CN205356155U - 一种单管Buck-Boost-flyback升降压型电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单管Buck-Boost-flyback升降压型电路，包括：直流电源、MOSFET开关管、匝比1:n的变压器、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容；本实用新型的升降压型电路将buck-boost的升降压式DC-DC电路和隔离式flyback电路有机结合，实现直流电压的升降变换，其中反激式电路的变压器一次侧(原边电感及漏感)作为Buck-Boost电路的电感，消除了反激拓扑漏感导致的效率低和开关管电压应力过高等问题，提高了变换器效率和升压模式下的电压增益。

Description

一种单管Buck-Boost-flyback升降压型电路

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，涉及一种升降压型电路，尤其涉及一种单管Buck-Boost-flyback升降压型电路。

背景技术

直流—直流变换器(简称DC-DC变换器)是一种电压等级的直流电转变为其它电压等级的直流电的电力电子电路拓扑。目前通信设备、集成电路以及各种电子产品充电适配器等电源均为直流电源，它们的电源设计中均涉及到DC-DC变换器。所以直流电源有着极为广泛的应用市场和应用领域。

电能是现代社会的基础能源之一，电能的高效利用对于节能减排以及环境保护具有重要意义。2013年，全球范围内，电力中的22％来自可再生能源，随着化石能源的枯竭，这个数字将逐年增加。然而大部分新能源电能都需要升压、逆变、并网，然后才可以送到千家万户。因此研究高效的DC-DC变换器对于新能源电能的推广和高效利用影响重大。

对于现在的绝大部分光伏电池板来说，输出电压只有20-50V，如果将其并网，则需要较高增益的升压变换器，传统升压变化器主要Boost、反激、Buck-Boost、cuk、sepic、zeta等基本拓扑，目前已有的高增益直流变换器有耦合电感高增益升压直流变换器、Boost-flyback直流变换器。但是这些变换器拓扑都存在结构复杂、分析繁琐、漏感问题严重等弊端。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的问题，提出一种结构简单、效率高、具有较高升压增益的单管Buck-Boost-flyback升降压型电路拓扑。

本实用新型的单管Buck-Boost-flyback升降压型电路，包括：直流电源、MOSFET开关管、匝比1:n的变压器、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容；直流电源的正极与变压器原边同名端、第二电容的一端、负载的一端相连，变压器原边的另一端与第二二极管的正极、开关管的漏极相连，开关管的源极连接直流电源的负极，变压器副边同名端与第二二极管的负极、第二电容的另一端、第一电容的一端相连，变压器副边的另一端连接第一二极管的正极，第一二极管的负极与第一电容的另一端以及负载的另一端相连。

本实用新型的升降压型电路将Buck-Boost的升降压式DC-DC电路和隔离式flyback电路有机结合，实现直流电压的升降变换，其中反激式电路的变压器一次侧作为Buck-Boost的电感，消除了反激变换器漏感导致的效率低和开关管电压应力过高等问题，提高了变换器效率和升压模式下的电压增益。

附图说明

图1为反激电路拓扑图；

图2为反激电路中变压器改为理想变压器串联漏感电路图；

图3为Buck-Boost电路拓扑图；

图4为对Buck-Boost进行变形后的电路图；

图5为本实用新型的Buck-Boost-flyback升降压型电路拓扑图；

图6为Buck-Boost-flyback中变压器改为理想变压器串联漏感电路图；

图7为本实用新型Buck-Boost-flyback电路阶段1通路；

图8为本实用新型Buck-Boost-flyback电路阶段2通路。

具体实施方式

反激电路的主电路拓扑如图1所示，由直流电源DC、开关管(低压高频可采用MOSFET)Q1、变压器(匝比1：n)、二极管D1，电容C1、负载R组成，电容电压上正下负，在连续工作(CCM)模式下，输入输出直流电压稳态关系为：

$\frac{V_{out}}{V_{in}}=n\frac{D}{(1-D)}$

其中V_out表示CCM模式下稳态工作时负载电阻上的电压，V_in表示输入直流电源DC的电压，D表示开关管门极驱动PWM的占空比。

将反激电路中变压器改为理想变压器串联漏感模型，电路图如图2所示，实际变压器模型可以转化为励磁电感Lm与一个变比为1：n的理想变压器并联，然后整体和漏感Ld串联组成，这样的等效可以方便分析电路工作状态，也是很精确的等效。

Buck-Boost电路拓扑图如图3所示，由直流电源DC、开关管(低压可采用MOSFET)Q2、电感L3、二极管D2，电容C2、负载R组成，电容电压上正下负，则CCM工作模式下，输入输出直流电压稳态关系为：

$\frac{V_{out}}{V_{in}}=-\frac{D}{(1-D)}$

其中V_out表示CCM模式下稳态工作时负载电阻上的电压，V_in表示输入直流电源DC的电压，D表示开关管门极驱动PWM的占空比。

对Buck-Boost进行变形后的电路图如图4所示，变形原理是通过改变了串联支路上开关管MOSFET的位置和二极管的位置，电路的工作原理和输出输入电压关系都维持不变。

本实用新型的单管Buck-Boost-flyback升降压型电路，如图5所示。将反激电路和Buck-Boost电路进行了有机结合，共用一个输入直流电源，一个开关管。拓扑包括1个直流电源DC，1个自带反并联二极管的MOSFET，1个变压器(变比为1：n)，2个二极管D1、D2，2个电容C1、C2，还有负载电阻R，构成主功率电路。经分析可知，负载侧两个电容的电压均为上正下负，所以在升压模式下，输出电压比反激升压拓扑上升了一个Buck-Boost的电压，增加了放大倍数，同时Buck-Boost拓扑将漏感能量利用起来，提高了电路效率。

如图6所示，将Buck-Boost-flyback中变压器改为理想变压器串联漏感电路图。

分析电路在开关器件导通时的电流通路：将Q1导通时定义为阶段1。如图7所示，当Q1导通时，变压器原边电压为上正下负，副边为上负下正，于是D1反偏截止。而D2反偏电压为C2电压加上电源电压，于是D2也截止。对于电源侧，直流电源DC给变压器等效励磁电感Lm充磁，电感Lm的电流上升，同时漏感Ld的电流也在上升。对于负载侧来说，因为两个二极管均截止，所以只有电容给负载电阻R提供电流，电容放电，电压下降。此阶段等效于反激电路的开关管开通时变压器励磁电感充磁以及Buck-Boost电路开关管开通时电感充磁的结合。

分析电路在开关器件关断时的电流通路：将Q1关断时定义为阶段2。如图8所示，当Q1关断时，变压器原边励磁电感和漏感电流不再流经开关管回到电源DC负极，而是找到其它回路续流。Q1刚关断时，漏感电流将通过二极管D2导通续流，给电容C2充电，这个过程相当于Buck-Boost电路在断续工作模式下的续流阶段，很好的实现了漏感的能量转移到负载侧被利用，而不是经过MOSFET寄生电容导致Q1电压应力上升，所以减小了开关管电压应力，这使得可以选择导通电阻更小的MOSFET，从而提高了效率，保护了开关管。同时漏感Ld和理想变压器原边L1进行换流，等换流结束后，即漏感电流下降为0时，L1电流等于Lm的电流，副变电流为下面流入，上面流出，于是二极管D1导通，给C1充电。C1充电的电压和C2的电压均为上正下负，于是负载电阻的电压为两个电压的叠加。从而使得电路工作在升压模式下时电压放大倍数上升。此阶段等效于反激电路的开关管关断时变压器励磁电感放能以及Buck-Boost电路开关管关断时电感续流的结合。

总而言之，buck-boost-flyback是将buck-boost升降压型电路和flyback隔离式直流变换电路进行有机结合，消除了漏感带来的问题，减小了开关管的电压应力，增加了电压放大时的放大倍数，使得DC-DC变换器电路性能更好。和单个buck-boost升降压型电路相比，buck-boost-flyback电路将升压比大约提高了n+1倍；和flyback电路相比，使得漏感问题被很好的消除，减小了开关管的应力，同时提高了电路的效率。对于变压器的生产工艺来讲，则只需要关注效率和升压比(匝比关系)即可，不再用担心漏感带来的问题。

Claims (1)

1.一种单管Buck-Boost-flyback升降压型电路，其特征在于，包括：直流电源、MOSFET开关管、匝比1:n的变压器、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容；直流电源的正极与变压器原边同名端、第二电容的一端、负载的一端相连，变压器原边的另一端与第二二极管的正极、开关管的漏极相连，开关管的源极连接直流电源的负极，变压器副边同名端与第二二极管的负极、第二电容的另一端、第一电容的一端相连，变压器副边的另一端连接第一二极管的正极，第一二极管的负极与第一电容的另一端以及负载的另一端相连。