一種帶開(kāi)關(guān)電感的耦合電感boost升壓變換裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本實(shí)用新型屬于直流與直流變換設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型高升壓增益直流-直流變換器，特別是一種帶開(kāi)關(guān)電感的耦合電感boost升壓變換裝置。
【背景技術(shù)】
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[0002]直流-直流變換器是將直流電先逆變(升壓或降壓)成交流電，然后再整流變換成另一種直流電壓的直流變換裝置，常用的直流-直流變換設(shè)備一般是由直流-直流變換模塊、監(jiān)控模塊以及與之配套的用戶接口板和直流配電單元等組成的一個(gè)完整的電源系統(tǒng)。目前，直流-直流變換器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高而作為一種基本變換器廣泛應(yīng)用于工業(yè)儀器儀表、辦公自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、軍事、航天等領(lǐng)域，而傳統(tǒng)的DC-DC升壓變換器(如Boost電路)因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局限性，使其在實(shí)際高升壓增益場(chǎng)合中，導(dǎo)產(chǎn)生極限占空比的情況，電路工作效率明顯降低，極限占空比易導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力過(guò)高，加大電路損耗并產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾，降低電路工作的可靠性，這些問(wèn)題大大影響了變換器的工作質(zhì)量，并限制其應(yīng)用范圍，例如，中國(guó)專利201520281880.4公開(kāi)的共地的高增益Z源升壓變換器，中國(guó)專利201510309544.0公開(kāi)的直流-直流升壓系統(tǒng)，中國(guó)專利201510035347.4公開(kāi)的DC-DC轉(zhuǎn)換器等等。因此，迫切需要尋求一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度高，具有高效、高升壓范圍的DC-DC升壓變換裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本實(shí)用新型的發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)一種帶開(kāi)關(guān)電感的耦合電感boost升壓變換器，用于DC-DC升壓變換場(chǎng)合，克服傳統(tǒng)升壓變換器升壓能力不足的缺點(diǎn)，在較小占空比下，得到較高的電壓增益，實(shí)現(xiàn)較高的功率密度，同時(shí)降低系統(tǒng)成本和故障率。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的主體結(jié)構(gòu)包括直流電源、第一繞組、第二繞組、第三繞組、第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、功率開(kāi)關(guān)管、電容器和負(fù)載電阻，第一繞組、第二繞組、第一二極管、第二二極管和第三二極管組成開(kāi)關(guān)電感升壓模塊，開(kāi)關(guān)電感升壓模塊與第四二極管、第三繞組共同組成耦合電感升壓模塊，第一繞組、第二繞組與第三繞組的匝數(shù)比為1:1 m，η值的大小由升壓倍數(shù)確定，第一繞組、第二繞組與第三繞組互為同名端，第一二極管的正極與直流電源的正極相連，第一二極管的負(fù)極與第一繞組的輸入端相連，第二繞組分別與直流電源的正極和第三二極管的正極相連，第三二極管的負(fù)極分別與第一繞組的輸出端、功率開(kāi)關(guān)管的漏極和第三繞組的輸入端相連，功率開(kāi)關(guān)管的源極與直流電源的負(fù)極相連；第二二極管的負(fù)極與第一二極管的負(fù)極相連，正極與第三二極管的正極相連，第三繞組的輸出端與第四二極管的正極相連，第四二極管的負(fù)極與電容器的正極相連，電容器的負(fù)極與直流電源的負(fù)極相連，負(fù)載電阻的兩端分別與電容器的正極和負(fù)極相連，功率開(kāi)關(guān)管接受外部設(shè)備提供的開(kāi)關(guān)信號(hào)。
[0005]本實(shí)用新型的工作原理為:利用由第一繞組、第二繞組、第一二極管、第二二極管和第三二極管組成的開(kāi)關(guān)電感升壓模塊代替耦合boost電路中耦合電感的初級(jí)側(cè)，通過(guò)反向箝位第一二極管、第二二極管和第三二極管實(shí)現(xiàn)第一繞組和第二繞組的串并聯(lián)，并與第四二極管、第三繞組共同組成耦合電感升壓模塊，實(shí)現(xiàn)高電壓增益輸出；該升壓變換裝置有兩種工作模式，第一種工作模式為功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通且第一繞組和第二繞組并聯(lián)儲(chǔ)存能量的能量轉(zhuǎn)換模式，在該模式下直流電源經(jīng)第一二極管、第三二極管分別給第一繞組、第二繞組儲(chǔ)存能量，經(jīng)磁耦合后將能量傳遞至第三繞組儲(chǔ)存能量，第一二極管和第三二極管隊(duì)正向?qū)?，第二二極管和第四二極管反向關(guān)斷，電容器為負(fù)載電阻供給能量，滿足Vu= V U =\、Vl3= nV i，其中Vu、N12, \3分別為第一繞組、第二繞組、第三繞組的繞組電壓，η為第三繞組與第一繞組匝比；第二種模式為功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷且第一繞組、第二繞組串聯(lián)釋放能量的能量轉(zhuǎn)換模式，在該模式下功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，第一二極管和第三二極管反向關(guān)斷，使第一繞組、第二繞組的電壓箝位在直流電源，第二二極管和第四二極管正向?qū)?，直流電源與第一繞組、第二繞組以及第三繞組形成回路為負(fù)載電阻提供能量，并為電容器充電，滿足Vc =t+Vu+Vu+Vu，其中Ve為電容器兩端電壓；利用第一繞組、第二繞組的電感伏秒平衡法則，得到輸出電壓V。= (1+D+nD)V1/(1-D) = BV1，其中V。為輸出電壓出為該變換器輸入輸出電壓增益；D為開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比。
[0006]本實(shí)用新型與現(xiàn)有DC-DC升壓變換技術(shù)相比，引入開(kāi)關(guān)電感代替boost電路中的儲(chǔ)能電感，通過(guò)開(kāi)關(guān)電感中的第一繞組和第二繞組串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)使變換器在較小占空比時(shí)實(shí)現(xiàn)高升壓增益，電壓增益能夠通過(guò)耦合電感匝比與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比進(jìn)行雙自由度調(diào)節(jié)，避免電路出現(xiàn)極限占空比的情況，降低開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力，減小電磁干擾，增加電路工作的可靠性；其電路整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，電學(xué)原理可靠，使用安全，環(huán)境友好，操作方便，功率密度高，具有較大的應(yīng)用潛力。
【附圖說(shuō)明】
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[0007]圖1為本實(shí)用新型的主體結(jié)構(gòu)電學(xué)原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0008]下面通過(guò)附圖并結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0009]實(shí)施例:
[0010]本實(shí)施例的電學(xué)原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)包括直流電源V1、第一繞組L1、第二繞組L2、第三繞組L3、第一二極管D1、第二二極管D12、第三二極管D2、第四二極管D3、功率開(kāi)關(guān)管S、電容器C和負(fù)載電阻&，第一繞組L1、第二繞組L2、第一二極管D1、第二二極管D12和第三二極管D 2組成的開(kāi)關(guān)電感升壓模塊，開(kāi)關(guān)電感升壓模塊與第四二極管D 3、第三繞組L3共同組成耦合電感升壓模塊，第一繞組L1、第二繞組L2及第三繞組L3的匝數(shù)比為1:1 m，n值大小由升壓倍數(shù)確定，第一繞組L1、第二繞組L2與第三繞組L3互為同名端，第一二極管D1的正極與直流電源V i的正極相連，第一二極管D i的負(fù)極與第一繞組L i的輸入端相連，第二繞組1^分別與直流電源V i的正極和第三二極管D 2的正極相連，第三二極管D 2的負(fù)極分別與第一繞組1^的輸出端和功率開(kāi)關(guān)管S的漏極、第三繞組L 3的輸入端相連，功率開(kāi)關(guān)管S的源極和直流電源V1的負(fù)極相連；第二二極管D 12的負(fù)極與第一二極管D 負(fù)極相連，正極與第三二極管D2的正極相連，第三繞組L 3的輸出端與第四二極管D 3的正極相連，第四二極管隊(duì)的負(fù)極與電容器C的正極相連，電容器C的負(fù)極和直流電源V i的負(fù)極相連，負(fù)載電阻&的兩端分別與電容器C的正極和負(fù)極相連，功率開(kāi)關(guān)管S接受外部設(shè)備提供的開(kāi)關(guān)信號(hào)。
[0011]本實(shí)施例的工作原理為:利用由第一繞組L1、第二繞組L2、第一二極管D1、第二二極管D12和第三二極管D 2組成的開(kāi)關(guān)電感升壓模塊代替耦合boost電路中耦合電感的初級(jí)側(cè)，通過(guò)反向箝位第一二極管D1、第二二極管D12和第三二極管D 2實(shí)現(xiàn)第一繞組L JP第二繞組1^的串并聯(lián)，并與第四二極管D3、第三繞組L3共同組成耦合電感升壓模塊，實(shí)現(xiàn)高電壓增益輸出。該升壓變換裝置有兩種工作模式，第一種工作模式為功率開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通且第一繞組L1和第二繞組L 2并聯(lián)儲(chǔ)存能量的能量轉(zhuǎn)換模式，在該模式下直流電源V i經(jīng)第一二極管D1、第三二極管隊(duì)分別給第一繞組L 1、第二繞組L2儲(chǔ)存能量，經(jīng)磁耦合后將能量傳遞至第三繞組IJI存能量，第一二極管D i和第三二極管D 2正向?qū)ǎ诙O管D 12和第四二極管D3反向關(guān)斷，電容器C為負(fù)載電阻R J共給能量，滿足Vu = V。= V1A3= IiV1，其中Vu、\2、Vu分別為第一繞組L:、第二繞組L2、第三繞組L3繞組電壓，η為第三繞組與第一繞組匝比；第二種模式為功率開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷且第一繞組1^、第二繞組L2串聯(lián)釋放能量的能量轉(zhuǎn)換模式，在該模式下功率開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，第一二極管D1和第三二極管D 2反向關(guān)斷，使第一繞組L 1、第二繞組L2的電壓箝位在直流電源V i，第二二極管D12和第四二極管D 3正向?qū)?，直流電源V,與第一繞組L1、第二繞組L2以及第三繞組L 3形成回路為負(fù)載R J是供能量，并為電容器C充電，滿足Ve= V i+Vu+\2+Vu，其中％為電容器C兩端電壓；利用第一繞組L:、第二繞組1^的電感伏秒平衡法則，得輸出電壓V。= (1+D+nD) V1/(1-D) = BV1，其中V。為輸出電壓；B為該變換器輸入輸出電壓增益；D為開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通占空比。
[0012]本實(shí)施例所述電感伏秒平衡法則為電力電子領(lǐng)域一個(gè)較為普遍的定理法則，該法則在《精通開(kāi)關(guān)電源》一書(shū)27頁(yè)有詳細(xì)介紹。
[0013]本實(shí)施例涉及的變換器在實(shí)際電路設(shè)備中應(yīng)用效果優(yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)目的要求，完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)到了本實(shí)施例的目的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶開(kāi)關(guān)電感的耦合電感boost升壓變換裝置，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括直流電源、第一繞組、第二繞組、第三繞組、第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、功率開(kāi)關(guān)管、電容器和負(fù)載電阻，第一繞組、第二繞組、第一二極管、第二二極管和第三二極管組成開(kāi)關(guān)電感升壓模塊，開(kāi)關(guān)電感升壓模塊與第四二極管、第三繞組共同組成耦合電感升壓模塊，第一繞組、第二繞組與第三繞組的匝數(shù)比為1:1:η，η值的大小由升壓倍數(shù)確定，第一繞組、第二繞組與第三繞組互為同名端，第一二極管的正極與直流電源的正極相連，第一二極管的負(fù)極與第一繞組的輸入端相連，第二繞組分別與直流電源的正極和第三二極管的正極相連，第三二極管的負(fù)極分別與第一繞組的輸出端、功率開(kāi)關(guān)管的漏極和第三繞組的輸入端相連，功率開(kāi)關(guān)管的源極與直流電源的負(fù)極相連；第二二極管的負(fù)極與第一二極管的負(fù)極相連，正極與第三二極管的正極相連，第三繞組的輸出端與第四二極管的正極相連，第四二極管的負(fù)極與電容器的正極相連，電容器的負(fù)極與直流電源的負(fù)極相連，負(fù)載電阻的兩端分別與電容器的正極和負(fù)極相連。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種帶開(kāi)關(guān)電感的耦合電感boost升壓變換裝置，第一二極管的正極與直流電源的正極相連，負(fù)極與第一繞組的輸入端相連；第二繞組與直流電源的正極和第三二極管的正極相連，第三二極管的負(fù)極與第一繞組的輸出端、功率開(kāi)關(guān)管的漏極和第三繞組的輸入端相連，功率開(kāi)關(guān)管的源極與直流電源的負(fù)極相連；第二二極管的負(fù)極與第一二極管的負(fù)極相連，正極與第三二極管的正極相連，第三繞組的輸出端與第四二極管的正極相連，第四二極管的負(fù)極與電容器的正極相連，電容器的負(fù)極與直流電源的負(fù)極相連，負(fù)載電阻的兩端與電容器的正極和負(fù)極相連，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，原理可靠，使用安全，環(huán)境友好，操作方便，功率密度高。
【IPC分類】H02M1/44, H02M3/07
【公開(kāi)號(hào)】CN204947896
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520743450
【發(fā)明人】丁新平, 苑紅, 楊超, 牟少芳
【申請(qǐng)人】青島理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年9月23日