一種帶有開關(guān)電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種帶有開關(guān)電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器，包括直流輸入電源、第一電感、第一二極管、耦合電感、第一電容、第二二極管、開關(guān)管、第三二極管、第二電容、第四二極管、第三電容、第五二極管、第四電容、第六二極管、第五電容、第七二極管、第八二極管、第一輸出電容、第二輸出電容和負(fù)載。本實(shí)用新型驅(qū)動(dòng)電路與主電路共地且只有一個(gè)開關(guān)管，控制電路簡單，在低占空比下實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓增益，既減小了輸入電流和輸出電壓紋波又降低了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力以及開通損耗，同時(shí)電路所需的耦合電感匝比小，避免了磁芯元件的飽和問題。本實(shí)用新型非常適合應(yīng)用于低壓輸入、高壓輸出的場(chǎng)合。
【專利說明】一種帶有開關(guān)電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及DC/DC變換器的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種帶有開關(guān)電容和耦合電 感的二次型高增益升壓變換器。

【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能光伏板、燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容等輸出12V?35V的低直流電壓，為 了能夠并網(wǎng)通常需要一級(jí)升壓變換器將其升壓至370V?400V。傳統(tǒng)的BOOST變換器的增 益隨著占空比增大，增益急速下降，嚴(yán)重影響了輸出電壓和效率。而傳統(tǒng)的反激變換器一般 工作在斷續(xù)模式，并且漏感對(duì)開關(guān)管的影響大。傳統(tǒng)的二次型BOOST變換器的增益比較高， 但是增益受到占空比的限制，占空比增大時(shí)，輸出電壓和效率均受到嚴(yán)重影響。因此傳統(tǒng)的 變換器如BOOST變換器，反激變換器以及二次型BOOST變換器均不適用于低電壓輸入和高 電壓輸出的場(chǎng)合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理可靠、占空比小、 耦合電感匝比小、性能優(yōu)越的帶有開關(guān)電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器，能很 好地滿足一般低輸入高輸出系統(tǒng)的要求。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為：一種帶有開關(guān)電容和耦合電 感的二次型高增益升壓變換器，包括有直流輸入電源、第一電感、第一二極管、耦合電感、第 一電容、第二二極管、開關(guān)管、第三二極管、第二電容、第四二極管、第三電容、第五二極管、 第四電容、第六二極管、第五電容、第七二極管、第八二極管、第一輸出電容、第二輸出電容 和負(fù)載；其中，所述直流輸入電源的正極端與第一電感的一端連接，其負(fù)極端分別與第一電 容的一端、開關(guān)管的源極、第一輸出電容的一端和負(fù)載的負(fù)極端連接；所述第一電感的另 一端分別與第一二極管的陽極和第二二極管的陽極連接；所述耦合電感的原邊的異名端 分別與第一二極管的陰極、開關(guān)管的漏極和第三二極管的陽極連接，其原邊的同名端分別 與第二二極管的陰極和第一電容的另一端連接，其副邊的異名端分別與第二電容的一端、 第四電容的一端、第五二極管的陰極連接，其副邊的同名端分別與第三電容的一端、第六二 極管的陽極和第五電容的一端連接；所述第三電容的另一端分別與第四二極管的陰極和第 五二極管的陽極連接；所述第四電容的另一端分別與第六二極管的陰極和第七二極管的陽 極連接；所述第七二極管的陰極分別與第五電容的另一端和第八二極管的陽極連接；所述 第八二極管的陰極分別與第二輸出電容的一端和負(fù)載的正極端連接；所述第二輸出電容的 另一端分別與第一輸出電容的另一端、第三二極管的陰極、第四二極管的陽極和第二電容 的另一端連接。
[0005] 所述耦合電感由原邊漏感以及理想變壓器的原邊和副邊組成。
[0006] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：
[0007] 1、驅(qū)動(dòng)電路與主電路共地且只有一個(gè)開關(guān)管，控制電路簡單且增益由占空比和耦 合電感的匝比所決定，很好地滿足了一般低輸入高輸出系統(tǒng)的要求；
[0008] 2、本實(shí)用新型所需的占空比和耦合電感匝比均較小，占空比小，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí) 間短，輸入電流峰值低，輸入電流紋波和輸出電壓紋波都減小，同時(shí)也避免了開關(guān)管長時(shí)間 導(dǎo)通導(dǎo)致開通損耗大的問題，匝比小，避免了由于磁芯因匝比過高導(dǎo)致線性度變差的問題， 且由于耦合電感的存在，既增加了輸出電壓增益，又有效抑制了二極管反向恢復(fù)電流，減小 損耗；
[0009] 3、與傳統(tǒng)的反激變換器不同，本實(shí)用新型中的漏感得到了有效回收，削弱了開關(guān) 管的關(guān)斷電壓尖峰，減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，提高了變換效率，而且EMI影響也大大減 小，同時(shí)本實(shí)用新型中其它半導(dǎo)體器件的電壓應(yīng)力也得到了減小，使得低壓大電流的半導(dǎo) 體器件得以應(yīng)用；
[0010] 4、本實(shí)用新型具有高效率和高升壓比，非常適合應(yīng)用于低壓輸入、高壓輸出的場(chǎng) 合，如燃料電池、光伏發(fā)電等系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本實(shí)用新型的電路原理圖。
[0012] 圖2為一個(gè)開關(guān)周期主要元件的電流波形圖。
[0013] 圖3a為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之一。
[0014] 圖3b為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之二。
[0015] 圖3c為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之三。
[0016] 圖3d為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之四。
[0017] 圖3e為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之五。
[0018] 圖4為本實(shí)用新型電路、Flyback和二次型BOOST的VQ/Vin隨占空比D變化的波形 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0020] 如圖1所示，本實(shí)施例所述的帶有開關(guān)電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換 器，包括有直流輸入電源vin、第一電感、第一二極管Di、稱合電感T、第一電容Ci、第二二 極管D2、開關(guān)管S、第三二極管D3、第二電容C2、第四二極管D4、第三電容C3、第五二極管D5、 第四電容c4、第六二極管d6、第五電容c5、第七二極管d7、第八二極管d8、第一輸出電容C。^、 第二輸出電容c；ut2和負(fù)載；其中，所述耦合電感T由原邊漏感LPK以及理想變壓器的原邊Ni 和副邊N2組成；所述直流輸入電源Vin的正極端與第一電感U的一端連接，其負(fù)極端分別 與第一電容Ci的一端、開關(guān)管S的源極、第一輸出電容COTtl的一端和負(fù)載的負(fù)極端連接； 所述第一電感U的另一端分別與第一二極管Di的陽極和第二二極管D2的陽極連接；所述 耦合電感T的原邊&的異名端分別與第一二極管Di的陰極、開關(guān)管S的漏極和第三二極管 D3的陽極連接，其原邊&的同名端分別與第二二極管D2的陰極和第一電容Q的另一端連 接，其副邊隊(duì)的異名端分別與第二電容C2的一端、第四電容C4的一端、第五二極管D5的陰 極連接，其副邊N2的同名端分別與第三電容C3的一端、第六二極管D6的陽極和第五電容C5 的一端連接；所述第三電容c3的另一端分別與第四二極管D4的陰極和第五二極管D5的陽 極連接；所述第四電容c4的另一端分別與第六二極管D6的陰極和第七二極管D7的陽極連 接；所述第七二極管D7的陰極分別與第五電容C5的另一端和第八二極管D8的陽極連接；所 述第八二極管D8的陰極分別與第二輸出電容(；ut2的一端和負(fù)載的正極端連接；所述第二輸 出電容COTt2的另一端分別與第一輸出電容COTtl的另一端、第三二極管D3的陰極、第四二極 管D4的陽極和第二電容c2的另一端連接。
[0021] 如圖2所示，顯示了所述開關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vg、第一電感Li的電流iu、耦合電感 T的勵(lì)磁電感LM的電流、耦合電感T的原邊漏感電流、耦合電感T的副邊電流iN2、第 一二極管Di的電流iD1、第二二極管D2的電流iD2、第三二極管D3的電流iD3、第四二極管D4 的電流iD4、第五二極管D5的電流iD5、第六二極管D6的電流iD6和第七二極管D7的電流iD7 在一個(gè)開關(guān)周期的波形。
[0022] 如圖3a至圖3e所示，顯示了本實(shí)用新型在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的各種電路模態(tài)，其具 體情況如下：
[0023] 1)在h?&階段，電路工作在模態(tài)I，如圖3a所示，開關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)電壓Vg從低 電平變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管S導(dǎo)通，第一二極管Di承受正向電壓導(dǎo)通，直流輸入電源Vin通過 第一二極管〇:和開關(guān)管S給第一電感Q充電。第二二極管D2承受反向電壓截止，第一電 容Ci則通過開關(guān)管S給漏感LPK充電。因此第一二極管Di的電流iD1線性增加，而第二二極 管D2的電流iD2和第三二極管D3的電流iD3為零。勵(lì)磁電感一直減少，原邊漏感電流增 力口。由于耦合電感T的副邊電流iN2不能突變，因此副邊電流iN2依然通過第六二極管D6和 第五二極管D5給第三電容C3和第四電容C4充電，第五電容C5和第二電容C2通過第八二極 管D8給第二輸出電容C。^充電和負(fù)載供電，同時(shí)第一輸出電容CMtl給負(fù)載供電，輸出電壓 V。保持不變。因此，第四二極管D4的電流iD4和第七二極管D7的電流iD7為零、第五二極管 D5的電流iD5和第六二極管D6的電流iD6減小。當(dāng)副邊電流iN2減小到零，此模態(tài)結(jié)束。
[0024] 2)在&?t2階段，電路工作在模態(tài)II，如圖3b所示，開關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)電壓\保 持高電平，即開關(guān)管S保持導(dǎo)通狀態(tài)。第一二極管Di承受正向電壓導(dǎo)通，直流輸入電源Vin 通過第一二極管Di和開關(guān)管S給第一電感U充電。第二二極管D2承受反向電壓截止，第 一電容Q則通過開關(guān)管S給勵(lì)磁電感LM和漏感LPK充電。因此第一二極管Di的電流iD1線 性增加，而第二二極管D2的電流iD2和第三二極管D3的電流iD3為零。耦合電感T的勵(lì)磁電 感LM的電流込和原邊漏感電流。線性增加。副邊電流iN2反向線性增加，因此第三電容 C3通過第七二極管D7和副邊給第五電容C5充電，第二電容C2通過第四二極管D4和副邊給 第四電容c4充電，第一輸出電容Quti和第二輸出電容CMt2給負(fù)載供電，并維持輸出電壓V。 不變。因此，第四二極管D4的電流iD4和第七二極管D7的電流iD7線性增加、第五二極管d5 的電流iD5和第六二極管D6的電流iD6為零。當(dāng)開關(guān)管S驅(qū)動(dòng)電壓Vg從高電平變?yōu)榈碗娖?時(shí)，此模態(tài)結(jié)束。
[0025] 3)在t2?t3階段，電路工作在模態(tài)III，如圖3c所示，開關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)電壓Vg從 高電平變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管S關(guān)斷，第一二極管Di承受反向電壓截止，第二二極管D2承受 正向電壓導(dǎo)通，直流輸入電源Vin和第一電感Q-起給第一電容Q充電。原邊漏感LPK通過 第三二極管〇3給第一輸出電容COTtl充電。因此，第一二極管Di的電流iD1為零，而第一電感 U的電流iu、第二二極管D2的電流iD2、第三二極管D3的電流iD3、原邊漏感電流。和副邊 電流iN2線性減少，但勵(lì)磁電感LM的電流U依舊線性增力口。第三電容(：3依舊通過第七二極 管D7和副邊給第五電容C5充電，第二電容C2依舊通過第四二極管D4和副邊給第四電容c4 充電，第二輸出電容cwt2給負(fù)載供電，并維持輸出電壓V。不變。因此，第四二極管D4的電流 iD4和第七二極管D7的電流iD7線性減少，而第五二極管D5的電流iD5和第六二極管D6的電 流iD6為依然為零。當(dāng)副邊電流iN2減小到零，此模態(tài)結(jié)束。
[0026] 4)在t3?t4階段，電路工作在模態(tài)IV，如圖3d所示，開關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)電壓Vg保 持低電平，開關(guān)管S保持關(guān)斷，第一二極管Di承受反向電壓截止，第二二極管D2承受正向電 壓導(dǎo)通，直流輸入電源vin和第一電感q-起給第一電容(^充電。原邊漏感LPK通過第三二 極管D3給第一輸出電容COTtl充電。因此，第一二極管Di的電流iD1為零，而第一電感的 電流iu、第二二極管D2的電流iD2、第三二極管D3的電流iD3、原邊漏感電流。和勵(lì)磁電感 LM的電流線性減小，但副邊電流iN2正向線性增力口。由于原邊漏感電流不為零，即漏感電 壓一直大于零，使得副邊電壓VN2小于第三電容C3的電壓VC3和第四電容C4的電壓Vw。因 此，第四二極管D4的電流iD4、第五二極管D5的電流iD5、第六二極管D6的電流iD6、第七二極 管D7的電流iD7均為零。第五電容C5、第二電容C2和副邊給第二輸出電容(；ut2充電，并維 持輸出電壓V。不變。當(dāng)?shù)谌O管D3的電流iD3減小到零，即漏感LPK的電流為零，此 模態(tài)結(jié)束。
[0027] 5)在t4?h階段，電路工作在模態(tài)V，如圖3e所示，開關(guān)管S的驅(qū)動(dòng)電壓Vg保持 低電平，開關(guān)管S保持關(guān)斷，第一二極管Di承受反向電壓截止，第二二極管D2承受正向電 壓導(dǎo)通，直流輸入電源Vin和第一電感Q-起給第一電容Q充電。原邊漏感LPK的電流iu>K 為零，因此，第一二極管Di的電流iD1和第三二極管D3的電流iD3為零，而第一電感Q的電 流iu、第二二極管D2的電流iD2、勵(lì)磁電感LM的電流和副邊電流iN2線性減小。副邊電 流iN2通過第六二極管D6和第五二極管D5給第三電容C3和第四電容C4充電，第五電容C5 和第二電容C2通過第八二極管D8給第二輸出電容COTt2充電和負(fù)載供電，同時(shí)第一輸出電 容(；utl給負(fù)載供電，輸出電壓V。保持不變。因此，第四二極管D4的電流iD4和第七二極管 D7的電流iD7為零，第五二極管D5的電流iD5和第六二極管D6的電流iD6增加之后減小。當(dāng) 開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，此模態(tài)結(jié)束重新開始新的開關(guān)周期，并重復(fù)以上五個(gè)模態(tài)。
[0028] 以下為本實(shí)施例上述帶有開關(guān)電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器的穩(wěn) 態(tài)增益情況：
[0029] 由于第一電感U的電壓Vu-個(gè)開關(guān)周期平均值為零，因此可得到如下式（1)，由 式（1)得到直流輸入電源Vin與第一電容的電壓Va的關(guān)系式如下式（2)所示。
[0030] VinD= (Vcl-Vin) (1-D) (1)

【權(quán)利要求】
1. 一種帶有開關(guān)電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器，其特征在于：包括有直 流輸入電源（V in)、第一電感（L1)、第一二極管（D1)、稱合電感（T)、第一電容（C 1)、第二二極 管（D2)、開關(guān)管（S)、第三二極管（D3)、第二電容（C 2)、第四二極管（D4)、第三電容（C3)、第 五二極管（D 5)、第四電容（C4)、第六二極管（D6)、第五電容（C5)、第七二極管（D 7)、第八二極 管（D8)、第一輸出電容（Cratl)、第二輸出電容（C rat2)和負(fù)載；其中，所述直流輸入電源（Vin) 的正極端與第一電感（L1)的一端連接，其負(fù)極端分別與第一電容（C 1)的一端、開關(guān)管（S) 的源極、第一輸出電容（Ctjutl)的一端和負(fù)載的負(fù)極端連接；所述第一電感（L 1)的另一端分 別與第一二極管（D1)的陽極和第二二極管（D2)的陽極連接；所述耦合電感（T)的原邊（N 1) 的異名端分別與第一二極管（D1)的陰極、開關(guān)管（S)的漏極和第三二極管（D3)的陽極連 接，其原邊（N 1)的同名端分別與第二二極管（D2)的陰極和第一電容（C1)的另一端連接，其 副邊（N 2)的異名端分別與第二電容（C2)的一端、第四電容（C4)的一端、第五二極管（D 5)的 陰極連接，其副邊（N2)的同名端分別與第三電容（C3)的一端、第六二極管（D 6)的陽極和第 五電容（C5)的一端連接；所述第三電容（C3)的另一端分別與第四二極管（D 4)的陰極和第 五二極管（D5)的陽極連接；所述第四電容（C4)的另一端分別與第六二極管（D 6)的陰極和 第七二極管（D7)的陽極連接；所述第七二極管（D7)的陰極分別與第五電容（C 5)的另一端 和第八二極管（D8)的陽極連接；所述第八二極管（D8)的陰極分別與第二輸出電容（C wt2)的 一端和負(fù)載的正極端連接；所述第二輸出電容（Ctjut2)的另一端分別與第一輸出電容（C ratl) 的另一端、第三二極管（D3)的陰極、第四二極管（D4)的陽極和第二電容（C 2)的另一端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有開關(guān)電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器， 其特征在于：所述耦合電感（T)由原邊漏感（L pk)以及理想變壓器的原邊（N1)和副邊（N2) 組成。
【文檔編號(hào)】H02M3/10GK204131391SQ201420422552
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】丘東元, 周麗萍, 張祥, 張波, 肖文勛, 黃子田 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué), 東莞市石龍富華電子有限公司