一種帶有開關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】本發明公開了一種帶有開關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、第二輸出電容和負載。本發明驅動電路與主電路共地且只有一個開關管，控制電路簡單，在低占空比下實現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器件的電壓應力以及開通損耗，同時電路所需的耦合電感匝比小，避免了磁芯元件的飽和問題。本發明非常適合應用于低壓輸入、高壓輸出的場合。
【專利說明】一種帶有開關電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及DC/DC變換器的【技術領域】，尤其是指一種帶有開關電容和耦合電感的 二次型高增益升壓變換器。

【背景技術】
[0002] 太陽能光伏板、燃料電池、蓄電池和超級電容等輸出12V?35V的低直流電壓，為 了能夠并網通常需要一級升壓變換器將其升壓至370V?400V。傳統的BOOST變換器的增 益隨著占空比增大，增益急速下降，嚴重影響了輸出電壓和效率。而傳統的反激變換器一般 工作在斷續模式，并且漏感對開關管的影響大。傳統的二次型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，輸出電壓和效率均受到嚴重影響。因此傳統的 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 電壓輸出的場合。


【發明內容】

[0003] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構合理可靠、占空比小、耦合 電感匝比小、性能優越的帶有開關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的要求。
[0004] 為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種帶有開關電容和耦合電感的 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、稱合電感、第一電 容、第二二極管、開關管、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 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，其負極端分別與第一電容的 一端、開關管的源極、第一輸出電容的一端和負載的負極端連接；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] 本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：
[0007] 1、驅動電路與主電路共地且只有一個開關管，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的要求；
[0008] 2、本發明所需的占空比和耦合電感匝比均較小，占空比小，開關管的導通時間短， 輸入電流峰值低，輸入電流紋波和輸出電壓紋波都減小，同時也避免了開關管長時間導通 導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電流，減小損 耗；
[0009] 3、與傳統的反激變換器不同，本發明中的漏感得到了有效回收，削弱了開關管的 關斷電壓尖峰，減小了開關管的電壓應力，提高了變換效率，而且EMI影響也大大減小，同 時本發明中其它半導體器件的電壓應力也得到了減小，使得低壓大電流的半導體器件得 以應用；
[0010] 4、本發明具有高效率和高升壓比，非常適合應用于低壓輸入、高壓輸出的場合，如 燃料電池、光伏發電等系統。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本發明的電路原理圖。
[0012] 圖2為一個開關周期主要元件的電流波形圖。
[0013] 圖3a為一個開關周期內電路模態圖之一。
[0014] 圖3b為一個開關周期內電路模態圖之二。
[0015] 圖3c為一個開關周期內電路模態圖之三。
[0016] 圖3d為一個開關周期內電路模態圖之四。
[0017] 圖3e為一個開關周期內電路模態圖之五。
[0018] 圖4為本發明電路、Flyback和二次型BOOST的VQ/Vin隨占空比D變化的波形圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0020] 如圖1所示，本實施例所述的帶有開關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Q、第一二極管Di、稱合電感T、第一電容Q、第二二 極管D 2、開關管S、第三二極管D3、第二電容C2、第四二極管D4、第三電容C 3、第五二極管D5、 第四電容c4、第六二極管d6、第五電容c 5、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，其負極端分別 與第一電容Q的一端、開關管S的源極、第一輸出電容C OTtl的一端和負載的負極端連接； 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，其副邊隊的異名端分別與第二電容C 2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N 2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c 4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的一端和負載的正極端連接；所述第二輸 出電容C OTt2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D 4的陽極和第二電容c2的另一端連接。
[0021] 如圖2所示，顯示了所述開關管S的驅動信號Vg、第一電感Li的電流iu、耦合電感 T的勵磁電感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i D1、第二二極管D2的電流iD2、第三二極管D3的電流i D3、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i D6和第七二極管D7的電流iD7 在一個開關周期的波形。
[0022] 如圖3a至圖3e所示，顯示了本發明在一個開關周期內的各種電路模態，其具體情 況如下：
[0023] 1)在h?&階段，電路工作在模態I，如圖3a所示，開關管S的驅動電壓Vg從低 電平變為高電平，開關管S導通，第一二極管Di承受正向電壓導通，直流輸入電源V in通過 第一二極管〇1和開關管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則通過開關管S給漏感L PK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i D2和第三二極管D3的電流iD3為零。勵磁電感一直減少，原邊漏感電流增 力口。由于耦合電感T的副邊電流i N2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D 5給第三電容C3和第四電容C4充電，第五電容C5和第二電容C 2通過第八二極 管D8給第二輸出電容C。^充電和負載供電，同時第一輸出電容C。^給負載供電，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i D7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。當副邊電流i N2減小到零，此模態結束。
[0024] 2)在&?t2階段，電路工作在模態II，如圖3b所示，開關管S的驅動電壓\保 持高電平，即開關管S保持導通狀態。第一二極管Di承受正向電壓導通，直流輸入電源V in 通過第一二極管Di和開關管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則通過開關管S給勵磁電感L M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D 2的電流iD2和第三二極管D3的電流iD3為零。耦合電感T的勵磁電 感L M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D 4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(^2給負載供電，并維持輸出電壓V。 不變。因此，第四二極管D 4的電流iD4和第七二極管D7的電流iD7線性增加、第五二極管d 5 的電流iD5和第六二極管D6的電流iD6為零。當開關管S驅動電壓V g從高電平變為低電平 時，此模態結束。
[0025] 3)在t2?t3階段，電路工作在模態III，如圖3c所示，開關管S的驅動電壓V g從 高電平變為低電平，開關管S關斷，第一二極管Di承受反向電壓截止，第二二極管D2承受 正向電壓導通，直流輸入電源V in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C OTtl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i D3、原邊漏感電流。和副邊 電流iN2線性減少，但勵磁電感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C 2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i D5和第六二極管D6的電 流iD6為依然為零。當副邊電流iN2減小到零，此模態結束。
[0026] 4)在t3?t4階段，電路工作在模態IV，如圖3d所示，開關管S的驅動電壓\保 持低電平，開關管S保持關斷，第一二極管Di承受反向電壓截止，第二二極管D 2承受正向電 壓導通，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C OTtl充電。因此，第一二極管Di的電流iD1為零，而第一電感Q的 電流iu、第二二極管D 2的電流iD2、第三二極管D3的電流iD3、原邊漏感電流。和勵磁電感 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V N2小于第三電容C3的電壓VC3和第四電容C4的電壓V w。因 此，第四二極管D4的電流iD4、第五二極管D5的電流i D5、第六二極管D6的電流iD6、第七二極 管D7的電流i D7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。當第三二極管D 3的電流iD3減小到零，即漏感LPK的電流為零，此 模態結束。
[0027] 5)在t4?h階段，電路工作在模態V，如圖3e所示，開關管S的驅動電壓V g保持 低電平，開關管S保持關斷，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 壓導通，直流輸入電源V in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i u、第二二極管D2的電流iD2、勵磁電感LM的電流和副邊電流i N2線性減小。副邊電 流iN2通過第六二極管D6和第五二極管D 5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充電和負載供電，同時第一輸出電 容(； utl給負載供電，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D 6的電流iD6增加之后減小。當 開關管S導通時，此模態結束重新開始新的開關周期，并重復以上五個模態。
[0028] 以下為本實施例上述帶有開關電容和耦合電感的二次型高增益升壓變換器的穩 態增益情況：
[0029] 由于第一電感U的電壓Vu-個開關周期平均值為零，因此可得到如下式（1)，由 式（1)得到直流輸入電源V in與第一電容的電壓Va的關系式如下式（2)所示。
[0030] VinD = (Vcl-Vin) (1-D) (1)
[0031]

【權利要求】
1. 一種帶有開關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（LJ、第一二極管仇）、稱合電感（T)、第一電容（Cj、第二二極 管Φ2)、開關管⑶、第三二極管（D 3)、第二電容（C2)、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（C。^)、第二輸出電容（(：_2)和負載；其中，所述直流輸入電源（v in) 的正極端與第一電感（U)的一端連接，其負極端分別與第一電容（Ci)的一端、開關管（S) 的源極、第一輸出電容（C OTtl)的一端和負載的負極端連接；所述第一電感（D的另一端分 別與第一二極管（Di)的陽極和第二二極管（D 2)的陽極連接；所述耦合電感（T)的原邊（Ni) 的異名端分別與第一二極管的陰極、開關管（S)的漏極和第三二極管（D 3)的陽極連 接，其原邊（K)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（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 一端和負載的正極端連接；所述第二輸出電容（c。^)的另一端分別與第一輸出電容（c。^) 的另一端、第三二極管（D 3)的陰極、第四二極管（D4)的陽極和第二電容（c2)的另一端連接。
2. 根據權利要求1所述的一種帶有開關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沉）和副邊（N2) 組成。
【文檔編號】H02M3/10GK104283419SQ201410366604
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】丘東元, 周麗萍, 張祥, 張波, 肖文勛, 黃子田 申請人:華南理工大學, 東莞市石龍富華電子有限公司