本發(fā)明涉及一種cuk?dc-dc變換器，具體涉及一種高可靠性雙極性輸出電壓自均衡cuk?dc-dc變換器。

背景技術(shù)：

1、在雙極性直流供電的應(yīng)用場合，主要有偽雙極性母線和真雙極性母線兩種直流配電系統(tǒng)。真雙極性母線是由兩個變換器直流側(cè)串聯(lián)輸出，中點接地組成的。偽雙極性母線的正負(fù)極電壓是由單個變換器產(chǎn)生的，通過輸出側(cè)使用分裂電容的方法，中性點接地，因此也稱為對稱單極結(jié)構(gòu)。對稱單極結(jié)構(gòu)目前廣泛應(yīng)用于低壓直流微網(wǎng)。

2、例如申請公布號為cn111865079a的專利公開了偽雙極性供電電路，該專利采用板橋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了具有單輸入對稱雙極性輸出的極間電壓均衡電路。使用自舉驅(qū)動就可以實現(xiàn)兩個開關(guān)在空載到滿載全范圍均可實現(xiàn)軟開關(guān)。但該雙極性電路可靠性不高，開關(guān)管故障時，整個變換器無法正常工作。此外，雖然當(dāng)正負(fù)極負(fù)載出現(xiàn)輕微不平衡的情況下，該變換器可以實現(xiàn)電壓平衡，但是當(dāng)其中一極發(fā)生短路或開路故障時，另外一極輸出無法正常工作。因此研究雙極電壓能實現(xiàn)自動均衡且具有高可靠性的非隔離型雙極性多輸出dc/dc變換器具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有非隔離型雙極性多輸出dc-dc變換器極間電壓均衡的問題，本發(fā)明在傳統(tǒng)cuk電路基礎(chǔ)上提出一種高可靠性雙極性輸出電壓自均衡cuk?dc-dc變換器，該變換器由cuk變換器和若干個正極性變換單元組成。通過調(diào)節(jié)正極性變換單元的個數(shù)，即可調(diào)節(jié)輸入輸出電壓增益以及開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。在其中一個開關(guān)管損壞時，其余電路能正常工作。該變換器控制及驅(qū)動電路簡單、輸出電壓自均衡、開關(guān)器件電壓應(yīng)力低、輸入輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬、可靠性高；較適合于輸出輸入電壓與輸出電壓變化范圍比較大，需要多個電源供電且可靠性要求高的雙極性供電場合。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種高可靠性雙極性輸出電壓自均衡cuk?dc-dc變換器，

4、該變換器包括i個cuk變換器，j個正極性變換單元；

5、所述i個cuk變換器中：

6、第1個cuk變換器包含一個直流輸入源uin1，兩個電感l(wèi)11、l12，兩個電容c11、c12，一個功率開關(guān)s1，一個二極管d11；其連接形式如下：直流輸入源uin1的正極連接電感l(wèi)11的一端，電感l(wèi)11的另一端分別連接功率開關(guān)s1的漏極、電容c11一端，電容c11的另一端分別連接二極管d11陽極、電感l(wèi)12的一端，電感l(wèi)12的另一端連接電容c12的一端，電容c12的另一端分別連接二極管d11的陰極、功率開關(guān)s1的源極、直流輸入源uin1的負(fù)極并接地；

7、第2個cuk變換器包含一個直流輸入源uin2，兩個電感l(wèi)21、l22，兩個電容c21、c22，一個功率開關(guān)s2，一個二極管d21；其連接形式如下：直流輸入源uin2的正極連接電感l(wèi)21的一端，電感l(wèi)21的另一端分別連接功率開關(guān)s2的漏極、電容c21一端，電容c21的另一端分別連接二極管d21陽極、電感l(wèi)22的一端，電感l(wèi)22的另一端連接電容c22的一端，電容c22的另一端連接在二極管d21的陰極；

8、第3個cuk變換器包含一個直流輸入源uin3，兩個電感l(wèi)31、l32，兩個電容c31、c32，一個功率開關(guān)s3，一個二極管d31；其連接形式如下：直流輸入源uin3的正極連接電感l(wèi)31的一端，電感l(wèi)31的另一端分別連接功率開關(guān)s3的漏極、電容c31一端，電容c31的另一端分別連接二極管d31陽極、電感l(wèi)32的一端，電感l(wèi)32的另一端連接電容c32的一端，電容c32的另一端連接在二極管d31的陰極；

9、......以此類推；

10、第i個cuk變換器包含一個直流輸入源uini，兩個電感l(wèi)i1、li2，兩個電容ci1、ci2，一個功率開關(guān)si，一個二極管di1；其連接形式如下：直流輸入源uini的正極連接電感l(wèi)i1的一端，電感l(wèi)i1的另一端分別連接功率開關(guān)si的漏極、電容ci1一端，電容ci1的另一端分別連接二極管di1陽極、電感l(wèi)i2的一端，電感l(wèi)i2的另一端連接電容ci2的一端，電容ci2的另一端連接在二極管di1的陰極；

11、第1個cuk變換器的直流輸入源uin1的負(fù)極分別連接第2個cuk變換器的直流輸入源uin2的負(fù)極、第3個cuk變換器的直流輸入源uin3的負(fù)極、......、第i個cuk變換器的直流輸入源uini的負(fù)極；

12、第1個cuk變換器的功率開關(guān)s1的源極分別連接第2個cuk變換器的功率開關(guān)s2的源極、第3個cuk變換器的功率開關(guān)s3的源極、......、第i個cuk變換器的功率開關(guān)si的源極；

13、所述j個正極性變換單元中：

14、第1個正極性變換單元包含一個電感l(wèi)13，一個二極管d12，兩個電容c13、c14；其中，電容c13的另一端分別連接二極管d12的陽極、電感l(wèi)13的一端；電感l(wèi)13的另一端連接電容c14的一端，電容c14的另一端連接二極管d12的陰極；

15、第2個正極性變換單元包含一個電感l(wèi)23，一個二極管d22，兩個電容c23、c24；其中，電容c23的另一端分別連接二極管d22的陽極、電感l(wèi)23的一端；電感l(wèi)23的另一端連接電容c24的一端，電容c24的另一端連接二極管d22的陰極；

16、第3個正極性變換單元包含一個電感l(wèi)33，一個二極管d32，兩個電容c33、c34；其中，電容c33的另一端分別連接二極管d32的陽極、電感l(wèi)33的一端；電感l(wèi)33的另一端連接電容c34的一端，電容c34的另一端連接二極管d32的陰極；

17、......以此類推；

18、第j個正極性變換單元包含一個電感l(wèi)j3，一個二極管dj2，兩個電容cj3、cj4；其中，電容cj3的另一端分別連接二極管dj2的陽極、電感l(wèi)j3的一端；電感l(wèi)j3的另一端連接電容cj4的一端，電容cj4的另一端連接二極管dj2的陰極；

19、第1個正極性變換單元中的電容c13的一端連接第1個cuk變換器中的電感l(wèi)12的一端，第2個正極性變換單元中的電容c23的一端連接第2個cuk變換器中的電感l(wèi)22的一端，.....以此類推，第j個正極性變換單元的電容cj3的一端連接第i個cuk變換器中的電感l(wèi)i2的一端；

20、第1個cuk變換器中的電容c12的另一端連接第1個正極性變換單元中的電容c14的一端，第1個正極性變換單元中的電容c14的另一端連接第2個正極性變換單元中的電容c24的一端；第2個正極性變換單元中的電容c24的另一端連接第3個正極性變換單元中的電容c34的一端，.....以此類推，第j-1個正極性變換單元中的電容c(j-1)4的另一端連接第j個正極性變換單元中的電容cj4的一端；

21、所述第i個cuk變換器中的電容ci2的一端連接負(fù)極性負(fù)載rn的一端；負(fù)極性負(fù)載rn的另一端分別連接第1個cuk變換器中的電容c12的另一端、正極性負(fù)載rp的一端；正極性負(fù)載rp的另一端連接第j個正極性變換單元中的電容cj4的另一端。

22、(1)所提一種高可靠性雙極性輸出電壓自均衡的cuk變換器結(jié)構(gòu)的正極性變換單元、cuk變換器結(jié)構(gòu)均可以不斷拓展，直到包含i個cuk變換器，j個正極性變換單元。

23、(2)以第1個cuk變換器和第1個正極性變換單元為例分析。當(dāng)主開關(guān)管s1關(guān)斷時，正極性變換單元中的二極管d12先導(dǎo)通。此時構(gòu)成輔助電容c13和電容c12的并聯(lián)回路。由于電容具有箝位作用，所以c12上的電壓被箝位到c13兩端的電壓。之后，第1個cuk變換器的二極管d11導(dǎo)通，此時構(gòu)成輔助電容c13和電容c14的并聯(lián)回路，c14上的電壓被箝位到c13兩端的電壓。于是，變換器的正、負(fù)兩極輸出電容c12，c14的電壓均保持在輔助電容c13的電壓附近。

24、一種高可靠性雙極性輸出電壓自均衡cuk?dc-dc變換器，該變換器包括2個cuk變換器，2個正極性變換單元；

25、第1個cuk變換器包含一個直流輸入源uin1，兩個電感l(wèi)11、l12，兩個電容c11、c12，一個功率開關(guān)s1，一個二極管d11；其連接形式如下：直流輸入源uin1的正極連接電感l(wèi)11的一端，電感l(wèi)11的另一端分別連接功率開關(guān)s1的漏極、電容c11一端，電容c11的另一端分別連接二極管d11陽極、電感l(wèi)12的一端，電感l(wèi)12的另一端連接電容c12的一端，電容c12的另一端分別連接二極管d11的陰極、功率開關(guān)s1的源極、直流輸入源uin1的負(fù)極并接地；

26、第2個cuk變換器包含一個直流輸入源uin2，兩個電感l(wèi)21、l22，兩個電容c21、c22，一個功率開關(guān)s2，一個二極管d21；其連接形式如下：直流輸入源uin2的正極連接電感l(wèi)21的一端，電感l(wèi)21的另一端分別連接功率開關(guān)s2的漏極、電容c21一端，電容c21的另一端分別連接二極管d21陽極、電感l(wèi)22的一端，電感l(wèi)22的另一端連接電容c22的一端，電容c22的另一端連接在二極管d21的陰極；

27、第1個cuk變換器的直流輸入源uin1的負(fù)極連接第2個cuk變換器的直流輸入源uin2的負(fù)極；第1個cuk變換器的功率開關(guān)s1的源極分別連接第2個cuk變換器的功率開關(guān)s2的源極；

28、第1個正極性變換單元包含一個電感l(wèi)13，一個二極管d12，兩個電容c13、c14；其中，電容c13的另一端分別連接二極管d12的陽極、電感l(wèi)13的一端；電感l(wèi)13的另一端連接電容c14的一端，電容c14的另一端連接二極管d12的陰極；

29、第2個正極性變換單元包含一個電感l(wèi)23，一個二極管d22，兩個電容c23、c24；其中，電容c23的另一端分別連接二極管d22的陽極、電感l(wèi)23的一端；電感l(wèi)23的另一端連接電容c24的一端，電容c24的另一端連接二極管d22的陰極；

30、第1個正極性變換單元中的電容c13的一端連接第1個cuk變換器中的電感l(wèi)12的一端，第2個正極性變換單元中的電容c23的一端連接第2個cuk變換器中的電感l(wèi)22的一端；

31、第1個cuk變換器中的電容c12的另一端連接第1個正極性變換單元中的電容c14的一端，第1個正極性變換單元中的電容c14的另一端連接第2個正極性變換單元中的電容c24的一端；

32、所述第2個cuk變換器中的電容c22的一端連接負(fù)極性負(fù)載rn的一端；負(fù)極性負(fù)載rn的另一端分別連接第1個cuk變換器中的電容c12的另一端、正極性負(fù)載rp的一端；正極性負(fù)載rp的另一端連接第2個正極性變換單元中的電容c24的另一端。

33、當(dāng)正極性變換單元數(shù)j＝2，cuk變換器單元數(shù)i＝2時，且假設(shè)電感l(wèi)11、l12、l13、l21、l22、l23的電流連續(xù)，變換器運行的整個周期共有6個工作模態(tài)：

34、模態(tài)一：該時刻開關(guān)管s1，s2導(dǎo)通，二極管d11、d12、d21、d22承受反壓，保持關(guān)斷。cuk變換器中的電感l(wèi)11、l12、l21、l22和電容c12、c22充電，電容c11、c21放電。正極性變換單元中的電感l(wèi)13、l23及電容c13、c23充電，電容c14、c24放電。每個電感上的電壓可以表示為：

35、

36、模態(tài)二：該時刻開關(guān)管s1進(jìn)入關(guān)斷過程，s2保持導(dǎo)通。二極管d11、d21、d22均繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)，d12此時導(dǎo)通，并流過正向電流。cuk變換器中的電感l(wèi)21、l22及電容c11、c12、c22充電，電感l(wèi)11、l12及電容c21放電。正極性變換單元中的電感l(wèi)23及電容c14、c23充電，電感l(wèi)13及電容c13、c24放電。每個電感上的電壓可以表示為：

37、

38、模態(tài)三：該時刻開關(guān)管s1保持關(guān)斷狀態(tài)，s2保持導(dǎo)通，二極管d21、d22均關(guān)斷，d11、d12導(dǎo)通，并流過正向電流。電感l(wèi)21、l22、l23及電容c11、c12、c14、c22、c23充電，電感l(wèi)11、l12、l13及電容c13、c21、c24放電，電感上的電壓可以表示為：

39、

40、式中，un表示變換器負(fù)極性輸出電壓大小，up表示變換器正極性輸出電壓大小，uin1表示第1個cuk變換器的輸入電壓大小，uin2表示第2個cuk變換器的輸入電壓大小。所有六個模態(tài)中均成立。

41、模態(tài)四：該時刻開關(guān)管s1、s2關(guān)斷，二極管d21關(guān)斷，d11、d12、d22導(dǎo)通。電容c11、c12、c14、c22、c23充電，電感l(wèi)11、l12、l13、l21、l22、l23及電容c13、c21、c24放電，電感上的電壓可以表示為：

42、

43、模態(tài)五：該時刻開關(guān)管s1、s2關(guān)斷，二極管d12關(guān)斷，d11、d21、d22導(dǎo)通。電容c11、c13、c14、c21、c24充電，電感l(wèi)11、l12、l13、l21、l22、l23及電容c12、c22、c23放電，電感上的電壓可以表示為：

44、

45、模態(tài)六：該時刻開關(guān)管s1導(dǎo)通，s2關(guān)斷，二極管d11、d12關(guān)斷，d21、d22導(dǎo)通。電感l(wèi)11、l12、l13及電容c13、c21、c24充電，電感l(wèi)21、l22、l23及電容c11、c12、c14、c22、c23放電，電感上的電壓可以表示為：

46、

47、通過將伏秒平衡原理應(yīng)用在每個電感上，可以得出變換器電容上的電壓平均值：

48、

49、本發(fā)明一種高可靠性雙極性輸出電壓自均衡cuk?dc-dc變換器，技術(shù)效果如下：

50、1)、輸入輸出增益高，輸出電容串聯(lián)且均壓。電感l(wèi)11、l12、l13、l21、l22、l23的電流連續(xù)導(dǎo)通時，具體如下：

51、當(dāng)使用i個cuk變換器，使用j個正極性單元，共有輸入電源i個時，正、負(fù)極性的最大輸出電壓分別為：

52、式中，d1表示第1個cuk變換器中的開關(guān)管s1的占空比大小，di表示第i個cuk變換器中的開關(guān)管si的占空比大小，uin1表示第1個cuk變換器的輸入電壓大小，uini表示第i個cuk變換器的輸入電壓大小。

53、第i個cuk變換器中的開關(guān)管si的電壓應(yīng)力為：電容ci1上的電壓應(yīng)力為：其中k為變量；電容ci2上的電壓應(yīng)力為：

54、第j個正極性變換單元中電容cj3上的電壓應(yīng)力為：

55、其中k為變量；電容cj4上的電壓應(yīng)力為：

56、式中，d1表示第1個cuk變換器中的開關(guān)管s1的占空比大小，d(k-1)表示第k-1個cuk變換器中的開關(guān)管s(k-1)的占空比大小，同理dk表示第k個cuk變換器中的開關(guān)管sk的占空比大小，且k∈[1,j]；uin1表示第1個cuk變換器的輸入電壓大小，uin(k-1)表示第k-1個cuk變換器的輸入電壓大小，同理uink表示第k個cuk變換器的輸入電壓大小，且k∈[1,j]。2)、該變換器的電壓均衡是通過正極性變換單元中的輔助電容箝位作用實現(xiàn)的。通過二極管的先后導(dǎo)通順序，在不同模態(tài)下構(gòu)成不同的輸出電容并聯(lián)回路，將兩極輸出電壓的均值分別箝位于輔助電容的電壓峰值、電壓均值，通過增加輔助電容的容值，拉低輔助電容電壓峰值、電壓均值之差，從而降低兩極間輸出電壓的偏差。因此，所述變換器具有高度對稱且共地的正負(fù)兩極輸出電壓，無須復(fù)雜的電壓或功率均衡控制回路。