CN108075669A - 带集成级联结构的dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带集成级联结构的DC‑DC变换器，所述带集成级联结构的DC‑DC变换器内集成有Boost电路、Buck‑Boost电路、以及变压器，其中，所述Boost电路的输入端与外界直流电源V_in连接，所述Boost电路的输出端与所述变压器的初级线圈连接，所述变压器的次级线圈与所述Buck‑Boost电路的输入端连接，所述Buck‑Boost电路的输出端与外界负载R₀连接。相对于现有技术，本发明实现了较大的电压增益，提高了变换器的集成度和变压器的工作效率，并减小了开关管的电压应力。

Description

带集成级联结构的DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及DC-DC变换器技术领域，尤其涉及一种带集成级联结构的DC-DC变换器。

背景技术

在分布式发电系统或者电池供电系统中，通常要求采用高升压DC-DC变换器。例如，在分布式光伏发电系统中，太阳能电池板的输出同时是一个很低的直流电压，而后一级的逆变器要求输入电压足够高，以得到符合要求的交流输出电压，因此，要求一个具有足够高电压增益的升压型变换器来实现能量转换。如图1所示，图1为典型的光伏发电系统能量变换结构图。从图中可知，高升压DC-DC变换器是连接光伏电池板和逆变器直流母线的关键部分。

高升压DC-DC变换器可以通过隔离型和非隔离型拓扑实现。在传统的光伏发电系统中，图1中的高升压DC-DC变换器通常采用Boost电路，其电路结构简单，元器件数量少、控制系统容易实现。然而，当输入电压与输出电压之差较大时，Boost变换器的转换效率较低，而且传统的Boost电路中电压增益存在一个拐点，当占空比大于这个拐点时，电压增益将呈现快速下降的特性。

通常，在不要求电气隔离的场合，非隔离型变换器具有一些优势，因为其控制系统简单，并且不存在隔离变压器从而可以获得更小的体积。然而，在某些为达到安全标准而要求实施电气隔离的场合，非隔离型变换器并不能满足要求。

隔离型高升压DC-DC变换器由于能实现大电压增益和电气隔离，目前已被大量研究并被广泛应用在实际系统中。其中Minh-Khai Nguyen等人提出了一种准开关Boost型的隔离型拓扑，该电路允许存在直通状态，并且降低了变压器的匝比。

然而，在Minh-Khai Nguyen等人发明的方案中，由于输入侧电感值很大，使得输入侧电感与输入侧电容之间的谐振频率降低，当开关频率较高时，变换器容易产生振荡，而且，未考虑变压器漏感对电路的影响。实际上，在开关切换时刻，漏感的存在会产生较大的电压尖峰，且输出功率越大，电压尖峰越大，从而损坏电路中的功率元器件。

发明内容

本发明提供一种带集成级联结构的DC-DC变换器，旨在通过一种集成结构和小的变压器匝比，实现较大的电压增益，并提高变换器的集成度和工作效率。

为实现上述目的，本发明提供一种带集成级联结构的DC-DC变换器，所述带集成级联结构的DC-DC变换器内集成有Boost电路、Buck-Boost电路、以及变压器，其中，所述Boost电路的输入端与外界直流电源V_in连接，所述Boost电路的输出端与所述变压器的初级线圈连接，所述变压器的次级线圈与所述Buck-Boost电路的输入端连接，所述Buck-Boost电路的输出端与外界负载R₀连接。

本发明的进一步的技术方案是，所述Boost电路包括电容C₁、电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、以及开关管S₄；其中，

所述电感L₁的输入端与外界直流电源V_in的正极连接，所述电感L₁的输出端分别与所述二极管D₁的阳级、二极管D₂的阳级、二极管D₃的阳级连接；所述二极管D₁的阴级分别与所述电容C₁的一端、所述开关管S₁的漏级、开关管S₃的漏级连接；所述开关管S₁的源级分别与所述二极管D₂的阴极、所述开关管S₂的漏级、所述变压器的初级线圈的一端连接；所述开关管S₃的源级分别与所述二极管D₃的阴极、所述开关管S₄的漏级、所述变压器的初级线圈的另一端连接；所述电容C₁的另一端、所述开关管S₂的源级、所述开关管S₄的源级分别与所述外界直流电源V_in的负极连接。

本发明的进一步的技术方案是，所述Buck-Boost电路包括电感L₂、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、以及开关管S₅、以及电容C₂；其中，

所述电感L₂的一端与所述变压器的一端连接，所述电感L₂的另一端分别与所述二极管D₄的阳极、所述二极管D₅的阴极连接；所述二极管D₄的阴极分别与所述二极管D₆的阴极、所述开关管S₅的漏极，所述二极管D₈的阳极连接；所述二极管D₆的阳极分别与所述变压器的次级线圈的另一端、所述二极管D₇的阴极连接；所述二极管D₈的阴极分别与所述电容C₂的一端、所述外界负载R₀的正极连接；所述二极管D₇的阳极、所述开关管S₅的源极、所述电容C₂的另一端、所述外界电阻R₀的负极分别与所述二极管D₆的阳极连接。

本发明的有益效果是：本发明通过上述技术方案，在所述带集成级联结构的DC-DC变换器内集成Boost电路、Buck-Boost电路、以及变压器，其中，所述Boost电路的输入端与外界直流电源V_in连接，所述Boost电路的输出端与所述变压器的初级线圈连接，所述变压器的次级线圈与所述Buck-Boost电路的输入端连接，所述Buck-Boost电路的输出端与外界负载R₀连接，实现了较大的电压增益，提高了变换器的集成度和变压器的工作效率，并减小了开关管的电压应力。

附图说明

图1是现有的光伏发电系统能量变换结构图；

图2是本发明提出的带集成级联结构的DC-DC变换器第一实施例的结构示意图；

图3是本发明提出的带集成级联结构的DC-DC变换器第二实施例的电路结构示意图；

图4是电感L2操作在DCM时的波形图；

图5(a)是本发明提出的带集成级联结构的DC-DC变换器第二实施例的等效电路图中第一级结构的示意图；

图5(b)是本发明提出的带集成级联结构的DC-DC变换器第二实施例的等效电路图中第二级结构的示意图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体地，请参照图2，图2是本发明提出的带集成级联结构的DC-DC变换器第一实施例的结构示意图。

如图2所示，本实施例提出的带集成级联结构的DC-DC变换器集成有Boost电路、Buck-Boost电路、以及变压器，其中，所述Boost电路的输入端与外界直流电源V_in连接，所述Boost电路的输出端与所述变压器的初级线圈连接，所述变压器的次级线圈与所述Buck-Boost电路的输入端连接，所述Buck-Boost电路的输出端与外界负载R₀连接。

本实施例通过上述技术方案，在所述带集成级联结构的DC-DC变换器内集成Boost电路、Buck-Boost电路、以及变压器，实现了较大的电压增益，提高了变换器的集成度和变压器的工作效率。

进一步的，请参照图3，图3是本发明提出的带集成级联结构的DC-DC变换器第二实施例的电路结构示意图。

具体的，本实施例中，所述Boost电路包括电容C₁、电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、以及开关管S₄。其中，所述电感L₁的输入端与外界直流电源V_in的正极连接，所述电感L₁的输出端分别与所述二极管D₁的阳级、二极管D₂的阳级、二极管D₃的阳级连接；所述二极管D₁的阴级分别与所述电容C₁的一端、所述开关管S₁的漏级、开关管S₃的漏级连接；所述开关管S₁的源级分别与所述二极管D₂的阴极、所述开关管S₂的漏级、所述变压器的初级线圈的一端连接；所述开关管S₃的源级分别与所述二极管D₃的阴极、所述开关管S₄的漏级、所述变压器的初级线圈的另一端连接；所述电容C₁的另一端、所述开关管S₂的源级、所述开关管S₄的源级分别与所述外界直流电源V_in的负极连接。

所述Buck-Boost电路包括电感L₂、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、以及开关管S₅、以及电容C₂。其中，所述电感L₂的一端与所述变压器的一端连接，所述电感L₂的另一端分别与所述二极管D₄的阳极、所述二极管D₅的阴极连接；所述二极管D₄的阴极分别与所述二极管D₆的阴极、所述开关管S₅的漏极，所述二极管D₈的阳极连接；所述二极管D₆的阳极分别与所述变压器的次级线圈的另一端、所述二极管D₇的阴极连接；所述二极管D₈的阴极分别与所述电容C₂的一端、所述外界负载R₀的正极连接；所述二极管D₇的阳极、所述开关管S₅的源极、所述电容C₂的另一端、所述外界电阻R₀的负极分别与所述二极管D₆的阳极连接。

下面结合图3、图4、图5(a)以及图5(b)对本实施例的电路原理做详细阐述：

本实施例提出的带集成级联结构的DC-DC变换器的电路图如图3所示，其中，V_in为输入电压，而V_o为输出电压。N为变压器T_r的匝比。电感L₂为实际系统中变压器T_r的漏感与外部串联电感之和。

如图3所示，低压侧通常连接光伏电池或者燃料电池的输出端，高压侧为直流母线。由于低压侧的电池属性，为得到一个较小的峰值电流，因此实际电路中电感L₁通常工作在连续导通模式(CCM)。而电感L₂则可以工作在断续导通模式(DCM)或者连续导通模式(CCM)。当电路参数确定时，电感L₂的导通模式取决于负载的大小。

为简化分析过程，做以下假设：

1)所有开关管和二极管被认为是理想器件，即所有开关管的导通电阻和所有二极管的正向导通压降均视为零；

2)所述电容C₁和电容C₂容值足够大，即V_C1和V_C2恒定；

3)同一桥臂的上管和下管之间的死区时间忽略。

图4是电感L₂操作在DCM时的波形图。其中，Ts为开关周期。D为开关管S₂和开关管S₄在一个开关周期内的占空比。Δ₁为时间段[t₁，t₂]在一个开关周期T_s内的占空比。在DCM，一个开关周期内变换器分为6个阶段。

阶段1[t₀-t₁]：在t₀时刻，开关管S₁，开关管S₄和开关管S₅导通。在这个阶段，输入电压V_in通过回路D₃和S₄给电感L₁充电。同时，电压V_C1通过回路S₁，D₄，S₅，D₇和S₄给电感L₂充电。根据变压器等效原理，此时施加在电感L₂两端的电压为NV_C1。输出电压V_o由电压V_C2提供。

阶段2[t₁-t₂]：在t₁时刻，开关管S₄和开关管S₅关断，开关管S₃导通。电感L₁通过回路D₁，C₁和V_in续流。电感L₁中的能量被释放到电容C₁。电感L₂通过回路S₃，S₁，D₄，D₈，V_o和D₇续流。电感L₂中的能量被释放到输出电压V_o。

阶段3[t₂-t₃]：在t₂时刻，电感L₂续流结束，电感L₂的电流下降为零。在这个阶段，流过电感L₂的电流为零。虽然开关管S₁和开关管S₃仍然处于导通状态，但是也没有电流流过。同时，电感L₁依然工作在续流状态。输出电压V_o由电压V_C2提供。

阶段4[t₃-t₄]：在t₃时刻，开关管S₁关断，开关管S₂和开关管S₅导通。这个阶段与阶段1类似。然而，在这一阶段电感L₂的电流方向与阶段1相反。在这个阶段，输入电压V_in通过回路D₂和S₂给电感L₁充电。同时，电压V_C1通过回路S₃，D₆，S₅，D₅和S₂给电感L₂充电。施加在电感L₂两端的电压为NV_C1。输出电压V_o由电压V_C2提供。

阶段5[t₄-t₅]：在t₄时刻，开关管S₂和开关管S₅关断，开关管S₁导通。这个阶段与阶段2类似。在这个阶段，电感L₁通过回路D₁，C₁和V_in续流。电感L₁中的能量被释放到电容C₁。电感L₂通过回路S₁，S₃，D₆，D₈，V_o和D₅续流。电感L₂中的能量被释放到输出电压V_o。

阶段6[t₅-t₆]：在t₅时刻，电感L₂续流结束，电感L₂的电流下降为零。这个阶段与阶段3类似。在这个阶段，流过电感L₂的电流为零。输出电压V_o由电压V_C2提供。

需要说明的是，根据操作原理，本实施例提出的带集成级联结构的DC-DC变换器被集成为一个非隔离型变换器和一个隔离型变换器。该带集成级联结构的变换器可以等效为两级电路结构。其中，在第一级结构，能量从输入电压V_in传递到电容C₁中；在第二级结构，能量从电容C₁传递到输出侧。本实施例提出的带集成级联结构的DC-DC变换器的等效电路图如图5(a)及图5(b)所示。

图5(a)中是一个Boost变换器，图5(b)中是一个Buck-Boost变换器。在图5(b)中，NV_C1是由V_C1通过变压器等效变换后得到。

其中，图5(a)所示的Boost变换器包括电感L₁、二极管D₁、开关管S₂或者S₄、电容C₁、以及电阻R₁；所述电感L₁的一端与电源V_in的正极连接，所述电感L₁的另一端分别与所述二极管D₁的阳极、所述开关管S₂或者S₄的漏级连接，所述二极管D₁的阴极分别与所述电容C₁的一端、所述电阻R₁的一端连接，所述电源V_in的负极分别与所述开关管S₂或者S₄的源级、所述电容C₁的另一端、所述电阻R₁的另一端连接。

图5(b)所示的Buck-Boost变换器包括开关管S₂或者S₄，电感L₂，二极管D₈，二极管D_S1或者D_S3，开关管S₅，电容C₂，电阻R₀。需要说明的是，在上述图3中，所述开关管S₁的源级和漏级之间连接有所述二极管D_S1，所述二极管D_S1的阳极和所述开关管S₁的源级连接，所述二极管D_S1的阴极和所述开关管S₁的漏级连接；所述开关管S₂的源级和漏级之间连接有所述二极管D_S2，所述二极管D_S2的阳极和所述开关管S₂的源级连接，所述二极管D_S2的阴极和所述开关管S₂的漏级连接。

图5(b)中，所述开关管S₂或者S₄的漏级和所述电源NV_C1的正极连接，所述开关管S₂或者S₄的源级分别和所述电感L₂的一端，所述二极管D_S1或者D_S3的阴极连接，所述电感L₂的另一端分别和所述开关管S₅的漏级、所述二极管D₈的阳极连接，所述二极管D₈的阴极分别与所述电容C₂的一端、所述电阻R₀的一端连接，所述电源NV_C1的负极分别与所述二极管D_S1或者D_S3的阳级、所述开关管S₅的源级、所述电容C₂的另一端、所述电阻R₀的另一端连接。

在DCM时变换器的操作波形如图4所示。Ts为开关周期，开关频率根据以上分析，在正半周期和负半周期变换器的操作原理相同。因此，只需要对变换器在半个周期内的电路状态进行推导和分析。

根据图4、图5(a)、以及图5(b)，在时间间隔[t₀,t₃]内，分别对电感L₁和电感L₂应用伏秒平衡原理，有

化简式(1)，有

此外，根据图4的操作波形，电流i_C在时间间隔[t₀，t₃]内的平均值等于输出侧的平均电流值I_o，则有

联立(2)和(3),可求出输出功率的表达式为

综上所述，本发明提出的带集成级联结构的DC-DC变换器内集成Boost电路、Buck-Boost电路、以及变压器，其中，所述Boost电路的输入端与外界直流电源V_in连接，所述Boost电路的输出端与所述变压器的初级线圈连接，所述变压器的次级线圈与所述Buck-Boost电路的输入端连接，所述Buck-Boost电路的输出端与外界负载R₀连接，相对于现有技术，实现了较大的电压增益，提高了变换器的集成度和变压器的工作效率，并减小了开关管的电压应力。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种带集成级联结构的DC-DC变换器，其特征在于，所述带集成级联结构的DC-DC变换器内集成有Boost电路、Buck-Boost电路、以及变压器，其中，所述Boost电路的输入端与外界直流电源V_in连接，所述Boost电路的输出端与所述变压器的初级线圈连接，所述变压器的次级线圈与所述Buck-Boost电路的输入端连接，所述Buck-Boost电路的输出端与外界负载R₀连接。

2.根据权利要求1所述的带集成级联结构的DC-DC变换器，其特征在于，所述Boost电路包括电容C₁、电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、以及开关管S₄；其中，

所述电感L₁的输入端与外界直流电源V_in的正极连接，所述电感L₁的输出端分别与所述二极管D₁的阳级、二极管D₂的阳级、二极管D₃的阳级连接；所述二极管D₁的阴级分别与所述电容C₁的一端、所述开关管S₁的漏级、开关管S₃的漏级连接；所述开关管S₁的源级分别与所述二极管D₂的阴极、所述开关管S₂的漏级、所述变压器的初级线圈的一端连接；所述开关管S₃的源级分别与所述二极管D₃的阴极、所述开关管S₄的漏级、所述变压器的初级线圈的另一端连接；所述电容C₁的另一端、所述开关管S₂的源级、所述开关管S₄的源级分别与所述外界直流电源V_in的负极连接。

3.根据权利要求2所述的带集成级联结构的DC-DC变换器，其特征在于，所述Buck-Boost电路包括电感L₂、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、以及开关管S₅、以及电容C₂；其中，

所述电感L₂的一端与所述变压器的一端连接，所述电感L₂的另一端分别与所述二极管D₄的阳极、所述二极管D₅的阴极连接；所述二极管D₄的阴极分别与所述二极管D₆的阴极、所述开关管S₅的漏极，所述二极管D₈的阳极连接；所述二极管D₆的阳极分别与所述变压器的次级线圈的另一端、所述二极管D₇的阴极连接；所述二极管D₈的阴极分别与所述电容C₂的一端、所述外界负载R₀的正极连接；所述二极管D₇的阳极、所述开关管S₅的源极、所述电容C₂的另一端、所述外界电阻R₀的负极分别与所述二极管D₆的阳极连接。