本申請涉及電源
技術領域：
，尤其涉及一種DC-DC變換器。
背景技術：
：隨著電力電子技術的高速發展，開關電源在各種電氣設備中均有著廣泛的應用。目前，很多應用場合都需要能夠實現升降壓，且能輸出正負輸出電壓的開關電源，比如：逆變器、Class-D音頻放大器、超聲波醫療圖像系統、±15V或±5V輔助供電電源等。傳統提供正負電壓輸出的方式是利用具有電氣隔離特性的正激(Forward)電路或者反激(Flyback)電路，共用變壓器磁芯進行多輸出繞組繞制變壓器，從而得到了隔離的正負電壓多輸出變換器。但這種方式有著很大的缺點，變壓器的設計大為復雜化，且各繞組間的交叉調整對變換器的性能有著很大影響。隔離變壓器的使用增加了變壓器的銅損和鐵損，降低了變換器的效率。正激和反激需要額外的輔助電路來消除開關管的電壓尖峰，增加了變換器復雜度，降低了變換器效率。有些提供正負電壓輸出的場合，也有使用兩個非隔離開關變換器的方案，兩個變換器分別輸出正壓和負壓，消除了各輸出間的交叉調整，省去了變壓器，提高了變換器效率。但這種方式需要兩套控制器和兩套主功率電路，器件較多，成本較高。技術實現要素：本申請旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一。本申請提供一種DC-DC變換器，包括：第一端口、第二端口、第三端口、第一開關、第二開關、第三開關、第一電容、第二電容、第三電容、第一電感、第二電感，以及開關控制器，所述第一開關及所述第二開關均為：包括控制端、輸入端及輸出端的有源開關管，所述第三開關具有輸入端及輸出端；所述第一端口的正極連接到所述第一開關的輸出端，負極分別連接到所述第一電感及地；所述第二端口的正極分別連接到所述第二電感及所述第二電容，負極分別連接到所述第二電容的與所述第二端口的正極相對的一端及地；所述第三端口的正極分別連接到所述第三電容及所述第二開關的輸入端，負極分別連接到所述第三電容的與所述第三端口的正極相對的一端及地；所述開關控制器的第一輸出端連接到所述第一開關的控制端，第二輸出端連接到所述第二開關的控制端；所述第一開關的輸入端分別連接到所述第一電容、所述第二開關的輸出端及所述第一電感的與所述第一端口的負極相對的一端；所述第三開關的輸入端接地，輸出端分別連接到所述第一電容的與所述第一開關的輸入端相對的一端，及所述第二電感的與所述第二端口的正極相對的一端；所述開關控制器通過第一輸出端向所述第一開關輸出的第一驅動信號與所述開關控制器通過第二輸出端向所述第二開關輸出的第二驅動信號在忽略死區的情況下互補；所述第一端口、所述第二端口及所述第三端口中的任一個或任兩個作為DC-DC變換器的輸入端口，其余的作為DC-DC變換器的輸出端口。進一步的，所述第三開關為二極管。進一步的，所述第三開關也為：包括控制端、輸入端及輸出端的有源開關管，所述開關控制器的第三輸出端連接到所述第三開關的控制端，所述開關控制器通過第三輸出端向所述第三開關輸出的第三驅動信號與所述第二驅動信號相同。進一步的，所述第一端口的正極還連接到所述開關控制器的第一反饋端；所述第二端口的正極還連接到所述開關控制器的第二反饋端；所述第三端口的正極還連接到所述開關控制器的第三反饋端。進一步的，所述有源開關管為場效應管或晶體三極管。進一步的，所述第二電容與所述第三電容規格相同。進一步的，所述DC-DC變換器應用于：逆變器、Class-D音頻放大器、超聲波醫療圖像系統，或，±15V/±5V輔助供電電源。本申請的有益效果是：通過提供一種DC-DC變換器，變換器包括：第一端口、第二端口、第三端口、第一開關、第二開關、第三開關、第一電容、第二電容、第三電容、第一電感、第二電感，以及開關控制器，第一開關及第二開關均為有源開關管，第三開關具有輸入端及輸出端；第一端口的正極連接到第一開關的輸出端，負極分別連接到第一電感及地；第二端口的正極分別連接到第二電感及第二電容，負極分別連接到第二電容的與第二端口的正極相對的一端及地；第三端口的正極分別連接到第三電容及第二開關的輸入端，負極分別連接到第三電容的與第三端口的正極相對的一端及地；開關控制器的第一輸出端連接到第一開關的控制端，第二輸出端連接到第二開關的控制端；第一開關的輸入端分別連接到第一電容、第二開關的輸出端及第一電感的與第一端口的負極相對的一端；第三開關的輸入端接地，輸出端分別連接到所述第一電容的與所述第一開關的輸入端相對的一端，及所述第二電感的與所述第二端口的正極相對的一端；開關控制器通過第一輸出端向第一開關輸出的第一驅動信號與開關控制器通過第二輸出端向第二開關輸出的第二驅動信號在忽略死區的情況下互補；第一端口、第二端口及第三端口中的任一個或任兩個作為DC-DC變換器的輸入端口，其余的作為DC-DC變換器的輸出端口。這樣，僅使用了三個開關器件、兩個電感和三個電容，輸入輸出共地，拓撲簡單可靠，成本較低；三個端口功率可以任意流入流出，實現了任意方向能量傳遞；所有開關器件可以在任意功率流動方向，從空載到滿載可實現全部開關管軟開關，提高了變換器效率；另外，還可以得到可升降壓，并高度對稱且共地的正負雙輸出。附圖說明圖1為本申請實施例一的DC-DC變換器的結構示意圖。圖2為本申請實施例一中第一驅動信號、第二驅動信號及第三驅動信號對應關系示意圖。圖3為本申請實施例一中第一開關漏源電壓和流入漏極的電流的仿真波形。圖4為本申請實施例一中第二開關漏源電壓和流入漏極的電流的仿真波形。圖5為本申請實施例一中第三開關漏源電壓和流入漏極的電流的仿真波形。圖6為本申請實施例一中第一端口的輸入電壓、第二端口的輸出電壓及第三端口的輸出電壓的仿真波形。圖7為本申請實施例二的DC-DC變換器的結構示意圖。具體實施方式下面詳細描述本申請的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本申請，而不能理解為對本申請的限制。在本申請的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本申請和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本申請的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本申請的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。在本申請中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本申請中的具體含義。在本申請中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。下面通過具體實施方式結合附圖對本申請作進一步詳細說明。實施例一：本實施例提供了一種開關電源，主要為：直流-直流(DC-DC)變換器。在具體應用時，DC-DC變換器可應用于：逆變器、Class-D音頻放大器、超聲波醫療圖像系統，或，±15V/±5V輔助供電電源等。上述DC-DC變換器主要包括如圖1所示的結構：第一端口101、第二端口102、第三端口103、第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3、第一電感L1、第二電感L2，以及開關控制器104，第一開關S1、第二開關S2及第三開關S3均為：包括控制端(柵極，G)、輸入端(源極，S)及輸出端(漏極，D)的有源開關管，在本實施例中，有源開關管采用場效應管；第一端口101的正極連接到第一開關S1的輸出端D，負極分別連接到第一電感L1及地；第二端口102的正極分別連接到第二電感L2及第二電容C2，負極分別連接到第二電容C2的與第二端口102的正極相對的一端及地；第三端口103的正極分別連接到第三電容C3及第二開關S2的輸入端S，負極分別連接到第三電容C3的與第三端口103的正極相對的一端及地；開關控制器104的第一輸出端連接到第一開關S1的控制端G，第二輸出端連接到第二開關S2的控制端G，第三輸出端連接到第三開關S3的控制端G；第一開關S1的輸入端S分別連接到第一電容C1、第二開關S2的輸出端D及第一電感L1的與第一端口101的負極相對的一端；第三開關S3的輸入端S接地，輸出端D分別連接到第一電容C1的與第一開關S1的輸入端S相對的一端，及第二電感L2的與第二端口102的正極相對的一端；如圖2所示，開關控制器104通過第一輸出端向第一開關S1輸出的第一驅動信號K1與開關控制器104通過第二輸出端向第二開關S2輸出的第二驅動信號K2在忽略死區的情況下互補；開關控制器104通過第三輸出端向第三開關S3輸出的第三驅動信號K3與第二驅動信號K2相同。第一端口101的正極還連接到開關控制器104的第一反饋端；第二端口102的正極還連接到開關控制器104的第二反饋端；第三端口103的正極還連接到開關控制器104的第三反饋端。第二電容C2與第三電容C3規格相同。第一端口101、第二端口102及第三端口103中的任一個或任兩個作為DC-DC變換器的輸入端口，其余的作為DC-DC變換器的輸出端口。DC-DC變換器的輸出端口通過反饋電路(例如，第一端口101的正極連接到開關控制器104的第一反饋端的電路，第二端口102的正極連接到開關控制器104的第二反饋端的電路，第三端口103的正極連接到開關控制器104的第三反饋端的電路)來與開關控制器104相連，通過反饋電路來控制第一開關S1、第二開關S2及第三開關S3的導通或關斷時間，以調節DC-DC變換器的輸出端口的電壓。在具體應用時：當第一端口101作為DC-DC變換器的輸入端口、輸入電壓較低、輸入電流較大，而第二端口102、第三端口103作為DC-DC變換器的輸出端口，且第二端口102負載較重的場合下，第三開關S3采用有源開關管，并與第二開關S2的驅動信號保持一致，作為同步整流管使用，使第二端口102、第三端口103的輸出保持高度一致，即可提供一組高度對稱的正負雙輸出開關電源。第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3均選取較大電容，三個電容電壓均可看做恒值。通過合理的死區時間設置和第一電感L1及第二電感L2的取值，可實現：(1)當第一開關S1關斷，第二開關S2、第三開關S3導通時，第一電感L1給第三電容C3充電并向第三端口103傳遞能量，第二電感L2先向第二電容C2、第二端口102傳遞能量，在一段時間之后第二電感L2能量釋放完畢，第二電容C2向第二電感L2充電并向第二端口102傳遞能量。當第二開關S2、第三開關S3關斷瞬間，第一開關S1尚未導通的死區時間t3-t4內，由于在第一電感L1、第二電感L2上的電流在第一電感L1與第一開關S1的接點A處，從第一開關S1的源極S流向漏極D(第一電感L1、第二電感L2上的電流續流)，通過合理的死區時間t3-t4設置和第一電感L1、第二電感L2的取值，在死區時間t3-t4內第一開關S1中的等效二極管導通，實現了第一開關S1的零電壓(ZeroVoltageSwitching，ZVS)導通，如圖3所示。(2)當第一開關S1導通，第二開關S2、第三開關S3關斷時，第一端口101給第一電感L1充電，同時經第一電容C1給第二電感L2充電，并向第二端口102傳遞能量，第三電容C3向第三端口103傳遞能量。當第一開關S1關斷瞬間，第二開關S2、第三開關S3尚未導通的死區時間t1-t2內，第二電感L2上的電流從第一電容C1與第三開關S3的接點B流向第二端口102，第一電感L1上的電流從第一電感L1與第一開關S1的接點A處流向地或者以相反方向流動但電流值小于第二電感L2上的電流值(第一電感L1、第二電感L2上的電流續流)，通過合理的死區時間t1-t2設置和第一電感L1、第二電感L2的取值，在死區時間t1-t2內第二開關S2中的等效二極管、第三開關S3中的等效二極管均導通，實現第二開關S2、第三開關S3的ZVS導通，如圖4-5所示。上述第(1)、(2)點是以第一端口101作為輸入端口，第二端口102及第三端口103作為輸出端口時的ZVS導通情況，采用其他的輸入輸出端口的ZVS導通情況可類似推導，此處不再贅述。通過第一電感L1、第二電感L2的伏秒平衡，第二端口102的輸出電壓、第三端口103的輸出電壓與第一端口101的輸入電壓的關系如下，如圖6所示：VC2Vin=D1-DVC3Vin=-D1-D]]>其中Vin為第一端口101的輸入電壓，VC2為第二端口102的輸出電壓，VC3為第三端口103的輸出電壓，D為第一開關S1的導通占空比。在第一端口101作為DC-DC變換器的輸入端口，第二端口102及第三端口103為DC-DC變換器的輸出端口時，輕載情況下，全部開關管S1-S3均易實現ZVS導通，在重載情況下，第一開關S1較難實現ZVS導通，但可以通過合理設計第一電感L1、第二電感L2參數以及DC-DC變換器的輸出功率，從而得到從空載到滿載均為軟開關的DC-DC變換器。第二端口102與第三端口103電壓幅值相同，極性相反；第二端口102、第三端口103相對于第一端口101可以進行升降壓，第一端口101、第二端口102極性相同。當第一開關S1、第二開關S2為有源開關管，第三開關S3為有源開關管，配合第一開關S1、第二開關S2及第三開關S3的驅動信號，可以實現任意功率流動方向時全部開關器件的ZVS導通。經過仿真測試，本實施例能夠實現三個端口101-103間任意功率流動方向，且全部開關管實現ZVS導通；經過實驗測試，當將第一端口101設為DC-DC變換器的輸入端口，第二端口102、第三端口103設為DC-DC變換器的輸出端口時，DC-DC變換器實現了第二端口102、第三端口103電壓高度一致，且相對于第一端口101電壓可進行升降壓，全部開關管實現了軟開關。該實施例的DC-DC變換器可廣泛用于電力電子設備中的一些有高效、正負電源需求的場合。這樣，僅使用了三個開關器件、兩個電感和三個電容，輸入輸出共地，拓撲簡單可靠，成本較低；三個端口功率可以任意流入流出，實現了任意方向能量傳遞；所有開關器件可以在任意功率流動方向，從空載到滿載可實現全部開關管軟開關，提高了變換器效率；另外，還可以得到可升降壓，并高度對稱且共地的正負雙輸出。實施例二：本實施例與其他實施例區別主要在于：本實施例中，有源開關管可采用晶體三極管來代替場效應管。實施例三：本實施例與其他實施例區別主要在于：如圖7所示，本實施例中，第三開關S3采用二極管來代替場效應管。而由于二極管基本只有輸入端和輸出端，那么所構建的DC-DC變換器結構會與實施例一不同，但工作原理類似。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施方式”、“一些實施方式”、“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本申請的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。以上內容是結合具體的實施方式對本申請所作的進一步詳細說明，不能認定本申請的具體實施只局限于這些說明。對于本申請所屬
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本申請構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換。當前第1頁1 2 3