本公開實(shí)施例涉及一種升壓單元、包括該升壓單元的直流(DC)-直流變換器、電動汽車和電池備份系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：為提升電路的電壓轉(zhuǎn)換比，通常DC-DC變換器選取極值的占空比或者引入變壓器結(jié)構(gòu)。另外，也嘗試通過改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高電路的電壓轉(zhuǎn)換比。但是，上述方法所實(shí)現(xiàn)的電壓增益仍嚴(yán)格的受到電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和占空比取值的限制。因此，需要一種能夠提高電壓增益的新的電路結(jié)構(gòu)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：根據(jù)本公開實(shí)施例，提供一種升壓單元，包括：第一電感器，第一端是該升壓單元的輸入端；升壓電容器，第一端連接到第一電感器的第二端；第一單向?qū)ㄆ骷?，第一端連接到第一電感器的第二端，第二端連接到該升壓單元的輸出端；第二單向?qū)ㄆ骷?，第一端連接到第一電感器的第一端，第二端連接到升壓電容器的第二端；第三單向?qū)ㄆ骷谝欢诉B接到升壓電容器的第二端，第二端連接到第二電感器的第一端；第四單向?qū)ㄆ骷?，第一端連接到第一電感器的第一端，第二端連接到第二電感器的第一端；以及第二電感器，第二端是該升壓單元的輸出端。在一個例子中，在充電階段中，所述第一單向?qū)ㄆ骷?、第二單向?qū)ㄆ骷偷谒膯蜗驅(qū)ㄆ骷?dǎo)通，而所述第三單向?qū)ㄆ骷刂?，并且在放電階段中，所述第一單向?qū)ㄆ骷?、第二單向?qū)ㄆ骷偷谒膯蜗驅(qū)ㄆ骷刂?，而所述第三單向?qū)ㄆ骷?dǎo)通。在一個例子中，第一單向?qū)ㄆ骷?、第二單向?qū)ㄆ骷?、第三單向?qū)ㄆ骷偷谒膯蜗驅(qū)ㄆ骷嵌O管，并且每個單向?qū)ㄆ骷牡谝欢耸窍鄳?yīng)二極管的陽極，且每個單向?qū)ㄆ骷牡诙耸窃摱O管的陰極。根據(jù)本公開另一個實(shí)施例，提供一種直流DC-DC變換器，包括：開關(guān)，連接到輸入電壓；主二極管，連接到開關(guān)；穩(wěn)壓電容器，第一端與主二極管串聯(lián)連接且第二端連接到輸入電壓，并且穩(wěn)壓電容器的第一端和第二端是該DC-DC變換器的輸出端；和如上所述的任一個升壓單元。在一個例子中，該DC-DC變換器包括的升壓單元的數(shù)目為兩個或更多個，所述兩個或更多個升壓單元級聯(lián)，并且DC-DC變換器還包括：連接控制單元，連接在每兩級升壓單元之間，被配置為在充電期間將本級升壓單元與前一級升壓單元并聯(lián)，且在放電期間將本級升壓單元與前一級升壓單元串聯(lián)。在一個例子中，所述連接控制單元包括：第一連接控制器件，第一端連接到前一級升壓單元的輸入端，第二端連接到下一級升壓單元的輸入端；第二連接控制器件，第一端連接到前一級升壓單元的輸出端，第二端連接到第一連接控制器件的第二端；以及第三連接控制部件，第一端連接到前一級升壓單元的輸出端，第二端連接到下一級升壓單元的輸出端。在一個例子中，在充電期間，第一連接控制器件和第三連接控制器件導(dǎo)通，而第二連接控制器件截止，并且在放電期間，第一連接控制器件和第三連接控制器件截止，而第二連接控制器件導(dǎo)通。在一個例子中，第一連接控制器件、第二連接控制器件和第三連接控制器件是二極管，并且每個連接控制器件的第一端是相應(yīng)二極管的陽極，且每個連接控制器件的第二端是該二極管的陰極。根據(jù)本公開另一個實(shí)施例，提供一種電池備份系統(tǒng)，包括如上所述的任一個DC-DC變換器。根據(jù)本公開另一個實(shí)施例，提供一種電動汽車，包括如上所述的任一個DC-DC變換器。根據(jù)本公開實(shí)施例，通過利用升壓單元來替換普通DC-DC變換器中的電感，可以提高電壓增益。附圖說明通過以下借助附圖的詳細(xì)描述，將會更容易地理解本公開，其中相同的標(biāo)號指定相同結(jié)構(gòu)的單元，并且在其中：圖1是示出一種DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)的示范性電路圖；圖2a至圖2b是示出圖1中所示的DC-DC變換器的工作模式的示意圖；圖3是示出圖1中所示的DC-DC變換器中的輸入電流、二極管D處的電壓和電流以及電感L兩端的電壓和電流的波形的示意圖；圖4a至圖4c是示出圖1所示的DC-DC變換器的二極管兩端電壓波形、電感兩端電流波形及輸出電壓波形的仿真示意圖；圖5示出根據(jù)本公開一個實(shí)施例的升壓單元的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6示出根據(jù)本公開一個實(shí)施例的包括如圖5中所示的升壓單元的DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)的示意性電路圖；圖7a至圖7b是示出圖6中所示的DC-DC變換器的工作模式的示意圖；圖8是示出在圖6中示出的DC-DC變換器中的各元件的電壓和/或電流的波形的示意圖；圖9a至圖9d是示出圖6中的DC-DC變換器的主二極管VD5兩端電壓、第一電感器L1兩端電流、升壓電容器C1兩端電壓及輸出電壓Uo的波形的仿真示意圖；圖10是示出根據(jù)本公開另一實(shí)施例的DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)的示意性電路圖；圖11a至圖11b是示出圖10中所示的DC-DC變換器的工作模式的示意圖；圖12a至圖12d是示出圖10中的DC-DC變換器的主二極管VD5兩端電壓、第一電感器L11或L21兩端電流、升壓電容器C1或C2兩端電壓及輸出電壓Uo的波形的仿真示意圖；圖13是示出根據(jù)本公開再一實(shí)施例的DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)的示意性電路圖；以及圖14是示出電壓增益隨占空比D和級聯(lián)的升壓單元的數(shù)目n而變化的曲線。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本公開實(shí)施例中的附圖，對本公開實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本公開一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒竟_中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本公開保護(hù)的范圍。圖1是示出一種直流-直流(DC-DC)變換器的結(jié)構(gòu)的示范性電路圖，且圖2a和圖2b是示出圖1中所示的DC-DC變換器的工作模式的示意圖，其中，該DC-DC變換器為升降壓型(buck-boost)DC-DC變換器。如圖2a所示，當(dāng)該DC-DC變換器的開關(guān)S被接通時，電源為電感L充電，電感L兩端的電壓為電源電壓Ui。此時電路中的電流方向如箭頭所示。如圖2b所示，當(dāng)開關(guān)S被關(guān)斷時，電感L兩端的電流不能夠突變，二極管D導(dǎo)通且與電感L形成放電回路。此時電路中的電流方向如箭頭所示。根據(jù)電感的伏秒平衡作用原理，可得該DC-DC變換器的電壓增益為Uo/Ui＝D/(1-D)，其中，D是控制開關(guān)S的信號的占空比。圖3是示出圖1中所示的DC-DC變換器中的輸入電流、二極管D處的電壓和電流以及電感L兩端的電壓和電流的波形的示意圖，并且圖4a至圖4c是示出圖1所示的DC-DC變換器的二極管兩端電壓波形、電感兩端電流波形及輸出電壓波形的仿真示意圖。圖5示出根據(jù)本公開一個實(shí)施例的升壓單元的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖5中所示，該升壓單元包括第一電感器L1、升壓電容器C1、第一單向?qū)ㄆ骷⒌诙蜗驅(qū)ㄆ骷?、第三單向?qū)ㄆ骷?、第四單向?qū)ㄆ骷偷诙姼衅鱈2。第一電感器L1的第一端是該升壓單元的輸入端Input。升壓電容器C1的第一端連接到第一電感器L1的第二端。第一單向?qū)ㄆ骷牡谝欢诉B接到第一電感器L1的第二端，第二端連接到該升壓單元的輸出端Outp。第二單向?qū)ㄆ骷牡谝欢诉B接到第一電感器L1的第一端，第二端連接到升壓電容器C1的第二端。第三單向?qū)ㄆ骷牡谝欢诉B接到升壓電容器C1的第二端，第二端連接到第二電感器L2的第一端。第四單向?qū)ㄆ骷牡谝欢诉B接到第一電感器L1的第一端，第二端連接到第二電感器L2的第一端。第二電感器L2的第二端是該升壓單元的輸出端Output。該升壓單元可以被應(yīng)用于DC-DC變換器中。具體而言，在充電階段中，第一單向?qū)ㄆ骷?、第二單向?qū)ㄆ骷偷谒膯蜗驅(qū)ㄆ骷?dǎo)通，而所述第三單向?qū)ㄆ骷刂?，并且在放電階段中，所述第一單向?qū)ㄆ骷⒌诙蜗驅(qū)ㄆ骷偷谒膯蜗驅(qū)ㄆ骷刂?，而所述第三單向?qū)ㄆ骷?dǎo)通。在一個例子中，第一單向?qū)ㄆ骷⒌诙蜗驅(qū)ㄆ骷?、第三單向?qū)ㄆ骷偷谒膯蜗驅(qū)ㄆ骷嵌O管，并且每個單向?qū)ㄆ骷牡谝欢耸窍鄳?yīng)二極管的陽極，且每個單向?qū)ㄆ骷牡诙耸窃摱O管的陰極。但是，本實(shí)用新型實(shí)施例不限于此。圖6示出根據(jù)本公開一個實(shí)施例的包括圖5所示的升壓單元的DC-DC變換器600的結(jié)構(gòu)的示意性電路圖。如圖6中所示，DC-DC變換器600包括開關(guān)S1、主二極管VD5、穩(wěn)壓電容器C0和升壓單元610。開關(guān)S1連接到輸入電壓Ui。主二極管VD5連接到開關(guān)S1。穩(wěn)壓電容器C0的第一端與主二極管VD5串聯(lián)連接且第二端連接到輸入電壓Ui，并且穩(wěn)壓電容器C0的第一端和第二端是該DC-DC變換器500的輸出端，即輸出電壓Uo。升壓單元610的輸入端連接到開關(guān)S1以接收輸入電壓Ui，輸出端連接到穩(wěn)壓電容器C0的第二端，該升壓單元610包括第一電感器L1、第二電感器L2、升壓電容器C1、第一單向?qū)ㄆ骷D1、第二單向?qū)ㄆ骷D2、第三單向?qū)ㄆ骷D3和第四單向?qū)ㄆ骷D4。根據(jù)本公開實(shí)施例，通過利用升壓單元來替換普通DC-DC變換器中的電感，可以提高電壓增益。在一個例子中，如圖6中所示，第一電感器L1的第一端是該升壓單元510的輸入端；升壓電容器C1的第一端連接到第一電感器L1的第二端；第一單向?qū)ㄆ骷D1的陽極連接到第一電感器L1的第二端，陰極連接到該升壓單元510的輸出端；第二單向?qū)ㄆ骷D2的陽極連接到第一電感器L1的第一端，陰極連接到升壓電容器C1的第二端；第三單向?qū)ㄆ骷D3的陽極連接到升壓電容器C1的第二端，陰極連接到第二電感器L2的第一端；第四單向?qū)ㄆ骷D4的陽極連接到第一電感器L1的第一端，陰極連接到第二電感器L2的第一端；并且第二電感器L2的第二端是該升壓單元610的輸出端。圖7a至圖7b是示出圖6中所示的DC-DC變換器600的工作模式的示意圖。如圖7a所示，當(dāng)開關(guān)S1被接通時，第一單向?qū)ㄆ骷D1、第二單向?qū)ㄆ骷D2和第四單向?qū)ㄆ骷D4導(dǎo)通，第三單向?qū)ㄆ骷D3和主二極管VD5截止，直流輸入電源Ui向電感器L1、L2和升壓電容器C1進(jìn)行充電。此時，第一電感器L1、第二電感器L2和升壓電容器C1分別并聯(lián)連接于電路中，電感L1和L2兩端電壓均為Ui。如圖7b所示，當(dāng)開關(guān)S1被關(guān)斷時，第一單向?qū)ㄆ骷D1、第二單向?qū)ㄆ骷D2和第四單向?qū)ㄆ骷D4截止，第三單向?qū)ㄆ骷D3和主二極管VD5導(dǎo)通并與第一電感器L1、第二電感器L2構(gòu)成蓄流回路。此時，第一電感器L1、第二電感器L2和升壓電容器C1串聯(lián)連接于電路中并共同作用，且第一電感器L1和第二電感器L2兩端的電壓均為(Ui-Uo)/2。在該DC-DC變換器600中，根據(jù)電感的伏秒平衡作用原理，可以得到UiD+(Ui-Uo)(1-D)/2＝0，從而該電路的電壓增益為Uo/Ui＝(1+D)/(1-D)，其中，D為控制開關(guān)S1的控制信號的占空比。與圖1中所示普通DC-DC變換器的電壓增益D/(1-D)相比，根據(jù)本公開實(shí)施例的DC-DC變換器600提高了電壓增益。此外，與選取極值的占空比來提升電路的電壓增益的方法相比，根據(jù)本公開實(shí)施例的DC-DC變換器的功率損耗更小。并且，與利用變壓器實(shí)現(xiàn)高電壓增益的方法相比，根據(jù)本公開實(shí)施例的DC-DC變換器的電路體積更小，所需成本更低。圖8是示出在圖6中示出的DC-DC變換器600中的各元件的電壓和/或電流的波形的示意圖。應(yīng)當(dāng)明白，圖8中所示的波形僅僅是示意性的，并且為了說明的目的可以放大或縮小一些波形的尺度，所以各波形之間的比例可能與實(shí)際值不完全相同。圖9a至圖9d是示出圖6中的DC-DC變換器600的主二極管VD5兩端電壓、第一電感器L1兩端電流、升壓電容器C1兩端電壓及輸出電壓Uo的波形的仿真示意圖。圖10是示出根據(jù)本公開另一實(shí)施例的DC-DC變換器1000的結(jié)構(gòu)的示意性電路圖。如圖10中所示，除了開關(guān)S1、主二極管VD5、穩(wěn)壓電容器C0以外，該DC-DC變換器1000包括兩個升壓單元1010和1020，并且升壓單元1010和1020的具體結(jié)構(gòu)與圖6中所示的升壓單元610的具體結(jié)構(gòu)相同，這里不再贅述。此外，圖10中所示的DC-DC變換器1000還包括：連接控制單元1030，連接在兩個升壓單元1010和1020之間，被配置為在充電期間將升壓單元1020與升壓單元1010并聯(lián)，且在放電期間將升壓單元1020與升壓單元1010串聯(lián)。在圖10所示的例子中，連接控制單元1030可以包括第一連接控制器件VD’01、第二連接控制器件VD’02和連接控制器件VD’03。第一連接控制器件VD’01的第一端連接到升壓單元1010的輸入端，第二端連接到升壓單元1020的輸入端。第二連接控制器件VD’02的第一端連接到升壓單元1010的輸出端，第二端連接到第一連接控制器件VD’01的第二端。第三連接控制部件VD’03的第一端連接到升壓單元1010的輸出端，第二端連接到升壓單元1020的輸出端。在充電期間，第一連接控制器件VD’01和第三連接控制器件VD’02導(dǎo)通，而第二連接控制器件VD’02截止，并且在放電期間，第一連接控制器件VD’01和第三連接控制器件VD’03截止，而第二連接控制器件VD’02導(dǎo)通。在圖10的例子中，第一連接控制器件VD’01、第二連接控制器件VD’02和第三連接控制器件VD’03被示出為是二極管，并且每個連接控制器件的第一端是相應(yīng)二極管的陽極，且每個連接控制器件的第二端是該二極管的陰極。具體而言，第一連接控制器件VD’01的陽極連接到升壓單元1010的輸入端、即第一電感器L11的第一端，陰極連接到升壓單元1020的輸入端、即第一電感器L21的第一端。第二連接控制器件VD’02的陽極連接到升壓單元1010的輸出端、即第二電感器L12的第二端，陰極連接到第一連接控制器件VD’01的陰極。第三連接控制器件VD’03的陽極連接到升壓單元1010的輸出端、即第二電感器L12的第二端，陰極連接到升壓單元1020的輸出端、即第二電感器L22的第二端。圖11a至圖11b是示出圖10中所示的DC-DC變換器1000的工作模式的示意圖。如圖11a所示，當(dāng)開關(guān)S1被接通時，第一連接控制器件VD’01和第三連接控制器件VD’03導(dǎo)通，第二連接控制器件VD’02截止，電源電壓Ui對兩個升壓單元1010和1020中的電感元件和電容元件充電，此時，兩個升壓單元1010和1020在電路中并聯(lián)連接。與圖7a類似地，在升壓單元1010和1020的每個中，第一單向?qū)ㄆ骷D11及VD21、第二單向?qū)ㄆ骷D12及VD22和第四單向?qū)ㄆ骷D14及VD24導(dǎo)通，第三單向?qū)ㄆ骷D13及VD23和主二極管VD5截止，直流輸入電源Ui向電感器L11、L12、L21、L22和升壓電容器C1進(jìn)行充電。此時，在升壓電路1010中，第一電感器L11、第二電感器L12和升壓電容器C1分別并聯(lián)連接于電路中，電感L11和L12兩端電壓均為Ui；并且，在升壓電路1020中，第一電感器L21、第二電感器L22和升壓電容器C2分別并聯(lián)連接于電路中，電感L21和L22兩端電壓也均為Ui。如圖11b所示，當(dāng)開關(guān)S1被關(guān)斷時，第一和第三連接控制器件VD’01、VD’03截止，第二連接控制器件VD’02導(dǎo)通，從而兩個升壓單元1010和1020串聯(lián)連接在電路中。由于電感電流不能瞬間突變的特點(diǎn)，其需要與負(fù)載構(gòu)成放電蓄流回路，結(jié)合二極管元件本身的通斷原理，此時與圖7b類似地，在升壓單元1010和1020的每個中，第一單向?qū)ㄆ骷D11及VD21、第二單向?qū)ㄆ骷D12及VD22和第四單向?qū)ㄆ骷D14及VD24截止，第三單向?qū)ㄆ骷D13及VD23和主二極管VD5導(dǎo)通并分別與第一電感器L11、L21和第二電感器L12、L22構(gòu)成蓄流回路。此時，在升壓單元1010中，第一電感器L11、第二電感器L12和升壓電容器C1串聯(lián)連接于電路中并共同作用；并且，在升壓電路1020中，第一電感器L21、第二電感器L22和升壓電容器C2串聯(lián)連接于電路中并共同作用。進(jìn)一步，根據(jù)電感的伏秒平衡原理，可得該電路的電壓增益為Uo/Ui＝2(1+D)/(1-D)。所以，與圖6中所示的DC-DC變換器600相比，根據(jù)本實(shí)施例的DC-DC變換器1000進(jìn)一步提高了電壓增益。圖12a至圖12d是示出圖10中的DC-DC變換器1000的主二極管VD5兩端電壓、第一電感器L11或L21兩端電流、升壓電容器C1或C2兩端電壓及輸出電壓Uo的波形的仿真示意圖。圖13是示出根據(jù)本公開再一實(shí)施例的DC-DC變換器1300的結(jié)構(gòu)的示意性電路圖。如圖13中所示，該DC-DC變換器1300包括n個升壓單元1310至13n0，n為大于等于2的自然數(shù)，并且升壓單元1310至13n0中的每個的具體結(jié)構(gòu)與圖6中所示的升壓單元610的具體結(jié)構(gòu)相同，這里不再贅述。此外，如圖所示，與圖10中的DC-DC變換器1000類似地，升壓單元1310至13n0級聯(lián)，并且該DC-DC變換器1300還包括：連接控制單元，連接在每兩級升壓單元之間，被配置為在充電期間將本級升壓單元與前一級升壓單元并聯(lián)，且在放電期間將本級升壓單元與前一級升壓單元串聯(lián)。圖13中的連接控制單元的結(jié)構(gòu)與圖10中所示的連接控制單元1030的結(jié)構(gòu)和配置相同，這里不再贅述。如圖13中所示，第一連接控制器件VD’(n-1)1的陽極連接到前一級升壓單元的輸入端，陰極連接到下一級升壓單元的輸入端；第二連接控制器件VD’(n-1)2的陽極連接到前一級升壓單元的輸出端，陰極連接到第一連接控制器件的陰極；以及第三連接控制器件VD’(n-1)3的陽極連接到前一級升壓單元的輸出端，陰極連接到下一級升壓單元的輸出端。當(dāng)開關(guān)S1接通時，升壓單元1310至13n0并聯(lián)連接，并且當(dāng)開關(guān)S1關(guān)斷時，升壓單元1310至13n0串聯(lián)連接。此外，開關(guān)S1接通時，各個升壓單元中的電感器與電容器并聯(lián)于電路中；當(dāng)開關(guān)S1關(guān)斷時，各個升壓單元中的電感器和電容器串聯(lián)于電路中。根據(jù)電路中電感的伏秒平衡作用原理可得，該電路的電壓增益為Uo/Ui＝n(1+D)/(1-D)，其中，D是控制開關(guān)S的信號的占空比。利用根據(jù)本公開實(shí)施例的DC-DC變換器1300，電壓增益可以隨升壓單元的數(shù)目增加而增大，而不再嚴(yán)格地受到電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制。也就是說，根據(jù)本公開實(shí)施例的DC-DC變換器的電壓增益與升壓單元的數(shù)目n成正比例。圖14是示出電壓增益隨占空比D和級聯(lián)的升壓單元的數(shù)目n而變化的曲線。根據(jù)本實(shí)施例，DC-DC變換器包括的升壓單元的數(shù)目為兩個或更多個，從而可以進(jìn)一步提高電壓增益。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要而靈活選擇升壓單元的數(shù)目n，以實(shí)現(xiàn)所期望的電壓增益，這增加了電路設(shè)計(jì)的靈活度。根據(jù)本公開實(shí)施例的DC-DC變換器中所包括的各元件的具體值例如可以如表1所示。表1電感值L1mH電容值C1～Cn100uF電容值C04.47uF二極管耐壓值Ui+Uo根據(jù)本公開再一個實(shí)施例，提供一種電池備份系統(tǒng)，包括如上所述的任一個DC-DC變換器。根據(jù)本公開再一個實(shí)施例，提供一種電動汽車，包括如上所述的任一個DC-DC變換器。應(yīng)當(dāng)注意的是，為了清楚和簡明，在附圖中僅示出了與本實(shí)用新型實(shí)施例相關(guān)的部分，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，附圖中所示出的設(shè)備或器件可以包括其他必要的單元。以上所述，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁1 2 3