一种DC-DC变换器及升压系统的制作方法

本实用新型涉及能量转换技术领域，特别是涉及一种DC-DC变换器及升压系统。

背景技术：

随着生活和工业的发展，人们对电力电子电路的要求也越来越高。在很多应用场景中，往往需要使用具有高增益的DC-DC变换器来抬升电压。例如，在新能源系统中，光伏、燃料电池等发电单元输出的直流电便需要使用高增益的DC-DC变换器先进行电压提升，然后才能并入电网使用。

现有技术中往往使用多个DC-DC变换器级联来实现高增益，如二级Boost电路，但其增加了使用到的开关管的数量，一方面，成本高，损耗大；另一方面，一旦其中某个环节崩溃，则会造成整个升压系统的崩溃，大大降低了升压系统的稳定性和可靠性。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种DC-DC变换器及升压系统，只用了一个开关管，一方面，成本低，损耗小；另一方面，方便控制，大大提高了稳定性和可靠性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种DC-DC变换器，应用于包括直流电源的升压系统，包括开关管、主回路储能电容、主回路二极管、用于一级升压的第一有源阻抗网络和结构区别于所述第一有源阻抗网络、用于二级升压的第二有源阻抗网络，其中：

所述第一有源阻抗网络的第一端与所述直流电源的正极连接，所述第一有源阻抗网络的第二端分别与所述主回路储能电容的第一端及所述开关管的第一端连接，所述开关管的第二端分别与所述直流电源的负极、所述第二有源阻抗网络的第一端及所述负载的一端连接，所述第二有源阻抗网络的第二端分别与所述主回路储能电容的第二端及所述主回路二极管的阳极连接，所述主回路二极管的阴极与所述负载的另一端连接。

优选地，所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络包括第一子电感、第二子电感、第一子二极管、第二子二极管及第一储能子电容，其中：

所述第一子二极管的阳极与所述第一子电感的第一端连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第一端，所述第一子二极管的阴极分别与所述第二子电感的第一端及所述第二子二极管的阴极连接，所述第一子电感的第二端分别与所述第二子二极管的阳极及所述第一储能子电容的第一端连接，所述第一储能子电容的第二端与所述第二子电感的第二端连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第二端。

优选地，所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络包括第三子电感、第四子电感、第三子二极管、第四子二极管及第二储能子电容，其中：

所述第三子电感的第一端与所述第三子二极管的阳极连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第一端，所述第三子二极管的阴极分别与所述第四子电感的第一端及所述第二储能子电容的第一端连接，所述第二储能子电容的第二端分别与所述第四子二极管的阳极及所述第三子电感的第二端连接，所述第四子二极管的阴极与所述第四子电感的第二端连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第二端。

优选地，所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络包括第五子电感、第六子电感、第五子二极管、第六子二极管及第七子二极管，其中：

所述第五子电感的第一端与所述第五子二极管的阳极连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第一端，所述第五子二极管的阴极分别与所述第六子电感的第一端及所述第七子二极管的阴极连接，所述第七子二极管的阳极分别与所述第五子电感的第二端及所述第六子二极管的阳极连接，所述第六子二极管的阴极与所述第六子电感的第二端连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第二端。

优选地，所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络包括第七子电感、第八子电感、第八子二极管、第九子二极管及第三储能子电容，其中：

所述第七子电感的第一端与所述第三储能子电容的第一端连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第一端，所述第三储能子电容的第二端分别与所述第八子电感的第一端及所述第九子二极管的阴极连接，所述第九子二极管的阳极分别与所述第八子二极管的阳极及所述第七子电感的第二端连接，所述第八子二极管的阴极与所述第八子电感的第二端连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第二端。

优选地，所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络包括第九子电感、第十子电感、第四储能子电容、第五储能子电容及第十子二极管，其中：

所述第九子电感的第一端与所述第四储能子电容的第一端连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第一端，所述第四储能子电容的第二端分别与所述第十子电感的第一端及所述第十子二极管的阴极连接，所述第十子二极管的阳极分别与所述第九子电感的第二端及所述第五储能子电容的第一端连接，所述第五储能子电容的第二端与所述第十子电感的第二端连接，其公共端作为所述第一有源阻抗网络或者所述第二有源阻抗网络的第二端。

优选地，所述开关管为NMOS，其中，所述NMOS的漏极作为所述开关管的第一端，所述NMOS的源极作为所述开关管的第二端。

优选地，所述开关管为IGBT，其中，所述IGBT的集电极作为所述开关管的第一端，所述IGBT的发射极作为所述开关管的第二端。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种升压系统，包括直流电源，还包括如上述所述的DC-DC变换器。

优选地，所述直流电源为太阳能电池板。

本实用新型提供了一种DC-DC变换器，包括开关管、主回路储能电容、主回路子二极管、用于一级升压的第一有源阻抗网络和结构区别于第一有源阻抗网络、用于二级升压的第二有源阻抗网络，第一有源阻抗网络的第一端与直流电源的正极连接，第一有源阻抗网络的第二端分别与主回路储能电容的第一端及开关管的第一端连接，开关管的第二端分别与直流电源的负极、第二有源阻抗网络的第一端及负载的一端连接，第二有源阻抗网络的第二端分别与主回路储能电容的第二端及主回路子二极管的阳极连接，主回路子二极管的阴极与负载的另一端连接。

可见，本申请仅通过第一有源阻抗网络、第二有源阻抗网络及一个开关管来进行二级升压，实现高增益，与现有技术中的二级Boost电路相比，本申请只用了一个开关管，一方面，成本低，损耗小；另一方面，方便控制，大大提高了稳定性和可靠性。

本实用新型提供的升压系统同样具有如上有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种DC-DC变换器的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种有源阻抗网络的结构示意图；

图3为本实用新型提供的另一种有源阻抗网络的结构示意图；

图4为本实用新型提供的另一种有源阻抗网络的结构示意图；

图5为本实用新型提供的另一种有源阻抗网络的结构示意图；

图6为本实用新型提供的另一种有源阻抗网络的结构示意图；

图7为本实用新型提供的一种具体地DC-DC变换器的结构示意图；

图8为图7所示的DC-DC变换器的一种工作原理图；

图9为图7所示的DC-DC变换器的另一种工作原理图。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种DC-DC变换器及升压系统，只用了一个开关管，一方面，成本低，损耗小；另一方面，方便控制，大大提高了稳定性和可靠性。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图1，图1为本实用新型提供的一种DC-DC变换器的结构示意图，该变换器应用于包括直流电源的升压系统，包括开关管Q、主回路储能电容C₀₁、主回路二极管D₀₁、用于一级升压的第一有源阻抗网络1和结构区别于第一有源阻抗网络1、用于二级升压的第二有源阻抗网络2，其中：

第一有源阻抗网络1的第一端与直流电源的正极连接，第一有源阻抗网络1的第二端分别与主回路储能电容C₀₁的第一端及开关管Q的第一端连接，开关管Q的第二端分别与直流电源的负极、第二有源阻抗网络2的第一端及负载的一端连接，第二有源阻抗网络2的第二端分别与主回路储能电容C₀₁的第二端及主回路二极管D₀₁的阳极连接，主回路二极管D₀₁的阴极与负载的另一端连接。

可以理解的是，本申请中将第一有源阻抗网络1作为第一级升压模块，将第二有源阻抗网络2作为第二级升压模块来实现对直流电源输出电压的升压。另外，本申请中的有源阻抗网络由电容和/或电感和/或二极管构成，不包括开关管Q。

具体地，当开关管Q导通时，直流电源对第二有源阻抗网络2进行充电；开关管Q关断时，第一有源阻抗网络1串联主回路储能电容C₀₁与第二有源阻抗网络2共同为负载供电，整个过程中只用到一个开关管Q，便实现了宽增益Boost电路的效果。

本实用新型提供了一种DC-DC变换器，包括开关管、主回路储能电容、主回路子二极管、用于一级升压的第一有源阻抗网络和结构区别于第一有源阻抗网络、用于二级升压的第二有源阻抗网络，第一有源阻抗网络的第一端与直流电源的正极连接，第一有源阻抗网络的第二端分别与主回路储能电容的第一端及开关管的第一端连接，开关管的第二端分别与直流电源的负极、第二有源阻抗网络的第一端及负载的一端连接，第二有源阻抗网络的第二端分别与主回路储能电容的第二端及主回路子二极管的阳极连接，主回路子二极管的阴极与负载的另一端连接。

可见，本申请仅通过第一有源阻抗网络、第二有源阻抗网络及一个开关管来进行二级升压，实现高增益，与现有技术中的二级Boost电路相比，本申请只用了一个开关管，一方面，成本低，损耗小；另一方面，方便控制，大大提高了稳定性和可靠性。

在上一实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2包括第一子电感L₁、第二子电感L₂、第一子二极管D₁、第二子二极管D₂及第一储能子电容C₁，其中：

第一子二极管D₁的阳极与第一子电感L₁的第一端连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第一端，第一子二极管D₁的阴极分别与第二子电感L₂的第一端及第二子二极管D₂的阴极连接，第一子电感L₁的第二端分别与第二子二极管D₂的阳极及第一储能子电容C₁的第一端连接，第一储能子电容C₁的第二端与第二子电感L₂的第二端连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第二端。

具体地，请参照图2，图2为本实用新型提供的一种有源阻抗网络的结构示意图。

首先需要说明的是，本申请中的各个电感值及电容值的选择均不是固定的，根据实际情况来进行选择。

作为一种优选地实施例，第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2包括第三子电感L₃、第四子电感L₄、第三子二极管D₃、第四子二极管D₄及第二储能子电容C₂，其中：

第三子电感L₃的第一端与第三子二极管D₃的阳极连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第一端，第三子二极管D₃的阴极分别与第四子电感L₄的第一端及第二储能子电容C₂的第一端连接，第二储能子电容C₂的第二端分别与第四子二极管D₄的阳极及第三子电感L₃的第二端连接，第四子二极管D₄的阴极与第四子电感L₄的第二端连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第二端。

具体地，请参照图3，图3为本实用新型提供的另一种有源阻抗网络的结构示意图。

作为一种优选地实施例，第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2包括第五子电感L₅、第六子电感L₆、第五子二极管D₅、第六子二极管D₆及第七子二极管D₇，其中：

第五子电感L₅的第一端与第五子二极管D₅的阳极连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第一端，第五子二极管D₅的阴极分别与第六子电感L₆的第一端及第七子二极管D₇的阴极连接，第七子二极管D₇的阳极分别与第五子电感L₅的第二端及第六子二极管D₆的阳极连接，第六子二极管D₆的阴极与第六子电感L₆的第二端连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第二端。

具体地，请参照图4，图4为本实用新型提供的另一种有源阻抗网络的结构示意图。

作为一种优选地实施例，第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2包括第七子电感L₇、第八子电感L₈、第八子二极管D₈、第九子二极管D₉及第三储能子电容C₃，其中：

第七子电感L₇的第一端与第三储能子电容C₃的第一端连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第一端，第三储能子电容C₃的第二端分别与第八子电感L₈的第一端及第九子二极管D₉的阴极连接，第九子二极管D₉的阳极分别与第八子二极管D₈的阳极及第七子电感L₇的第二端连接，第八子二极管D₈的阴极与第八子电感L₈的第二端连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第二端。

具体地，请参照图5，图5为本实用新型提供的另一种有源阻抗网络的结构示意图。

作为一种优选地实施例，第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2包括第九子电感L₉、第十子电感L₁₀、第四储能子电容C₄、第五储能子电容C₅及第十子二极管D₁₀，其中：

第九子电感L₉的第一端与第四储能子电容C₄的第一端连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第一端，第四储能子电容C₄的第二端分别与第十子电感L₁₀的第一端及第十子二极管D₁₀的阴极连接，第十子二极管D₁₀的阳极分别与第九子电感L₉的第二端及第五储能子电容C₅的第一端连接，第五储能子电容C₅的第二端与第十子电感L₁₀的第二端连接，其公共端作为第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2的第二端。

具体地，请参照图6，图6为本实用新型提供的另一种有源阻抗网络的结构示意图。

在实际应用中，第一有源阻抗网络1或者第二有源阻抗网络2可以在满足第一有源阻抗网络1区别于第二有源阻抗网络2的条件下任意选择图2-图6中的阻抗网络，当然，还可以选择其他类型的阻抗网络，能够满足本申请的目的即可。

作为一种优选地实施例，开关管Q为NMOS，其中，NMOS的漏极作为开关管Q的第一端，NMOS的源极作为开关管Q的第二端。

作为一种优选地实施例，开关管Q为IGBT，其中，IGBT的集电极作为开关管Q的第一端，IGBT的发射极作为开关管Q的第二端。

具体地，在实际应用中，如果DC-DC变换器中的电流很大，这里的开关管Q还可以为由多个NMOS并联的NMOS模块，或者为由多个IGBT并联的IGBT模块。

另外，这里的开关管Q还可以选择其他类型的开关管Q，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况来定。

为方便对本申请的理解，下面结合一具体实例对本申请的工作过程作介绍，请参照图7，图7为本实用新型提供的一种具体地DC-DC变换器的结构示意图。该实例中，第一有源阻抗网络1具体为二级有源阻抗网络，且第一有源阻抗网络1为如图2所示中的有源阻抗网络，第二有源阻抗网络2为如图3所示中的有源阻抗网络，则：

阶段1：

请参照图8，图8为图7所示的DC-DC变换器的一种工作原理图。

开关管Q导通，此时二极管第一子二极管D₁、第四子二极管D₄和第三子二极管D₃导通，第二子二极管D₂和主回路二极管D₀₁处于关断状态。电路形成单独的三个回路，分别是：直流电源对并联的第二子电感L₂支路和第一子电感L₁与第一子电容串联支路分别形成回路，进行充电；主回路储能电容C₀₁对并联的第三子电感L₃支路、第四子电感L₄支路和第二储能子电容C₂支路分别形成回路，进行充电；负载电容与负载构成回路，并传递能量。

阶段2：

请参照图9，图9为图7所示的DC-DC变换器的另一种工作原理图。

开关管Q关断，此时第二子二极管D₂和主回路二极管D₀₁导通，第一子二极管D₁、第三子二极管D₃和第四子二极管D₄处于关断状态。第一子电感L₁串联第二子电感L₂与第一储能子电容形成的并联支路，再串联主回路储能电容C₀₁，为负载(负载电容与负载并联支路)提供能量。第三子电感L₃串联第二储能子电容C₂再与第四子电感L₄串联，为负载(负载电容与负载并联支路)提供能量。

开关管Q导通期间，第二子电感L₂支路和第一子电感L₁与第一储能子电容串联支路分别并联于直流电源两端，两支路电压分别等于直流电源电压，有公式：

导通时间为DT；第三子电感L₃和第四子电感L₄分别并联于第二储能子电容C₂的两端，其电压等于第二储能子电容C₂两端电压V_C2，有公式：V_L3＝V_L4＝V_C2，导通时间为DT。其中，T为开关周期，V_L1、V_L2、V_L3和V_L4分别是第一子电感L₁、第二子电感L₂、第三子电感L₃和第四子电感L₄的电压。主回路储能电容C₀₁分别对第三子电感L₃支路、第四子电感L₄支路、第二储能子电容C₂支路进行充电。因此有公式如下：

V_L3＝V_L4＝V_C2＝V_C01 (3)

开关管Q关断期间，第一子电感L₁、第二子电感L₂经第二子二极管D₂向主回路储能电容C₀₁释放能量，主回路储能电容_C01储能，有表达式：

V_L1'＝V_s-V_C1-V_C01-V_L (4)

支路：第三子电感L₃串联第二储能子电容C₂、串联第四子电感L₄经主回路二极管D₀₁向负载供电，且有

V'_L3+V'_L4-V_C2＝-V_L (6)

导通时间为(1-D)T。

由以上分析，根据电感伏秒数守恒原理，有：

对于第一子电感L₁：

(V_s-V_C1)DT+(V_s-V_C1-V_C01-V_L)(1-D)T＝0 (7)

对于第二子电感L₂：

对于第三子电感L₃和第四子电感L₄，有

联立式(1)-(9)可得：

由此可以看出，本实用新型所述的一种具有较少有源器件的宽输出电压范围DC-DC变换器的电压增益M为：

需要说明的是，由于本申请中的第一有源阻抗网络1和第二有源阻抗网络2的选取具有多样性，选择不同，最终的电压增益M也可能不同。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种升压系统，包括直流电源，还包括如上述的DC-DC变换器。

对于本实用新型提供的一种升压系统的介绍请参照上述实施例，本实用新型在此不再赘述。

作为一种优选地实施例，直流电源为太阳能电池板。

当然，这里的直流电源还可以为其他类型的直流电源，例如风力发电单元，本申请在此不做特别的限定。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。