组合式电压变换器及其参数确定方法与流程

本发明涉及电压变换器领域，具体而言，涉及一种组合式电压变换器及其参数确定方法。

背景技术：

由于电子设备中不同的功能模块对工作电压的大小要求不一，因此为了满足不同设备器件的电压需求，需要选择合适的dc-dc变换器芯片进行可靠的降压变换。例如，在电力系统的多种场合，均需要提高电压增益，以光伏/燃料电池发电系统前级输出电压较低的情况为例，为了避免对电网的电压造成冲击，目前主要采用通过升压变换器提高系统入网之前的电压的方式。但是，现有技术中的降压变换器的降压能力较低，无法实现较大的降压需求，有必要设计一种降压能力较强的电压变换器。此外，电压变换器中不同元器件的参数对变换器降压能力均有影响，但现有技术中通常是凭经验对参数进行选取，不便全面对所有元器件的参数进行试验以达到最好的降压效果。

针对相关技术中提供的电压变换器调整电压的能力较低的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种组合式电压变换器及其参数确定方法，以至少解决相关技术中提供的电压变换器调整电压的能力较低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种组合式电压变换器，该组合式电压变换器包括：升压降压变换器cuk，其输入端与直流电压输出端相连接，用于调整直流电压输出端的输出电压；隔离变换器，其输入端与升压降压变换器的输出端相连接，用于对调整后的输出电压进行再次调整。

进一步地，升压降压变换器包括：电感l1，其第一端与直流电压输出端的正极相连接；场效应管m1，其第一端与电感l1的第二端相连接，其第二端与第一电源v1相连接，其第三端与直流电压输出端的负极相连接；电容c1，其第一端与电感l1的第二端相连接；二极管d1，其正极与电容c1的第二端相连接，其负极与场效应管m1的第三端相连接；电感l2，其第一端与电容c1的第二端相连接，其第二端接地；电容c2，其第一端与电感l2的第二端相连接，其第二端与场效应管m1的第三端相连接。

进一步地，场效应管m1的导通比通过采用预设仿真软件对多个导通比数值进行仿真运算的运算结果确定。

进一步地，隔离变换器为正激式变换器或反激式变换器。

进一步地，在隔离变换器为正激式变换器的情况下，正激式变换器包括：电感l3，其第一端与电容c2的第二端相连接；场效应管m2，其第一端与电感l3的第二端相连接，其第二端与第二电源v2相连接，其第三端接地；二极管d2，其负极与电感l3的第一端相连接；电感l4，其第一端与二极管d2的正极相连接，其第二端接地；电感l5，与电感l4相耦合；二极管d3，其正极与电感l4的第一端相连接，其中，电感l5的第二端接地；二极管d4，其负极与二极管d3的负极相连接，其正极接地；电感l6，其第一端与二极管d3的负极相连接；电容c3，其第一端与电感l6的第二端相连接，其第二端接地；电阻r1，与电容c3并联。

进一步地，在隔离变换器为反激式变换器的情况下，反激式变换器包括：电感l7，其第一端与电容c2的第二端相连接；场效应管m3，其第一端与电感l7的第二端相连接，其第二端与第三电源v3相连接，其第三端接地；电感l8，与电感l7相耦合，其第一端接地；二极管d5，其正极与电感l8的第二端相连接；电容c4，其第一端接地，其第二端与二极管d5的负极相连接；电阻r2，与电容c4并联。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种组合式电压变换器的参数确定方法，该方法用于确定本发明的组合式电压变换器的参数，该方法包括：在预设仿真软件中建立组合式电压变压器的电路模型；调节电路模型中不同元器件的参数并对电路模型进行仿真运算；根据仿真结果确定电路模型中每个元器件的参数。

进一步地，调节电路模型中不同元器件的参数并对电路模型进行仿真运算包括：将电路模型中除参数待定元器件之外的元器件分别设置为对应的默认参数；对参数待定元器件的参数进行调节并进行仿真运算，得到组合式电压变换器的输出电压的仿真结果；根据输出电压的仿真结果选择参数待定元器件的参数。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种组合式电压变换器的参数确定装置，该装置用于确定本发明的组合式电压变换器的参数，该装置包括：建模单元，用于在预设仿真软件中建立组合式电压变压器的电路模型；仿真单元，用于调节电路模型中不同元器件的参数并对电路模型进行仿真运算；确定单元，用于根据仿真结果确定电路模型中每个元器件的参数。

进一步地，仿真单元包括：设置模块，用于将电路模型中除参数待定元器件之外的元器件分别设置为对应的默认参数；仿真模块，用于对参数待定元器件的参数进行调节并进行仿真运算，得到组合式电压变换器的输出电压的仿真结果；选择模块，用于根据输出电压的仿真结果选择参数待定元器件的参数。

在本发明实施例中，通过升压降压变换器cuk，其输入端与直流电压输出端相连接，用于调整直流电压输出端的输出电压；隔离变换器，其输入端与升压降压变换器的输出端相连接，用于对调整后的输出电压进行再次调整，解决了相关技术中提供的电压变换器调整电压的能力较低的技术问题，进而实现了能够更高性能地调节输出电压的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器的示意图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的升压降压变换器的电路原理示意图；

图3是根据本发明实施例的一种可选的单端正励变换器的电路原理示意图；

图4是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器的输出电压波形示意图；

图5是根据本发明实施例的一种可选的单端反励变换器的电路原理示意图；

图6是根据本发明实施例的另一种可选的组合式电压变换器的示意图；

图7是根据本发明实施例的另一种可选的组合式电压变换器的输出电压波形示意图；

图8是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器的参数确定方法的流程图；

图9是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器在升压降压变换器中开关管在不同导通比参数下的输出电压波形示意图；

图10是根据本发明实施例的另一种可选的组合式电压变换器在降压变换器中开关管在不同导通比参数下的输出电压波形示意图；

图11是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器在单端正励变换器中电容在不同参数下的输出电压波形示意图；

图12是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器在单端反励变换器中电容在不同参数下的输出电压波形示意图；

图13是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器在降压变换器中电感在不同参数下的输入电流波形示意图；

图14是根据本发明实施例的另一种可选的组合式电压变换器在降压变换器中电感在不同参数下的输入电流波形示意图；

图15是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器在单端正励变换器中电感在不同参数下的输入电流波形示意图；

图16是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器在单端反励变换器中电感在不同参数下的输入电流波形示意图；

图17是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器的参数确定装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请提供了一种组合式电压变换器的实施例。该实施例提供的组合式电压变换器包括升压降压变换器cuk和隔离变换器。其中，升压降压变换器的输入端与直流电压输出端相连接，升压降压变换器用于调整直流电压输出端的输出电压；隔离变换器的输入端与升压降压变换器的输出端相连接，隔离变换器用于对调整后的输出电压进行再次调整。

图1是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器的示意图，如图1所示，升压降压变换器包括：电感l1，场效应管m1，电容c1，二极管d1，电感l2，电容c2。其中，电感l1的第一端与直流电压输出端的正极相连接。场效应管m1的第一端与电感l1的第二端相连接，其第二端与第一电源v1相连接，其第三端与直流电压输出端的负极相连接。电容c1，其第一端与电感l1的第二端相连接。二极管d1的正极与电容c1的第二端相连接，其负极与场效应管m1的第三端相连接。电感l2的第一端与电容c1的第二端相连接，其第二端接地。电容c2的第一端与电感l2的第二端相连接，其第二端与场效应管m1的第三端相连接。其中，一种升压降压变换器的电路原理图如图2所示(图中标记代表对应元器件的类型或电参数类型)。

可选的，场效应管m1的导通比通过采用预设仿真软件对多个导通比数值进行仿真运算的运算结果确定。

需要说明的是，隔离变换器可以是正激式变换器(单端正励变换器)，也可以是反激式变换器(单端反励变换器)。

下面考虑隔离变换器为正激式变换器的情况，一种正激式变换器的电路原理图如图3所示(图中标记代表对应元器件的类型)。对图2与图3所示的电路进行结合，得到如图1所示的组合式电压变换器，该组合式电压变换器为升压降压-正激式变换器，其中，正激式变换器包括：电感l3，场效应管m2，二极管d2，电感l4，电感l5，二极管d3，二极管d4，电感l6，电容c3，电阻r1。

具体的，电感l3的第一端与电容c2的第二端相连接。场效应管m2的第一端与电感l3的第二端相连接，其第二端与第二电源v2相连接，其第三端接地。二极管d2的负极与电感l3的第一端相连接。电感l4的第一端与二极管d2的正极相连接，其第二端接地。电感l5与电感l4相耦合。二极管d3的正极与电感l4的第一端相连接，其中，电感l5的第二端接地。二极管d4的负极与二极管d3的负极相连接，其正极接地。电感l6的第一端与二极管d3的负极相连接。电容c3的第一端与电感l6的第二端相连接，其第二端接地。电阻r1与电容c3并联。

对于如图1所示的组合式电压变换器，其输电电压的波形图如图4所示。

下面考虑隔离变换器为反激式变换器的情况，一种反激式变换器的电路原理图如图5所示(图中标记代表对应元器件的类型)。对图2与图5所示的电路进行结合，得到如图6所示的组合式电压变换器，该组合式降压变换器为升压降压-反激式变换器，其中，反激式变换器包括：电感l7，场效应管m3，电感l8，二极管d5，电容c4，电阻r2。

具体的，电感l7的第一端与电容c2的第二端相连接。场效应管m3的第一端与电感l7的第二端相连接，其第二端与第三电源v3相连接，其第三端接地。电感l8与电感l7相耦合，其第一端接地。二极管d5的正极与电感l8的第二端相连接。电容c4的第一端接地，其第二端与二极管d5的负极相连接。电阻r2与电容c4并联。

对于如图6所示的组合式电压变换器，其输电电压的波形图如图7所示。

本申请还提供了一种组合式电压变换器的参数确定方法的实施例。需要说明的是，该方法用于确定本发明实施例提供的组合式电压变换器的参数。

图8是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器的参数确定方法的流程图，如图8所示，该方法包括如下步骤：

步骤s101，在预设仿真软件中建立组合式电压变压器的电路模型；

步骤s102，调节电路模型中不同元器件的参数并对电路模型进行仿真运算；

步骤s103，根据仿真结果确定电路模型中每个元器件的参数。

该实施例通过升压降压变换器cuk，其输入端与直流电压输出端相连接，用于调整直流电压输出端的输出电压；隔离变换器，其输入端与升压降压变换器的输出端相连接，用于对调整后的输出电压进行再次调整，解决了相关技术中提供的电压变换器调整电压的能力较低的技术问题，进而实现了能够更高性能地调节输出电压的技术效果。

可选的，调节电路模型中不同元器件的参数并对电路模型进行仿真运算包括：将电路模型中除参数待定元器件之外的元器件分别设置为对应的默认参数；对参数待定元器件的参数进行调节并进行仿真运算，得到组合式电压变换器的输出电压的仿真结果；根据输出电压的仿真结果选择参数待定元器件的参数。

举例而言，对于如图2所示的cuk变换器，其输出电压v0电源电压vs之间的关系为：

其中：d为cuk变换器的导通比，通过控制其导通比实现电压的升降。根据升压-降压变换器的输出电压与电源电压的关系，对于组合型变换器，应存在如下关系：

公式(2)和(3)中的vforward和vflyback分别代表正激式和反激式变换器的输出电压，其波形图如图4和图7所示。这组图像主要是用来和接入cuk变换器之后的组合型变换器的输出电压进行比对，观察其电压变化效果。而vcuk-forward和vcuk-flyback代表升压-降压正激式变换器输出电压和升压-降压反激式变换器的输出电压，为进一步验证输出电压与开关管导通比之间的关系，选取0.3-0.7这5个导通比数值，观察输出电压的变化规律，其波形图分别如图9和图10所示。

通过图9的仿真结果可知，当输出电压稳定后，将cuk变换器接入正激式变换器之后的的输出电压vcuk-forward，对比图4的正激式变换器的输出电压vforward发生了变化，且m1的导通比越大，输出电压越高，符合公式(2)的关系。

同理，图10的升压-降压反激式变换器的输出电压vcuk-flyback，对比图7的反激式变换器的输出电压vflyback，其大小也发生了变化，而且与开关导通比也符合公式(3)的关系。

在仿真过程中，为了有效验证将隔离型变换器二次接入cuk变换器之后对输出电压造成的影响，确保其仿真结果具有可参照性，可以将图1和图6所示变换器的所有电路参数，包括电感器、电容器、线圈匝数、开关m2的导通比、负载等数值大小与二极管的型号均保持恒定不变，以避免其它任何因素对输出电压造成影响。

在通过orcadpspice仿真手段得到的输出电压值之后，其理论值仍然存在误差。这主要由于仿真软件的非理想状态造成的，主要为以下因素：

1)开关和二极管在导通和阻断的状态变换过程中存在过度时间。

2)开关和二极管的通态电阻、电压压降不绝对为零，断态电阻仍存在漏电流。

3)作为储能元件，电路中的电感和电容仍存在损耗，且线路的阻抗不绝对为零。

如果通过实物连接验证这种组合变换器的设计原理，可以得到某一参量状态下对应的实验结果，但无法获得最终实验结果随电路参数的变化规律，也就无法开展电路参数的优化分析。引入仿真软件可以妥善解决此问题。

通过图9和图10的输出电压波形图可知：升压-降压反激式变换器的输出电压纹波明显偏大，因此有必要采取措施减小其输出电压纹波。

如图6所示，输出电压纹波δv0相当于开关管导通期间，储能电容c3向负载放电期间引起的电压变化量。此时储能电容c3的电流ic3等于输出电流i0，存在如下关系:

其中：ton是一个周期内开关导通的时间，周期时间为ts，且ton＝dts，电压纹波δv0可近似地由下式确定：

由公示(5)可知，输出电压纹波δv0与储能电容c3的大小呈反比。图11反映了储能电容c3等于10uf和100uf状态下对应的输出电压波形图，其仿真结果也验证了此结论。因此，为有效降低输出电压纹波，储能电容c3不宜过小。

为降低输入电流纹波，需要针对两种变换器的升压-降压功能部分进行研究。如图1和图6所示：在开关管导通的ton＝dts期间，开关管m1导通，电源电压vs作用于升压电感l1，电感电流il1线性增长，满足如下关系：

当t＝ton＝dts时，il1达到最大值，上式变为：

因此，在导通期间il1的增量,可通过下式表达：

在开关管阻断的toff＝(1-d)ts期间，m1截止，d1导通，il1经d1续流并对c1充电而减小，此时满足如下关系：

因此，电流il1的减小量为：

输入电流纹波可由δil1+和δil1-表达，且当电路状态趋于稳定后，δil1+＝δil1-。由公式(8)和(10)可知，输入电流纹波δil1+或δil1-与电感值l1呈反比。

通过仿真软件观察不同电路参数对应的电压波形曲线，就可以判断开关管电压应力的影响因子。图14是电感l3等于1mh和100mh时，升压-降压正激式变换器的开关管m2两端的电压波形图。通过观察发现，为有效降低升压-正激式变换器的开关管电压应力，与其直接相连的电感l3不宜过大。

对于升压-降压反激式变换器，其开关管m2的电压应力影响因素较为复杂，不仅与和其直接相连的变压器一次端电感l3有关，还与二次端电感l4有关。

图15是二次端电感l4恒定的前提下，改变一次端电感l3大小，待开关管电压稳定后的波形图。通过图像对比清晰发现，l3等于10mh时对应的开关管电压明显低于100mh时对应的电压值，l3数值越小，开关管电压应力越小。

同理，图16是一次端电感l3保持恒定不变的前提下，改变二次端电感l4大小显示的开关管m2电压波形图。结果表明：随着l4数值增大，开关管电压应力减小。

由此可见，为有效降低升压-降压反激式变换器开关管m2的电压应力，一次端电感l3不宜过大，二次端电感l4不宜过小。

隔离变压器的绕组通常采用螺旋线圈，其电感量通过下式确定：

l为螺旋线圈的电感量，k为长冈系数，μ为螺旋线圈内部铁芯的导磁率，n为螺旋线圈匝数，s为螺旋线圈的截面积，l为螺旋线圈的长度。

在以上参数中，长冈系数k为固定系数，导磁率μ取决于铁芯的材料，变更线圈匝数n会引起输出电压的变化，而线圈长度l又主要取决于线圈的匝数的多少。因此在设备制作过程中，为了控制电感量的大小，最好通过调整线圈的横截面积实现。也就是说，为降低升压-反激式变换器的开关管m2的电压应力，在设备制作过程中要缩小一次端电感线圈的横截面积，同时扩大二次端电感线圈的横截面积。

通过针对两种组合变换器的电力参数优化分析可知：通过对电路元件参数进行合理地调节，可以有效地减小输入电流纹波和输出电压纹波，降低开关管承受的电压应力，并且能够防止瞬间过电流的现象发生。这样可以有效避免谐波造成的噪音和信号干扰，确保了设备的正常运行，提高了电源的效率和设备的利用率，克服了浪涌电压或电流对设备造成的损害，延长了设备的使用寿命。因此，针对变换器进行电路参数优化设计是十分有必要的。

需要说明的是，在附图的流程图虽然示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请还提供了一种存储介质的实施例，该实施例的存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行本发明实施例的组合式电压变换器的参数确定方法。

本申请还提供了一种处理器的实施例，该实施例的处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行本发明实施例的组合式电压变换器的参数确定方法。

本申请还提供了一种组合式电压变换器的参数确定装置的实施例。需要说明的是，该装置用于确定本发明实施例提供的组合式电压变换器的参数。

图17是根据本发明实施例的一种可选的组合式电压变换器的参数确定装置的示意图，如图17所示，该装置包括建模单元10，仿真单元20和确定单元30，其中，建模单元用于在预设仿真软件中建立组合式电压变压器的电路模型；仿真单元用于调节电路模型中不同元器件的参数并对电路模型进行仿真运算；确定单元用于根据仿真结果确定电路模型中每个元器件的参数。

该实施例通过建模单元在预设仿真软件中建立组合式电压变压器的电路模型，仿真单元调节电路模型中不同元器件的参数并对电路模型进行仿真运算，确定单元根据仿真结果确定电路模型中每个元器件的参数，解决了相关技术中提供的电压变换器调整电压的能力较低的技术问题，进而实现了能够更高性能地调节输出电压的技术效果。

作为一种可选的实施方式，仿真单元包括：设置模块，用于将电路模型中除参数待定元器件之外的元器件分别设置为对应的默认参数；仿真模块，用于对参数待定元器件的参数进行调节并进行仿真运算，得到组合式电压变换器的输出电压的仿真结果；选择模块，用于根据输出电压的仿真结果选择参数待定元器件的参数。

上述的装置可以包括处理器和存储器，上述单元均可以作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)，存储器包括至少一个存储芯片。

本发明提出了一种组合式电压变换器及其参数确定方法，其中，组合式电压变换器可以采用两种同隔离型变换器组合设计的新型变换器，并且，可以通过仿真手段分析和验证组合式电压变换器的工作原理，能够对组合变换器进一步进行电路参数优化分析，确保组合变换器具备如下特点：

1)能够实现两种隔离性变换器的二次升/降压功能，大幅度地提高输入电压范围，非常适用于光伏/燃料电池并网发电系统等低压输入、高压输出以及电动汽车内部辅助电子设备等高压输入、低压输出的场合。

2)通过调节储能电容和升压电感，可以有效降低输出电压纹波和输入电流纹波，克服了纹波造成的负面影响，并避免了瞬时过电流的现象发生。

3)在同样的输出电压情况下，有效地避免了开关管导通比过高或过低的临界状况发生，确保系统的效率不受影响。

4)正确地设置电感元件的大小可以有效地降低开关器件的电压应力。

5)采取电气隔离措施可进一步保证使用者的安全，并避免负载设备遭受损害。

上述本申请实施例的顺序不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。