帶耦合電感的高效率高增益dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器,以直流電源、開關(guān)管、第一二極管、第二二極管、第四二極管、第五二極管、第一電感、第二電感、第一電容、第三電容和第四電容構(gòu)成倍壓輸出的輸入級Boost變換器;以第一電容、開關(guān)管、第三二極管、第二電容、第五電容、第六電容、耦合電感和負載構(gòu)成帶有耦合電感的輸出級Boost變換器。輸入Boost變換器引入第二電感作為諧振電感,輸出Boost變換器采用耦合電感,實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通,同時實現(xiàn)了每個二極管的零電流關(guān)斷。該變換器增益極高,可達到2(2+N)/(1-D)2,且開關(guān)管的電壓應(yīng)力很低,僅為輸出電壓的1/(2+N)。
【專利說明】帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及高增益非隔離型DC-DC變換器領(lǐng)域,具體涉及一種帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來,高增益非隔離型DC-DC變換器廣泛用于UPS、分布式光伏發(fā)電和電池儲能系統(tǒng)。目前,高增益非隔離型DC-DC變換器主要有開關(guān)電容型、開關(guān)電感型,通過增加開關(guān)電容或電感來實現(xiàn)電壓的升高,但難以實現(xiàn)軟開關(guān),降低了變換器的效率。二次型Boost變換器可以實現(xiàn)高增益,同樣受到很大的青睞,但開關(guān)管的電壓應(yīng)力非常大,限制了電壓的進一步提高。此外,通過耦合電感也可以實現(xiàn)很高的增益,然而耦合電感的漏感若不加以控制,會增加開關(guān)管的電壓應(yīng)力和能量損耗。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器變換器。
[0004]本實用新型采用的技術(shù)方案是:帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器變換器,包括以直流電源、開關(guān)管、第一二極管、第二二極管、第四二極管、第五二極管、第一電感、第二電感、第一電容、第三電容和第四電容構(gòu)成的倍壓輸出的輸入級Boost變換器;以第一電容、開關(guān)管、第三二極管、第六二極管、第七二極管、第二電容、第五電容、第六電容、耦合電感和負載構(gòu)成的帶有耦合電感的輸出級Boost變換器。
[0005]所述變換器中,第一電感的一端同時與直流電壓的正極、第三電容的負極相連接,第一電感的另一端同時與第四二極管的陽極、第二二極管的陽極、第二電感的一端相連接,第二電感的另一端與第四電容的負極相連接,第三電容的正極同時與第四二極管的陰極、第五二極管的陽極相連接,第四電容的正極與第五二極管的陰極、第一二極管的正極相連接;耦合電感的原邊的一端同時與第一二極管的陰極、第一電容的正極、第五電容的負極相連接,耦合電感的原邊的另一端同時與副邊的非同名端、開關(guān)管的漏極、第六二極管的陽極相連接,耦合電感的副邊的另一端與第二電容的負極相連接,第五電容的正極同時與第六二極管的陰極、第七二極管的陽極相連接,第二電容的正極與第七二極管的陰極、第三二極管的陽極相連接,第三二極管的陰極同時與第六電容的正極、負載的一端相連接,負載的另一端與直流電源的負極、第一電容的陰極、開關(guān)管的源極、第六電容的負極相連接。
[0006]當開關(guān)管開通時,直流電源給第一電感充電,直流電源和第三電容共同給第四電容充電,第一電容給稱合電感的原邊充電,第一電容和第五電容共同給第二電容充電,同時第六電容給負載供電;當開關(guān)管關(guān)斷時,第一電感給第三電容充電,直流電源、第一電感和第四電容共同給第一電容充電,稱合電感的原邊給第五電容充電,同時直流電源、第一電感、第四電容、耦合電感的原邊、副邊、第二電容共同給第六電容和負載供電。
[0007]變換器的工作模式包括第一電感的電流和耦合電感的電流均工作于連續(xù)導(dǎo)通模式(L1-C-CCM模式)、第一電感的電流工作于連續(xù)導(dǎo)通模式而耦合電感的電流工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式(L1-CCM-C-DCM模式)。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實用新型具有的優(yōu)勢為:增益為2(2+N)/(l_D)2,且開關(guān)管的電壓應(yīng)力低,僅為輸出電壓的1/(2+Ν),實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通,提高了變換器的效率,同時實現(xiàn)了每個二極管的零電流關(guān)斷,很好的解決了每個二極管的反向恢復(fù)問題。與開關(guān)電容型和開關(guān)電感型相比,實現(xiàn)了軟開關(guān),提高了效率;與二次型Boost變換器相比,降低了開關(guān)管的應(yīng)力;與現(xiàn)有的耦合電感相比,很好的利用了漏感,進一步提高電壓,降低開關(guān)管的應(yīng)力,實現(xiàn)軟開關(guān)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本實用新型的帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器結(jié)構(gòu)圖;
[0010]圖2是圖1所示的帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器的等效電路圖;
[0011]圖3是圖1所示的帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器工作于L1-C-CCM模式下關(guān)鍵電流波形圖;
[0012]圖4a~圖4f分別是圖1所示的帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器工作于L1-C-CCM模式下的六種工作模態(tài)。
【具體實施方式】
[0013]為進一步闡述本實用新型的內(nèi)容和特點,以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方案進行具體說明。但本實用新型的實施不限于此。
[0014]參考圖1,本實用新型的帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器,以直流電源Vin、開關(guān)管Q、第一二極管D1、第二二極管D2、第四二極管Dm1、第五二極管Dm2、第一電感L1、第二電感Lp第一電容C1、第三電 容Cmi和第四電容Cm2構(gòu)成的倍壓輸出的輸入級Boost變換器;以第一電容C1、開關(guān)管Q、第三二極管D。、第六二極管D。、第七二極管W、第二電容C2、第五電容C。、第六電容C。、稱合電感(Ivn2)和負載R構(gòu)成的帶有稱合電感的輸出級Boost變換器。其中,第一電感L1的一端同時與直流電壓Vin的正極、第三電容Cmi的負極相連接,第一電感L1的另一端同時與第四二極管Dmi的陽極、第二二極管D2的陽極、第二電感L的一端相連接,第二電感L的另一端與第四電容Cm2的負極相連接,第三電容Cmi的正極同時與第四二極管Dmi的陰極、第五二極管Dm2的陽極相連接,第四電容Cm2的正極與第五二極管Dm2的陰極、第一二極管D1的正極相連接;耦合電感(n1:n2)的原邊Ii1的一端同時與第一二極管01的陰極、第一電容C1的正極、第五電容C。的負極相連接,耦合電感(n1:n2)的原邊Ii1的另一端同時與副邊n2的非同名端、開關(guān)管Q的漏極、第六二極管D。的陽極相連接,耦合電感Cn1In2)的副邊n2的另一端與第二電容C2的負極相連接,第五電容C。的正極同時與第六二極管D。的陰極、第七二極管^的陽極相連接,第二電容C2的正極與第七二極管^的陰極、第三二極管D。的陽極相連接,第三二極管D。的陰極同時與第六電容C。的正極、負載R的一端相連接,負載R的另一端與直流電源Vin的負極、第一電容C1的陰極、開關(guān)管Q的源極、第六電容C。的負極相連接。
[0015]下面以圖1為主電路結(jié)構(gòu),以圖2所示等效電路為對象,結(jié)合圖3~圖4敘述本實用新型的具體工作原理。以變換器工作在L1-C-CCM模式為例進行說明:[0016]圖3中Vt1階段,開關(guān)管Q開通,電流路徑如圖4a所示,直流電源Vin通過開關(guān)管Q和第二二極管D2給第一電感L1充電,直流電源Vin和第三電容Cmi經(jīng)過開關(guān)管Q和第五二極管Dm2、第二二極管D2共同給第四電容Cm2充電,第二電感L發(fā)生諧振,第一電容C1經(jīng)開關(guān)管Q給勵磁電感L111和原邊漏感Lkl充電,勵磁電感L111經(jīng)副邊繞組n2感應(yīng),和第一電容Cp第五電容C。經(jīng)開關(guān)管Q和第七二極管W共同給第二電容C2充電,同時第六電容C。給負載R供電。t = 時,第二電感L的電流U降為零。
[0017]圖3中t「t2階段,開關(guān)管Q繼續(xù)開通,電流路徑如圖4b所示,直流電源Vin通過開關(guān)管Q和第二二極管D2繼續(xù)給第一電感L1充電,第一電容C1經(jīng)開關(guān)管Q繼續(xù)給勵磁電感Lm和原邊漏感Lkl充電,勵磁電感Lni經(jīng)副邊繞組n2感應(yīng),和第一電容C1、第五電容C。經(jīng)開關(guān)管Q和第七二極管W繼續(xù)共同給第二電容C2充電,同時第六電容C。繼續(xù)給負載R供電。
[0018]圖3中t2_t3階段,開關(guān)管Q關(guān)斷,電流路徑如圖4c所示,第一電感L1經(jīng)第四二極管Dmi給第三電容Cmi充電,直流電源Vin、第一電感L1和第四電容Cm2經(jīng)第一二極管D1給第一電容C1充電,原邊漏感Lkl經(jīng)第六二極管D。給第五電容C。充電,副邊漏感Lk2經(jīng)第六二極管D。、第七二極管比給第二電容C2充電,第六電容C。繼續(xù)給負載R供電。t = &時,副邊漏感的電流Iut2降為零。
[0019]圖3中t3_t4階段,開關(guān)管Q關(guān)斷,電流路徑如圖4d所示,第一電感L1經(jīng)第四二極管Dmi繼續(xù)給第三電容Cmi充電,直流電源Vin、第一電感L1和第四電容Cm2經(jīng)第一二極管D1繼續(xù)給第一電容C1充電,原邊漏感Lkl經(jīng)第六二極管D。繼續(xù)給第五電容C。充電,勵磁電感Lm經(jīng)副邊繞組n2感應(yīng),和勵磁電感Ln1、第一電容C1、第二電容C2經(jīng)第三二極管D。共同給第六電容C。和負載R充電。t =〖4時,第一電感L1的電流iu和第二電感L的電流L相等,原邊漏感Lkl的電流^和副邊漏感Lk2的電流的電流相等。
[0020]圖3中t4_t5階段,開關(guān)管Q關(guān)斷,電流路徑如圖4e所示,直流電源Vin、第一電感L1、第二電感L和第四電容Cm2經(jīng)第一二極管D1共同給第一電容C1充電,同時直流電源Vin、第一電感L1、第二電感Lp第四電容Cm2、勵磁電感L111、勵磁電感Lni經(jīng)副邊繞組n2感應(yīng)、第二電容C2經(jīng)第三二極管D。共同給第六電容C。和負載R供電。
[0021 ]圖3中t5_t6階段,開關(guān)管Q開通,由于第二電感Lr和耦合電感(η 1: n2 )的電流鉗位,使開關(guān)管的開通電流為0,提高了變換器的效率。電流路徑如圖4f所示,直流電源Vin經(jīng)開關(guān)管Q和第二二極管D2給第一電感L1充電,直流電源Vin、第一電感L1、第二電感L和第四電容Cm2經(jīng)第一二極管D1給第一電容C1,第一電容C1經(jīng)開關(guān)管Q給勵磁電感Lm和原邊漏感Lkl充電,第一電容C1、勵磁電感L111、勵磁電感Lni經(jīng)副邊繞組n2感應(yīng)、第二電容C2經(jīng)第三二極管D。共同給第六電容C。和負載R充電。t = t6時,第二電感L的電流L和副邊漏感Lk2的電流降為零。
【權(quán)利要求】
1.帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器,其特征在于包括:以直流電源(Vin)、開關(guān)管(Q)、第一二極管(D1X第二二極管(D2)、第四二極管(DM1)、第五二極管(DM2)、第一電感(Li)、第二電感(Lr)、第一電容(C1)、第三電容(Cmi)和第四電容(Cm2)構(gòu)成的倍壓輸出的輸入級Boost變換器;以第一電容(C1X開關(guān)管(Q)、第三二極管(D。)、第六二極管(D。)、第七二極管(D1J、第二電容(C2)、第五電容(C。)、第六電容(C。)、稱合電感(Ivn2)和負載(R)構(gòu)成的帶有耦合電感的輸出級Boost變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器,其特征在于--第一電感(L1)的一端同時與直流電壓(Vin)的正極、第三電容(Cmi)的負極相連接,第一電感(L1)的另一端同時與第四二極管(Dmi)的陽極、第二二極管(D2)的陽極、第二電感(LJ的一端相連接,第二電感(LJ的另一端與第四電容(Cm2)的負極相連接,第三電容(Cmi)的正極同時與第四二極管(Dmi)的陰極、第五二極管(Dm2)的陽極相連接,第四電容(Cm2)的正極與第五二極管(Dm2)的陰極、第一二極管(D1)的正極相連接;耦合電感(n1:n2)的原邊U1)的一端同時與第一二極管(D1)的陰極、第一電容(C1)的正極、第五電容(C。)的負極相連接,耦合電感(n1:n2)的原邊U1)的另一端同時與副邊(n2)的非同名端、開關(guān)管(Q)的漏極、第六二極管(D。)的陽極相連接,耦合電感(n1:n2)的副邊(n2)的另一端與第二電容(C2)的負極相連接,第五電容(C。)的正極同時與第六二極管(D。)的陰極、第七二極管(?)的陽極相連接,第二電容(C2)的正極與第七二極管(?)的陰極、第三二極管(D。)的陽極相連接,第三二極管(D0)的陰極同時與第六電容(C。)的正極、負載(R)的一端相連接,負載(R)的另一端與直流電源(Vin)的負極、第一電容(C1)的陰極、開關(guān)管(Q)的源極、第六電容(C。)的負極相連接。
【文檔編號】H02M3/07GK203645540SQ201320719310
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】張波, 付堅, 丘東元, 肖文勛, 黃子田 申請人:華南理工大學(xué)