截止，而第二连接控制器件导通。

在一个例子中，第一连接控制器件、第二连接控制器件和第三连接控制器件是二极管，并且每个连接控制器件的第一端是相应二极管的阳极，且每个连接控制器件的第二端是该二极管的阴极。

根据本公开另一个实施例，提供一种电池备份***，包括如上所述的任一个DC-DC变换器。

根据本公开另一个实施例，提供一种电动汽车，包括如上所述的任一个DC-DC变换器。

根据本公开实施例，通过利用升压单元来替换普通DC-DC变换器中的电感，可以提高电压增益。

附图说明

通过以下借助附图的详细描述，将会更容易地理解本公开，其中相同的标号指定相同结构的单元，并且在其中：

图1是示出一种DC-DC变换器的结构的示范性电路图；

图2a至图2b是示出图1中所示的DC-DC变换器的工作模式的示意图；

图3是示出图1中所示的DC-DC变换器中的输入电流、二极管D处的电压和电流以及电感L两端的电压和电流的波形的示意图；

图4a至图4c是示出图1所示的DC-DC变换器的二极管两端电压波形、电感两端电流波形及输出电压波形的仿真示意图；

图5示出根据本公开一个实施例的升压单元的结构的示意图；

图6示出根据本公开一个实施例的包括如图5中所示的升压单元的DC-DC变换器的结构的示意性电路图；

图7a至图7b是示出图6中所示的DC-DC变换器的工作模式的示意图；

图8是示出在图6中示出的DC-DC变换器中的各元件的电压和/或电流的波形的示意图；

图9a至图9d是示出图6中的DC-DC变换器的主二极管VD₅两端电压、第一电感器L₁两端电流、升压电容器C₁两端电压及输出电压Uo的波形的仿真示意图；

图10是示出根据本公开另一实施例的DC-DC变换器的结构的示意性电路图；

图11a至图11b是示出图10中所示的DC-DC变换器的工作模式的示意图；

图12a至图12d是示出图10中的DC-DC变换器的主二极管VD₅两端电压、第一电感器L₁₁或L₂₁两端电流、升压电容器C₁或C₂两端电压及输出电压Uo的波形的仿真示意图；

图13是示出根据本公开再一实施例的DC-DC变换器的结构的示意性电路图；以及

图14是示出电压增益随占空比D和级联的升压单元的数目n而变化的曲线。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

图1是示出一种直流-直流(DC-DC)变换器的结构的示范性电路图，且图2 a和图2b是示出图1中所示的DC-DC变换器的工作模式的示意图，其中，该DC-DC变换器为升降压型(buck-boost)DC-DC变换器。

如图2a所示，当该DC-DC变换器的开关S被接通时，电源为电感L充电，电感L两端的电压为电源电压U_i。此时电路中的电流方向如箭头所示。

如图2b所示，当开关S被关断时，电感L两端的电流不能够突变，二极管D导通且与电感L形成放电回路。此时电路中的电流方向如箭头所示。根据电感的伏秒平衡作用原理，可得该DC-DC变换器的电压增益为Uo/Ui＝D/(1-D)，其中，D是控制开关S的信号的占空比。

图3是示出图1中所示的DC-DC变换器中的输入电流、二极管D处的电压和电流以及电感L两端的电压和电流的波形的示意图，并且图4a至图4c是示出图1所示的DC-DC变换器的二极管两端电压波形、电感两端电流波形及输出电压波形的仿真示意图。

图5示出根据本公开一个实施例的升压单元的结构的示意图。

如图5中所示，该升压单元包括第一电感器L₁、升压电容器C₁、第一单向导通器件、第二单向导通器件、第三单向导通器件、第四单向导通器件和第二电感器L₂。

第一电感器L₁的第一端是该升压单元的输入端Input。升压电容器C₁的第一端连接到第一电感器L₁的第二端。第一单向导通器件的第一端连接到第一电感器L₁的第二端，第二端连接到该升压单元的输出端Outp。第二单向导通器件的第一端连接到第一电感器L₁的第一端，第二端连接到升压电容器C₁的第二端。第三单向导通器件的第一端连接到升压电容器C₁的第二端，第二端连接到第二电感器L₂的第一端。第四单向导通器件的第一端连接到第一电感器L₁的第一端，第二端连接到第二电感器L₂的第一端。第二电感器L₂的第二端是该升压单元的输出端Output。

该升压单元可以被应用于DC-DC变换器中。

具体而言，在充电阶段中，第一单向导通器件、第二单向导通器件和第四单向导通器件导通，而所述第三单向导通器件截止，并且在放电阶段中，所述第一单向导通器件、第二单向导通器件和第四单向导通器件截止，而所述第三单向导通器件导通。

在一个例子中，第一单向导通器件、第二单向导通器件、第三单向导通器件和第四单向导通器件是二极管，并且每个单向导通器件的第一端是相应二极管的阳极，且每个单向导通器件的第二端是该二极管的阴极。但是，本实用新型实施例不限于此。

图6示出根据本公开一个实施例的包括图5所示的升压单元的DC-DC变换器600的结构的示意性电路图。

如图6中所示，DC-DC变换器600包括开关S₁、主二极管VD₅、稳压电容器C₀和升压单元610。

开关S₁连接到输入电压Ui。主二极管VD₅连接到开关S₁。稳压电容器C₀的第一端与主二极管VD₅串联连接且第二端连接到输入电压Ui，并且稳压电容器C₀的第一端和第二端是该DC-DC变换器500的输出端，即输出电压Uo。升压单元610的输入端连接到开关S₁以接收输入电压Ui，输出端连接到稳压电容器C₀的第二端，该升压单元610包括第一电感器L₁、第二电感器L₂、升压电容器C₁、第一单向导通器件VD₁、第二单向导通器件VD₂、第三单向导通器件VD₃和第四单向导通器件VD₄。

根据本公开实施例，通过利用升压单元来替换普通DC-DC变换器中的电感，可以提高电压增益。

在一个例子中，如图6中所示，第一电感器L₁的第一端是该升压单元510的输入端；升压电容器C₁的第一端连接到第一电感器L₁的第二端；第一单向导通器件VD₁的阳极连接到第一电感器L₁的第二端，阴极连接到该升压单元510的输出端；第二单向导通器件VD₂的阳极连接到第一电感器L₁的第一端，阴极连接到升压电容器C₁的第二端；第三单向导通器件VD₃的阳极连接到升压电容器C₁的第二端，阴极连接到第二电感器L₂的第一端；第四单向导通器件VD₄的阳极连接到第一电感器L₁的第一端，阴极连接到第二电感器L₂的第一端；并且第二电感器L₂的第二端是该升压单元610的输出端。

图7a至图7b是示出图6中所示的DC-DC变换器600的工作模式的示意图。

如图7a所示，当开关S₁被接通时，第一单向导通器件VD₁、第二单向导通器件VD₂和第四单向导通器件VD₄导通，第三单向导通器件VD₃和主二极管VD₅截止，直流输入电源Ui向电感器L₁、L₂和升压电容器C₁进行充电。此时，第一电感器L₁、第二电感器L₂和升压电容器C₁分别并联连接于电路中，电感L₁和L₂两端电压均为Ui。

如图7b所示，当开关S₁被关断时，第一单向导通器件VD₁、第二单向导通器件VD₂和第四单向导通器件VD₄截止，第三单向导通器件VD₃和主二极管VD₅导通并与第一电感器L₁、第二电感器L₂构成蓄流回路。此时，第一电感器L₁、第二电感器L₂和升压电容器C₁串联连接于电路中并共同作用，且第一电感器L₁和第二电感器L₂两端的电压均为(Ui-Uo)/2。

在该DC-DC变换器600中，根据电感的伏秒平衡作用原理，可以得到UiD+(Ui-Uo)(1-D)/2＝0，从而该电路的电压增益为Uo/Ui＝(1+D)/(1-D)，其中，D为控制开关S₁的控制信号的占空比。与图1中所示普通DC-DC变换器的电压增益D/(1-D)相比，根据本公开实施例的DC-DC变换器600提高了电压增益。

此外，与选取极值的占空比来提升电路的电压增益的方法相比，根据本公开实施例的DC-DC变换器的功率损耗更小。并且，与利用变压器实现高电压增益的方法相比，根据本公开实施例的DC-DC变换器的电路体积更小，所需成本更低。

图8是示出在图6中示出的DC-DC变换器600中的各元件的电压和/或电流的波形的示意图。应当明白，图8中所示的波形仅仅是示意性的，并且为了说明的目的可以放大或缩小一些波形的尺度，所以各波形之间的比例可能与实际值不完全相同。

图9a至图9d是示出图6中的DC-DC变换器600的主二极管VD₅两端电压、第一电感器L₁两端电流、升压电容器C₁两端电压及输出电压Uo的波形的仿真示意图。

图10是示出根据本公开另一实施例的DC-DC变换器1000的结构的示意性电路图。

如图10中所示，除了开关S₁、主二极管VD₅、稳压电容器C₀以外，该DC-DC变换器1000包括两个升压单元1010和1020，并且升压单元1010和1020的具体结构与图6中所示的升压单元610的具体结构相同，这里不再赘述。

此外，图10中所示的DC-DC变换器1000还包括：连接控制单元1030，连接在两个升压单元1010和1020之间，被配置为在充电期间将升压单元1020与升压单元1010并联，且在放电期间将升压单元1020与升压单元1010串联。

在图10所示的例子中，连接控制单元1030可以包括第一连接控制器件VD’₀₁、第二连接控制器件VD’₀₂和连接控制器件VD’₀₃。

第一连接控制器件VD’₀₁的第一端连接到升压单元1010的输入端，第二端连接到升压单元1020的输入端。第二连接控制器件VD’₀₂的第一端连接到升压单元1010的输出端，第二端连接到第一连接控制器件VD’₀₁的第二端。第三连接控制部件VD’₀₃的第一端连接到升压单元1010的输出端，第二端连接到升压单元1020的输出端。

在充电期间，第一连接控制器件VD’₀₁和第三连接控制器件VD’₀₂导通，而第二连接控制器件VD’₀₂截止，并且在放电期间，第一连接控制器件VD’₀₁和第三连接控制器件VD’₀₃截止，而第二连接控制器件VD’₀₂导通。

在图10的例子中，第一连接控制器件VD’₀₁、第二连接控制器件VD’₀₂和第三连接控制器件VD’₀₃被示出为是二极管，并且每个连接控制器件的第一端是相应二极管的阳极，且每个连接控制器件的第二端是该二极管的阴极。

具体而言，第一连接控制器件VD’₀₁的阳极连接到升压单元1010的输入端、即第一电感器L₁₁的第一端，阴极连接到升压单元1020的输入端、即第一电感器L₂₁的第一端。第二连接控制器件VD’₀₂的阳极连接到升压单元1010的输出端、即第二电感器L₁₂的第二端，阴极连接到第一连接控制器件VD’₀₁的阴极。第三连接控制器件VD’₀₃的阳极连接到升压单元1010的输出端、即第二电感器L₁₂的第二端，阴极连接到升压单元1020的输出端、即第二电感器L₂₂的第二端。

图11a至图11b是示出图10中所示的DC-DC变换器1000的工作模式的示意图。

如图11a所示，当开关S₁被接通时，第一连接控制器件VD’₀₁和第三连接控制器件VD’₀₃导通，第二连接控制器件VD’₀₂截止，电源电压Ui对两个升压单元1010和1020中的电感元件和电容元件充电，此时，两个升压单元1010和1020在电路中并联连接。与图7a类似地，在升压单元1010和1020的每个中，第一单向导通器件VD₁₁及VD₂₁、第二单向导通器件VD₁₂及VD₂₂和第四单向导通器件VD₁₄及VD₂₄导通，第三单向导通器件VD₁₃及VD₂₃和主二极管VD₅截止，直流输入电源Ui向电感器L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂和升压电容器C₁进行充电。此时，在升压电路1010中，第一电感器L₁₁、第二电感器L₁₂和升压电容器C₁分别并联连接于电路中，电感L₁₁和L₁₂两端电压均为Ui；并且，在升压电路1020中，第一电感器L₂₁、第二电感器L₂₂和升压电容器C₂分别并联连接于电路中，电感L₂₁和L₂₂两端电压也均为Ui。

如图11b所示，当开关S₁被关断时，第一和第三连接控制器件VD’₀₁、VD’₀₃截止，第二连接控制器件VD’₀₂导通，从而两个升压单元1010和1020串联连接在电路中。由于电感电流不能瞬间突变的特点，其需要与负载构成放电蓄流回路，结合二极管元件本身的通断原理，此时与图7b类似地，在升压单元1010和1020的每个中，第一单向导通器件VD₁₁及VD₂₁、第二单向导通器件VD₁₂及VD₂₂和第四单向导通器件VD₁₄及VD₂₄截止，第三单向导通器件VD₁₃及VD₂₃和主二极管VD₅导通并分别与第一电感器L₁₁、L₂₁和第二电感器L₁₂、L₂₂构成蓄流回路。此时，在升压单元1010中，第一电感器L₁₁、第二电感器L₁₂和升压电容器C₁串联连接于电路中并共同作用；并且，在升压电路1020中，第一电感器L₂₁、第二电感器L₂₂和升压电容器C₂串联连接于电路中并共同作用。

进一步，根据电感的伏秒平衡原理，可得该电路的电压增益为Uo/Ui＝2(1+D)/(1-D)。所以，与图6中所示的DC-DC变换器600相比，根据本实施例的DC-DC变换器1000进一步提高了电压增益。

图12a至图12d是示出图10中的DC-DC变换器1000的主二极管VD₅两端电压、第一电感器L₁₁或L₂₁两端电流、升压电容器C₁或C₂两端电压及输出电压Uo的波形的仿真示意图。

图13是示出根据本公开再一实施例的DC-DC变换器1300的结构的示意性电路图。

如图13中所示，该DC-DC变换器1300包括n个升压单元1310至13n0，n为大于等于2的自然数，并且升压单元1310至13n0中的每个的具体结构与图6中所示的升压单元610的具体结构相同，这里不再赘述。

此外，如图所示，与图10中的DC-DC变换器1000类似地，升压单元1310至13n0级联，并且该DC-DC变换器1300还包括：连接控制单元，连接在每两级升压单元之间，被配置为在充电期间将本级升压单元与前一级升压单元并联，且在放电期间将本级升压单元与前一级升压单元串联。

图13中的连接控制单元的结构与图10中所示的连接控制单元1030的结构和配置相同，这里不再赘述。如图13中所示，第一连接控制器件VD’_(n-1)1的阳极连接到前一级升压单元的输入端，阴极连接到下一级升压单元的输入端；第二连接控制器件VD’_(n-1)2的阳极连接到前一级升压单元的输出端，阴极连接到第一连接控制器件的阴极；以及第三连接控制器件VD’_(n-1)3的阳极连接到前一级升压单元的输出端，阴极连接到下一级升压单元的输出端。

当开关S₁接通时，升压单元1310至13n0并联连接，并且当开关S₁关断时，升压单元1310至13n0串联连接。此外，开关S₁接通时，各个升压单元中的电感器与电容器并联于电路中；当开关S₁关断时，各个升压单元中的电感器和电容器串联于电路中。根据电路中电感的伏秒平衡作用原理可得，该电路的电压增益为Uo/Ui＝n(1+D)/(1-D)，其中，D是控制开关S的信号的占空比。

利用根据本公开实施例的DC-DC变换器1300，电压增益可以随升压单元的数目增加而增大，而不再严格地受到电路拓扑结构的限制。也就是说，根据本公开实施例的DC-DC变换器的电压增益与升压单元的数目n成正比例。

图14是示出电压增益随占空比D和级联的升压单元的数目n而变化的曲线。

根据本实施例，DC-DC变换器包括的升压单元的数目为两个或更多个，从而可以进一步提高电压增益。因此，本领域技术人员可以根据需要而灵活选择升压单元的数目n，以实现所期望的电压增益，这增加了电路设计的灵活度。

根据本公开实施例的DC-DC变换器中所包括的各元件的具体值例如可以如表1所示。

表1

电感值L	1mH
		电容值C1～Cn	100uF
电容值C0	4.47uF
		二极管耐压值	Ui+Uo

根据本公开再一个实施例，提供一种电池备份***，包括如上所述的任一个DC-DC变换器。

根据本公开再一个实施例，提供一种电动汽车，包括如上所述的任一个DC-DC变换器。

应当注意的是，为了清楚和简明，在附图中仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，但是本领域技术人员应当明白，附图中所示出的设备或器件可以包括其他必要的单元。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种升压单元，其特征在于，包括：

第一电感器，第一端是该升压单元的输入端；

升压电容器，第一端连接到第一电感器的第二端；

第一单向导通器件，第一端连接到第一电感器的第二端，第二端连接到该升压单元的输出端；

第二单向导通器件，第一端连接到第一电感器的第一端，第二端连接到升压电容器的第二端；

第三单向导通器件，第一端连接到升压电容器的第二端，第二端连接到第二电感器的第一端；

第四单向导通器件，第一端连接到第一电感器的第一端，第二端连接到第二电感器的第一端；以及

第二电感器，第二端是该升压单元的输出端。

2.根据权利要求1所述的升压单元，其特征在于，在充电阶段中，所述第一单向导通器件、第二单向导通器件和第四单向导通器件导通，而所述第三单向导通器件截止，并且在放电阶段中，所述第一单向导通器件、第二单向导通器件和第四单向导通器件截止，而所述第三单向导通器件导通。

3.根据权利要求1或2所述的升压单元，其特征在于，第一单向导通器件、第二单向导通器件、第三单向导通器件和第四单向导通器件是二极管，并且每个单向导通器件的第一端是相应二极管的阳极，且每个单向导通器件的第二端是该二极管的阴极。

4.一种直流DC-DC变换器，其特征在于，包括：

开关，连接到输入电压；

主二极管，连接到开关；

稳压电容器，第一端与主二极管串联连接且第二端连接到输入电压，并且稳压电容器的第一端和第二端是该DC-DC变换器的输出端；和

如权利要求1至3中的任一个所述的升压单元。

5.根据权利要求4所述的DC-DC变换器，其特征在于，该DC-DC变换器包括的升压单元的数目为两个或更多个，所述两个或更多个升压单元级联，并且DC-DC变换器还包括：

连接控制单元，连接在每两级升压单元之间，被配置为在充电期间将本级升压单元与前一级升压单元并联，且在放电期间将本级升压单元与前一级升压单元串联。

6.根据权利要求5所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述连接控制单元包括：

第一连接控制器件，第一端连接到前一级升压单元的输入端，第二端连接到下一级升压单元的输入端；

第二连接控制器件，第一端连接到前一级升压单元的输出端，第二端连接到第一连接控制器件的第二端；以及

第三连接控制器件，第一端连接到前一级升压单元的输出端，第二端连接到下一级升压单元的输出端。

7.根据权利要求6所述的DC-DC变换器，其特征在于，在充电期间，第一连接控制器件和第三连接控制器件导通，而第二连接控制器件截止，并且在放电期间，第一连接控制器件和第三连接控制器件截止，而第二连接控制器件导通。

8.根据权利要求6或7所述的DC-DC变换器，其特征在于，第一连接控制器件、第二连接控制器件和第三连接控制器件是二极管，并且每个连接控制器件的第一端是相应二极管的阳极，且每个连接控制器件的第二端是该二极管的阴极。

9.一种电池备份***，其特征在于，包括如权利要求4-8中的任一个所述的DC-DC变换器。

10.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求4-8中的任一个所述的DC-DC变换器。