阅读说明：本技术 一种新型可扩展Zeta DC-DC变换器 (Novel expandable Zeta DC-DC converter ) 是由 邾玢鑫 刘光辉 张耀 佘小莉 陈世环 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：一种新型可扩展Zeta DC-DC变换器,该变换器包括：一个输入电源,一个负载<I>R</I><Sub>L</Sub>,一个基本Zeta DC-DC变换器,<I>n</I>个基础单元；所述基本Zeta DC-DC变换器包括：两个电感<I>L</I><Sub>1</Sub>、<I>L</I><Sub>2</Sub>,两个电容<I>C</I><Sub>1</Sub>、<I>C</I><Sub>2</Sub>,一个功率开关S<Sub>1</Sub>,一个二极管D<Sub>1</Sub>。相比于传统Zeta DC-DC变换器,本发明变换器具有：输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势,适用于输入或输出电压变化范围较宽的应用场合。(A novel scalable Zeta DC-DC converter comprising: an input power supply, a load R L A basic Zeta DC-DC converter, n a base unit; the basic Zeta DC-DC converter includes: two inductors L 1 、 L 2 Two capacitors C 1 、 C 2 A power switch S 1 A diode D 1 . Compared with the traditional Zeta DC-DC converter, the converter of the invention has the following advantages: the input and output voltage has the advantages of wide regulation range, low voltage stress of a switching device and the like, and is suitable for application occasions with wide input or output voltage variation range.)

一种新型可扩展Zeta DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种宽输入输出升降压DC/DC变换器，具体是一种新型可扩展ZetaDC-DC变换器。

背景技术

目前文献中，提高DC-DC变换器输入输出增益的关键器件或方案可以分为隔离型，级联型、耦合电感型、开关电容型、电压增益单元型或多种方式组合型。但上述方案大多是基于Boost变换器展开，因而只具备高升压能力，不具备降压能力，且部分方案存在输入输出变比必须大于2的情况。所以，在一些电压变化范围较大的场合，特别是有时需要实现降压的场合中，上述方案难以适用。

传统的非隔离型升降压DC-DC变换器有Buck-Boost、Cuk、SEPIC和Zeta电路。理论上通过调节占空比D，这些变换器的输入输出增益可以在零至无穷大之间变化，输入输出电压转换比可以做到较宽的调节范围。但在实际工况下，当这些变换器工作于升压模式时，特别是当占空比接近1时，受电路和元器件寄生参数的影响，输入输出增益比不升反降，输入输出增益比调节范围受到极大的限制。因此，在现有升降压DC-DC变换器的基础上研究既可实现高增益升压，同时又保留降压能力的新型宽输入输出升降压DC/DC变换器具有重要意义。

发明内容

为解决现有非隔离型高增益DC-DC变换器在宽输入输出电压应用场合中的局限性问题。本发明在传统Zeta DC-DC变换器引入与之相适应的“外衣电路”，提出一种新型可扩展Zeta DC-DC变换器，相比于传统Zeta DC-DC变换器，本发明变换器具有：输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势，适用于输入或输出电压变化范围较宽的应用场合。

本发明采取的技术方案为：

一种新型可扩展Zeta DC-DC变换器，该变换器包括：

一个输入电源，一个负载R_L，一个基本Zeta DC-DC变换器，n个基础单元；

所述基本Zeta DC-DC变换器包括：两个电感L₁、L₂，两个电容C₁、C₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁；其连接形式如下：

功率开关S₁的漏极连接输入电源的正极，功率开关S₁的源极分别连接电感L₁的一端、电容C₁的一端，电容C₁的另一端分别与电感L₂的一端、二极管D₁的阴极相连，电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连，电感L₁的另一端、二极管D₁的阳极、以及电容C₂的另一端均与输入电源的负极相连；

n个基础单元的元器件和内部连接形式均相同，

第1个基础单元其含有：一个电感L₁₁，一个二极管D₁₁，两个电容C₁₁、C₁₂；其中，电容C₁₁的另一端分别与电感L₁₁的一端、二极管D₁₁的阴极相连，电感L₁₁的另一端与电容C₁₂的一端相连；

第2个基础单元其含有：一个电感L₂₁，一个二极管D₂₁，两个电容C₂₁、C₂₂；其中，电容C₂₁的另一端分别与电感L₂₁的一端、二极管D₂₁的阴极相连，电感L₂₁的另一端与电容C₂₂的一端相连；

......依次类推，以第i个基础单元为例，其含有：一个电感L_i1，一个二极管D_i1，两个电容C_i1、C_i2；其中，电容C_i1的另一端分别与电感L_i1的一端、二极管D_i1的阴极相连，电感L_i1的另一端与电容C_i2的一端相连；

各个基础单元之间的连接形式如下：1<i≤n，

第1个基础单元中电容C₁₂的一端和电感L₁₁的另一端相连的交点，分别与第2个基础单元中电容C₂₂的另一端、以及二极管D₂₁的阳极相连，共同构成一个交点；第1个基础单元中电容C₁₁的一端与第2个基础单元中电容C₂₁的一端相连；

第2个基础单元中电容C₂₂的一端和电感L₂₁的另一端相连的交点，分别与第3个基础单元中电容C₃₂的另一端、二极管D₃₁的阳极相连，共同构成一个交点；第2个基础单元中电容C₂₁的一端与第3个基础单元中电容C₃₁的一端相连；

......依次类推，第i-1个基础单元中电容C_(i-1)2的一端和电感L_(i-1)1的另一端相连的交点，分别与第i个基础单元中电容C_i2的另一端、二极管D_i1的阳极相连，共同构成一个交点；第i-1个基础单元中电容C_(i-1)1的一端与第i个基础单元中电容C_i1的一端相连；

第1个基础单元与基本Zeta DC-DC变换器之间的连接关系如下：

基本Zeta DC-DC变换器中电容C₁的一端与电感L₁的一端、以及功率开关S₁的源极相连的交点，与第1个基础单元中电容C₁₁的一端相连；

基本Zeta DC-DC变换器中电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连的交点，与第1个基础单元中二极管D₁₁的阳极和电容C₁₂的另一端相连，共同构成一个交点；

第n个基础单元中电容C_n2的一端和电感L_n1的另一端相连，构成一个交点，该交点与负载R_L的一端相连，负载R_L的另一端和输入电源的负极相连。

所述功率开关S₁的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。

本发明一种新型可扩展Zeta DC-DC变换器，技术效果如下：

1、在提高变换器输入输出增益的基础上，保留了变换器的降压能力，且开关器件电压应力低。具体如下(电感L₁的电流连续导通时)：

输入输出增益为：

开关管电压应力为：其中D为占空比，u_in为输入电压，u_o为输出电压，u_s为功率开关电压应力，n为基础单元数量。

2、本发明变换器仅含有1个功率开关，控制策略及驱动电路简单。

3、通过调节本发明基础单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。此外，因“外衣电路”中不含有有源开关，因而本发明不改变传统Zeta DC-DC变换器的控制和驱动电路。相比于传统Zeta DC-DC变换器，本发明变换器具有：输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势，适用于输入或输出电压变化范围较宽的应用场合。

附图说明

图1是本发明电路原理图。

图2是本发明基础单元数为2时的电路拓扑图。

图3是传统Zeta DC-DC变换器电路原理图。

图4是本发明基础单元数为2时的输入输出增益与传统Zeta DC-DC变换器的输入输出增益对比图。

图5是本发明基础单元数为2时的输入电压和输出电压仿真波形图。

图6是本发明基础单元数为2时的开关两端端电压和占空比仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示为本发明基础单元数为2时的电路拓扑图：

一种新型可扩展Zeta DC-DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个负载R_L，一个基本Zeta DC-DC变换器，两个基础单元。其中：

基本Zeta DC-DC变换器包含两个电感L₁、L₂，两个电容C₁、C₂，一个功率开关S₁，一个二极管D₁。其连接形式如下：功率开关S₁的漏极连接输入电源的正极，源极连接功率电感L₁的一端以及电容C₁的一端，电容C₁的另一端与电感L₂的一端以及二极管D₁的阴极相连，电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连，电感L₁的另一端、二极管D₁的阳极以及电容C₂的另一端与输入电源的负极相连。

两个基础单元之间的连接形式如下：

第1个基础单元中电容C₁₂的一端和电感L₁₁的另一端相连的交点与第2个基础单元中电容C₂₂的另一端以及二极管D₂₁的阳极相连，共同构成一个交点，第1个基础单元中电容C₁₁的一端与第2个基础单元中电容C₂₁的一端相连。

第1个基础单元与基本Zeta DC-DC变换器之间的连接关系如下：

基本Zeta DC-DC变换器中电容C₁的一端与电感L₁的一端以及功率开关S₁的源极相连的交点与第1个基础单元中电容C₁₁的一端相连；基本Zeta DC-DC变换器中电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连的交点与第1个基础单元中二极管D₁₁的阳极和电容C₁₂的另一端相连，共同构成一个交点。

负载R_L的一端与第2个基础单元中电容C₂₂的一端和电感L₂₁的另一端相连的交点相连，负载R_L的另一端和输入电源的负极相连。

所述功率开关S₁的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。

在电感L₁的电流连续导通时，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：

(1)功率开关S₁导通，二极管D₁、D₁₁、D₂₁均关断，此时电感L₁、L₂、L₁₁、L₂₁、电容C₂、C₁₂、C₂₂充电，电容C₁、C₁₁、C₂₁放电；电感L₁、L₂、L₁₁、L₂₁端电压如下式所示：

(2)功率开关S₁关断，二极管D₁、D₁₁、D₂₁均导通，此时电感L₁、L₂、L₁₁、L₂₁、电容C₂、C₁₂、C₂₂放电，电容C₁、C₁₁、C₂₁充电；电感L₁、L₂、L₁₁、L₂₁端电压如下式所示：

输出电压u_o为电容C₂、C₁₂、C₂₂的端电压u_c2、u_c12、u_c22之和，即：

u_o＝u_c2+u_c12+u_c22。

图4是本发明基础单元数为2时的输入输出增益与传统Zeta DC-DC变换器的输入输出增益对比图。从图4中可以看出所提变换器相较于传统Zeta变换器输入输出增益得到了很大的提高。

图5是本发明基础单元数为2时的输入电压和输出电压仿真波形图，具体仿真参数为：输入电压u_in＝48V，占空比D＝73.53％，负载电阻R_L＝400Ω。根据上述输入电压和占空比，可以根据理论分析计算出扩展单元数为2时，所提变换器的输出电压约为400V。图5所示的输入输出电压仿真波形与理论分析相吻合，从而验证了理论分析的正确性和可行性。

图6是本发明基础单元数为2时的开关两端端电压和占空比仿真波形图，具体仿真参数为：输入电压u_in＝48V，占空比D＝73.53％，负载电阻R_L＝400Ω。根据上述输入电压和占空比，可以根据理论分析计算出开关管的电压应力约为180V。图6所示的开关管电压应力仿真与理论分析相吻合，相较于传统Zeta变换器，所提变换器开关管电压应力显著降低。