一种多输入高可靠性CukDC-DC变换器

一种多输入高可靠性cuk dc-dc变换器
技术领域
1.本发明涉及一种dc-dc变换器，具体涉及一种多输入高可靠性cuk 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，输入电压既可能高于输出电压，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、zeta、sepic以及cuk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.目前多输入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多输入升降压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多输入高增益dc-dc变换器可靠性不高的问题。本发明基本cuk电路提出一种多输入高可靠性cuk dc-dc变换器，该变换器由基本cuk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、需要多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：
6.一种多输入高可靠性cuk dc-dc变换器，该变换器包含n+1个直流输入源，一个基本cuk变换器，n个正向电压扩展单元；其中：
7.所述基本cuk变换器包含电感l1、l2，电容c1、c2，功率开关s1，二极管d1；其中，电感l1的一端连接直流输入源u
in1
的正极，电感l1的另一端分别连接功率开关s1的漏极、电容c1的一端，电容c1的另一端分别连接二极管d1的阳极、电感l2的一端，电感l2的另一端连接电容c2的一端，功率开关s1的源极、二极管d1的阴极、以及电容c2的另一端连接直流输入源u
in1
的负极；
8.n个正向电压扩展单元中：
9.第1个正向电压扩展单元包含电感l
m11
、l
m12
，功率开关s2，二极管d2，电容c
m11
、c
m12
；其中，电感l
m11
的一端连接直流输入源u
in2
的正极，电感l
m11
的另一端分别连接功率开关s2的漏极、电容c
m11
的一端，电容c
m11
的另一端分别连二极管d2的阳极、电感l
m12
的一端，电感l
m12
的另一端连接电容c
m12
的一端；功率开关s2的源极连接直流输入源u
in2
的负极；
10.第2个正向电压扩展单元包含电感l
m21
、l
m22
，功率开关s3，二极管d3，电容c
m21
、c
m22
；其中，电感l
m21
的一端连接直流输入源u
in3
的正极，电感l
m21
的另一端分别连接功率开关s3的漏极、电容c
m21
的一端，电容c
m21
的另一端分别连二极管d3的阳极、电感l
m22
的一端，电感l
m22
的另一端连接电容c
m22
的一端；功率开关s3的源极连接直流输入源u
in3
的负极；
11.......依次类推，第i个正向电压扩展单元，1《i≤n中，
12.第i个正向电压扩展单元包含电感l
mi1
、l
mi2
，功率开关s
i+1
，二极管d
i+1
，电容c
mi1
、c
mi2
；其中，电感l
mi1
的一端连接直流输入源u
in(i+1)
的正极，电感l
mi1
的另一端分别连接功率开关s
i+1
的漏极、电容c
mi1
的一端，电容c
mi1
的另一端分别连二极管d
i+1
的阳极、电感l
mi2
的一端，电感l
mi2
的另一端连接电容c
mi2
的一端；功率开关s
i+1
的源极连接直流输入源u
in(i+1)
的负极；
13.基本cuk变换器中的直流输入源u
in1
的负极连接第1个正向扩展单元中的直流输入源u
in2
的负极，基本cuk变换器中的电容c2的一端连接第1个正向扩展单元中的二极管d2的阴极；基本cuk变换器中的电容c2的另一端连接第1个正向扩展单元中的电容c
m12
的另一端；
14.第1个正向扩展单元中的直流输入源u
in2
的负极连接第2个正向扩展单元中的直流输入源u
in3
的负极，第1个正向扩展单元中的电容c
m12
的一端连接第2个正向扩展单元中的二极管d3的阴极；第1个正向扩展单元中的电容c
m12
的另一端连接第3个正向扩展单元中的电容c
m32
的另一端；
15.......依次类推
16.第i-1个正向扩展单元中的直流输入源u
ini
的负极连接第i个正向扩展单元中的直流输入源u
in(i+1)
的负极，第i-1个正向扩展单元中的c
m(i-1
)2
的一端连接第i个正向扩展单元中二极管d
i+1
的阴极；第i-1个正向扩展单元中的c
m(i-1
)2
的另一端连接第i个正向扩展单元中的电容c
mi2
的另一端；
17.负载r的一端连接第n个正向扩展单元中电容c
mn2
的一端，负载r的另一端连接基本cuk变换器中电容c2的另一端。
18.所述功率开关s1、s2、s3......s
i+1
的栅极均连接其控制器，其占空比可以在0至1之间变化，当扩展单元电路中功率开关s2、s3......s
i+1
任意一个开关管损坏时，通过闭环控制仍可使整个电路可继续正常工作。
19.扩展单元数n＝2时，本发明一种多输入高可靠性cuk dc-dc变换器，该变换器包含3个直流输入源，一个基本cuk变换器，3个正向电压扩展单元；其中：
20.所述基本cuk变换器包含电感l1、l2，电容c1、c2，功率开关s1，二极管d1；其中，电感l1的一端连接直流输入源u
in1
的正极，电感l1的另一端分别连接功率开关s1的漏极、电容c1的一端，电容c1的另一端分别连接二极管d1的阳极、电感l2的一端，电感l2的另一端连接电容c2的一端，功率开关s1的源极、二极管d1的阴极、以及电容c2的另一端连接直流输入源u
in1
的负极；
21.2个正向电压扩展单元中：
22.第1个正向电压扩展单元包含电感l
m11
、l
m12
，功率开关s2，二极管d2，电容c
m11
、c
m12
；其中，电感l
m11
的一端连接直流输入源u
in2
的正极，电感l
m11
的另一端分别连接功率开关s2的漏极、电容c
m11
的一端，电容c
m11
的另一端分别连二极管d2的阳极、电感l
m12
的一端，电感l
m12
的另一端连接电容c
m12
的一端；功率开关s2的源极连接直流输入源u
in2
的负极；
23.第2个正向电压扩展单元包含电感l
m21
、l
m22
，功率开关s3，二极管d3，电容c
m21
、c
m22
；其中，电感l
m21
的一端连接直流输入源u
in3
的正极，电感l
m21
的另一端分别连接功率开关s3的漏极、电容c
m21
的一端，电容c
m21
的另一端分别连二极管d3的阳极、电感l
m22
的一端，电感l
m22
的另一端连接电容c
m22
的一端；功率开关s3的源极连接直流输入源u
in3
的负极；
24.基本cuk变换器中的直流输入源u
in1
的负极连接第1个正向扩展单元中的直流输入源u
in2
的负极，基本cuk变换器中的电容c2的一端连接第1个正向扩展单元中的二极管d2的阴极；基本cuk变换器中的电容c2的另一端连接第1个正向扩展单元中的电容c
m12
的另一端；
25.第1个正向扩展单元中的直流输入源u
in2
的负极连接第2个正向扩展单元中的直流输入源u
in3
的负极，第1个正向扩展单元中的电容c
m12
的一端连接第2个正向扩展单元中的二极管d3的阴极；
26.负载r的一端连接第2个正向扩展单元中电容c
m22
的一端，负载r的另一端连接基本cuk变换器中电容c2的另一端。
27.本发明一种多输入高可靠性cuk dc-dc变换器，技术效果如下：
28.1)、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l
mi1
的电流连续导通时，具体如下：
29.当u
in1
＝u
in2
＝
…
＝u
in(n+1)
＝u
in
时，最大输入输出增益为：
30.开关管电压应力为：
31.每个输出电容上的电压为：
32.其中：d为占空比，u
s(i)
为第i-1个扩展单元开关管电压，为第i个扩展单元单元的输出端电容电压，u
in(i)
为第i-1个扩展单元的直流输入源电压，n为扩展单元总数，1≤i≤n；
33.2)、当扩展单元电路中功率开关s2、s3......s
i+1
任意一个开关管损坏时，通过闭环控制仍可使整个电路可继续正常工作。
附图说明
34.图1是本发明电路原理图。
35.图2是传统cuk变换器电路原理图。
36.图3是本发明正向扩展单元数为2时的电路拓扑图。
37.图4是本发明本发明正向扩展单元数为2时的输入输出增益与传统cuk变换器的输入输出增益对比图。
38.图5是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为2时，d＝0.6时的输出波形仿真图。
39.图6是本发明本发明输入电压30v，正向扩展单元数为2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
40.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
41.如图2所示，为本发明反向扩展单元数为2时的电路拓扑图：
42.一种多输入高可靠性cuk dc-dc变换器，该变换器包含3个直流输入源，一个基本cuk变换器，2个正向的电压扩展单元；其中：
43.基本cuk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：电感l1接直流输入源u
in1
的正极，功率开关s1的漏极连接电感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的阳极相连，电感l2的另一端与电容c2的一端相连，功率开关s1的源极、二极管d1的阴极以及电容c2的另一端与直流输入源u
in1
的负极相连；
44.第1个正向电压扩展单元包含两个电感l
m11
、l
m12
，一个功率开关s2，一个二极管d2，两个电容c
m11
、c
m12
；其中，功率开关s2的漏极连接电感l
m11
的一端，其源极连接直流输入源u
in2
的负极，电感l
m11
的另一端与直流输入源u
in2
的正极相连，电容c
m11
的一端分别与电感l
m11
的一端以及二极管d2的阳极相连，电感l
m12
的另一端与电容c
m12
的一端相连；
45.第2个正向电压扩展单元包含两个电感l
m21
、l
m22
，一个功率开关s3，一个二极管d3，两个电容c
m21
、c
m22
；其中，功率开关s3的漏极连接电感l
m21
的一端，其源极连接直流输入源u
in3
的负极，电感l
m21
的另一端与直流输入源u
in3
的正极相连，电容c
m21
的一端分别与电感l
m21
的一端以及二极管d3的阳极相连，电感l
m22
的另一端与电容c
m22
的一端相连；
46.两个正向扩展单元之间的连接形式如下：
47.第2个正向扩展单元中二极管d3的阴极与第1个正向扩展单元中电感l
m12
与电容c
m12
的交点相连，电容c
m22
的另一个端点与第1个正向扩展单元中电容c
m12
的相对应的端点相连，即两个扩展单元的输出端电容的另一端均共线；
48.第1个正向扩展单元与基本cuk变换器之间的连接关系如下：
49.基本cuk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d2的阴极相连，直流输入源u
in1
的负极与第1个正向扩展单元中电容c
m12
的另一端相连。
50.负载r的一端与第2个正向扩展单元中电容c
m22
与电感l
m22
相连的交点相连，负载r的另一端与基本cuk变换器中电容c2的一端与直流输入源u
in1
负极相连的交点相连。
51.功率开关si的栅极连接控制器，其占空比可以在0至1之间变化。调节占空比即可控制各功率开关的开通关断时间，根据电感的电压平衡公式即可调节输出的电压等级。
52.在电感l
11
、l
21
和l
31
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：
53.(1)：功率开关s1、s2和s3导通，二极管d1、d2和d3均关断，此时电感l
m21
、l
m22
、l
m11
、l
m12
、l1、l2及电容c
m22
、c
m12
、c2充电，电容c
m21
、c
m11
、c1放电；电感l
m21
、l
m22
、l
m11
、l
m12
、l1、l2端电压如下式所示：
[0054][0055]
(2)：功率开关s1、s2和s3关断，二极管d1、d2和d3均导通，此时电感l
m21
、l
m22
、l
m11
、l
m12
、l1、l2及电容c
m22
、c
m12
、c2放电，电容c
m21
、c
m11
、c1充电；电感l
m21
、l
m22
、l
m11
、l
m12
、l1、l2端电
压如下式所示：
[0056][0057]
根据接在功率开关s1、s2和s3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：
[0058][0059]
图4是本发明正向扩展单元数为2时的输入输出增益与传统cuk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三倍。
[0060]
图5是本发明输入电压30v，正向扩展单元数为2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。
[0061]
图6是本发明输入电压30v，正向扩展单元数为2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。