一种多倍次超高电压增益DC-DC变换器

一种多倍次超高电压增益dc-dc变换器
技术领域
1.本发明涉及一种dc-dc变换器，具体涉及一种多倍次超高电压增益dc-dc变换器。


背景技术：

2.在如风力、光伏发电等部分低功率且不需要电气隔离的应用场合中，常常使用非隔离型dc-dc变换器将输入电压提高以满足负载或母线要求，此时最常见的非隔离型升压dc-dc变换器是boost变换器。理论上通过调节占空比d，这些变换器的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.目前提高dc-dc变换器输入输出电压增益的方案多采用基本boost电路与开关电容、开关电感等构建，但升压能力仍然较低，在超高电压增益应用场合时会出现极端占空比的情况，导致效率会急剧下降。因此研究可实现超高电压增益升压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高增益dc-dc变换器电压增益不高的问题，本发明提供一种多倍次超高电压增益dc-dc变换器，该变换器由一个基本boost和若干个多倍次扩展单元组成。每增加一级多倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统boost的电压增益系数的分母次数增加一次，使得在占空比不变的情况下，输出电压得到极大提高。该变换器具有控制及驱动电路简单、输出电压增益高、可靠性高的特点；较适合于输出电压增益要求高且可靠性要求高的应用场合。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一种多倍次超高电压增益dc-dc变换器，该变换器包括：
7.一个boost变换器，n个多倍次扩展单元；
8.所述boost变换器包括电感l1、功率开关s、二极管d0、电容c0；
9.直流电源u
in
的正极连接电感l1一端，直流电源u
in
负极分别连接功率开关s源极、电容c0另一端；电容c0一端连接二极管d0阴极，二极管d0阳极连接功率开关s漏极；
10.第一个多倍次扩展单元包括二极管d
11
、d
12
，电容c
11
，电感l
11
；
11.电感l1另一端分别连接二极管d
11
阳极、二极管d
12
阳极；二极管d
12
阴极分别连接电容c
11
另一端、电感l
11
一端；电容c
11
一端连接功率开关s源极；二极管d
11
阴极连接功率开关s漏极；
12.第二个多倍次扩展单元包括二极管d
21
、d
22
，电容c
21
，电感l
21
；
13.电感l
11
另一端分别连接二极管d
21
阳极、二极管d
22
阳极；二极管d
22
阴极分别连接电容c
21
另一端、电感l
21
一端；电容c
21
一端连接功率开关s源极；二极管d
21
阴极连接功率开关s漏极；
14.......以此类推，n＞2，
15.第n-1个多倍次扩展单元包括二极管d
(n-1)1
、d
(n-1)2
，电容c
(n-1)1
，电感l
(n-1)1
；
16.电感l
(n-2)1
另一端分别连接二极管d
(n-1)1
阳极、二极管d
(n-1)2
阳极；二极管d
(n-1)2
阴极分别连接电容c
(n-1)1
另一端、电感l
(n-1)1
一端；电容c
(n-1)1
一端连接功率开关s源极；二极管d
(n-1)1
阴极连接功率开关s漏极；
17.第n个多倍次扩展单元包括二极管d
n1
、d
n2
，电容c
n1
，电感l
n1
；
18.电感l
(n-1)1
另一端分别二极管d
n1
阳极、二极管d
n2
阳极；二极管d
n2
阴极分别连接电容c
n1
另一端、电感l
n1
一端；电容c
n1
一端连接功率开关s源极；二极管d
n1
阴极连接功率开关s漏极；
19.负载r两端分别连接电容c0一端、电容c0另一端。
20.功率开关s的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，每增加一级倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统boost的电压增益系数的分母次数增加一次，使得变换器的输出电压得到极大提高。
21.多倍次扩展单元数为2时，电感l1、l
11
、l
21
的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：
22.(1)功率开关s导通，二极管d
12
、d
22
、d0均关断，此时电感l1、l
11
、l
21
均充电，电容c
11
、c
21
放电。电感l1、l
11
、l
21
端电压如下所示：
[0023][0024]
(2)功率开关s关断，二极管d
12
、d
22
、d0均导通，此时电感l1、l
11
、l
21
均放电，电容c
11
、c
21
充电。电感l1、l
11
、l
21
端电压如下所示：
[0025][0026]
以2个多倍次扩展单元为例：
[0027]
一种多倍次超高电压增益dc-dc变换器，该变换器包括：
[0028]
一个boost变换器，2个多倍次扩展单元；
[0029]
所述boost变换器包括电感l1、功率开关s、二极管d0、电容c0；
[0030]
直流电源u
in
的正极连接电感l1一端，直流电源u
in
负极分别连接功率开关s源极、电容c0另一端；电容c0一端连接二极管d0阴极，二极管d0阳极连接功率开关s漏极；
[0031]
第一个多倍次扩展单元包括二极管d
11
、d
12
，电容c
11
，电感l
11
；
[0032]
电感l1另一端分别连接二极管d
11
阳极、二极管d
12
阳极；二极管d
12
阴极分别连接电容c
11
另一端、电感l
11
一端；电容c
11
一端连接功率开关s源极；二极管d
11
阴极连接功率开关s漏极；
[0033]
第二个多倍次扩展单元包括二极管d
21
、d
22
，电容c
21
，电感l
21
；
[0034]
电感l
11
另一端分别连接二极管d
21
阳极、二极管d
22
阳极；二极管d
22
阴极分别连接电容c
21
另一端、电感l
21
一端；电容c
21
一端连接功率开关s源极；二极管d
21
阴极连接功率开关s漏极；
[0035]
负载r两端分别连接电容c0一端、电容c0另一端。
[0036]
本发明一种多倍次超高电压增益dc-dc变换器，技术效果如下：
[0037]
1)、每增加一级多倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统boost的电压增益系数的分母次数增加一次，使得在占空比不变的情况下，输出电压得到极大提高。具体如下：
[0038]
当使用n个增益扩展单元时，
[0039]
电压增益：
[0040]
开关管电压应力为：
[0041]
输出电容上的电压为：
[0042]
其中：为d占空比，u
in
为输入电压,us为功率开关电压应力，u
c0
为输出电容的电压应力。
[0043]
2)、本发明dc-dc变换器仅使用一个功率开关，控制简单，成本低。
附图说明
[0044]
图1是本发明电路原理图。
[0045]
图2是基本boost变换器电路原理图。
[0046]
图3是本发明多倍次扩展单元数为2时的电路拓扑图。
[0047]
图4是本发明多倍次扩展单元数为2时输入输出增益与基本boost变换器的输入输出增益对比图。
[0048]
图5是本发明输入电压30v，多倍次扩展单元数为2时，d＝0.6时的输出波形仿真图。
具体实施方式
[0049]
如图1所示，一种多倍次超高电压增益dc-dc变换器，该变换器包含一个基本boost变换器以及n个多倍次扩展单元。其中：
[0050]
如图2所示，基本boost变换器包括电感l1、功率开关s、二极管d0、电容c0；其连接形式如下：电感l1一端与直流电源u
in
的正极相连，二极管d0阳极与功率开关s漏极相连，二极管d0阴极与电容c0的一端相连，电容c0的另一端与功率开关s源极和直流电源u
in
的负极相连；
[0051]
第一个多倍次扩展单元包括两个二极管d
11
、d
12
、一个电容c
11
，一个电感l
11
；其中二极管d
11
的阳极与d
12
的阳极相连，二极管d
12
的阴极分别连接电容c
11
的一端以及电感l
11
的一端，电容c
11
的另一端与直流电源u
in
的负极相连；
[0052]
第二个多倍次扩展单元包括两个二极管d
21
、d
22
、一个电容c
21
，一个电感l
21
；其中二极管d
21
的阳极与d
22
的阳极相连，二极管d
22
的阴极分别连接电容c
21
的一端以及电感l
21
的一端，电容c
21
的另一端与直流电源u
in
的负极相连；
[0053]
......以此类推，
[0054]
第n个多倍次扩展单元中，包括两个二极管d
n1
、d
n2
、一个电容c
n1
，一个电感l
n1
；其中二极管d
n1
的阳极与d
n2
的阳极相连，二极管d
n2
的阴极分别连接电容c
n1
的一端以及电感l
n1
的一端，电容c
n1
的另一端与直流电源u
in
的负极相连；
[0055]
第一个多倍次扩展单元与基本boost变换器之间的连接关系如下：
[0056]
第一个多倍次扩展单元的二极管d
11
的阳极和二极管d
12
的阳极交点与基本boost的电感l1的一端相连，二极管d
11
的阴极与基本boost的功率开关s的漏极以及二极管d0的阳极相连，第一个多倍次扩展单元的电容c
11
的另一端分别与直流电源u
in
的负极、功率开关s的源极、电容c0的一端以及负载r的一端相连；
[0057]
各个多倍次扩展单元之间的连接关系如下：
[0058]
第n-1个多倍次扩展单元中二极管d
(n-1)1
的阴极与第n个多倍次扩展单元中二极管d
n1
的阴极相连，第n-1个多倍次扩展单元中电感l
(n-1)1
与第n个多倍次扩展单元中二极管d
n1
的阳极以及二极管d
n2
的阳极的交点相连，第n-1个多倍次扩展单元中电容c
(n-1)1
与第n个多倍次扩展单元中电容c
n1
相连。
[0059]
负载r的一端与基本boost二极管d0的阴极和电容c0的一端相连，另一端与分别与电容c0的另一端、功率开关的源极、多倍次扩展单元电容c
11
、c
21
……cn1
的另一端以及直流电源u
in
的负极相连。
[0060]
功率开关s的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，每增加一级倍次扩展单元，其输入输出电压增益系数相比传统boost的电压增益系数的分母次数增加一次，使得变换器的输出电压得到极大提高。
[0061]
多倍次扩展单元数为2时，电感l1、l
11
、l
21
的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：
[0062]
(1)：功率开关s导通，二极管d
12
、d
22
、d0均关断，此时电感l1、l
11
、l
21
均充电，电容c
11
、c
21
放电。电感l1、l
11
、l
21
端电压如下所示：
[0063][0064]
(2)：功率开关s关断，二极管d
12
、d
22
、d0均导通，此时电感l1、l
11
、l
21
均放电，电容c
11
、c
21
充电。电感l1、l
11
、l
21
端电压如下所示：
[0065][0066]
实施例：
[0067]
如图3所示，为本发明多倍次扩展单元数为2时的电路拓扑图：该变换器包括一个基本boost以及n个增益扩展单元。其中：
[0068]
基本boost变换器包括电感l1、功率开关s、二极管d0、电容c0；电感l1一端与直流电源u
in
的正极相连，另一端与第一个多倍次扩展单元相连；二极管d0阳极与功率开关s漏极相连，另一端分别与电容c0和负载r相连。
[0069]
第一个多倍次扩展单元包括两个二极管d
11
、d
12
、一个电容c
11
，一个电感l
11
；其中二
极管d
11
的阳极与d
12
的阳极相连，二极管d
12
的阴极分别连接电容c
11
的一端以及电感l
11
的一端，电容c
11
的另一端与直流电源u
in
的负极相连；
[0070]
第二个多倍次扩展单元包括两个二极管d
21
、d
22
、一个电容c
21
，一个电感l
21
；其中二极管d
21
的阳极与d
22
的阳极相连，二极管d
22
的阴极分别连接电容c
21
的一端以及电感l
21
的一端，电容c
21
的另一端与直流电源u
in
的负极相连；
[0071]
第一个多倍次扩展单元与基本boost变换器之间的连接关系如下：
[0072]
第一个多倍次扩展单元的二极管d
11
与二极管d
12
的阳极交点与基本boost的电感l1的一端相连，二极管d
11
的阴极与基本boost的功率开关s的漏极以及二极管d0的阳极相连，第一个多倍次扩展单元的电容c
11
的另一端分别与直流电源u
in
的负极、功率开关s的源极、电容c0的一端以及负载r的一端相连。
[0073]
各个多倍次扩展单元之间的连接关系如下：
[0074]
第n-1个多倍次扩展单元中二极管d
(n-1)1
的阴极与第n个多倍次扩展单元中二极管d
n1
的阴极相连，第n-1个多倍次扩展单元中电感l
(n-1)1
与第n个多倍次扩展单元中二极管d
n1
的阳极以及二极管d
n2
的阳极的交点相连，第n-1个多倍次扩展单元中电容c
(n-1)1
与第n个多倍次扩展单元中电容c
n1
相连。
[0075]
负载r的一端与基本boost变换器的二极管d0的阴极及电容c0的交点相连，另一端与分别与电容c0的另一端、功率开关的源极、扩展单元电容c
11
、c
21
……cn1
的另一端以及直流电源u
in
的负极相连。
[0076]
功率开关s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。
[0077]
在电感l1、l
11
、l
21
的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：
[0078]
(1)功率开关s导通，二极管d
12
、d
22
、d0均关断，此时电感l1、l
11
、l
21
均充电，电容c
11
、c
21
放电。电感l1、l
11
、l
21
端电压如下所示：
[0079][0080]
(2)功率开关s关断，二极管d
12
、d
22
、d0均导通，此时电感l1、l
11
、l
21
均放电，电容c
11
、c
21
充电。电感l1、l
11
、l
21
端电压如下所示：
[0081][0082]
根据接在功率开关s的栅极上的控制器的占空比，可得出每个电容上的电压等级如下所示：
[0083][0084]
图4是本发明多倍次扩展单元数为2时输入输出增益与boost变换器的输入输出增益对比图。可以发现所提变换器的电压增益仿真结果与理论计算结果一致，并且所提变换器的电压增益远高于传统boost变换器的电压增益。
[0085]
图5是本发明输入电压30v，增益扩展单元数为2时，d＝0.6时的输出波形仿真图。可以发现输出电压为156v，与理论计算结果一致且输出电压纹波极小，可以满足绝大多数需要高增益dc-dc变换器的应用场合。