一种单输入高可靠性电容电流一致型CukDC-DC变换器

一种单输入高可靠性电容电流一致型cuk dc-dc变换器
技术领域
1.本发明涉及一种dc-dc变换器，具体涉及一种单输入高可靠性电容电流一致型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.目前单输入dc-dc变换器输入输出增益的方案多采用基本电路级联构建，但可靠性较差。因此研究即可实现高增益升压同时也具有高可靠性的单输入升降压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单输入高增益dc-dc变换器可靠性不高的问题。本发明基于基本cuk变换器而提出一种单输入高可靠性电容电流一致型cuk dc-dc变换器，该变换器由基本cuk变换器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。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；在扩展单元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、且可靠性要求高的应用场合。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一种单输入高可靠性电容电流一致型cuk dc-dc变换器，该变换器包含基本cuk变换器，n个扩展单元；
7.所述基本cuk变换器包含电感l
11
、l
12
，电容c
11
、c
12
，功率开关s1，二极管d1；其中，电感l
11
的一端连接直流输入源u
in
的正极，电感l
11
的另一端分别连接功率开关s1的漏极、电容c
11
的一端，电容c
11
的另一端分别连接电感l
12
的一端、二极管d1的阳极，电感l
12
的另一端与连接电容c
12
的一端，功率开关s1的源极、二极管d1的阴极、电容c
12
的另一端均连接直流输入源u
in
的负极；
8.n个扩展单元中：
9.第1个扩展单元包含电感l
21
、l
22
，电容c
21
、c
22
，二极管d2，功率开关s2；其中，电感l
21
的一端连接直流输入源u
in
的正极，电感l
21
的另一端分别连接功率开关s2的漏极、电容c
21
的一端，电容c
21
的另一端分别连接电感l
22
的一端、二极管d2的阳极，电感l
22
的另一端连接电容c
22
的一端，二极管d2的阴极连接电容c
22
的另一端，功率开关s2的源极、直流输入源u
in
的负极均连接接地端；
10.第2个扩展单元包含电感l
31
、l
32
，电容c
31
、c
32
，二极管d3，功率开关s3；其中，电感l
31
的一端连接直流输入源u
in
的正极，电感l
31
的另一端分别连接功率开关s3的漏极、电容c
31
的
一端，电容c
31
的另一端分别连接电感l
32
的一端、二极管d3的阳极，电感l
32
的另一端连接电容c
32
的一端，二极管d3的阴极连接电容c
32
的另一端，功率开关s3的源极连接接地端；
11.......依次类推，n个扩展单元中：
12.第n个扩展单元包含电感l
n+1,1
、l
n+1,2
，电容c
n+1,1
、c
n+1,2
，二极管d
n+1
，功率开关s
n+1
；其中，电感l
n+1,1
的一端接直流输入源u
in
的正极，电感l
n+1,1
的另一端分别连接功率开关s
n+1
的漏极、电容c
n+1,1
的一端，电容c
n+1,1
的另一端分别连接电感l
n+1,2
的一端、二极管d
n+1
的阳极，电感l
n+1,2
的另一端连接电容c
n+1,2
的一端，二极管d
n+1
的阴极连接电容c
n+1,2
的另一端，功率开关s
n+1
的源极连接接地端；
13.基本cuk变换器中的电容c
12
的另一端连接第1个扩展单元中的电容c
22
的一端；
14.n个扩展单元之间的连接关系如下：
15.第1个扩展单元中的电容c
22
的另一端连接第2个扩展单元中的电容c
32
的一端，第2个扩展单元中的电容c
32
的另一端连接第3个扩展单元中的中的电容c
42
的一端，......依次类推，第n-1个扩展单元中电容c
n2
的另一端连接第n个扩展单元中的容c
n+1,2
一端；
16.负载r的一端连接基本cuk变换器中的电容c
21
的一端，负载r的另一端连接第n个扩展单元中的电容c
n+1,2
的另一端。
17.所述功率开关s1、s2、s3......s
n+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，当功率开关s2、s3......s
n+1
的任意一个损坏时，整个电路可继续正常工作。
18.拓展单元数等于2时，本发明一种单输入高可靠性电容电流一致型cuk dc-dc变换器，该变换器包含基本cuk变换器，2个扩展单元；
19.所述基本cuk变换器包含电感l
11
、l
12
，电容c
11
、c
12
，功率开关s1，二极管d1；其中，电感l
11
的一端连接直流输入源u
in
的正极，电感l
11
的另一端分别连接功率开关s1的漏极、电容c
11
的一端，电容c
11
的另一端分别连接电感l
12
的一端、二极管d1的阳极，电感l
12
的另一端与连接电容c
12
的一端，功率开关s1的源极、二极管d1的阴极、电容c
12
的另一端均连接直流输入源u
in
的负极；
20.2个扩展单元中：
21.第1个扩展单元包含电感l
21
、l
22
，电容c
21
、c
22
，二极管d2，功率开关s2；其中，电感l
21
的一端连接直流输入源u
in
的正极，电感l
21
的另一端分别连接功率开关s2的漏极、电容c
21
的一端，电容c
21
的另一端分别连接电感l
22
的一端、二极管d2的阳极，电感l
22
的另一端连接电容c
22
的一端，二极管d2的阴极连接电容c
22
的另一端，功率开关s2的源极、直流输入源u
in
的负极均连接接地端；
22.第2个扩展单元包含电感l
31
、l
32
，电容c
31
、c
32
，二极管d3，功率开关s3；其中，电感l
31
的一端连接直流输入源u
in
的正极，电感l
31
的另一端分别连接功率开关s3的漏极、电容c
31
的一端，电容c
31
的另一端分别连接电感l
32
的一端、二极管d3的阳极，电感l
32
的另一端连接电容c
32
的一端，二极管d3的阴极连接电容c
32
的另一端，功率开关s3的源极连接接地端；
23.基本cuk变换器中的电容c
12
的另一端连接第1个扩展单元中的电容c
22
的一端；
24.第1个扩展单元中的电容c
22
的另一端连接第2个扩展单元中的电容c
32
的一端，
25.负载r的一端连接基本cuk变换器中的电容c
21
的一端，负载r的另一端连接第2个扩展单元中的电容c
32
的另一端。
26.本发明一种单输入高可靠性电容电流一致型cuk dc-dc变换器，技术效果如下：
27.1)、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。电感电流连续导通时，具体如下：
28.电压输入输出增益
29.开关管的电压应力为：二极管的电压应力为：
30.各输出电容上的电压：其中d为占空比
31.2)、功率开关s2、s3......s
n+1
中的一个损坏时，其余电路可正常工作。
附图说明
32.图1是本发明电路原理图。
33.图2是传统cuk变换器电路原理图。
34.图3是本发明类cuk扩展单元数为2时的电路拓扑图。
35.图4是本发明类cuk扩展单元数为2时输入输出增益与传统cuk变换器的输入输出增益对比图。
36.图5是本发明本发明输入电压30v，cuk扩展单元数为2时，d＝0.6时的输出波形仿真图。
37.图6是本发明本发明输入电压30v，cuk扩展单元数为2，d＝0.6时,开关管s3损坏时的输出波形仿真图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
39.如图3所示为本发明类cuk扩展单元数为2时的电路拓扑图：
40.一种单输入高可靠性电容电流一致型cuk dc-dc变换器，该变换器包含一个直流输入源，一个基本cuk变换器，以及2个类似与cuk变换器的结构单元组成；其中：
41.基本cuk变换器包含两个电感l
11
、l
12
，两个电容c
11
、c
12
，一个功率开关s1，一个二极管d1；其连接形式如下：电感l
11
的一端接直流输入源u
in
的正极，电感l
11
的另一端分别连接功率开关s1的漏极以及电容c
11
的一端，电容c
11
的另一端分别与电感l
12
的一端以及二极管d1的阳极相连，电感l
12
的另一端与电容c
12
的一端相连，功率开关s1的源极、二极管d1的阴极以及电容c
12
的另一端与直流输入源u
in
的负极相连；
42.第1个类cuk单元包含两个电感l
21
、l
22
，两个电容c
21
、c
22
，一个二极管d2，一个功率开关s2；电感l
21
的一端接直流输入源u
in
的正极，电感l
21
的另一端分别连接功率开关s2的漏极以及电容c
21
的一端，电容c
21
的另一端分别与电感l
22
的一端以及二极管d2的阳极相连，电感l
22
的另一端与电容c
22
的一端相连，功率开关s2的源极与直流输入源u
in
的负极都接地、二极管d2的阴极以及电容c
22
的另一端相连；
43.第2个类cuk单元包含两个电感l
31
、l
32
，两个电容c
31
、c
32
，一个二极管d3，一个功率开关s3；电感l
31
的一端接直流输入源u
in
的正极，电感l
31
的另一端分别连接功率开关s3的漏极以及电容c
31
的一端，电容c
31
的另一端分别与电感l
32
的一端以及二极管d3的阳极相连，电感l
32
的另一端与电容c
32
的一端相连，功率开关s3的源极与直流输入源u
in
的负极都接地、二极管d3的阴极以及电容c
32
的另一端相连；
44.第一个类cuk扩展单元与基本cuk变换器之间的连接关系如下：
45.基本cuk变换器中二极管d1的阴极与电容c
12
的一端相连的交点与第一个类cuk增益扩展单元中电感l
22
和电容c
22
的交点相连，基本cuk变换器中直流电源的正极与第一个类cuk增益扩展单元中电容l
21
的一端相连；
46.2个类cuk扩展单元之间的连接关系如下：
47.第1个类cuk增益扩展单元的电感l
21
的一端连接到第2个类cuk增益扩展单元的电感l
21
的一端；第1个类cuk增益扩展单元中二极管d2的阴极与电容c
22
的一端相连的交点与第2个类cuk增益扩展单元中电感l
32
和电容c
32
的交点相连相连。
48.负载r的一端与基本cuk电路中电感l
12
与电容c
12
相连的的交点相连，负载r的另一端与第2个类cuk扩展单元中电容c
32
的另一端与二极管d3的阴极相连的交点相连。
49.功率开关s1、s2及s3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、s2及s3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。
50.在类cuk拓展单元数等于2时，且所有电感电流连续导通时，根据功率开关的不同，可以将电路分为2种工作状态：
51.(1)：功率开关s1、s2及s3导通，二极管d1、d2、d3均关断。电感l
11
、l
12
、l
21
、l
22
、l
31
、l
31
端电压如下式所示：
[0052][0053]
(2)：功率开关s1、s2及s3关断，二极管d1、d2、d3均导通。电感l
11
、l
12
、l
21
、l
22
、l
31
、l
31
端电压如下式所示：
[0054][0055]
根据接在功率开关s1、s2及s3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：
[0056][0057]
图4是本发明类cuk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3倍。
[0058]
图5是本发明本发明输入电压30v，类cuk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。
[0059]
图6是本发明本发明输入电压30v，类cuk扩展单元数为2时，d＝0.6时，开关管s3损坏时的输出波形仿真图。仿真验证了本发明的可靠性。