一种基于耦合电感具备连续输入输出电流的DC-DC变换器的制作方法

本发明涉及电源开关变换器，特别是一种基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器。

背景技术：

1、在现有技术中，目前大功率dc-dc开关电源变换器技术已经比较成熟，并普遍应用于汽车和工业领域，如12v或48v总线系统。适用于非隔离场合的dc-dc开关电源拓扑主要有buck,boost,buck-boost,cuk和sepic电路等。

2、buck电路作为传统的降压电路，具有器件少，控制简单，成本低的特点，在降压场合应用最为广泛。然而它依然存在几个重要问题：

3、(1)buck电路输入电流为脉冲电流。如图1所示，在pwm驱动信号的控制下，输入电流i in会出现通断交替现象，波形如图2所示.断续的输入电流不光给输入滤波增加了难度，需要较大输入滤波电容，而且由于快速的di/dt电流变化，增加了emi噪声干扰。

4、(2)对于buck电路，当下管qb关断后，上管qt开通瞬间，由于输出电感对瞬间电流的抑制效果和下管体二极管的反向恢复作用，会在sw处产生很高的电压尖峰，不光影响了管子耐压选择，同时造成了很高的dv/dt,带来了更严重的emi问题。

5、在升压方面，boost电路作同样具有结构简单，成本低等优势，但它也面临几个固有问题：

6、(1)boost电路输出电流为脉冲电流。如图4所示，在pwm驱动信号的控制下，输出电流iout会出现通断交替现象，需要较大的输出电容来吸收交流分量电流来抑制输出电压纹波，本身由于升压拓扑需要输出耐压高，因此输出电容会占据变换器较大比例的体积。断续的输出电流不光给输出滤波增加了难度，而且由于快速的di/dt电流变化，增加了emi噪声干扰。

7、(2)对于boost电路，当下管q开通时，输出二极管d电流停止。从控制角度，当控制q的占空比提高瞬间，输出电流会因为电感抑制，幅值不变，而电流占空比会减少，因此输出电量会有瞬间减少趋势，使得输出电压在提高控制占空比时反而有一个瞬间跌落的过程，这就是boost右半平面的零点引起，在频域角度右半平面零点会减少系统相位裕量，增加了控制复杂难度。

8、其他dc-dc拓扑因为效率低，器件复杂或未能解决输入输出电流连续问题，在特定的升压或降压特定场合并不常用。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种能实现输入输出电压纹波同时抑制，并减少变换器体积和损耗，有效提高直流升/降压变换器的功率密度和转换效率的基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器。

2、为了达到上述目的，本发明设计的基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器，包括电路、第一端、第二端和第三端，以及一与第二端连通的第四端，所述电路包括电压控制器、isolated gate driver隔离驱动器、桥臂开关qa、桥臂开关qb、弱耦合电感l1、弱耦合电感l2和储能电容c1，所述弱耦合电感l1、储能电容c1和弱耦合电感l2串联接至第一端和第二端之间，所述桥臂开关qa和桥臂开关qb串联接至弱耦合电感l1和弱耦合电感l2之间并与储能电容c1的正负极连接，所述第三端接至桥臂开关qa和桥臂开关qb之间，所述电压控制器和isolated gate driver隔离驱动器串联后自第四端接至桥臂开关qa和桥臂开关qb之间。

3、进一步的方案是，所述电压控制器为buck-controller控制器，还包括输入电压vin、输出电压vout和输出电容co，输入电压vin的正极接至第一端，输入电压vin的负极接至第二端，输出电压vout的正极接至第三端，输出电压vout的负极接至第四端，输出电容co的正极接至第三端，输出电容co的负极接至第四端，桥臂开关qa和桥臂开关qb通过电压控制器和isolated gate driver隔离驱动器互补的驱动信号进行驱动，所述弱耦合电感l1电流为输入电流iin，所述弱耦合电感l1和弱耦合电感l2电流之和为输出电流iout，弱耦合电感l1和弱耦合电感l2的电流连续时，输入输出电流连续，由此减少输入输出电容值，从而减少变换器体积及抑制emi噪声。

4、进一步的方案是，所述电压控制器为boost-controller控制器，还包括输入电压vin、输出电压vout和输出电容co，输入电压vin的正极接至第三端，输入电压vin的负极接至第四端，输出电压vout的正极接至第一端，输出电压vout的负极接至第二端，输出电容co的正极接至第一端，输出电容co的负极接至第二端，桥臂开关qa和桥臂开关qb通过电压控制器和isolated gate driver隔离驱动器互补的驱动信号进行驱动，弱耦合电感l1和弱耦合电感l2电流之和为输入电流iin，弱耦合电感l1电流为输出电流iout，弱耦合电感l1和弱耦合电感l2的电流连续时，输入输出电流连续，由此同时抑制输入输出电压纹波。

5、进一步的方案是，所述电压控制器为buck-boost controller控制器，还包括输入电压vin、输出电压vout和输出电容co，输出电容co的负极与输入电压vin的正极相连，输出电容co的正极接至输出电压vout的正极并与第一端连接，输出电压vout的负极接至第三端，输入电压vin的负极接至第四端，输出电容co的正极与输入电压vin负极之间产生vin/1-d的电压，从而在输出电容co上产生电压为dvin/1-d，从而通过控制驱动信号的占空比d实现升降压功能。

6、进一步的方案是，所述电压控制器为boost-controller控制器，还包括多个led二极管和采样电阻r，输入电压vin的正极接至第三端，输入电压vin的负极接至第四端，多个led二极管和采样电阻r串联接至第一端和第二端之间。

7、本发明所设计的基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器，能实现输入输出电压纹波同时抑制，并减少变换器体积和损耗，有效提高直流升/降压变换器的功率密度和转换效率。

技术特征：

1.一种基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器，包括电路(100)、第一端(101)、第二端(102)和第三端(103)，以及一与第二端(102)连通的第四端(104)，其特征是，所述电路(100)包括电压控制器(200)、isolated gate driver隔离驱动器(300)、桥臂开关qa、桥臂开关qb、弱耦合电感l1、弱耦合电感l2和储能电容c1，所述弱耦合电感l1、储能电容c1和弱耦合电感l2串联接至第一端(101)和第二端(102)之间，所述桥臂开关qa和桥臂开关qb串联接至弱耦合电感l1和弱耦合电感l2之间并与储能电容c1的正负极连接，所述第三端(103)接至桥臂开关qa和桥臂开关qb之间，所述电压控制器(200)和isolated gate driver隔离驱动器(300)串联后自第四端(104)接至桥臂开关qa和桥臂开关qb之间。

2.根据权利要求1所述的基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器，其特征是，所述电压控制器(200)为buck-controller控制器，还包括输入电压vin、输出电压vout和输出电容co，输入电压vin的正极接至第一端(101)，输入电压vin的负极接至第二端(102)，输出电压vout的正极接至第三端(103)，输出电压vout的负极接至第四端(104)，输出电容co的正极接至第三端(103)，输出电容co的负极接至第四端(104)，桥臂开关qa和桥臂开关qb通过电压控制器(200)和isolated gate driver隔离驱动器(300)互补的驱动信号进行驱动，所述弱耦合电感l1电流为输入电流iin，所述弱耦合电感l1和弱耦合电感l2电流之和为输出电流iout，弱耦合电感l1和弱耦合电感l2的电流连续时，输入输出电流连续，由此减少输入输出电容值，从而减少变换器体积及抑制emi噪声。

3.根据权利要求1所述的基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器，其特征是，所述电压控制器(200)为boost-controller控制器，还包括输入电压vin、输出电压vout和输出电容co，输入电压vin的正极接至第三端(103)，输入电压vin的负极接至第四端(104)，输出电压vout的正极接至第一端(101)，输出电压vout的负极接至第二端(102)，输出电容co的正极接至第一端(101)，输出电容co的负极接至第二端(102)，桥臂开关qa和桥臂开关qb通过电压控制器(200)和isolated gate driver隔离驱动器(300)互补的驱动信号进行驱动，弱耦合电感l1和弱耦合电感l2电流之和为输入电流iin，弱耦合电感l1电流为输出电流iout，弱耦合电感l1和弱耦合电感l2的电流连续时，输入输出电流连续，由此同时抑制输入输出电压纹波。

4.根据权利要求1所述的基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器，其特征是，所述电压控制器(200)为buck-boost controller控制器，还包括输入电压vin、输出电压vout和输出电容co，输出电容co的负极与输入电压vin的正极相连，输出电容co的正极接至输出电压vout的正极并与第一端(101)连接，输出电压vout的负极接至第三端(103)，输入电压vin的负极接至第四端(104)，输出电容co的正极与输入电压vin负极之间产生vin/1-d的电压，从而在输出电容co上产生电压为dvin/1-d，从而通过控制驱动信号的占空比d实现升降压功能。

5.根据权利要求2所述的基于耦合电感具备连续输入输出电流的dc-dc变换器，其特征是，所述电压控制器(200)为boost-controller控制器，还包括多个led二极管(400)和采样电阻r，输入电压vin的正极接至第三端(103)，输入电压vin的负极接至第四端(104)，多个led二极管(400)和采样电阻r串联接至第一端(101)和第二端(102)之间。

技术总结
本发明涉及一种基于耦合电感具备连续输入输出电流的DC‑DC变换器，包括电路、第一端、第二端和第三端，以及一与第二端连通的第四端，电路包括电压控制器、Isolated Gate driver隔离驱动器、桥臂开关Qa、桥臂开关Qb、弱耦合电感L1、弱耦合电感L2和储能电容C1，弱耦合电感L1、储能电容C1和弱耦合电感L2串联接至第一端和第二端之间，桥臂开关Qa和桥臂开关Qb串联接至弱耦合电感L1和弱耦合电感L2之间并与储能电容C1的正负极连接，第三端接至桥臂开关Qa和桥臂开关Qb之间，电压控制器和Isolated Gate driver隔离驱动器串联后自第四端接至桥臂开关Qa和桥臂开关Qb之间。本发明提供的基于耦合电感具备连续输入输出电流的DC‑DC变换器，能实现输入输出电压纹波同时抑制，并减少变换器体积和损耗。

技术研发人员：杜建霞,赵百鸣
受保护的技术使用者：杭州元芯半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14