一种改进三倍压电路及开关电容耦合电感DC-DC变换器的制作方法

一种改进三倍压电路及开关电容耦合电感dc-dc变换器
技术领域
1.本实用新型涉及dc-dc变换器技术领域，特别是涉及一种改进三倍压电路及开关电容耦合电感dc-dc变换器。


背景技术：

2.现阶段，能源危机和环境污染问题的不断加剧，促进了清洁能源与绿色能源的快速发展。光伏系统、燃料电池以及潮汐能发电等清洁能源转换技术都具有广阔的发展前景，在实际应用中，这些电能转换电路结构需要有较高的效率和升压增益，但是由于能源转换过程中单个模块的升压能力太低，无法得到较高的输出电压。高增益dc-dc升压变换器在许多工业应用中发挥着越来越重要的作用，如不间断电源、可再生能源系统、分布式光伏发电系统和直流微电网等。在诸如并网系统或ups等应用中，在低压输入源(光伏电池板、燃料电池和电池组)和逆变器之间使用高增益变换器作为接口，以满足逆变器输入时的高电压要求。这种应用模式就要求作为接口功能的变换器具有高增益、高效率的性能。。所以研究如何利用结构变化以及技术融合使得传统dc-dc变换器能够输出更高的输出电压，是当前亟需解决的问题。
3.而目前提出的高增益dc-dc变换器，具有以下缺点：具有很高的开关损耗，电路效率低、结构复杂或使用了大量无源元件。因此，确定一种结构简单、工作效率高、具有高电压增益性能的dc-dc变换器已成为电力电子领域的研究热点。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种改进三倍压电路及开关电容耦合电感dc-dc变换器，通过调节双耦合绕组的匝数比，能够提高dc-dc变换器的升压增益，具有结构简单、工作效率高的优点。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
6.一种改进三倍压电路，应用于dc-dc变换器，所述改进三倍压电路，包括：
7.三倍压单元和双耦合绕组；
8.所述双耦合绕组包括相互耦合的副边绕组和原边绕组；所述副边绕组和原边绕组均设置于所述三倍压单元中，所述副边绕组和所述原边绕组的匝数比可调。
9.可选的，所述三倍压单元，具体包括：
10.电感lk、电容c2、电容c4、二极管d2和二极管d3；
11.所述电感lk的一端与所述电容c2的负极连接；
12.所述电容c2的正极分别与所述电容c4的负极、所述二极管d3的阳极和所述二极管d2的阴极连接；
13.所述电容c4的正极和所述二极管d3的阴极连接；
14.所述副边绕组设置于所述电容c2和所述电容c4之间；
15.所述原边绕组设置于所述电感lk和所述电容c2之间。
16.可选的，所述三倍压单元，还包括：
17.电感lm；
18.所述电感lm与所述原边绕组并联。
19.一种开关电容耦合电感dc-dc变换器，所述开关电容耦合电感dc-dc变换器，包括：
20.开关电容电路、钳位电路、功率开关管和上述的改进三倍压电路；
21.所述开关电容电路、所述钳位电路和所述改进三倍压电路均与电源正极连接；
22.所述钳位电路和所述改进三倍压电路均与所述功率开关管的集电极连接；
23.所述功率开关管的发射极与电源负极连接；
24.所述改进三倍压电路还与所述开关电容电路连接。
25.可选的，所述钳位电路，具体包括：
26.电容c1和二极管d1；
27.所述电容c1的负极与电源正极连接；
28.所述电容c1的正极分别与所述二极管d1的阴极和所述二极管d2的阳极连接；
29.所述二极管d1的阳极分别与所述原边绕组的一端、所述电容c2的负极和所述功率开关管的集电极连接。
30.可选的，所述开关电容电路，具体包括：
31.电容c3、电容c5、二极管d4和二极管d5；
32.所述电容c3的负极与所述电源正极连接；
33.所述电容c3的正极分别与所述二极管d4的阴极和所述二极管d5的阳极连接；
34.所述二极管d4的阳极分别与所述电容c4的正极、所述二极管d3的阴极和所述电容c5的负极连接；
35.所述电容c5的正极与所述二极管d5的阴极连接。
36.可选的，所述开关电容耦合电感dc-dc变换器，还包括:
37.负载电路；
38.所述负载电路，具体包括：
39.二极管d6、电容c6和负载；
40.所述二极管d6的阳极分别与所述电容c5的正极与所述二极管d5的阴极连接；
41.所述二极管d6的阴极分别与所述电容c6的正极和所述负载的一端连接；
42.所述电容c6的负极和所述负载的另一端分别与所述电源负极连接。
43.可选的，所述开关电容耦合电感dc-dc变换器的电压增益为：
[0044][0045]
其中，b为开关电容耦合电感dc-dc变换器的电压增益，其中，v
o1
为负载电压，v
g1
为电源电压，n为匝数比，n＝n2:n1，n1和n2分别为原边绕组和副边绕组的匝数，d为占空比。
[0046]
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
[0047]
本实用新型提供了一种开关电容耦合电感dc-dc变换器，改进三倍压电路，包括：三倍压单元和双耦合绕组；所述双耦合绕组包括副边绕组和原边绕组；所述副边绕组和原边绕组均设置于所述三倍压单元中，调节所述副边绕组和所述原边绕组的匝数比，以调节dc-dc变换器的电压增益。本实用新型通过调节双耦合绕组的匝数比，能够提高dc-dc变换
器的升压增益，具有结构简单、工作效率高的优点。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0049]
图1为本实用新型实施例中开关电容耦合电感dc-dc变换器电路图；
[0050]
图2为本实用新型实施例中功率开关管导通的工作状态示意图；
[0051]
图3为本实用新型实施例中功率开关管关断的工作状态示意图；
[0052]
图4为本实用新型实施例中传统开关电容结构。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0054]
本实用新型的目的是提供一种改进三倍压电路及开关电容耦合电感dc-dc变换器，通过调节双耦合绕组的匝数比，能够提高dc-dc变换器的升压增益，具有结构简单、工作效率高的优点。
[0055]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
[0056]
实施例一
[0057]
图1为本实用新型实施例中开关电容耦合电感dc-dc变换器电路图，如图1所示，本实用新型提供了一种应用于dc-dc变换器的改进三倍压电路，包括：
[0058]
三倍压单元和双耦合绕组；
[0059]
双耦合绕组包括相互耦合的副边绕组l
n2
和原边绕组l
n1
；副边绕组和原边绕组均设置于三倍压单元中，副边绕组和原边绕组的匝数比可调。
[0060]
其中，三倍压单元，具体包括：
[0061]
电感lk、电容c2、电容c4、二极管d2和二极管d3；
[0062]
电感lk的一端与电容c2的负极连接；
[0063]
电容c2的正极分别与电容c4的负极、二极管d3的阳极和二极管d2的阴极连接；
[0064]
电容c4的正极和二极管d3的阴极连接；
[0065]
副边绕组设置于电容c2和电容c4之间；
[0066]
原边绕组设置于电感lk和电容c2之间。
[0067]
具体的，三倍压单元，还包括：
[0068]
电感lm；
[0069]
电感lm与原边绕组并联。
[0070]
实施例二
[0071]
如图1，本实用新型还提供了一种开关电容耦合电感dc-dc变换器，包括：
[0072]
开关电容电路、钳位电路、功率开关管s和上述改进三倍压电路；
[0073]
开关电容电路、钳位电路和改进三倍压电路均与电源vg正极连接；
[0074]
钳位电路和改进三倍压电路均与功率开关管的集电极连接；
[0075]
功率开关管的发射极与电源负极连接；
[0076]
改进三倍压电路还与开关电容电路连接。
[0077]
其中，钳位电路，具体包括：
[0078]
电容c1和二极管d1；
[0079]
电容c1的负极与电源正极连接；
[0080]
电容c1的正极分别与二极管d1的阴极和二极管d2的阳极连接；
[0081]
二极管d1的阳极分别与原边绕组的一端、电容c2的负极和功率开关管的集电极连接。
[0082]
具体的，开关电容电路，具体包括：
[0083]
电容c3、电容c5、二极管d4和二极管d5；
[0084]
电容c3的负极与电源正极连接；
[0085]
电容c3的正极分别与二极管d4的阴极和二极管d5的阳极连接；
[0086]
二极管d4的阳极分别与电容c4的正极、二极管d3的阴极和电容c5的负极连接；
[0087]
电容c5的正极与二极管d5的阴极连接。
[0088]
优选地，本实用新型提供的开关电容耦合电感dc-dc变换器，还包括:
[0089]
负载电路；
[0090]
负载电路，具体包括：
[0091]
二极管d6、电容c6和负载vo；
[0092]
二极管d6的阳极分别与电容c5的正极与二极管d5的阴极连接；
[0093]
二极管d6的阴极分别与电容c6的正极和负载的一端连接；
[0094]
电容c6的负极和负载的另一端分别与电源负极连接。
[0095]
具体的，开关电容耦合电感dc-dc变换器的电压增益为：
[0096][0097]
其中，b为开关电容耦合电感dc-dc变换器的电压增益，其中，v
o1
为负载电压，v
g1
为电源电压，n为匝数比，n＝n2:n1，n1和n2分别为原边绕组和副边绕组的匝数，d为占空比。
[0098]
具体的，本实用新型提供了一种融合倍压单元的开关电容耦合电感高增益dc-dc变换器，包括直流输入电源vg、改进三倍压电路(3mvc)、钳位电路、开关电容电路和负载电路；通过控制开关导通占空比d，实现输入直流电源和输出的能量交换，获得高电压增益。开关电容电路为传统开关电容结构(图4)变形得来，且进行结构形式上的多种连接方式变换、结合。三倍压单元为一种传统的二极管、电容、电感集成倍压单元。本实用新型中将耦合电感融入倍压单元中，形成具有高升压能力的倍压单元，通过改变耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的高升压变换。
[0099]
进一步的，本实用新型包括耦合电感(双耦合绕组ln1、ln2)、第一、第二、第三、第四、第五、第六二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6和第一、第二、第三、第四、第五、第六电容c1、c2、c3、
c4、c5、c6；
[0100]
进一步的，功率开关管s的导通或截止驱动方式采用pwm控制方式。pwm控制方式有单极性模式和双极性模式，与单极性模式相比，双极性pwm模式控制电路和主电路比较简单，但是单极性pwm模式输出电压中的高次谐波分量要比双极性pwm模式小得多，本实用新型采用单极性的pwm控制方法实现开关模块的导通或截止，能够提高开关模块的工作效率，减小开关损耗。
[0101]
在本实施方案中，一种融合倍压单元的开关电容耦合电感高增益dc-dc变换器，双耦合绕组间的匝数比为n，通过改变耦合绕组的匝数比，可更加灵活的实现高电压转换调节的能力。
[0102]
二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6为快恢复二极管。快恢复二极管具有开关特性好、反向恢复时间短的特点，快恢复二极管的内部结构与普通pn结二极管不同，它属于pin结型二极管，即在p型硅材料与n型硅材料中间增加了基区i，构成pin硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管应用在本实用新型中可以实现反向恢复时间短、正向压降低、反向耐压值高的效果。
[0103]
开关信号可以采用pwm控制方法生成，包括双极性pwm控制方法和单极性控制方法。与单极性模式相比，双极性pwm模式控制电路和主电路比较简单，但是单极性pwm模式输出电压中的高次谐波分量要比双极性pwm模式小得多。本实用新型采用单极性的pwm控制方法实现开关模块的导通或截止，能够提高开关模块的工作效率，减小开关损耗，从而整体提升电路结构的工作效率。
[0104]
本实用新型提供的开关电容耦合电感dc-dc变换器在一个稳态工作周期中，主要存在2种传统的导通、关断工作模式。导通状态时的工作状态示意图如图2所示，开关管s导通，二极管d2、d3与d5导通，d1与d4关断。此时，励磁电流与漏感电流线性增大。电压源vg与电容c1通过功率开关管s与二极管d2继续为电容c2与绕组l
n2
充电。电容c3通过二极管d5为电容c5、c4充电。输出电容c6为负载提供能量。关断状态时的工作状态示意图如图3所示，功率开关管s关断，二极管d1、d4与d6导通，d2、d3与d5关断。漏感能量通过二极管d1为电容c1充电，漏感电流i
lk
减小。c2放电，为绕组l
n2
提供能量，并与c4一起通过二极管d4为电容c3充电。电压源vg与电容c2、c4与c5通过二极管do为负载提供能量。
[0105]
利用耦合电感第一、二绕组ln1、ln2的电感伏秒平衡法则，可以得到输出电压的表达式
[0106][0107][0108]
当设计要求输出电压转换为输入电压的10倍以上时，如果根据传统的boost电路升压增益的表达式v
o1
＝v
g1
/(1-d)来计算，当达到设计要求的10倍升压增益，此时要求的占空比d必须达到0.9，此时电路的开关管将处于极限状态下，这样会很容易影响整个电路的工作效率，增加器件损坏的概率，最终影响整个电路的升压转换效率。而在本实施方式中，根据电路电压关系的分析，实用新型中所设计的融合倍压单元的开关电容耦合电感高增益dc-dc变换器拓扑的输出、输入电压关系式为：
[0109][0110]
如果设计要求电路结构能够得到10倍的升压增益，当直通占空比为0.125时，耦合绕组匝数只需满足n＝2就可达到输出要求。所以当设计要求得到很高的升压倍数时，避免了极限占空比情况的出现、减少了器件的开关损耗、降低器件损坏的概率、使得变换器拓扑的安全性、可靠性得到了进一步的提高，从而整体上提高了电路的工作效率。
[0111]
本实用新型与现有的dc-dc升压变换器电路拓扑结构相比，通过调节耦合电感绕组的匝数比，实现了小占空比条件下获得高升压增益的目的，利用设计的耦合电感绕组的连接方式，以及存在的有源钳位结构减少了电路的电压应力，减少了电磁干扰、增加了电路结构的可靠性。融合倍压单元的开关电容耦合电感高增益dc-dc变换器拓扑结构整体设计合理、使用安全、操作简单，具有较大的应用潜力。本实用新型所设计的新型变换器升压拓扑结构使用的器件较少、设计成本低，减少了器件损耗，提高了电路的工作效率，基本上达到了设计要求的理想效果。
[0112]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。