一种高增益DC-DC变换器及控制方法

本发明属于电力电子，具体涉及一种高增益dc-dc变换器及控制方法。

背景技术：

1、升压开关变换器在独立光伏、清洁能源和电池存储系统等低压应用中越来越受欢迎。由于上述应用固有的低电压，使用这些转换器实现所需的输出电压是不可避免的。此外，输入电流纹波对变换器的可靠性和性能起着关键作用。因此，这类应用必须要求高电压增益和低输入电流纹波的升压转换器。

2、现有技术中，如基于磁耦合的隔离式和非隔离式升压变换器，采用高频变压器或耦合电感器(cl)来获得大范围的电压增益。各种拓扑结构，如级联升压，二次升压，电压提升、电容二极管电压倍增器，以及集成了开关电容技术的传统升压转换器被提议作为基于cl的拓扑。这些拓扑结构的主要缺点是：由于直流电流的注入，可能会出现铁芯饱和；由于漏电感较高，可能会出现电压尖峰。在利用电压倍增器的转换器中，另一个缺陷是，由于电路输入部分中存在cl，因此输入电流较高。同样，谐振拓扑等隔离式转换器也面临上述一些困难，如大量有源开关、控制复杂性和较低的可靠性。

3、专利公开号为cn109474183b，名称为一种双输入高增益dc/dc变换器的专利申请，包括第一输入端口，第二输入端口，负载端口，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管，第四二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容和负载。该专利申请虽然也能使dc/dc变换器实现高增益输入，但该专利申请无法杜绝在开关上产生电压尖峰和可能出现的反向恢复问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高增益dc-dc变换器及控制方法，通过谐振网络中的电感器参与谐振过程，而不是在开关上产生电压尖峰从而可能产生反向恢复问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种高增益dc-dc变换器，包括：直流电压源vi、开关管s0、第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和输出负载r0；

4、所述第一电感l1的第一端与所述直流电压源vi的正极连接；所述第一电感l1的第二端与所述开关管s0的漏极、所述第一电容c1的第一端连接；所述第一电容c1的第二端与所述第二电感l2第一端、所述第一二极管d1的正极、所述第三电感l3的第一端连接；所述第二电感l2的第二端与所述第二电容c2的第一端连接；所述第三电感l3的第二端与所述第二二极管d2的负极连接；所述第二二极管d2的正极与所述第三电容c3的第一端连接、所述输出负载r0的负极连接；所述输出负载r0的正极与所述第三电容c3的第二端、所述第一二极管d1的负极、所述第二电容c2的第二端、所述开关管s0的源极连接。

5、可选的，所述开关管s0采用mosfet。

6、可选的，所述第一二极管d1、第二二极管d2和第三二极管d3均采用肖特基二极管。

7、可选的，所述第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3均采用薄膜电容。

8、可选的，还包括低通滤波器、模数转换器、比例控制器、限值模块、pi控制器和pwm控制器，所述低通滤波器能够接收所述输出负载r0的输出电压vout并将结果发送至模数转换器，所述模数转换器能够将电信号转换为数字信号，所述比例控制器能够将模数转换器的结果与与参考电压vref比较，所述pi控制器能够将所述比例控制器的结果经过限值模块将信号输出限制在指定的范围内后发送至pwm控制器，所述pwm控制器能够控制所述开关管s0。

9、可选的，所述pwm控制器与所述开关管s0的栅极相连。

10、所述的一种高增益dc-dc变换器的控制方法，包括以下工作模式：

11、当占空比处于0-30％时，开关管s0在零电流条件下打开，第二二极管d2正向偏置，第一二极管d1反向偏置，开关管s0导通，直流电压源vi给第一电感l1充电，输出电压随第一电容c1放电而增大；

12、当占空比处于30-45％时，开关管s0处于导通状态，第二二极管d2自然关断，消除反向恢复电流，第三电容c3为输出负载r0供电；

13、当占空比处于45-50％时，开关管s0处于导通状态，第一电容c1完全放电到电容c2，电流通过第一二极管d1从第二电感l2给第二电容c2充电；

14、当占空比处于50-55％时，开关管s0关断，第一电感l1给第一电容c1充电，开关管s0为零电压。

15、可选的，还包括以下工作模式：当占空比处于55-85％时，第一二极管d1处于反向偏置，第二二极管d2处于正向偏置，第二电容c2放电、第一电容c1充电，第二电感l2、第二电容c2和第一电容c1组成谐振回路。

16、可选的，还包括以下工作模式：当占空比处于85-95％时，第二电容c2放电达到第二二极管d2正偏的点，在第二电容c2、第二电感l2、第三电感l3和第三电容c3之间形成共振回路，对第三电容c3进行充电。

17、可选的，还包括以下工作模式：当占空比处于95-100％时，第三二极管d3处于反向偏置，开关管s0不导通电流，第一电感l1将其能量传递给第一电容c1，第一二极管d1和第二二极管d2在第三电感l3和第三电容c3之间形成一个谐振回路。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本发明的一种高增益dc-dc变换器及控制方法，具有高增益、低元件数的特性。其工作在软开关条件下(关断和导通转换时的零电压-零电流条件)，大大降低了开关损耗。可以实现低纹波输入电流特性，通过电感器参与谐振网络中的谐振过程，杜绝了在开关上产生电压尖峰和可能出现的反向恢复问题。所提出的变换器拓扑包括少量的元件和简单的结构，减小了电路的尺寸并提高了可靠性。

20、进一步，mosfet开关管具有较强的抗干扰能力、驱动功率小、工作频率高、体积小等优点，使用mosfet开关管，可以进一步满足变换器高效经济的需求。

技术特征：

1.一种高增益dc-dc变换器，其特征在于，包括：直流电压源vi、开关管s0、第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和输出负载r0；

2.根据权利要求1所述的一种高增益dc-dc变换器，其特征在于，所述开关管s0采用mosfet。

3.根据权利要求1所述的一种高增益dc-dc变换器，其特征在于，所述第一二极管d1、第二二极管d2和第三二极管d3均采用肖特基二极管。

4.根据权利要求1所述的一种高增益dc-dc变换器，其特征在于，所述第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3均采用薄膜电容。

5.根据权利要求1所述的一种高增益dc-dc变换器，其特征在于，还包括低通滤波器、模数转换器、比例控制器、限值模块、pi控制器和pwm控制器，所述低通滤波器能够接收所述输出负载r0的输出电压vout并将结果发送至模数转换器，所述模数转换器能够将电信号转换为数字信号，所述比例控制器能够将模数转换器的结果与与参考电压vref比较，所述pi控制器能够将所述比例控制器的结果经过限值模块将信号输出限制在指定的范围内后发送至pwm控制器，所述pwm控制器能够控制所述开关管s0。

6.根据权利要求5所述的一种高增益dc-dc变换器，其特征在于，所述pwm控制器与所述开关管s0的栅极相连。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种高增益dc-dc变换器的控制方法，其特征在于，包括以下工作模式：

8.根据权利要求7所述的一种高增益dc-dc变换器的控制方法，其特征在于，还包括以下工作模式：当占空比处于55-85％时，第一二极管d1处于反向偏置，第二二极管d2处于正向偏置，第二电容c2放电、第一电容c1充电，第二电感l2、第二电容c2和第一电容c1组成谐振回路。

9.根据权利要求7所述的一种高增益dc-dc变换器的控制方法，其特征在于，还包括以下工作模式：当占空比处于85-95％时，第二电容c2放电达到第二二极管d2正偏的点，在第二电容c2、第二电感l2、第三电感l3和第三电容c3之间形成共振回路，对第三电容c3进行充电。

10.根据权利要求7所述的一种高增益dc-dc变换器的控制方法，其特征在于，还包括以下工作模式：当占空比处于95-100％时，第三二极管d3处于反向偏置，开关管s0不导通电流，第一电感l1将其能量传递给第一电容c1，第一二极管d1和第二二极管d2在第三电感l3和第三电容c3之间形成一个谐振回路。

技术总结
本发明公开了一种高增益DC‑DC变换器及控制方法，第一电感的第一端与直流电压源的正极连接；第一电感的第二端与开关管的漏极、第一电容的第一端连接；第一电容的第二端与第二电感第一端、第一二极管的正极、第三电感的第一端连接；第二电感的第二端与第二电容的第一端连接；第三电感的第二端与第二二极管的负极连接；第二二极管的正极与第三电容的第一端连接。本发明在软开关条件下，大大降低了开关损耗。可以实现低纹波输入电流特性，通过谐振网络中的电感器参与谐振过程，而不是在开关上产生电压尖峰从而可能产生反向恢复问题。

技术研发人员：陈景文,董浩东
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22