一种单输入高可靠性电容电流一致型ZetaDC-DC变换器的制作方法

一种单输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器
技术领域
1.本发明涉及一种dc
‑
dc变换器，具体涉及一种单输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器。


背景技术：

2.在输入和输出电压变化均较大的应用场合，输入电压即可能高于输出电压，也可能低于输出电压。此时适用的常见非隔离型升降压dc
‑
dc变换器有buck
‑
boost、cuk、sepic以及zeta电路。理论上通过调节占空比d，这些变换器的输入输出增益可以在零至无穷大之间变化，但受元器件及电路寄生参数的影响，这些变换器的升压能力受到了较大的限制。
3.目前，单输入dc
‑
dc变换器输入输出增益的方案多采用基本电路级联构建，但可靠性较差。因此研究即可实现高增益升压同时也具有高可靠性的单输入升降压dc/dc变换器具有重要意义。


技术实现要素：

4.为解决现有非隔离型单输入高增益dc
‑
dc变换器可靠性不高的问题。本发明基于基本zeta变换器而提出一种单输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，该变换器由基本zeta变换器、输入单元和若干个增益扩展单元组成。通过调节增益扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益的调节。该变换器具有控制及驱动电路简单、输入输出电压调节范围宽、可靠性高的特点；在增益扩展单元其中一个开关管损坏时，其余电路能正常工作；较适合于输出输入电压与输出电压变化范围比较大、需要两个电源同时供电且可靠性要求高的应用场合。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一种单输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，该变换器包括：
7.一个直流输入源v
g
，一个基本的zeta变换器，m个正向扩展单元，n个负向扩展单元；
8.所述基本的zeta变换器包含电感l0、l0'，电容c0、c0'，功率开关s0，二极管d0；
9.功率开关s0漏极连接直流输入源v
g
正极，功率开关s0源极分别连接电感l0一端、电容c0一端，电容c0另一端分别连接电感l0'一端、二极管d0阴极，电感l0'另一端连接电容c0'一端；电容c0'另一端、二极管d0阳极、电感l0另一端均连接直流输入源v
g
负极；
10.m个正向扩展单元中：
11.第1个正向扩展单元包含电感l1、l2，二极管d1，功率开关s1，电容c1、c2；其中，
12.功率开关s1源极分别连接电感l1一端、电容c1一端，电感l1另一端连接接地端；电容c1另一端分别连接二极管d1阴极、电感l2一端；电感l2另一端连接电容c2一端，电容c2另一端连接二极管d1阳极；
13.第2个正向扩展单元包含电感l3、l4，二极管d2，功率开关s2，电容c3、c4；其中，
14.功率开关s2源极分别连接电感l3一端、电容c3一端，电感l3另一端连接接地端；电
容c3另一端分别连接二极管d2阴极、电感l4一端；电感l4另一端连接电容c4一端，电容c4另一端连接二极管d2阳极；
15.……
以此类推，m个正向扩展单元，
16.第m个正向扩展单元包含电感l
(2m
‑
1)
、l
2m
，二极管d
m
，功率开关s
m
，电容c
(2m
‑
1)
、c
2m
；其中，功率开关s
m
源极分别连接电感l
(2m
‑
1)
一端、电容c
(2m
‑
1)
一端，电感l
(2m
‑
1)
另一端连接接地端；电容c
(2m
‑
1)
另一端分别连接二极管d
m
阴极、电感l
2m
一端；电感l
2m
另一端连接电容c
2m
一端，电容c
2m
另一端连接二极管d
m
阳极；
17.功率开关s1、s2……
s
m
漏极均连接直流输入源v
g
正极；
18.基本的zeta变换器中的电容c0'一端连接第1个正向扩展单元中的电容c2另一端；
19.第1个正向扩展单元中的电容c2一端连接第2个正向扩展单元中的电容c4另一端；
20.……
以此类推
21.第m
‑
1个正向扩展单元中的电容c
2m
‑2一端连接第m个正向扩展单元中的电容c
2m
另一端。
22.n个正向扩展单元中：
23.第1个负向扩展单元包含电感l1'、l2'，电容c1'、c2'，功率开关s1'，二极管d1'；其中：功率开关s1'源极分别连接电感l1'一端、电容c1'一端，电感l1'另一端连接接地端；电容c1'另一端分别连接二极管d1'阴极、电感l2'一端，电感l2'另一端连接电容c2'一端，电容c2'另一端连接二极管d1'阳极；
24.第2个负向扩展单元包含电感l3'、l4'，电容c3'、c4'，功率开关s2'，二极管d2'；
25.其中：功率开关s2'源极分别连接电感l3'一端、电容c3'一端，电感l3'另一端连接接地端；电容c3'另一端分别连接二极管d2'阴极、电感l4'一端，电感l4'另一端连接电容c4'一端，电容c4'另一端连接二极管d2'阳极；
26.……
以此类推，n个负向扩展单元，
27.第n个负向扩展单元包含电感l
(2n
‑
1)
'、l
2n
'，电容c
(2n
‑
1)
'、c
2n
'，功率开关s
n
'，二极管d
n
'；其中，功率开关s
n
'源极分别连接电感l
(2n
‑
1)
'一端、电容c
(2n
‑
1)
'一端，电感l
(2n
‑
1)
'另一端连接接地端；电容c
(2n
‑
1)
'另一端分别连接二极管c
2n
'阴极、电感l
2n
'一端，电感l
2n
'另一端连接电容c
2n
'一端，电容c
2n
'另一端连接二极管d
n
'阳极；
28.功率开关s1'、s2'
……
s
n
'漏极均连接直流输入源v
g
正极；
29.基本的zeta变换器中的电容c0'另一端连接第1个负向扩展单元中的电容c2'一端；
30.第1个负向扩展单元中的电容c2另一端连接第2个负向扩展单元中的电容c4'一端；
31.……
以此类推
32.第n
‑
1个负向扩展单元中的电容c
2n
‑2另一端连接第n个负向扩展单元中的电容c
2n
'一端；
33.负载r一端连接第m个正向扩展单元中的电容c
2m
一端,负载r另一端连接电容c
2n
'另一端。
34.所述功率开关s0、功率开关s1、s2……
s
m
、功率开关s1'、s2'
……
s
n
'源极均连接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化；当功率开关s1、s2……
s
m
、功率开关s1'、s2'
……
s
n
'任意一个损坏时，整个电路可继续正常工作。
35.扩展单元数m＝1,n＝1时，本发明一种单输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，该变换器包括：
36.一个直流输入源v
g
，一个基本的zeta变换器，1个正向扩展单元，1个负向扩展单元；
37.所述基本的zeta变换器包含电感l0、l0'，电容c0、c0'，功率开关s0，二极管d0；
38.功率开关s0漏极连接直流输入源v
g
正极，功率开关s0源极分别连接电感l0一端、电容c0一端，电容c0另一端分别连接电感l0'一端、二极管d0阴极，电感l0'另一端连接电容c0'一端；电容c0'另一端、二极管d0阳极、电感l0另一端均连接直流输入源v
g
负极；
39.第1个正向扩展单元包含电感l1、l2，二极管d1，功率开关s1，电容c1、c2；其中，功率开关s1源极分别连接电感l1一端、电容c1一端，电感l1另一端连接接地端；电容c1另一端分别连接二极管d1阴极、电感l2一端；电感l2另一端连接电容c2一端，电容c2另一端连接二极管d1阳极；
40.功率开关s1连接直流输入源v
g
正极，基本的zeta变换器中的电容c0'一端连接第1个正向扩展单元中的电容c2另一端；
41.第1个负向扩展单元包含电感l1'、l2'，电容c1'、c2'，功率开关s1'，二极管d1'；其中：功率开关s1'源极分别连接电感l1'一端、电容c1'一端，电感l1'另一端连接接地端；电容c1'另一端分别连接二极管d1'阴极、电感l2'一端，电感l2'另一端连接电容c2'一端，电容c2'另一端连接二极管d1'阳极；
42.功率开关s1'漏极连接直流输入源v
g
正极，基本的zeta变换器中的电容c0'另一端连接第1个负向扩展单元中的电容c2'一端；
43.负载r一端连接电容c2一端,负载r另一端连接电容c2'另一端。
44.本发明一种单输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，技术效果如下：
45.1)可同时实现升降压，且输入输出增益高，输出电容串联且均压。电感电流连续导通时，具体如下：
46.当输入为v
g
时，输入输出增益为：
47.开关管电压应力为：
48.各二极管上应力为：
49.其中：d为占空比，v
g
为输入电压，u
o
为输出电压，u
s1
、u
s1
'、u
s0
为功率开关电压应力，m、n为外扩单元个数。
50.2)当功率开关s1、s2……
s
m
、功率开关s1'、s2'
……
s
n
'任意一个损坏时，整个电路可继续正常工作。
附图说明
51.图1是本发明电路原理图。
52.图2是传统zeta变换器电路原理图。
53.图3是本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的电路拓扑图。
54.图4是本发明本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的输入输出增益与传统zeta变换器的输入输出增益对比图。
55.图5是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，d＝0.6时的输出波形仿真图。
56.图6是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，d＝0.6时,开关管s1损坏时的输出波形仿真图。
具体实施方式
57.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
58.如图3所示，为本发明扩展单元数m＝1,n＝1时的电路拓扑图：
59.一种单输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个基本zeta变换器，m个正向扩展单元，n个负向的电压扩展单元；其中：
60.基本zeta变换器输入单元包含两个电感l0、l0'，两个电容c0、c0'，一个功率开关s0，一个二极管d0；其连接形式如下：功率开关s0的漏极接直流输入源v
g
的正极，功率开关s0的源极分别连接电感l0的一端以及电容c0的一端，电容c0的另一端分别与电感l0'的一端以及二极管d0的阴极相连，电感l0'的另一端与电容c0'的一端相连，电容c0'的另一端与二极管d0的阳极相连，电感l0的另一端与直流输入源v
g
的负极相连；
61.正向、反向扩展单元均含有相同的内部结构，以第1个正向扩展单元为例，其含有：电感l1、l2、二极管d1、两个电容c1、c2；其中，电容c1的一端与l1的一端相连；电容c1的另一端分别与电感l2的一端以及二极管d1的阴极相连，电感l1的另一端接地；电容c2的另一端与二极管d1的阳极相连。
62.第1个正向扩展单元与基本zeta变换器之间的连接关系如下：基本zeta变换器中电感l0'的另一端与电容c0'的一端相连的交点与第1个正向扩展单元中二极管d1的阳极和电容c2一端的交点相连。
63.第1个负向扩展单元与基本zeta变换器之间的连接关系如下：输入单元中电感l1'的一端与输入源vg的负极相连，输入单元中二极管d0的阳极与电容c0'的另一端相连的交点与第1个负向扩展单元中电感l2'的另一端和电容c2'一端的交点相连。
64.负载r的一端与第m个正向扩展单元中电容c
2m
的一端与电感l
2m
的另一端相连的交点相连，负载r的另一端与第n个负向扩展单元中电容c
2n
'的另一端与二极管d
n
'的阳极相连的交点相连。
65.所有功率开关的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。调节占空比即可控制功率开关的开通关断时间，根据电感的电压平衡公式即可调节输出的电压等级。
66.根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：
67.模态1：当s0、s1、s1'导通，二极管d0、d1、d1'均关断；电感l1、l2、l0、l0'、l1'、l2'端电压如下式所示：
[0068][0069]
模态2:当s0、s1、s1'关断，二极管d0、d1、d1'均导通；电感l1、l2、l0、l0'、l1'、l2'端电压如下式所示：
[0070][0071]
由电感的伏秒平衡可得，电感两端电压在一个周期内的电压为零。得出各个电容两端电压和占空比的数学关系式为:
[0072][0073]
图4是本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的输入输出增益与传统zeta变换器的输入输出增益对比图。由图4可看出，在占空比相同时，本发明提出的变换器的增益为传统变换器的三倍。
[0074]
图5是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，d＝0.6时的输出波形仿真图，仿真验证了本发明的可行性。
[0075]
图6是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，d＝0.6时，开关管s1损坏时的输出波形仿真图，仿真验证了本发明的可靠性。