一种双输入高可靠性电容电流一致型ZetaDC-DC变换器

一种双输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器
技术领域
1.本发明涉及一种dc
‑
dc变换器，具体涉及一种双输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器。


背景技术：

2.在输入和输出电压变化均较大的应用场合，输入电压即可能高于输出电压，也可能低于输出电压，此时适用的常见非隔离型升降压dc
‑
dc变换器有buck
‑
boost、cuk、sepic以及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，但受元器件及电路寄生参数的影响，这些变换器的升压能力受到了较大的限制。
3.目前，双输入dc
‑
dc变换器输入输出增益的方案基本不具备高增益输出且可靠性较差。因此研究，可实现高增益升压同时也具有高可靠性的双输入升降压dc/dc变换器具有重要意义。


技术实现要素：

4.为解决现有非隔离型双输入高增益dc
‑
dc变换器可靠性不高的问题。本发明基于基本zeta变换器而提出一种双输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，该变换器由基本zeta变换器、输入单元和若干个增益扩展单元组成。通过调节增益扩展单元的个数，即可实现对变换器输入输出增益以及开关器件电压应力的调节。该变换器具有控制及驱动电路简单、输入输出电压调节范围宽、可靠性高的特点；在其中一个开关管损坏时，其余电路能正常工作；较适合于输出输入电压与输出电压变化范围比较大、需要两个电源供电且可靠性要求高的应用场合。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一种双输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，该变换器包括：
7.两个直流输入源，一个基本zeta变换器，一个输入单元，m个正向扩展单元，n个负向扩展单元；
8.所述基本zeta变换器包含电感l1、l2，电容c1、c2，功率开关s1，二极管d1；其中，功率开关s1的漏极连接直流输入源u
in1
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的另一端分别连接电感l2的一端、二极管d1的阴极，电感l2的另一端连接电容c2的一端；电容c2的另一端、二极管d1的阳极、电感l1的另一端均连接直流输入源u
in1
的负极；
9.所述输入单元包含电感l3、l4，电容c3、c4，功率开关s2，二极管d2；其中，功率开关s2的漏极连接直流输入源u
in2
的正极，功率开关s2的源极分别连接电感l3的一端、电容c3的一端，电容c3的另一端分别连接电感l4的一端、二极管d2的阴极，电感l4的另一端连接电容c4的一端，电容c4的另一端连接二极管d2的阳极，电感l3的另一端连接直流输入源u
in1
的负极；
10.m个正向扩展单元中，
11.第1个正向扩展单元包含电感l
m11
、二极管d
m11
，电容c
m11
、c
m12
；其中，电容c
m11
的另一
端分别连接电感l
m11
的一端、二极管d
m11
的阴极，电感l
m11
的另一端连接电容c
m12
的一端，电容c
m12
的另一端连接二极管d
m11
的阳极；
12.第2个正向扩展单元包含电感l
m21
、二极管d
m21
，电容c
m21
、c
m22
；其中，电容c
m21
的另一端分别连接电感l
m21
的一端、二极管d
m21
的阴极，电感l
m21
的另一端连接电容c
m22
的一端，电容c
m22
的另一端连接极管d
m21
的阳极；
13......依次类推，第i个正向扩展单元，1<i≤m中，
14.第i个正向扩展单元包含电感l
mi1
、二极管d
mi1
，电容c
mi1
、c
mi2
；其中，电容c
mi1
的另一端分别连接电感l
mi1
的一端、二极管d
mi1
的阴极，电感l
mi1
的另一端连接电容c
mi2
的一端，电容c
mi2
的另一端连接二极管d
mi1
的阳极；
15.各个正向扩展单元之间的连接形式如下：
16.第i个正向扩展单元中电容c
mi1
的一端连接第i
‑
1个正向扩展单元中电容c
m(i
‑
1)1
的一端，第i个正向扩展单元中电容c
mi2
的另一端连接第i
‑
1个正向扩展单元中电容c
m(i
‑
1)2
的一端；第i
‑
1个正向扩展单元中电容c
m(i
‑
1)1
的一端连接第i
‑
2个正向扩展单元中电容c
m(i
‑
2)1
的一端，第i
‑
1个正向扩展单元中电容c
m(i
‑
1)2
的另一端连接第i
‑
2个正向扩展单元中电容c
m(i
‑
2)2
的一端；
17......依次类推，
18.第2个正向扩展单元中电容c
m21
的一端连接第1个正向扩展单元中电容c
m11
的一端，第2个正向扩展单元中电容c
m22
的另一端连接第1个正向扩展单元中电容c
m12
的一端；
19.第1个正向扩展单元中电容c
m11
的一端连接基本zeta变换器中的电容c1的一端，第1个正向扩展单元中电容c
m12
的另一端连接基本zeta变换器中的电容c2的一端；
20.n个负向扩展单元中：
21.第1个负向扩展单元包含电感l
n11
，二极管d
n11
，电容c
n11
、c
n12
；其中，电容c
n11
的另一端分别连接电感l
n11
的一端、二极管d
n11
的阴极，电感l
n11
的另一端连接电容c
n12
的一端，电容c
n12
的另一端连接二极管d
mi1
的阳极，
22.第2个负向电压扩展单元包含电感l
n21
，二极管d
n21
，电容c
n21
、c
n22
；其中，电容c
n21
的另一端连接电感l
n21
的一端、二极管d
n21
的阴极，电感l
n21
的另一端连接电容c
n22
的一端，电容c
n22
的另一端连接二极管d
n21
的阳极；
23......依次类推，第j个负向扩展单元，1<j≤n中，
24.第j个负向电压扩展单元包含电感l
nj1
，二极管d
nj1
，电容c
nj1
、c
nj2
；其中，电容c
nj1
的另一端分别连接电感l
nj1
的一端、二极管d
nj1
的阴极，电感l
nj1
的另一端连接电容c
nj2
的一端，电容c
nj2
的另一端连接二极管d
nj1
的阳极；
25.各个负向扩展单元之间的连接形式如下：
26.第j个负向扩展单元中电容c
nj1
的一端连接第j
‑
1个负向扩展单元中电容c
n(j
‑
1)1
一端，第j个负向扩展单元中电容c
nj2
的一端连接第j
‑
1个负向扩展单元中电容c
n(j
‑
1)2
的另一端；
27.第j
‑
1个负向扩展单元中电容c
n(j
‑
1)1
的一端连接第j
‑
2个负向扩展单元中电容c
n(j
‑
2)1
一端，第j
‑
1个负向扩展单元中电容c
n(j
‑
1)2
的一端连接第j
‑
2个负向扩展单元中电容c
n(j
‑
2)2
的另一端；
28......依次类推，
29.第2个负向扩展单元中电容c
n21
的一端连接第1个负向扩展单元中电容c
n11
一端，第2个负向扩展单元中电容c
n22
的一端连接第1个负向扩展单元中电容c
n12
的另一端；
30.第1个负向扩展单元中电容c
n11
一端连接输入单元的电容c3的一端，第1个负向扩展单元中电容c
n11
的一端连接输入单元的电容c4的另一端；
31.负载r的一端连接第m个正向扩展单元中电容c
mm2
的一端，负载r的另一端连接第n个负向扩展单元电容c
nn2
的另一端。
32.所述功率开关s1和s2的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当开关管s1或者s2损坏时，整个电路可继续正常工作。
33.扩展单元数m＝1,n＝1时，本发明一种双输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，该变换器包括：
34.两个直流输入源，一个基本zeta变换器，一个输入单元，1个正向扩展单元，1个负向扩展单元；
35.所述基本zeta变换器包含电感l1、l2，电容c1、c2，功率开关s1，二极管d1；其中，功率开关s1的漏极连接直流输入源u
in1
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的另一端分别连接电感l2的一端、二极管d1的阴极，电感l2的另一端连接电容c2的一端；电容c2的另一端、二极管d1的阳极、电感l1的另一端均连接直流输入源u
in1
的负极；
36.所述输入单元包含电感l3、l4，电容c3、c4，功率开关s2，二极管d2；其中，功率开关s2的漏极连接直流输入源u
in2
的正极，功率开关s2的源极分别连接电感l3的一端、电容c3的一端，电容c3的另一端分别连接电感l4的一端、二极管d2的阴极，电感l4的另一端连接电容c4的一端，电容c4的另一端连接二极管d2的阳极，电感l3的另一端连接直流输入源u
in1
的负极；
37.第1个正向扩展单元包含电感l
m11
、二极管d
m11
，电容c
m11
、c
m12
；其中，电容c
m11
的另一端分别连接电感l
m11
的一端、二极管d
m11
的阴极，电感l
m11
的另一端连接电容c
m12
的一端，电容c
m12
的另一端连接二极管d
m11
的阳极；
38.第1个负向扩展单元包含电感l
n11
，二极管d
n11
，电容c
n11
、c
n12
；其中，电容c
n11
的另一端分别连接电感l
n11
的一端、二极管d
n11
的阴极，电感l
n11
的另一端连接电容c
n12
的一端，电容c
n12
的另一端连接二极管d
mi1
的阳极；
39.第1个正向扩展单元中电容c
m11
的一端连接基本zeta变换器中的电容c1的一端，第1个正向扩展单元中电容c
m12
的另一端连接基本zeta变换器中的电容c2的一端；
40.第1个负向扩展单元中电容c
n11
一端连接输入单元的电容c3的一端，第1个负向扩展单元中电容c
n11
的一端连接输入单元的电容c4的另一端；
41.负载r的一端连接第1个正向扩展单元中电容c
m12
的一端，负载r的另一端连接第1个负向扩展单元电容c
n12
的另一端。
42.本发明一种双输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，技术效果如下
43.1)可同时实现升降压，且输入输出增益高，输出电容串联且均压。电感l1和l3的电流连续导通时，具体如下：
44.当u
in1
＝u
in2
时，最大输入输出增益为：
45.开关管电压应力为：
46.每个输出电容上的电压为：
47.其中：d为占空比，u
in1
和u
in2
为输入电压，u
o
为输出电压，u
s1
和u
s2
为功率开关电压应力，m为同向扩展单元数量，n为反向扩展单元数量，0<i≤m,0≤j≤n。
48.2)当一个开关管损坏时，其余电路可正常工作。
附图说明
49.图1是本发明电路原理图。
50.图2是传统zeta变换器电路原理图。
51.图3是本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的电路拓扑图。
52.图4是本发明本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的输入输出增益与传统zeta变换器的输入输出增益对比图。
53.图5是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，d＝0.6时的输出波形仿真图。
54.图6是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，d＝0.6时,开关管s1损坏时的输出波形仿真图。
具体实施方式
55.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
56.如图3所示为本发明扩展单元数m＝1,n＝1时的电路拓扑图：
57.一种双输入高可靠性电容电流一致型zeta dc
‑
dc变换器，该变换器包含两个直流输入源，一个基本zeta变换器，一个输入单元，m个正向扩展单元，n个负向的电压扩展单元；其中：
58.基本zeta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的漏极接直流输入源u
in1
的正极，功率开关s1的源极分别连接电感l1的一端以及电容c1的一端，电容c1的另一端分别与电感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的另一端与直流输入源u
in1
的负极相连；
59.输入单元包含两个电感l3、l4，两个电容c3、c4，一个功率开关s2，一个二极管d2；其连接形式如下：功率开关s2的漏极接直流输入源u
in2
的正极，功率开关s2的源极分别连接电感l3的一端以及电容c3的一端，电容c3的另一端分别与电感l4的一端以及二极管d2的阴极相连，电感l4的另一端与电容c4的一端相连，电容c4的另一端与二极管d2的阳极相连，电感l3的另一端与直流输入源u
in1
的负极相连；
60.正向、反向扩展单元均含有相同的内部结构，以第1个正向扩展单元为例，其含有：一个电感l
m11
、一个二极管d
m11
，两个电容c
m11
、c
m12
；其中，电容c
m11
的另一端分别与电感l
m11
的一端以及二极管d
m11
的阴极相连，电感l
m11
的另一端与电容c
m12
的一端相连，电容c
m12
的另一端与二极管d
m11
的阳极相连。
61.第1个正向扩展单元与基本zeta变换器之间的连接关系如下：基本zeta变换器中电感l1的一端与电容c1的一端相连的交点与第1个正向扩展单元中电容c
m11
的一端相连，基本zeta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个正向扩展单元中二极管d
m11
的阳极和电容c
m12
另一端相连的交点相连。
62.第1个负向扩展单元与输入单元之间的连接关系如下：输入单元中电感l3的一端与电容c3的一端相连的交点与第1个负向扩展单元中电容c
n11
的一端相连，输入单元中二极管d2的阳极与电容c4的另一端相连的交点与第1个负向扩展单元中电感l
n11
的另一端和电容c
n12
一端相连的交点相连。
63.基本zeta变换器与输入单元之间的连接关系如下：基本zeta变换器的直流输入源u
in1
的负极与输入单元的直流输入源u
in2
的负极相连，基本zeta变换器中电容c2的另一端与二极管d1阳极相连的交点与输入单元电感l4的另一端与电容c4的一端相连的交点相连。
64.负载r的一端与第1个正向扩展单元中电容c
m12
的一端与电感l
m11
的另一端相连的交点相连，负载r的另一端与第1个负向扩展单元中电容c
n12
的另一端与二极管d
n11
的阳极相连的交点相连。
65.功率开关s1和s2的栅极接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化。调节占空比即可控制功率开关s1和s2的开通关断时间，根据电感的电压平衡公式即可调节输出的电压等级。
66.在电感l1和l3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3种工作状态：
67.(1)：功率开关s1和s2导通，二极管d1、d2、d
m11
、d
n11
均关断，此时电感l1、l2、l3、l4、l
m11
、l
n11
电容c2、c
m12
、c4、c
n12
充电，电容c1、c
m11
、c3、c
n11
放电；电感l1、l2、l3、l4、l
m11
、l
n11
端电压如下式所示：
[0068][0069]
(2)：功率开关s1和s2二极管d1和d2关断，二极管d
m11
和d
n11
导通，此时电感l1、l2、l3、l4、l
m11
、l
n11
电容c1、c3、c
m11
、c
m12
、c
n11
、c
n12
放电，电容c
m11
、c
n11
充电；电感l1、l2、l3、l4、l
m11
、l
n11
端电压如下式所示：
[0070][0071]
(3)：功率开关s1和s2关断，二极管d1、d2、d
m11
、d
n11
均导通，此时电容c1、c
m11
、c3、c
n11
充电，电感l1、l2、l3、l4、l
m11
、l
n11
电容c2、c
m12
、c4、c
n12
放电；电感l1、l2、l3、l4、l
m11
、l
n11
端电压如下式所示：
[0072][0073]
根据接在功率开关s1和s2的栅极上的控制器的占空比，可得出每个电容上的电压等级如下所示：
[0074][0075]
图4是本发明正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时的输入输出增益与传统zeta变换器的输入输出增益对比图。由图4可看出，在占空比相同时，本发明提出的变换器的增益为传统变换器的四倍。
[0076]
图5是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，d＝0.6时的输出波形仿真图，仿真验证了本发明的可行性。
[0077]
图6是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为1，反向扩展单元数为1时，d＝0.6时，开关管s1损坏时的输出波形仿真图，仿真验证了本发明的可靠性。