CN105207471A

CN105207471A - 一种低电压应力高降压dc/dc变换器

Info

Publication number: CN105207471A
Application number: CN201510612667.1A
Authority: CN
Inventors: 邾玢鑫; 任路路; 吴袭; 吴昊; 马鹏姬
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2015-12-30

Abstract

一种低电压应力高降压DC/DC变换器，包含两个功率电感，两个二极管和n个降压单元；所述降压单元由两个功率开关和两个电容组成，两个电容上下串联，上方电容与功率开关的漏极的结点作为第一端口，上方功率开关的源极作为第二端口，下方功率开关的漏极作为第三端口，下方电容与下方功率开关的源极的结点作为第四端口；与现有的降压变换器相比，本发明一种低电压应力高降压DC/DC变换器，设计及实现方案简单，不含有变压器及耦合电感，EMI特性好，输入输出降压比可调且大幅降低开关器件的电压应力，变换器整体工作效率得到了提高。

Description

一种低电压应力高降压DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种直流-直流变换器，具体说是一种低电压应力高降压DC/DC变换器。

背景技术

在现有技术中，基本的两相降压型DC/DC变换器，存在开关器件电压应力过大，损耗大，效率不高等问题，且在某些输入输出降压比大的场合不能满足要求。因此，大量专家学者针对这些问题做了大量研究，并提出了相应的解决方案。总的来说有借助于变压器和耦合电感两种解决方案，其中借助于变压器，在原有的直流-直流变换器中间加入一个高频的变压器，通过改变变压器变比实现大幅降压的目的，但该方案能量转换过程复杂，整个系统的能量转换效率低。采用耦合电感构建的拓扑，由于漏感的存在，开关器件电压应力较大，变换器损耗大。

发明内容

为解决现有变换器工作效率不高，开关器件电压应力高等技术问题，本发明提出一种低电压应力高降压DC/DC变换器，具有低电压应力、高降压能力的特点，同时降压能力可调。

本发明所采用的技术方案是：

一种低电压应力高降压DC/DC变换器，包含第一电感L1、第二电感L2，二极管D1、二极管D2、n个降压单元，第一电感L1和第二电感L2的输出端同时接输出滤波电容Co和负载的正极，第一电感L1和第二电感L2的输入端分别接二极管D1和二极管D2的阴极；

第一电感L1的输入端接第n个降压单元的第二接口，第一电感L1的输入端接第奇数次个降压单元的上下两个电容之间的节点；

第二电感L2的输入端接第偶数次个降压单元的上下两个电容之间的节点；

第n个单元的第三端口同时与二极管D1、二极管D2的阳极相连，其结点同时接输出滤波电容Co和负载的负极；

第一个降压单元的第一端口作为直流源的正极，第一个降压单元的第四端口作为直流源的负极；

第一个降压单元的第二端口接第二个降压单元的第一端口，第一个降压单元的第三端口接第二个降压单元的第四端口，第二个降压单元的第二端口接第三个降压单元的第一端口，第二个降压单元的第三端口接第三个降压单元的第四端口，以次类推，直到第n个降压单元；

其中，降压单元由两个功率开关和两个电容组成，两个电容上下串联，上方电容与上方功率开关的漏极的结点作为降压单元的第一端口，上方功率开关的源极作为降压单元的第二端口，下方功率开关的漏极作为降压单元的第三端口，下方电容与下方功率开关的源极的结点作为降压单元的第四端口；

n为自然数，取值范围为n≥1；

各功率开关的栅极分别接各自的控制器。

一种低电压应力高降压DC/DC变换器，其控制方式为各相功率开关采用交错控制策略，即：奇数次开关和偶数次开关驱动相位之间相差180°。

相比现有技术，本发明一种低电压应力高降压DC/DC变换器，具有如下有益效果：

1）、本发明利用降压单元组成降压网络，实现了1/2n倍于基本Buck降压变换器的输入输出降压比。

2）、电路中开关器件的电压应力得到了有效降低。

3）、与现有的降压变换器相比，不含有变压器和耦合电感，EMI特性好，电路拓扑简单，控制系统设计和实现难度均较低。

4）、变换器可根据具体应用场合的不同而设计采用不同数量的降压单元，扩展了变换器的应用场合。

附图说明

图1是本发明实施方式含有n个降压单元时的一般电路原理图。

图2为本发明实施例仅含四组降压单元的电路原理图。

图3是本发明中所采用的单一降压单元电路图。

图3中：①-第一端口，②-第二端口，③-第三端口，④-第四端口。

具体实施方式

其中，降压单元由两个功率开关和两个电容组成，两个电容上下串联，上方电容与上方功率开关的漏极的结点作为降压单元的第一端口，上方功率开关的源极作为降压单元的第二端口，下方功率开关的漏极作为降压单元的第三端口，下方电容与下方功率开关的源极的结点作为降压单元的第四端口；n为自然数，取值范围为n≥1。

各功率开关的栅极分别接各自的控制器。

实施例：

如图2所示，一种低电压应力高降压DC/DC变换器，由第一电感L1、第二电感L2，两个二极管D1、D2和4个降压单元组成。4个降压单元由八个功率开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8和八个电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8组成。其电路连接关系为：

第一电感L1和第二电感L2的输出端同时接输出滤波电容Co和负载的正极，第一电感L1和第二电感L2的输入端分别接二极管D1和二极管D2的阴极；所有功率开关的栅极分别接各自的控制器。

功率开关S1、S3、S5、S7串联，功率开关S2、S4、S6、S8串联，其中功率开关S1的源极与功率开关S3的漏极相连，S3的源极与功率开关S5的漏极相连，S5的源极与功率开关S7的漏极相连，S8的源极与功率开关S6的漏极相连，S6的源极与功率开关S4的漏极相连，S4的源极与功率开关S2的漏极相连；电容C1、C2串联，C3、C4串联，C5、C6串联，C7、C8串联，其中电容C1、C3、C5、C7位于上方，电容C2、C4、C6、C8位于下方；电容C1和S1的结点作为输入源的正极，电容C2和S2的结点作为输入源的负极；电容C3的上端与功率开关S1、S3串联的结点相连，电容C4的下端与功率开关S2、S4串联的结点相连；电容C5的上端与功率开关S3、S5串联的结点相连，电容C6的下端与功率开关S4、S6串联的结点相连；电容C7的上端与功率开关S5、S7串联的结点相连，电容C8的下端与功率开关S6、S8串联的结点相连；电容C7的上端与功率开关S8的漏极相连，电容C8的下端与功率开关S8的源极相连。

同时第一电感L1的输入端接功率开关S7的源极，二极管D1的阴极和电容C1、C2串联的结点以及电容C5、C6串联的结点；第二电感L2的输入端接二极管D2的阴极，和电容C3、C4串联的结点以及电容C7、C8串联的结点；功率开关S8的漏极和两个二极管D1、D2的阳极的结点同时接输出滤波电容Co和负载的负极。

根据功率开关状态的不同，可以将电路分为3种工作状态：

模态1：控制器控制功率开关S1、S4、S5、S8导通，S2、S3、S6、S7关断，D1导通，D2关断。L1的电流经D1向输出电容和负载放电；L2的电流经D1一部分通过输出电容和负载、S8、C8，一部分通过D1、C5、S5、C7，一部分流经C2和直流源，另一部分流经C1、S1、C3，还有部分通过C4、S4、C6，在这一过程中，L1、C1、C4、C5、C8放电，L2、C2、C3、C6、C7充电，直流源给电容C1、C2充电。

模态2：控制器控制功率开关S1、S3、S5、S7、S2、S4、S6、S8关断，D1、D2导通。该模态，电感L1、L2给输出电容和负载放电。

模态3：控制器控制功率开关S1、S4、S5、S8关断，S2、S3、S6、S7导通，D1关断，D2导通。L2的电流经D2向输出电容和负载放电；L1的电流经D1一部分通过输出电容和负载、S7、C7，一部分通过D2、C8、S6、C6，一部分流经C4、S2、直流源，另一部分流经C3、S3、C5，还有部分通过C4、S2、C2，在这一过程中，L1、C1、C4、C5、C8充电，L2、C2、C3、C6、C7放电，直流源给电容C1、C2充电。

综上所述，本发明所提拓扑电路开关器件电压应力低，并且降压比可调，可灵活应用于对降压能力要求高的场合。实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而采用了具有4组降压单元的高降压比的DC/DC变换器，在实际的应用中，能够根据实际应用情况合理选择倍压单元的个数，以达到优化效率和成本的目的。

Claims

1.一种低电压应力高降压DC/DC变换器，包含第一电感L1、第二电感L2，二极管D1、二极管D2、n个降压单元，其特征在于，第一电感L1和第二电感L2的输出端同时接输出滤波电容Co和负载的正极，第一电感L1和第二电感L2的输入端分别接二极管D1和二极管D2的阴极；

n为自然数，取值范围为n≥1；

各功率开关的栅极分别接各自的控制器。

2.根据权利要求1所述一种低电压应力高降压DC/DC变换器，其特征在于，奇数次开关和偶数次开关驱动相位之间相差180°。