雙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(shí)用新型提供雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器。本實(shí)用新型以直流電源、開關(guān)管、第一二極管、第二二極管、第四二極管、第五二極管、第一耦合電感、第一電容、第二電容和第五電容構(gòu)成的帶耦合電感的輸入級(jí)Boost變換器；以第二電容、開關(guān)管、第三二極管、第六二極管、第七二極管、第三電容、第四電容、第六電容、第二耦合電感和負(fù)載構(gòu)成的帶有耦合電感的輸出級(jí)Boost變換器。輸入Boost變換器和輸出Boost變換器均采用耦合電感，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)二極管的零電流關(guān)斷。該變換器增益極高，可達(dá)到(2+N1)(2+N2)/(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+N2)。
【專利說(shuō)明】雙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(shí)用新型涉及高增益非隔離型DC-DC變換器領(lǐng)域，具體涉及一種雙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(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變換器主要有開關(guān)電容型、開關(guān)電感型，通過(guò)增加開關(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若不加以控制，會(huì)增加開關(guān)管的電壓應(yīng)力和能量損耗。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器變換器。
[0004]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下。
[0005]雙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、第一耦合電感、第一電容、第二電容和第五電容構(gòu)成的帶耦合電感的輸入級(jí)Boost變換器；以第二電容、開關(guān)管、第三二極管、第六二極管、第七二極管、第三電容、第四電容、第六電容、第二耦合電感和負(fù)載構(gòu)成的帶有耦合電感的輸出級(jí)Boost變換器。
[0006]所述變換器中，直流電壓的正極與第一稱合電感原邊的一端連接，第一稱合電感原邊的另一端與第一耦合電感副邊的非同名端、第二二極管的陽(yáng)極、第四二極管的陽(yáng)極連接，第一耦合電感副邊的另一端與第一電容的負(fù)極連接，第四二極管的陰極與第五二極管的陽(yáng)極、第五電容的陽(yáng)極連接，第一電容的正極與第一二極管的陽(yáng)極、第五二極管的陰極連接，第一二極管的陰極與第二電容的正極、第六電容的負(fù)極、第二耦合電感的原邊的一端連接，第二耦合電感的原邊的另一端與開關(guān)管的漏極、第二二極管的陰極、第六二極管的陽(yáng)極、第二耦合電感的副邊的非同名端連接，第二耦合電感的副邊的另一端與第三電容的負(fù)極連接，第六電容的正極與第六二極管的陰極、第七二極管的陽(yáng)極連接，第七二極管的陰極與第三電容的正極、第三二極管的陽(yáng)極連接，第三二極管的陰極與第四電容的正極、負(fù)載的一端連接，負(fù)載的另一端與直流電壓的負(fù)極、第五電容的負(fù)極、第二電容的負(fù)極、開關(guān)管的源極、第四電容的負(fù)極連接。
[0007]當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，直流電源給第一耦合電感的原邊充電，第一耦合電感的原邊通過(guò)副邊的感應(yīng)和第五電容共同給第一電容充電，第二電容給第二耦合電感的原邊充電，第一耦合電感的原邊通過(guò)副邊的感應(yīng)、第二電容和第六電容共同給第三電容充電，同時(shí)第四電容給負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，直流電源和第一耦合電感的原邊共同給第五電容充電，第二稱合電感的原邊給第六電容充電，同時(shí)直流電源、第一稱合電感的原邊、副邊、第一電容、第二耦合電感的原邊、副邊、第三電容共同給第四電容和負(fù)載供電。
[0008]變換器的工作模式包括第一耦合電感的電流和第二耦合電感的電流均工作于連續(xù)導(dǎo)通模式(C2-CCM模式)、第一耦合電感的電流工作于連續(xù)導(dǎo)通模式而第二耦合電感的電流工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式(C2-DCM模式)。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的優(yōu)勢(shì)為:增益為(2+NJ (2+N2)/(1-D)2，且開關(guān)管的電壓應(yīng)力低，僅為輸出電壓的1/(2+Ν2)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通，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。與開關(guān)電容型和開關(guān)電感型相比，實(shí)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(jìn)一步提高電壓，降低開關(guān)管的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本實(shí)用新型的雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2是圖1所示的雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器的等效電路圖；
[0012]圖3是圖1所示的雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器工作于C2-CCM模式下關(guān)鍵電流波形圖；
[0013]圖4a?圖4g分別是圖1所示的雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器工作于C2-CCM模式下的七種工作模態(tài)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的內(nèi)容和特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施進(jìn)行說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施不限于此。
[0015]參考圖1，本實(shí)用新型的雙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Dca、第五二極管Drt、第一耦合電感(nn:n12)、第一電容C1、第二電容C2和第五電容Cel構(gòu)成的帶稱合電感的輸入級(jí)Boost變換器；以第二電容C2、開關(guān)管Q、第三二極管D。、第六二極管De2、第七二極管Drf、第三電容C3、第四電容C。、第六電容Cci2、第二耦合電感(n21:n22)和負(fù)載R構(gòu)成的帶有耦合電感的輸出級(jí)Boost變換器。其中，直流電壓Vin的正極與第一I禹合電感(nn:n12)原邊nn的一端連接，第一稱合電感(ηη:η12)原邊ηη的另一端與第一稱合電感(nn:η12)副邊η12的非同名端、第二二極管D2的陽(yáng)極、第四二極管Del的陽(yáng)極連接，第一耦合電感(η11:η12)副邊η12的另一端與第一電容C1的負(fù)極連接，第四二極管Dca的陰極與第五二極管Drt的陽(yáng)極、第五電容Cca的陽(yáng)極連接，第一電容C1的正極與第一二極管D1的陽(yáng)極、第五二極管Dri的陰極連接，第一二極管D1的陰極與第二電容C2的正極、第六電容Cci2的負(fù)極、第二耦合電感(η21:η22)的原邊n21的一端連接，第二耦合電感(n21:n22)的原邊n21的另一端與開關(guān)管Q的漏極、第二二極管D2的陰極、第六二極管De2的陽(yáng)極、第二耦合電感(n21:n22)的副邊n22的非同名端連接，第二耦合電感(n21:n22)的副邊n22的另一端與第三電容C3的負(fù)極連接，第六電容Ce2的正極與第六二極管De2的陰極、第七二極管Drt的陽(yáng)極連接，第七二極管Du的陰極與第三電容C3的正極、第三二極管D。的陽(yáng)極連接，第三二極管D。的陰極與第四電容C。的正極、負(fù)載R的一端連接，負(fù)載R的另一端與直流電壓Vin的負(fù)極、第五電容Cca的負(fù)極、第二電容C2的負(fù)極、開關(guān)管Q的源極、第四電容C。的負(fù)極連接。變換器的增益即輸出輸入電壓比為(2+NJ (2+N2)/(1-D)2，其中D為開關(guān)管(Q)開通時(shí)間的占空比，N1和隊(duì)分別為第一耦合電感(n21:n22)和第二耦合電感(n21:n22)的副邊與原邊的匝數(shù)比。
[0016]下面以圖1為主電路結(jié)構(gòu)，以圖2所示等效電路為對(duì)象，結(jié)合圖3、圖4a~圖4g敘述本實(shí)用新型的具體工作原理。以變換器工作在C2-CCM模式為例進(jìn)行說(shuō)明，圖中帶箭頭的虛線為電流路徑，不帶箭頭的虛線表示未導(dǎo)通的器件和線路。
[0017]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(guò)開關(guān)管Q和第二二極管02給第一耦合電感(n11:n12)的原邊nn的勵(lì)磁電感Lnil和漏感Lkll充電，第一耦合電感(η11:η12)的原邊ηη經(jīng)副邊η12感應(yīng)和第五電容Cca通過(guò)開關(guān)管Q和第二二極管D2共同給第一電容C1充電；第二電容C2通過(guò)開關(guān)管Q給第二稱合電感(η21:η22)的原邊1?的勵(lì)磁電感L1112和漏感Lk21充電，第二耦合電感(n21:n22)的原邊n21通過(guò)副邊n22感應(yīng)、第二電容C2和第六電容Cci2共同給第三電容C3充電；同時(shí)，第四電容C。給負(fù)載R供電。
[0018]圖3中t「t2階段，開關(guān)管Q關(guān)斷，電流路徑如圖4b所示，直流電源Vin和第一耦合電感(nn:n12)的原邊ηη的漏感Lkll通過(guò)第四二極管Del共同給第五電容Cel充電,第一I禹合電感(η11:η12)的副邊η12的漏感Lkl2通過(guò)第四二極管Del和第五二極管Drt給第一電容C1充電；第二耦合電感(η21:η22)的原邊n21的漏感Lk21通過(guò)第六二極管De2給第六電容Ce2充電，第二耦合電感(n21:n22)的副邊n22的漏感Lk22通過(guò)第六二極管De2和第七二極管Drt給第三電容C3充電；同時(shí)，第四電容C。給負(fù)載R供電。t = t2時(shí)，第一耦合電感(n11:n12)的副邊n12的漏感Lkl2的電流im2和第二耦合電感(n21:n22)的副邊n22的漏感Lk22的電流Iut22均降為零。
[0019]圖3中t2_t3階段， 開關(guān)管Q繼續(xù)關(guān)斷，電流路徑如圖4c所示，直流電源Vin和第一耦合電感(n11:n12)的原邊H11的漏感Lkll通過(guò)第四二極管Dca共同繼續(xù)給第五電容Ccl充電，第一I禹合電感(nn:n12)的原邊ηη通過(guò)副邊η12感應(yīng)和第一電容C1共同給第一二極管D1提供導(dǎo)通電流和給第五二極管Drt提供反向恢復(fù)電流；第二耦合電感(η21:η22)的原邊n21的漏感Lk21通過(guò)第六二極管De2繼續(xù)給第六電容Ce2充電,第二稱合電感(n21:n22)的原邊n21通過(guò)副邊H22感應(yīng)和第三電容C3共同給第三二極管D。提供導(dǎo)通電流和給第七二極管Drf提供反向恢復(fù)電流；同時(shí)，第四電容C。給負(fù)載R供電。第一I禹合電感(nn:n12)的副邊n12的漏感Lkl2的電流Iud2和第二耦合電感(n21:n22)的副邊n22的漏感Lk22的電流im2均反向增大。t=t3時(shí)，第五二極管Drt和第七二極管Drf完全關(guān)斷，第一二極管D1和第三二極管D。完全開通。
[0020]圖3中t3_t4階段，開關(guān)管Q繼續(xù)關(guān)斷，電流路徑如圖4d所示，直流電源Vin和第一耦合電感(n11:n12)的原邊H11的漏感Lkll通過(guò)第四二極管Del共同繼續(xù)給第五電容Cel充電，直流電源Vin、第一f禹合電感(nn:n12)的原邊nn、第一稱合電感(nn:n12)的原邊ηη通過(guò)副邊η12感應(yīng)和第一電容C1通過(guò)第一二極管D1共同給第二電容C2充電；第二稱合電感(η21:η22)的原邊n21的漏感Lk21通過(guò)第六二極管De2繼續(xù)給第六電容(；2充電，第二電容C2、第二耦合電感(n21:n22)的原邊n21、第二稱合電感(n21:n22)的原邊n21通過(guò)副邊n22感應(yīng)和第三電容C3通過(guò)第三二極管D。共同給第四電容C。和負(fù)載R供電。t = t5時(shí),第一I禹合電感(nn:n12)的原邊ηη的漏感Lkll的電流Iudl等于第一耦合電感(η11:η12)的副邊η12的漏感Lkl2的電流iLkiy第二稱合電感(1?:1?)的原邊n21的漏感Lk21的電流Iilj521等于第二稱合電感(n21:n22)的副邊n22的漏感Lk22的電流。2。
[0021]圖3中t4_t5階段，開關(guān)管Q繼續(xù)關(guān)斷，電流路徑如圖4e所示，直流電源Vin、第一率禹合電感(nn:n12)的原邊ηη、第一稱合電感(ηη:η12)的原邊ηη經(jīng)副邊η12感應(yīng)和第一電容C1通過(guò)第一二極管D1共同給第二電容C2充電；第二電容C2、第二稱合電感(η21:η22)的原邊n21、第二稱合電感(η21:η22)的原邊n21經(jīng)副邊n22感應(yīng)和第三電容C3通過(guò)第三二極管D。共同給第四電容C。和負(fù)載R供電。
[0022]圖3中t5_t6階段，開關(guān)管Q開通，電流路徑如圖4f所示，直流電源Vin通過(guò)開關(guān)管Q和第二二極管02給第一耦合電感(n11:n12)的原邊nn的勵(lì)磁電感Lnil和漏感Lkll充電，第一率禹合電感(ηη:η12)的原邊ηη通過(guò)副邊η12的感應(yīng)和和第一電容C1通過(guò)第一二極管D1共同給第二電容C2充電；第二電容C2通過(guò)開關(guān)管Q給第二耦合電感(η21:η22)的原邊n21的勵(lì)磁電感L1112和漏感Lk21充電，第二耦合電感(n21:n22)的原邊n21通過(guò)副邊n22感應(yīng)和第三電容C3通過(guò)第三二極管D。共同給第四電容C。和負(fù)載R供電。
[0023]圖3中t6_t7階段，開關(guān)管Q繼續(xù)開通，電流路徑如圖4g所示，直流電源Vin通過(guò)開關(guān)管Q和第二二極管D2繼續(xù)給第一耦合電感(n11:n12)的原邊nn的勵(lì)磁電感Lnil和漏感Lkll充電，第二電容C2通過(guò)開關(guān)管Q繼續(xù)給第二耦合電感(η21:η22)的原邊n21的勵(lì)磁電感Lni2和漏感Lk21充電；第五電容Cel給第五二極管Drt提供導(dǎo)通電流,第二電容C2給第一二極管D1提供反向恢復(fù)電流；第二電容C2和第六電容Cci2共同給第七二極管Drf提供導(dǎo)通電流，第四電容C。給第三二極管D。提供反向恢復(fù)電流。
【權(quán)利要求】
1.雙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(Del)、第五二極管(Drt)、第一耦合電感(nn:n12)、第一電容(C:)、第二電容(C2)和第五電容(Cel)構(gòu)成的帶稱合電感的輸入級(jí)Boost變換器；以第二電容(C2)、開關(guān)管(Q)、第三二極管(D。)、第六二極管(De2)、第七二極管(DJ、第三電容(C3)、第四電容(C。)、第六電容(Ce2)、第二耦合電感(n21:n22)和負(fù)載(R)構(gòu)成的帶有耦合電感的輸出級(jí)Boost變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器，其特征在于:直流電壓(Vin)的正極與第一稱合電感(nn:n12)原邊(nn)的一端連接,第一稱合電感(nn:n12)原邊(ηη)的另一端與第一耦合電感(η11:η12)副邊(η12)的非同名端、第二二極管(D2)的陽(yáng)極、第四二極管(Dca)的陽(yáng)極連接，第一耦合電感(η11:η12)副邊(η12)的另一端與第一電容(C1)的負(fù)極連接，第四二極管(Del)的陰極與第五二極管(Drt)的陽(yáng)極、第五電容(Cca)的陽(yáng)極連接，第一電容(C1)的正極與第一二極管(D1)的陽(yáng)極、第五二極管(Drt)的陰極連接，第一二極管(D1)的陰極與第二電容(C2)的正極、第六電容(Ce2)的負(fù)極、第二耦合電感(η21:η22)的原邊(η21)的一端連接,第二稱合電感(η21:η22)的原邊(η21)的另一端與開關(guān)管(Q)的漏極、第二二極管(D2)的陰極、第六二極管(Dc2)的陽(yáng)極、第二耦合電感(n21: η22)的副邊(η22)的非同名端連接，第二稱合電感(n21:n22)的副邊(n22)的另一端與第三電容(C3)的負(fù)極連接,第六電容(Cci2)的正極與第六二極管(De2)的陰極、第七二極管(Drt)的陽(yáng)極連接，第七二極管(Dr2)的陰極與第三電容(C3)的正極、第三二極管(D。)的陽(yáng)極連接，第三二極管(D。)的陰極與第四電容(C。)的正極、負(fù)載(R)的一端連接，負(fù)載(R)的另一端與直流電壓(Vin)的負(fù)極、第五電容(Cca)的負(fù)極、第二電容(C2)的負(fù)極、開關(guān)管(Q)的源極、第四電容(C。)的負(fù)極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器，其特征在于工作模式包括C2-CCM模式和C2-DCM模式，C2-CCM模式中第一耦合電感(n21:n22)的電流和第二率禹合電感(n21:n22)的電流均工作于連續(xù)導(dǎo)通模式；C2-DCM模式中第一稱合電感(nn:n12)的電流工作于連續(xù)導(dǎo)通模式而第二耦合電感(η21:η22)的電流工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙耦合電感的高效率高增益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(2+NJ (2+N2)/(l-D)2，其中D為開關(guān)管(Q)開通時(shí)間的占空比，N1和N2分別為第一稱合電感(n21:n22)和第二稱合電感(n21:n22)的副邊與原邊的阻數(shù)比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙耦合電感的高效率高增益DC-DC變換器，其特征在于:開關(guān)管(Q)的電壓應(yīng)力為輸出電壓的1/(2+Ν2);開關(guān)管(Q)實(shí)現(xiàn)零電流開通，各二極管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK203691247SQ201420056502
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】張波, 付堅(jiān), 丘東元 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)