一种基于有源网络的高增益直流变换器拓扑结构转让专利
申请号 : CN202011272575.0
文献号 : CN112234821B
文献日 : 2021-09-14
发明人 : 周悦
申请人 : 燕山大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于有源网络的高增益直流变换器拓扑结构,其特征在于,包括:输入电源Ui、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元、输出二极管Do、输出滤波电容Co和负载电阻R;其中,输入电源Ui的正极与第一电感L1的第一端、第二功率开关管S2的漏极连接;第一电感L1的第二端分别与第一功率开关管S1的漏极、第一二极管D1的阳极、第一电容单元的第一端连接;第二功率开关管S2的源极分别与第二电感L2的第一端、负载电阻R的第二端、第二电容单元的第二端连接;第二电感L2的第二端分别与输入电源Ui的负极、第一功率开关管S1的源极连接;第一二极管D1的阴极分别与第三电感L3的第一端、第二电容单元的第一端连接;第三电感L3的第二端分别与第二二极管D2的阳极、第一电容单元的第二端连接;第二二极管D2的阴极分别与第四电感L4的第一端、第三电容单元的第一端连接;第四电感L4的第二端分别与输出二极管Do的阳极、第一电容单元的第三端连接;输出二极管Do的阴极分别与输出电容Co的第一端、负载电阻R的第一端连接;输出电容Co的第二端与第三电容单元的第三端连接;第三电容单元的第二端与第二电容单元的第三端连接;所述第一电容单元包括支路a、支路b、支路c、第一电容C1及第二电容C2,电容连接方式为:方式
1:支路a为第一电容C1、支路b为第二电容C2、支路c短接;具体为第一电容C1的第一端作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端与第二电容C2的第一端连接并作为所述第一电容单元的第三端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元的第二端;方式2:支路a为第一电容C1、支路b短接、支路c为第二电容C2;具体为第一电容C1的第一端作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端与第二电容C2的第一端连接并作为所述第一电容单元的第二端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元的第三端;方式3:支路a短接、支路b为第一电容C1、支路c为第二电容C2;具体为第一电容C1的第一端与第二电容C2的第一端连接并作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端作为所述第一电容单元的第二端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元的第三端;所述第二电容单元包括支路d、支路e、第三电容C3,电容连接方式为:方式1:支路d为第三电容C3、支路e短接;具体为第三电容C3的第一端作为所述第二电容单元的第一端,第三电容C3的第二端作为所述第二电容单元的第二端和第三端;方式2:支路d短接、支路e为第三电容C3;具体为第三电容C3的第一端作为所述第二电容单元的第二端,第三电容C3的第二端作为所述第二电容单元的第一端和第三端;所述第三电容单元包括支路f、支路g、第四电容C4,电容连接方式为:方式1:支路f为第四电容C4、支路g短接;具体为第四电容C4的第一端作为所述第三电容单元的第一端,第四电容C4的第二端作为所述第三电容单元的第二端和第三端;方式2:支路f短接、支路g为第四电容C4;具体为第四电容C4的第一端作为所述第三电容单元的第二端,第四电容C4的第二端作为所述第三电容单元的第一端和第三端;其通过第一电容单元、第二电容单元和第三电容单元方式的选择,使变换器电容充放电过程和耐压值随其在电容网络中的位置变化而变化,根据不同场合选择合适的电容位置。
说明书 :
一种基于有源网络的高增益直流变换器拓扑结构
技术领域
背景技术
要一个高增益升压DC‑DC变换器作为接口电路。
多级级联可实现高增益升压,但却需要多套开关器件和控制电路,结构复杂,能量的二次传
递也降低了整机的可靠性。其二是通过调整耦合电感的耦合系数来提高电压增益,但是漏
电感会带来电压尖峰和电磁干扰问题。其三利用有源网络中电感的并联充电和串联放电也
可实现,并且电路结构简单,两个开关管的驱动信号也一致,应用较多。第四种是融合电感‑
二极管和电容‑二极管技术,通过引入不同结构和数量的电感‑电容‑二极管升压单元实现
增益的升高,电路具有易扩展性,研究价值较高。但是现有的基于电感‑电容‑二极管的高增
益直流变换器技术中只是提出单一拓扑或者通过增加电容的数量来扩展拓扑的个数,没有
以电容单元中电容的位置变换为出发点来推导高增益变换器的拓扑构成。
发明内容
D1、第二二极管D2、第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元、输出二极管Do、输出滤波电
容Co和负载电阻R;其中,输入电源Ui的正极与第一电感L1的第一端、第二功率开关管S2的漏
极连接;第一电感L1的第二端分别与第一功率开关管S1的漏极、第一二极管D1的阳极、第一
电容单元的第一端连接;第二功率开关管S2的源极分别与第二电感L2的第一端、负载电阻R
的第二端、第二电容单元的第二端连接;第二电感L2的第二端分别与输入电源Ui的负极、第
一功率开关管S1的源极连接;第一二极管D1的阴极分别与第三电感L3的第一端、第二电容单
元的第一端连接;第三电感L3的第二端分别与第二二极管D2的阳极、第一电容单元的第二端
连接;第二二极管D2的阴极分别与第四电感L4的第一端、第三电容单元的第一端连接;第四
电感L4的第二端分别与输出二极管Do的阳极、第一电容单元的第三端连接;输出二极管Do的
阴极分别与输出电容Co的第一端、负载电阻R的第一端连接;输出电容Co的第二端与第三电
容单元的第三端连接;第三电容单元的第二端与第二电容单元的第三端连接。
电容C1的第一端作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端与第二电容C2的第
一端连接并作为所述第一电容单元的第三端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元
的第二端;方式2:支路a为第一电容C1、支路b短接、支路c为第二电容C2;具体为第一电容C1
的第一端作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端与第二电容C2的第一端连
接并作为所述第一电容单元的第二端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元的第三
端;方式3:支路a短接、支路b为第一电容C1、支路c为第二电容C2;具体为第一电容C1的第一
端与第二电容C2的第一端连接并作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端作
为所述第一电容单元的第二端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元的第三端;其
中的任一种。
第一端,第三电容C3的第二端作为所述第二电容单元的第二端和第三端;方式2:支路d短
接、支路e为第三电容C3;具体为第三电容C3的第一端作为所述第二电容单元的第二端,第三
电容C3的第二端作为所述第二电容单元的第一端和第三端;其中的任一种。
第一端,第四电容C4的第二端作为所述第三电容单元的第二端和第三端;方式2:支路f短
接、支路g为第四电容C4;具体为第四电容C4的第一端作为所述第三电容单元的第二端,第四
电容C4的第二端作为所述第三电容单元的第一端和第三端;其中的任一种。
流iL1、iL2线性上升;输入电源Ui和第三电容C3给第三电感L3和第一电容C1充电,电感电流iL3
上升;输入电源Ui和第四电容C4给第四电感L4和第二电容C2充电,电感电流iL4上升;第三电
容C3、第四电容C4和输出电容Co给负载电阻R供电;满足以下关系式:
电感L3通过D2给第四电容C4充电;输出二极管Do承受正向电压导通,第四电感L4通过Do给输
出电容Co充电,同时输入电源Ui、第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1及第二电容C2通过Do
给负载电阻R供电;满足以下关系式:
丰富了高增益直流变换器的拓扑种类。
适的电容位置,并可根据电容的耐压值选择出最优的电容位置,从而采用低耐压等级的电
容,有效减小系统成本。
率开关管和二极管电压应力小,控制简单。
附图说明
发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以
根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明
保护的范围。
关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元、输出二
极管Do、输出滤波电容Co和负载电阻R;其中,输入电源Ui的正极与第一电感L1的第一端、第
二功率开关管S2的漏极连接;第一电感L1的第二端分别与第一功率开关管S1的漏极、第一二
极管D1的阳极、第一电容单元的第一端连接;第二功率开关管S2的源极分别与第二电感L2的
第一端、负载电阻R的第二端、第二电容单元的第二端连接;第二电感L2的第二端分别与输
入电源Ui的负极、第一功率开关管S1的源极连接;第一二极管D1的阴极分别与第三电感L3的
第一端、第二电容单元的第一端连接;第三电感L3的第二端分别与第二二极管D2的阳极、第
一电容单元的第二端连接;第二二极管D2的阴极分别与第四电感L4的第一端、第三电容单元
的第一端连接;第四电感L4的第二端分别与输出二极管Do的阳极、第一电容单元的第三端连
接;输出二极管Do的阴极分别与输出电容Co的第一端、负载电阻R的第一端连接;输出电容Co
的第二端与第三电容单元的第三端连接;第三电容单元的第二端与第二电容单元的第三端
连接。
容C1的第一端作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端与第二电容C2的第一
端连接并作为所述第一电容单元的第三端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元的
第二端;方式2:支路a为第一电容C1、支路b短接、支路c为第二电容C2;具体为第一电容C1的
第一端作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端与第二电容C2的第一端连接
并作为所述第一电容单元的第二端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元的第三
端;方式3:支路a短接、支路b为第一电容C1、支路c为第二电容C2;具体为第一电容C1的第一
端与第二电容C2的第一端连接并作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的第二端作
为所述第一电容单元的第二端,第二电容C2的第二端作为所述第一电容单元的第三端;其
中的任一种。
一端,第三电容C3的第二端作为所述第二电容单元的第二端和第三端;方式2:支路d短接、
支路e为第三电容C3;具体为第三电容C3的第一端作为所述第二电容单元的第二端,第三电
容C3的第二端作为所述第二电容单元的第一端和第三端;其中的任一种。
一端,第四电容C4的第二端作为所述第三电容单元的第二端和第三端;方式2:支路f短接、
支路g为第四电容C4;具体为第四电容C4的第一端作为所述第三电容单元的第二端,第四电
容C4的第二端作为所述第三电容单元的第一端和第三端;其中的任一种。
流iL1、iL2线性上升;输入电源Ui和第三电容C3给第三电感L3和第一电容C1充电,电感电流iL3
上升;输入电源Ui和第四电容C4给第四电感L4和第二电容C2充电,电感电流iL4上升;第三电
容C3、第四电容C4和输出电容Co给负载电阻R供电;满足以下关系式:
电感L3通过D2给第四电容C4充电;输出二极管Do承受正向电压导通,第四电感L4通过Do给输
出电容Co充电,同时输入电源Ui、第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1及第二电容C2通过Do
给负载电阻R供电;满足以下关系式:
第二功率开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容单元、第二电容单元、第三电容
单元、输出二极管Do、输出滤波电容Co和负载电阻R;其中,输入电源Ui的正极与第一电感L1
的第一端、第二功率开关管S2的漏极连接;第一电感L1的第二端分别与第一功率开关管S1的
漏极、第一二极管D1的阳极、第一电容单元的第一端连接;第二功率开关管S2的源极分别与
第二电感L2的第一端、负载电阻R的第二端、第二电容单元的第二端连接;第二电感L2的第二
端分别与输入电源Ui的负极、第一功率开关管S1的源极连接;第一二极管D1的阴极分别与第
三电感L3的第一端、第二电容单元的第一端连接;第三电感L3的第二端分别与第二二极管D2
的阳极、第一电容单元的第二端连接;第二二极管D2的阴极分别与第四电感L4的第一端、第
三电容单元的第一端连接;第四电感L4的第二端分别与输出二极管Do的阳极、第一电容单元
的第三端连接;输出二极管Do的阴极分别与输出电容Co的第一端、负载电阻R的第一端连接;
输出电容Co的第二端与第三电容单元的第三端连接;第三电容单元的第二端与第二电容单
元的第三端连接。
二电容C2、支路c短接;具体为第一电容C1的第一端作为所述第一电容单元的第一端,第一电
容C1的第二端与第二电容C2的第一端连接并作为所述第一电容单元的第三端,第二电容C2
的第二端作为所述第一电容单元的第二端。方式二:支路a为第一电容C1、支路b短接、支路c
为第二电容C2;具体为第一电容C1的第一端作为所述第一电容单元的第一端,第一电容C1的
第二端与第二电容C2的第一端连接并作为所述第一电容单元的第二端,第二电容C2的第二
端作为所述第一电容单元的第三端。方式三:支路a短接、支路b为第一电容C1、支路c为第二
电容C2;具体为第一电容C1的第一端与第二电容C2的第一端连接并作为所述第一电容单元
的第一端,第一电容C1的第二端作为所述第一电容单元的第二端,第二电容C2的第二端作为
所述第一电容单元的第三端。
第一端作为所述第二电容单元的第一端,第三电容C3的第二端作为所述第二电容单元的第
二端和第三端。方式二:支路d短接、支路e为第三电容C3;具体为第三电容C3的第一端作为所
述第二电容单元的第二端,第三电容C3的第二端作为所述第二电容单元的第一端和第三
端。
第一端作为所述第三电容单元的第一端,第四电容C4的第二端作为所述第三电容单元的第
二端和第三端。方式二:支路f短接、支路g为第四电容C4;具体为第四电容C4的第一端作为所
述第三电容单元的第二端,第四电容C4的第二端作为所述第三电容单元的第一端和第三
端。
实施例二中第一电容单元采用方式一,第二电容单元采用方式一,第三电容单元采用方式
二进行连接;图7实施例三中第一电容单元采用方式一,第二电容单元采用方式二,第三电
容单元采用方式一进行连接;图8实施例四中第一电容单元采用方式一,第二电容单元采用
方式二,第三电容单元采用方式二进行连接;图9实施例五中第一电容单元采用方式二,第
二电容单元采用方式一,第三电容单元采用方式一进行连接;图10实施例六中第一电容单
元采用方式二,第二电容单元采用方式一,第三电容单元采用方式二进行连接;图11实施例
七中第一电容单元采用方式二,第二电容单元采用方式二,第三电容单元采用方式一进行
连接;图12实施例八中第一电容单元采用方式二,第二电容单元采用方式二,第三电容单元
采用方式二进行连接;图13实施例九中第一电容单元采用方式三,第二电容单元采用方式
一,第三电容单元采用方式一进行连接;图14实施例十中第一电容单元采用方式三,第二电
容单元采用方式一,第三电容单元采用方式二进行连接;图15实施例十一中第一电容单元
采用方式三,第二电容单元采用方式二,第三电容单元采用方式一进行连接;图16实施例十
二中第一电容单元采用方式三,第二电容单元采用方式二,第三电容单元采用方式二进行
连接。
感L1的电流iL1、第二电感L2的电流iL2、第三电感L3的电流iL3、第四电感L4的电流iL4在一个开
关周期的波形。
L2充电,电感电流iL1、iL2线性上升;输入电源Ui和第三电容C3给第三电感L3和第一电容C1充
电,电感电流iL3上升;输入电源Ui和第四电容C4给第四电感L4和第二电容C2充电,电感电流
iL4上升;第三电容C3、第四电容C4和输出电容Co给负载电阻R供电。
压导通,第三电感L3通过D2给第四电容C4充电;输出二极管Do承受正向电压导通,第四电感L4
通过Do给输出电容Co充电,同时输入电源Ui、第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1及第二电
容C2通过Do给负载电阻R供电。
案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。