阅读说明：本技术 一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器 (Boost DC-DC converter with multiple basic units ) 是由 邾玢鑫 王慧慧 张耀 佘小莉 杨浴金 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器,该DC-DC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Boost DC-DC变换器,<I>n</I>个基础单元；所述基本Boost DC-DC变换器包含一个电感<I>L</I><Sub>1</Sub>,一个电容<I>C</I><Sub>1</Sub>,一个功率开关S<Sub>1</Sub>,一个二极管D<Sub>1</Sub>。本发明DC-DC变换器仅含有一个功率开关,控制策略及驱动电路简单；并具有输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力等优势,较适合于输入输出增益高或变化范围大的应用场合。(A Boost DC-DC converter with multiple basic units comprises an input power supply, a load R L A basic Boost DC-DC converter, n a base unit; the basic Boost DC-DC converter comprises an inductor L 1 A capacitor C 1 A power switch S 1 A diode D 1 . The DC-DC converter only comprises one power switch, and the control strategy and the driving circuit are simple; the method has the advantages of wide input and output voltage regulation range, voltage stress of a switching device and the like, and is suitable for application occasions with high input and output gains or large variation range.)

一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种Boost DC-DC变换器，具体涉及一种具有多个基础单元的BoostDC-DC变换器。

背景技术

理想情况下，通过占空比的调节，Boost变换器的输入输出增益可以在零至无穷大之间变化，但在考虑电路寄生参数、开关器件管压降等影响后，基本Boost变换器的升压能力受到了较大的限制。目前为了提高Boost变换器输入输出增益，基于传统VM或CW-VM单元与Boost变换器的结合构建了多种具备高增益升压能力的直流升压变换器拓扑，但是开关管占空比受限，均需大于0.5，这会导致变换器输入输出增益可调节的范围受到限制，难以适用于输入输出增益变化范围大的应用场合，另外至少需要2个有源开关，在小功率应用场合下经济性受到了影响。因此，研究基于基本Boost换器的基础上实现高增益升压，同时具有宽输入输出升压DC/DC变换器具有重要意义。

发明内容

为解决现有基本Boost DC-DC变换器不能实现输入输出增益高或变化范围大的应用场合中使用的问题。本发明提供一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，由基本Boost DC-DC变换器和和“外衣电路”组成。“外衣电路”中含有若干个增益单元，每个基础单元由一个电感、两个电容及一个二极管所构成，通过调节“外衣电路”的基础单元个数，即可实现对DC-DC变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。本发明DC-DC变换器仅含有一个功率开关，控制策略及驱动电路简单；并具有输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力等优势，较适合于输入输出增益高或变化范围大的应用场合。

本发明采取的技术方案为：

一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，该DC-DC变换器包括：

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

所述基本Boost DC-DC变换器包含一个电感L₁，一个电容C₁，一个功率开关S₁，一个二极管D₁；其连接形式如下：

电感L₁的一端接输入电源的正极，电感L₁的另一端分别连接功率开关S₁的漏极、二极管D₁的阳极，电容C₁的一端与二极管D₁的阴极相连，功率开关S₁的源极、电容C₁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的阳极相连，二极管D₁₁的阴极与电容C₁₂的一端相连，电感L₁₁的另一端与电容C₁₂的另一端相连；

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的阳极相连，二极管D₂₁的阴极与电容C₂₂的一端相连，电感L₂₁的另一端与电容C₂₂的另一端相连；

......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的阳极相连，二极管D_i1的阴极与电容C_i2的一端相连，电感L_i1的另一端与电容C_i2的另一端相连；

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个基础单元中二极管D₁₁的阴极与电容C₁₂的一端相连的交点，和第2个基础单元中电感L₂₁的另一端与电容C₂₂的另一端相连的交点相连；

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，第2个基础单元中二极管D₂₁的阴极与电容C₂₂的一端相连的交点，和第3个基础单元中电感L₃₁的另一端与电容C₃₂的另一端相连的交点相连；

......依次类推，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i-1个基础单元中二极管D_(i-1)1的阴极与电容C_(i-1)2的一端相连的交点，和第i个基础单元中电感L_i1的另一端与电容C_i2的另一端相连的交点相连；

第1个基础单元与基本Boost DC-DC变换器之间的连接关系如下：

基本Boost DC-DC变换器中L₁的另一端与二极管D₁的阳极相连的交点，和第1个基础单元中电容C₁₁的一端相连；

基本Boost DC-DC变换器中电容C₁的一端与二极管D₁的阴极相连的交点，和第1个基础单元中电感L₁₁的另一端与电容C₁₂的另一端相连的交点相连；

第n个基础单元中二极管D_n1的阴极与电容C_n2的一端相连构成交点，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。

本发明一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，技术效果如下：

1、提高输入输出增益，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“外衣电路”的基础单元个数，即可实现对DC-DC变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节。本发明DC-DC变换器具有输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力等优势，较适合于输入输出增益高或变化范围大的应用场合。

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Boost 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Boost 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时的开关两端端电压和占空比仿真波形图。

图6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：

一种具有多个基础单元的Boost DC-DC变换器，该DC-DC变换器包含一个直流输入源，一个负载R_L，一个基本Boost DC-DC变换器，n个基础单元。其中：

基本Boost DC-DC变换器包含一个电感L₁，一个电容C₁，一个功率开关S₁，一个二极管D₁。其连接形式如下：电感L₁的一端接输入电源的正极，另一端连接功率开关S₁的漏极以及二极管D₁的阳极，电容C₁的一端与二极管D₁的阴极相连，功率开关S₁的源极以及电容C₁的另一端与输入电源的负极相连。

第1个基础单元中含有一个电感L₁₁，一个二极管D₁₁，两个电容C₁₁、C₁₂。其中电容C₁₁的另一端与电感L₁₁的一端以及二极管D₁₁的阳极相连，二极管D₁₁的阴极与电容C₁₂的一端相连，电感L₁₁的另一端与电容C₁₂的另一端相连。。

2个基础单元之间的连接关系如下：

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个基础单元中二极管D₁₁的阴极与电容C₁₂的一端相连的交点和第2个基础单元中电感L₂₁的另一端与电容C₂₂的另一端相连的交点相连。

第1个基础单元与基本Boost DC-DC变换器之间的连接关系如下：基本Boost DC-DC变换器中L₁的另一端与二极管D₁的阳极相连的交点和第1个基础单元中电容C₁₁的一端相连，基本Boost DC-DC变换器中电容C₁的一端与二极管D₁的阴极相连的交点和第1个基础单元中电感L₁₁的另一端与电容C₁₂的另一端相连的交点相连。

负载R_L的一端和第2个基础单元中二极管D₂₁的阴极与电容C₂₂的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、L₁₁、L₂₁电容C₁₁、C₂₁充电，电容C₁、C₁₂、C₂₂放电；电感L₁、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、L₁₁、L₂₁电容C₁₁、C₂₁放电，电容C₁、C₁₂、C₂₂充电；电感L₁、L₂、L₁₁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_c1、u_c12、u_c22之和，即：

u_o＝u_c1+u_c12+u_c22

仿真参数：输入电压u_in＝48V，L₁＝300μH，C₁＝20μF，占空比D＝73.53％，负载电阻R_L＝400Ω。基础单元数n＝2，基础单元中的电感L₁₁、L₂₁为950μH，电容C₁₁、C₂₁为20μF。开关两端端电压和占空比仿真波形如图5所示，u_S1＝181.3V，输入电压和输出电压仿真波形如图6所示，u_o＝448.0V。