高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的dc-dc變換器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器。本發(fā)明以直流電源、開(kāi)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、第三電感、第一電容、第三電容和第四電容構(gòu)成輸入級(jí)Boost變換器；以第一電容、開(kāi)關(guān)管、第三二極管、第六二極管、第七二極管、第八二極管、第九二極管、第二電感、第四電感、第五電容、第六電容、第七電容、第八電容、第二電容和負(fù)載構(gòu)成輸出級(jí)Boost變換器。輸入Boost變換器和輸出Boost變換器分別引入第二電感和第四電感作為諧振電感，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)二極管的零電流關(guān)斷。該變換器增益為6/(1-D)2，且開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸出電壓的1/3。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高增益非隔離型DC-DC變換器領(lǐng)域，具體涉及一種高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，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(chǔ)能系統(tǒng)。目前，高增益非隔離型DC-DC變換器主要有開(kāi)關(guān)電容型、開(kāi)關(guān)電感型，通過(guò)增加開(kāi)關(guān)電容或電感來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的升高，但難以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，降低了變換器的效率。二次型Boost變換器可以實(shí)現(xiàn)高增益，同樣受到很大的青睞，但開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力非常大，限制了電壓的進(jìn)一步提高。此外，通過(guò)耦合電感也可以實(shí)現(xiàn)很高的增益，然而耦合電感的漏感難以控制，會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力和能量損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器變換器。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器變換器，包括以直流電源、開(kāi)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、第三電感、第一電容、第三電容和第四電容構(gòu)成的輸入級(jí)Boost變換器；以第一電容、開(kāi)關(guān)管、第三二極管、第六二極管、第七二極管、第八二極管、第九二極管、第二電感、第四電感、第五電容、第六電容、第七電容、第八電容、第二電容和負(fù)載構(gòu)成的輸出級(jí)Boost變換器。
[0005]第一電感的一端同時(shí)與直流電壓的正極、第三電容的負(fù)極相連接，第一電感的另一端同時(shí)與第四二極管的陽(yáng)極、第二二極管的陽(yáng)極、第三電感的一端相連接，第三電感的另一端與第四電容的負(fù)極相連接，第三電容的正極同時(shí)與第四二極管的陰極、第五二極管的陽(yáng)極相連接，第四電容的正極同時(shí)與第五二極管的陰極、第一二極管的正極相連接；第二電感的一端同時(shí)與第一二極管的陰極、第一電容的正極、第五電容的負(fù)極相連接，第二電感的另一端同時(shí)與第四電感的一端、開(kāi)關(guān)管的漏極、第六二極管的陽(yáng)極相連接，第四電感的另一端與第六電容的負(fù)極相連接，第五電容的正極同時(shí)與第七電容、第六二極管的陰極、第七二極管的陽(yáng)極相連接，第六電容的正極同時(shí)與第七二極管的陰極、第八二極管的陽(yáng)極、第八電容的負(fù)極相連，第七電容的正極同時(shí)與第八二極管的陰極、第九二極管的陽(yáng)極相連，第八電容的陽(yáng)極與第九二極管的陰極、第三二極管的陽(yáng)極相連，負(fù)載的一端同時(shí)與第三二極管的陰極、第二電容的正極相連，負(fù)載的另一端同時(shí)與輸入電源的負(fù)極、第一電容的負(fù)極、開(kāi)關(guān)管的源極、第二電容的負(fù)極相連。
[0006]當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，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，第一電容給第二電感充電，第一電容和第五電容共同給第六電容充電，第七電容給第八電容供電，同時(shí)第二電容給負(fù)載供電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，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，第二電感給第五電容充電，第四電感和第六電容共同給第七電容充電，同時(shí)第一電容、第二電感、第四電感、第六電容、第八電容共同給第二電容和負(fù)載供電。
[0007]變換器包括第一電感的電流和第二電感的電流均工作于連續(xù)導(dǎo)通模式(L2-CCM模式)、第一電感的電流工作于連續(xù)導(dǎo)通模式而第二電感的電流工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式(L2-DCM模式)。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)勢(shì)為:增益可達(dá)到6/(1-D)2，且開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力低，僅為輸出電壓的1/3，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通，提高了變換器的效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)二極管的零電流關(guān)斷，很好的解決了每個(gè)二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題。與開(kāi)關(guān)電容型和開(kāi)關(guān)電感型相比，實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，提高了效率；與二次型Boost變換器相比，降低了開(kāi)關(guān)管的應(yīng)力；與帶耦合電感的變換器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在漏感的問(wèn)題。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器結(jié)構(gòu)圖；
[0010]圖2是圖1所示的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器工作于L2-CCM模式下關(guān)鍵電流波形圖；
[0011]圖3a?圖3f分別是圖1所示的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器工作于L2-CCM模式下的六種工作模態(tài)；
[0012]圖4是圖1所示的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器工作于L2-CCM模式下的仿真波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]為進(jìn)一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容和特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行具體說(shuō)明。但本發(fā)明的實(shí)施不限于此。
[0014]參考圖1，本發(fā)明的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器，以直流電源Vin、開(kāi)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、第三電感L11、第一電容C1、第三電容Cmi和第四電容Cm2構(gòu)成的輸入級(jí)Boost變換器；以第一電容C1、開(kāi)關(guān)管Q、第三二極管D。、第六二極管Dm3、第七二極管Dm4、第八二極管Dm5、第九二極管Dm6、第二電感L2、第四電感L2、第五電容Cm3、第六電容Cm4、第七電容Cm5、第Λ電容Cm6、第二電容C。和負(fù)載R構(gòu)成的輸出級(jí)Boost變換器。其中，第一電感L1的一端同時(shí)與直流電壓Vin的正極、第三電容Cmi的負(fù)極相連接，第一電感L1的另一端同時(shí)與第四二極管Dmi的陽(yáng)極、第二二極管D2的陽(yáng)極、第三電感Lr1的一端相連接，第三電感Lr1的另一端與第四電容Cm2的負(fù)極相連接，第三電容Cmi的正極同時(shí)與第四二極管Dmi的陰極、第五二極管Dm2的陽(yáng)極相連接，第四電容Cm2的正極同時(shí)與第五二極管Dm2的陰極、第一二極管D1的正極相連接；第二電感L2的一端同時(shí)與第一二極管D1的陰極、第一電容C1的正極、第五電容Cm3的負(fù)極相連接,第二電感L2的另一端同時(shí)與第四電感L2的一端、開(kāi)關(guān)管Q的漏極、第六二極管Dm3的陽(yáng)極相連接，第四電感L2的另一端與第六電容Cm4的負(fù)極相連接，第五電容Cm3的正極同時(shí)與第七電容Cm5、第六二極管Dm3的陰極、第七二極管Dm4的陽(yáng)極相連接，第六電容Cm4的正極同時(shí)與第七二極管Dm4的陰極、第八二極管Dm5的陽(yáng)極、第八電容Cm6的負(fù)極相連，第七電容Cm5的正極同時(shí)與第八二極管Dm5的陰極、第九二極管Dm6的陽(yáng)極相連，第八電容Cm6的陽(yáng)極與第九二極管Dm6的陰極、第三二極管D。的陽(yáng)極相連，負(fù)載R的一端同時(shí)與第三二極管D。的陰極、第二電容C。的正極相連，負(fù)載R的另一端同時(shí)與輸入電源Vin的負(fù)極、第一電容C1的負(fù)極、開(kāi)關(guān)管Q的源極、第二電容C。的負(fù)極相連。
[0015]下面以圖1為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合圖2~圖3敘述本發(fā)明的具體工作原理。以變換器工作在L2-CCM模式為例進(jìn)行說(shuō)明:
[0016]圖2中Vt1階段，開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通，電流路徑如圖3a所示，直流電源Vin通過(guò)開(kāi)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(guò)開(kāi)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，第三電感Lrt發(fā)生諧振，第一電容C1經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q給第二電感L2充電,第一電容C1、第五電容Cm3經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q、第七二極管Dm4共同給第六電容Cm4充電，第七電容Cm5給第八電容Cm6充電，第四電感Lrf發(fā)生諧振，同時(shí)第二電容C。給負(fù)載R供電。t = 時(shí),第三電感L11、第四電感Lr2的電流:?ω、iLr2降為零。
[0017]圖2中ti_t2階段，開(kāi)關(guān)管Q繼續(xù)開(kāi)通，電流路徑如圖3b所示，直流電源Vin通過(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)管Q繼續(xù)給第二電感L2充電，同時(shí)第二電容C。繼續(xù)給負(fù)載R供電。
[0018]圖2中t2_t3階段，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，電流路徑如圖3c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,第二電感L2經(jīng)第六二極管Dm3給第五電容Cm3充電,第六電容Cm4經(jīng)第八二極管Dm5給第七電容Cm5充電，第一電容C1、第二電感L2、第六電容Cm4、第八電容Cm6經(jīng)第三二極管D。共同給第二電容C。和負(fù)載R供電。t = t3時(shí)，第八二極管Dm5截止。
[0019]圖2中t3_t4階段，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，電流路徑如圖3d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,第二電感L2經(jīng)第六二極管Dm3繼續(xù)給第五電容Cm3充電,第一電容C1、第二電感L2、第六電容Cm4、第八電容Cm6經(jīng)第三二極管D。共同繼續(xù)給第二電容C。和負(fù)載R供電。t = t4時(shí)，第一電感L1的電流iu和第三電感Lrt的電流相等，第二電感L2的電流L和第四電感Lrf的電流相等。
[0020]圖2中t4_t5階段，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，電流路徑如圖3e所示，直流電源Vin、第一電感L1、第三電感Lrt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(shí)直流電源Vin、第一電感L1、第三電感Lrt、第四電容Cm2、第二電感L2、第四電感Lrf、第六電容Cm4、第八電容Cm6經(jīng)第三二極管D。共同給第二電容C。和負(fù)載R供電。
[0021]圖2中t5_t6階段，開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通，電流路徑如圖3f所示，直流電源Vin經(jīng)開(kāi)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、第四電容Cm2經(jīng)第一二極管D1給第一電容C1充電,第一電容C1經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q給第二電感L2充電,第一電容C1、第二電感L2、第六電容Cm4、第八電容Cm6經(jīng)第三二極管D。共同給第二電容C。和負(fù)載R充電。t =七6時(shí)，第二電感L2 L和第四電感L2的電流、^和降為零。
[0022]圖4示出高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器工作于L2-CCM模式下的仿真電流波形圖，驗(yàn)證了上述理論分析的正確性。
【權(quán)利要求】
1.高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器，其特征在于包括:以直流電源(Vin)、開(kāi)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(L1)'第三電感(Lrt)、第一電容(C1)'第三電容(Cmi)和第四電容(Cm2)構(gòu)成的輸入級(jí)Boost變換器；以第一電容(C1X開(kāi)關(guān)管(Q)、第三二極管(D。)、第六二極管(DM3)、第七二極管(DM4)、第八二極管(DM5)、第九二極管(DM6)、第二電感(L2)、第四電感(D、第五電容(CM3)、第六電容(CM4)、第七電容(CM5)、第八電容(CM6)、第二電容(C。)和負(fù)載(R)構(gòu)成的輸出級(jí)Boost變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器，其特征在于:第一電感(L1)的一端同時(shí)與直流電壓(Vin)的正極、第三電容(Cmi)的負(fù)極相連接,第一電感(L1)的另一端同時(shí)與第四二極管(Dmi)的陽(yáng)極、第二二極管(D2)的陽(yáng)極、第三電感(Lrt)的一端相連接，第三電感(Lr1)的另一端與第四電容(Cm2)的負(fù)極相連接，第三電容(Cmi)的正極同時(shí)與第四二極管(Dmi)的陰極、第五二極管(Dm2)的陽(yáng)極相連接，第四電容(Cm2)的正極同時(shí)與第五二極管(Dm2)的陰極、第一二極管(D1)的正極相連接；第二電感(L2)的一端同時(shí)與第一二極管(D1)的陰極、第一電容(C1)的正極、第五電容(Cm3)的負(fù)極相連接，第二電感(L2)的另一端同時(shí)與第四電感(L2)的一端、開(kāi)關(guān)管(Q)的漏極、第六二極管(Dm3)的陽(yáng)極相連接，第四電感(L2)的另一端與第六電容(Cm4)的負(fù)極相連接，第五電容(Cm3)的正極同時(shí)與第七電容(CM5)、第六二極管(Dm3)的陰極、第七二極管(Dm4)的陽(yáng)極相連接，第六電容(Cm4)的正極同時(shí)與第七二極管(Dm4)的陰極、第八二極管(Dm5)的陽(yáng)極、第八電容(Cm6)的負(fù)極相連，第七電容(Cm5)的正極同時(shí)與第八二極管(Dm5)的陰極、第九二極管(Dm6)的陽(yáng)極相連，第八電容(Cm6)的陽(yáng)極與第九二極管(Dm6)的陰極、第三二極管(D。)的陽(yáng)極相連，負(fù)載(R)的一端同時(shí)與第三二極管(D。)的陰極、第二電容(C。)的正極相連，負(fù)載(R)的另一端同時(shí)與輸入電源(Vin)的負(fù)極、第一電容(C1)的負(fù)極、開(kāi)關(guān)管(Q)的源極、第二電容(C。)的負(fù)極相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器，其特征在于工作模式包括L2-CCM模式和L2-DCM模式，L2-CCM模式中第一電感(L1)的電流和第二電感(L2)的電流均工作于連續(xù)導(dǎo)通模式；L2-DCM模式中第一電感(L1)的電流工作于連續(xù)導(dǎo)通模式而第二電感(L2)的電流工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器，其特征在于:變換器的增益即輸出輸入電壓比為6/(l-D)2，其中D為開(kāi)關(guān)管(Q)開(kāi)通時(shí)間的占空比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器，其特征在于:開(kāi)關(guān)管(Q)的電壓應(yīng)力為輸出電壓的1/3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率高增益低電壓電流應(yīng)力的DC-DC變換器，其特征在于:輸入級(jí)Boost變換器引入第三電感(Lrt)作為諧振電感，輸出級(jí)Boost變換器引入第四電感(Lr2)作為諧振電感。
【文檔編號(hào)】H02M3/10GK103633835SQ201310567931
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)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(jiān), 丘東元, 肖文勛, 黃子田 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)