一种高增益高负载调整率双管反激DC-DC变换器

本发明涉及一种dc-dc变换器，具体涉及一种高增益高负载调整率双管反激dc-dc变换器。

背景技术：

1、反激式开关电源因具有体积小、成本低的优点被广泛应用于各大领域。其中，单端反激式开关电源在输入电压等级较高时，内部功率管承受的电压应力较大，容易被击穿，相比之下，双端反激式开关电源克服了该缺点，因而广泛应用于高电压、小功率场合。然而传统的双端反激dc-dc变换器由于开关占空比必须工作在0.5以内，如果采用较大的变压器匝数比来实现高增益升压，则又会带来变压器漏感大、绕制困难等问题，使得其在输入输出变比较高的场合难以胜任，因此上述两方面的弊端极大限制了该类变换器在高电压场合下的应用。并且同单端反激变换器一样，在开关导通时，变压器不能向变压器次级传输能量，只有在开关关断时，变压器初级能量才传递到次级，这使得变压器的利用率较低，当负载发生变化时，能量要在下一个周期才能传递到副边对负载能量进行调整，这使得该类变换器的负载调整率较低，动态特性较差，不利于系统的稳定。

2、例如：申请公布号为cn114759799a的专利文献公开了“一种双端反激式开关电源及其保护电路”，开关电源包括：变换电路，变换电路包括主输出单元和副输出单元，驱动控制电路在保护动作单元执行保护动作时通过触发峰值电流保护，以控制变换电路停止工作。由此，实现了各路输出完善的过压、过流保护功能，提高了开关电源可靠性和安全性。但是该变换器并未实现输出电压的高增益和灵活调整，同时也未实现双管反激变换器的变压器在开关导通时能量的传递，使得其负载调整率并未改进，与传统双管反激变换器无异。

技术实现思路

1、为解决现有双端反激变换器受占空比和变压器绕制的限制导致的电压增益低，以及反激变换器变压器在开关导通阶段无法实现能连传递导致的负载调整率低的问题。本发明提出一种高增益高负载调整率双管反激dc-dc变换器，该变换器由基本双管反激变换器和若干个高增益扩展单元组成。其中，高增益扩展单元数量可根据增益需要灵活调整，且高增益单元中不含有源器件，不改变原双管反激变换器的控制策略及驱动电路。同时，实现了双管反激变换器在开关导通阶段变压器能量的传递，提高了负载调整率。

2、本发明采取的技术方案为：

3、一种高增益高负载调整率双管反激dc-dc变换器，包含双管反激dc-dc变换器，m个高增益扩展单元；

4、所述双管反激dc-dc变换器包含直流输入源uin，功率开关s1，功率开关s2，励磁电感lm，变压器t，钳位二极管d1p，钳位二极管d2p，二极管d1，电容c1；其连接形式如下：

5、输入电源uin的正极分别连接钳位二极管d1p的阴极、功率开关s1的漏极；

6、功率开关s1的源极分别连接钳位二极管d2p的阴极、励磁电感lm的上端、变压器t的初级绕组lp的上端；

7、钳位二极管d2p的阳极分别连接功率开关s2的漏极、储能电感lm的下端、变压器t的初级绕组lp的下端；

8、钳位二极管d2p的阳极、功率开关s2的源极均接入输入电源uin的负极；

9、变压器t的次级绕组ls的上端连接二极管d1的阴极，二极管d1的阳极连接电容c1的上端，电容c1的下端连接变压器t的次级绕组ls的下端；

10、m个高增益扩展单元中：

11、第1个高增益扩展单元包含电感l11，二极管d11，左侧电容c11、右侧电容c12；其中，左侧电容c11右端分别连接电感l11的上端、二极管d11阴极，二极管d11阳极连接右侧电容c12的上端，右侧电容c12的下端连接电感l11的下端；

12、第2个高增益扩展单元包含电感l21，二极管d21，左侧电容c21、右侧电容c22；其中，左侧电容c21右端分别连接电感l21的上端、二极管d21阴极，二极管d21阳极连接右侧电容c22的上端，右侧电容c22的下端连接电感l21的下端；

13、......依次类推，第i-1个高增益扩展单元，1<i≤m中，

14、第i-1个高增益扩展单元包含电感l(i-1)1，二极管d(i-1)1，左侧电容c(i-1)1、右侧电容c(i-1)2；其中，左侧电容c(i-1)1右端分别连接电感l(i-1)1的上端、二极管d(i-1)1阴极，二极管d(i-1)1阳极连接右侧电容c(i-1)2的上端，右侧电容c(i-1)2的下端连接电感l(i-1)1的下端；

15、第i个高增益扩展单元包含电感li1，二极管di1，左侧电容ci1、右侧电容ci2；其中，左侧电容ci1右端分别连接电感li1的上端、二极管di1阴极，二极管di1阳极连接右侧电容ci2的上端，右侧电容ci2的下端连接电感li1的下端；

16、第1个高增益扩展单元与双管反激dc-dc变换器之间的连接关系如下：

17、左侧电容c11左端连接二极管d1的阴极，右侧电容c12的下端连接电容c1的上端；

18、各个高增益扩展单元之间的连接形式如下：

19、第1个高增益扩展单元中的左侧电容c11右端连接第2个高增益扩展单元中的左侧电容c21左端；第2个高增益扩展单元中的左侧电容c21右端连接第3个高增益扩展单元中的左侧电容c31左端；......依次类推，第i-1个高增益扩展单元中的左侧电容c(i-1)1右端连接第i个高增益扩展单元中的左侧电容ci1左端；

20、第1个高增益扩展单元中的右侧电容c12上端连接第2个高增益扩展单元中的右侧电容c22下端；第2个高增益扩展单元中的右侧电容c22上端连接第3个高增益扩展单元中的右侧电容c32下端；......依次类推，第i-1个高增益扩展单元中的右侧电容c(i-1)2的上端连接第i个高增益扩展单元中的右侧电容ci2的下端；

21、负载rl的两端分别连接第m个高增益扩展单元中电容cm2的上端、变压器t的次级绕组ls的下端。

22、所述功率开关s1的栅极、功率开关s2的栅极连接各自控制器，其占空比可以在0至0.5之间变化且同相位。

23、当采用2个高增益扩展单元时，

24、在功率开关s1和功率开关s2导通时，二极管d1、钳位二极管d1p、钳位二极管d2p和第1个高增益扩展单元的二极管d11、第2个高增益扩展单元的二极管d21关断，输入电压uin加在变压器t的初级绕组lp上，励磁电感lm电流上升，变压器储能增加；

25、同时变压器t的初级绕组lp将能量传输到变压器t的次级绕组ls，二极管d1、第1个高增益扩展单元的二极管d11、第2个高增益扩展单元的二极管d21承受反向电压截止；

26、变压器次级绕组为第1个高增益扩展单元的左侧电容c11、第2个高增益扩展单元的左侧电容c21、第1个高增益扩展单元的电感l11、第2个高增益扩展单元的电感l21充电，电容c1、第1个高增益扩展单元的右侧电容c12放电、第2个高增益扩展单元的右侧电容c22为负载rl供电，实现开关导通时，变压器能量传递，当负载发生变化时在该阶段能量便可及时调整，提高了负载调整率。

27、当采用2个高增益扩展单元时，

28、在功率开关s1和功率开关s2关断时，钳位二极管d1p、钳位二极管d2p导通，并将功率开关管上的电压钳位在输入源电压uin，完成钳位后钳位二极管d1p、钳位二极管d2p关断；

29、同时二极管d1、第1个高增益扩展单元的二极管d11、第2个高增益扩展单元的二极管d21在功率开关管关断阶段一直保持导通；

30、变压器次级绕组ls的电流下降，电容c1、第1个高增益扩展单元的右侧电容c12、第2个高增益扩展单元的右侧电容c22充电，第1个高增益扩展单元的左侧电容c11、第2个高增益扩展单元的左侧电容c21放电，同时第1个高增益扩展单元的电感l11、第2个高增益扩展单元的电感l21通过二极管d1、第1个高增益扩展单元的二极管d11放电。

31、本发明一种高增益高负载调整率双管反激dc-dc变换器，技术效果如下：

32、1)可有效提高基础双管反激变换器的输入输出电压增益，同时降低开关器件电压应力，具体如下：

33、输入输出电压增益为：

34、功率开关管电压应力为：us1＝us2＝uin；

35、二极管电压应力为：

36、每个电容上的电压为：

37、其中：d为占空比(d≤0.5)，uin为输入电压，uo为输出电压，us1、us2为功率开关s1、s2电压应力，ud1、udi为二极管电压应力，m为高增益扩展单元数量，n为变压器次级绕组匝数与初级绕组匝数比值，1<i≤m。

38、2)本发明所述变换器，通过在基本双管反激变换器的基础上结合高增益扩展单元，为基本双管反激变换器的变压器在开关导通时引入能量传输回路，实现了变压器在整个开关工作周期都有能量传递，当负载发生变化时可以立即对能量做出调整，无需等下一个周期。

39、3)本发明所述变换器，可通过调节高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；且高增益扩展单元中不含有源器件，不改变原双管反激变换器的控制方式，具有控制及驱动电路简单、输出电压增益可调节开关器件电压应力低等优势；较适合于输出需要较高电压并且对于系统稳定性要求较高的场合。