CN110299836A - 一种基于增益单元的同步控制升压变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于增益单元同步控制升压变换器，其增益单元的电容电压逐级升高，电容电压纹波对其增益的影响较低。该增益单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元，二极管的阳极端作为第一端口，电容一端与二极管的阴极的结点作为第二端口，电容的另一端作为第三端口。电路中每增加一个增益单元，均可提高一倍增益，可以拓展到n倍的增益比，能够满足很多高升压场合。与现有的技术相比，本发明的变换器由于采用同一PWM波控制信号的同步控制。简化了控制策略的设计，同时不存在隔离变压器、不存在耦合电感，开关和二极管的电流应力和电压应力也得到了降低，提高了变换器的整体工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及直流-直流变换器领域，更具体地，涉及一种基于增益单元的同步控制升压变换器。
背景技术
现有技术中，传统boost变换器增益比较小，其升压能力不高等问题使得该类变换器不足以胜任于输入输出电压比较大的应用场合，如光伏电池并网，储能系统，燃料电池以及电动汽车等综合能源领域。但交错并联型DC/DC变换器的控制策略又较为复杂。因此迫切需要研究一种具备高升压能力且控制策略简单的DC/DC变换器。目前，借助耦合电感和隔离变压器都可以实现高升压，但耦合电感存在着漏感、开关器件电压应力较高，电流纹波较大等问题，使得变换器效率降低。虽然针对耦合电感漏感问题提出过添加辅助电路或者元器件解决方案，但该类拓扑结构复杂且难于控制。而隔离变压器通过增加匝数比实现高升压，但变压器随着变比的增加其漏感和设计难度也会相应增大，而且损耗较高。另外，也有引入开关电容来实现高升压的变换器，但该类拓扑普遍存在开关器件多、电流应力较高、高损耗等缺点。同时现阶段也有很多利用增益单元提高升压能力的拓扑，但该类拓扑受增益单元电容电压纹波的影响较大，一方面也限制了其高增益。
发明内容
本发明提供一种基于增益单元的同步控制升压变换器，该变换器通过调整不同的增益单元个数可以实现不同的高升压能力和元器件电压应力的调节。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于增益单元的同步控制升压变换器，包括第一功率开关S1、第二功率开关S2、第一电感L1、第二电感L2，n个增益单元，其中n个增益单元包含n个电容C0、C1、C2...Cn-1，n个二极管D0、D1、D2...Dn-1；
所述增益单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元，二极管的阳极端作为第一端口，电容一端与二极管的阴极的结点作为第二端口，电容的另一端作为第三端口，第一增益单元由电容C0和二极管D0组成，依次类推，第n-1增益单元由电容Cn-1和二极管Dn-1组成；
第一电感L1的输入端接输入电源的正极，输出端依次连接第一增益单元的第一端口、第2、4...n-2增益单元的第三端口；第二功率开关S2漏极接电源的正极，第二功率开关S2源极依次连接第1、3...n-1增益单元的第三端口；
n个增益单元的连接关系为：第一增益单元的第二端口接第二增益单元的第一端口，第二增益单元的第二端口接第三增益单元的第一端口；以此类推到第n-1增益单元的第二端口接第n增益单元的第一端口，第n增益单元的第二端口接负载RL的正极，负载RL的负极接输入电源的负极；
电感L1输出端和第一增益单元的第一端口的结点与输入电源的负极之间接功率开关S1，功率开关S1源极接输入电源的负极，功率开关S1漏极与第一增益单元的第一端口相连；功率开关S2源极和第一增益单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接电感L2，电感L2输出端接输入电源的负极，电感L2输入端与第一增益单元的第三端口相连；第一功率开关S1和第二功率开关S2的栅极接同一控制器的PWM波控制信号。
进一步地，每增加一增益单元数，均可提高原基础上1倍的基础增益，输出电压与输入电压的比值为：
其中D为占空比，n为增益单元数，uin为升压变换器的输入电压，u0为升压变换器的输出电压。
进一步地，当n为4时，该升压变换器的一种工作状态为：功率开关S1、S2均导通，此时低压电源通过功率开关S2、二极管D2、电感L2向电容C2充电，给C1放电，通过二极管Do给电容C3放电，同时向负载RL供电；二极管D1、D3均关断。
进一步地，当n为4时，该升压变换器的另一种工作状态为：控制器控制功率开关S1、S2关断，此时低压电源通过电感L1、二极管D1、电感L2向电容C1充电，通过二极管D3向电容C3充电，给C2放电电容，二极管D2、D0均关断，电容C0给负载RL供电。
进一步地，第一功率开关S1和第二功率开关S2的栅极接同一控制器的PWM波控制信号，开关同时导通、关断。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明利用电压逐级升高的增益单元电容来实现高升压能力，该变换器与现有技术相比，不存在耦合电感，不存在变压器，具有良好的应用前景；
2、该变换器由于采用同步控制，相较于该类其他变换器使用的交错并联结构，需要调制180°相移或更为复杂控制，增加了驱动和控制电路设计的复杂度；
3、该变换器可以通过调节增益单元的个数实现开关管和二极管电压应力的调节，在应用于不同场合时，可以灵活调节增益单元的个数来实现所需增益比和元器件所能承受的电压应力的调节。
附图说明
图1是本发明电路原理图；
图2是本发明电路含有4个增益单元时的电路拓扑图；
图3是本发明电路的增益单元结构图；
图4是本发明电路在含有4个增益单元时的电路仿真测试波形。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种基于增益单元的同步控制升压变换器，包括第一功率开关S1、第二功率开关S2、第一电感L1、第二电感L2，n个增益单元，其中n个增益单元包含n个电容C0、C1、C2...Cn-1，n个二极管D0、D1、D2...Dn-1；
所述增益单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元，二极管的阳极端作为第一端口，电容一端与二极管的阴极的结点作为第二端口，电容的另一端作为第三端口，第一增益单元由电容C0和二极管D0组成，依次类推，第n-1增益单元由电容Cn-1和二极管Dn-1组成；
第一电感L1的输入端接输入电源的正极，输出端依次连接第一增益单元的第一端口、第2、4...n-2增益单元的第三端口；第二功率开关S2漏极接电源的正极，第二功率开关S2源极依次连接第1、3...n-1增益单元的第三端口；
n个增益单元的连接关系为：第一增益单元的第二端口接第二增益单元的第一端口，第二增益单元的第二端口接第三增益单元的第一端口；以此类推到第n-1增益单元的第二端口接第n增益单元的第一端口，第n增益单元的第二端口接负载RL的正极，负载RL的负极接输入电源的负极；
电感L1输出端和第一增益单元的第一端口的结点与输入电源的负极之间接功率开关S1，功率开关S1源极接输入电源的负极，功率开关S1漏极与第一增益单元的第一端口相连；功率开关S2源极和第一增益单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接电感L2，电感L2输出端接输入电源的负极，电感L2输入端与第一增益单元的第三端口相连；第一功率开关S1和第二功率开关S2的栅极接同一控制器的PWM波控制信号。
每增加一增益单元数，均可提高原基础上1倍的基础增益，输出电压与输入电压的比值为：
其中D为占空比，n为增益单元数，uin为升压变换器的输入电压，u0为升压变换器的输出电压。
当n为4时，该升压变换器的一种工作状态为：功率开关S1、S2均导通，此时低压电源通过功率开关S2、二极管D2、电感L2向电容C2充电，给C1放电，通过二极管Do给电容C3放电，同时向负载RL供电；二极管D1、D3均关断。
当n为4时，该升压变换器的另一种工作状态为：控制器控制功率开关S1、S2关断，此时低压电源通过电感L1、二极管D1、电感L2向电容C1充电，通过二极管D3向电容C3充电，给C2放电电容，二极管D2、D0均关断，电容C0给负载RL供电。
第一功率开关S1和第二功率开关S2的栅极接同一控制器的PWM波控制信号，开关同时导通、关断。
实施例2
如图2所示，一种4个增益单元的DC/DC变换器，它包含4个增益单元，2个功率开关S1、S2，2个电感L1、L2，4个电容C0、C1、C2、C3，4个二极管D0、D1、D2、D3；
其中：电感L1的输入端接输入电源的正极，输出端依次连接第一增益单元的第一端口、第2增益单元的第三端口；功率开关S2的漏极接输入电源的正极，源极接第1、3增益单元的第三端口。
4个增益单元的连接关系为：第一增益单元的第二端口接第二增益单元的第一端口，第二增益单元的第二端口接第三增益单元的第一端口，第三增益单元的第二端口接第四增益单元的第一端口，第四增益单元的第二端口接负载RL的正极，负载RL的负极接输入电源的负极。
电感L1输出端和第一增益单元的第一端口的结点与输入电源的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接输入电源的负极，第一功率开关S1漏极与第一增益单元的第一端口相连；功率开关S2的源极和第一增益单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接电感L2输入端，电感L2输出端接输入电源的负极，电感L2输入端与第一增益单元的第三端口相连。2个功率开关S1、S2的栅极接同一控制器的PWM波控制信号。
根据功率开关状态的不同，可以将电路分为两种工作状态：
(1)、功率开关S1、S2均导通，此时低压电源通过功率开关S2、二极管D2、电感L2向电容C2充电，给C1放电，通过二极管Do给电容C3放电，同时向负载RL供电；二极管D1、D3均关断；
(2)、控制器控制功率开关S1、S2关断，此时低压电源通过电感L1、二极管D1、电感L2向电容C1充电，通过二极管D3向电容C3充电，给C2放电电容，二极管D2、D0均关断，
电容Co给负载RL供电。
仿真参数：交流电源频率f＝50kHz，额定功率Po＝400W，输入电压uin幅值为30V直流电压，占空比D＝0.7，输出直流电压uo＝400V。从图4可以看出功率开关S1、S2采用的是同一PWM控制信号，开关同时导通、关断，输出电压达到400VDC，功率开关和和二极管的电压应力也较小。
在本发明的具体实施方式中，采用同步控制，简化了控制策略，同时使用的增益单元中电容电压逐级升高，受电容电压纹波的影响较小，功率开关和二极管可根据系统中所需直流母线电压的大小调节增益单元的个数来选择合适电压应力的开关器件。该变换器输入端可连接升压比较高的电压供电模块(光伏电池、燃料电池等)，输入输出电压均可控，元器件电压应力可调。
综上所述，该电路拓扑控制策略简单，升压能力强，器件电压应力较低,易于控制，适合应用于一些输入输出电压差较大的场合。
实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而采用了具有四个增益单元的高升压交错并联DC/DC变换器，在实际的应用中，可根据现场情况合理选择增益单元的个数来达到所需关于增益和器件应力等指标。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于增益单元的同步控制升压变换器，其特征在于，包括第一功率开关S1、第二功率开关S2、第一电感L1、第二电感L2，n个增益单元，其中n个增益单元包含n个电容C0、C1、C2...Cn-1，n个二极管D0、D1、D2...Dn-1；
所述增益单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元，二极管的阳极端作为第一端口，电容一端与二极管的阴极的结点作为第二端口，电容的另一端作为第三端口，第一增益单元由电容C0和二极管D0组成，依次类推，第n-1增益单元由电容Cn-1和二极管Dn-1组成；
第一电感L1的输入端接输入电源的正极，输出端依次连接第一增益单元的第一端口、第2、4...n-2增益单元的第三端口；第二功率开关S2漏极接电源的正极，第二功率开关S2源极依次连接第1、3...n-1增益单元的第三端口；
n个增益单元的连接关系为：第一增益单元的第二端口接第二增益单元的第一端口，第二增益单元的第二端口接第三增益单元的第一端口；以此类推到第n-1增益单元的第二端口接第n增益单元的第一端口，第n增益单元的第二端口接负载RL的正极，负载RL的负极接输入电源的负极；
电感L1输出端和第一增益单元的第一端口的结点与输入电源的负极之间接功率开关S1，功率开关S1源极接输入电源的负极，功率开关S1漏极与第一增益单元的第一端口相连；功率开关S2源极和第一增益单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接电感L2，电感L2输出端接输入电源的负极，电感L2输入端与第一增益单元的第三端口相连；第一功率开关S1和第二功率开关S2的栅极接同一控制器的PWM波控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于增益单元的同步控制升压变换器，其特征在于，每增加一增益单元数，均可提高原基础上1倍的基础增益，输出电压与输入电压的比值为：
其中D为占空比，n为增益单元数，uin为升压变换器的输入电压，u0为升压变换器的输出电压。
3.根据权利要求2所述的基于增益单元的同步控制升压变换器，其特征在于，当n为4时，该升压变换器的一种工作状态为：功率开关S1、S2均导通，此时低压电源通过功率开关S2、二极管D2、电感L2向电容C2充电，给C1放电，通过二极管Do给电容C3放电，同时向负载RL供电；二极管D1、D3均关断。
4.根据权利要求2所述的基于增益单元的同步控制升压变换器，其特征在于，当n为4时，该升压变换器的另一种工作状态为：控制器控制功率开关S1、S2关断，此时低压电源通过电感L1、二极管D1、电感L2向电容C1充电，通过二极管D3向电容C3充电，给C2放电电容，二极管D2、D0均关断，电容C0给负载RL供电。
5.根据权利要求3-4任一项所述的基于增益单元的同步控制升压变换器，其特征在于，第一功率开关S1和第二功率开关S2的栅极接同一控制器的PWM波控制信号，开关同时导通、关断。
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