本實(shí)用新型屬于DC-DC變換設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有開關(guān)-耦合電感的升降壓DC-DC變換器。

背景技術(shù)：

目前，DC-DC變換器由于結(jié)構(gòu)簡單、成本較低而被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通訊、辦公自動(dòng)化、工業(yè)儀器儀表、軍事、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，但傳統(tǒng)DC-DC升壓變換器（如Sepic電路）受限于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓在輸入電壓不變的基礎(chǔ)上只能通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通占空比來發(fā)生變化，當(dāng)輸入輸出電壓相差等級(jí)較大時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通占空比就會(huì)無線趨近于1從而出現(xiàn)極限占空比的情況，使其在寬范圍升降壓的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中開關(guān)管電壓應(yīng)力過高，加大了電路損耗并產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，其工作效率明顯下降，也大大降低了電路工作的可靠性。上述問題均對(duì)變換器的工作質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響，且限制其應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為了解決上述問題，提出了一種帶有開關(guān)-耦合電感的升降壓DC-DC變換器，應(yīng)用于DC-DC升降壓變換場(chǎng)合，能夠克服傳統(tǒng)升降壓變換器工作效率低、升降壓能力不足的缺點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下方案：

一種帶有開關(guān)-耦合的升降壓DC-DC變換器，包括直流電源、開關(guān)電感模塊、耦合電感模塊和切換模塊，切換模塊通過導(dǎo)通或截止的切換，控制直流電源向所述開關(guān)電感模塊和耦合電感模塊提供或停止提供能量；所述開關(guān)電感模塊和耦合電感模塊均具有相互耦合的繞組，通過改變所述耦合繞組的匝數(shù)比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓對(duì)所述直流電源電壓的升降壓變換。

進(jìn)一步的，所述開關(guān)電感模塊包括：與所述直流電源正極連接的第一二極管和第二繞組，第一二極管的負(fù)極分別與第二二極管的負(fù)極、第一繞組的一端相連；第二繞組的另一端分別與第二二極管的正極、第三二極管的正極相連。其有益效果是實(shí)現(xiàn)了電感器串聯(lián)與并聯(lián)連接之間的轉(zhuǎn)換，在有效避免電路工作在極限占空比的情況下提高輸出電壓增益。

進(jìn)一步的，所述切換模塊包括一功率開關(guān)管，功率開關(guān)管的漏極分別與第一繞組的另一端、第三二極管的負(fù)極相連，直流電源的負(fù)極與功率開關(guān)管的源極相連。

進(jìn)一步的，所述耦合電感模塊包括開關(guān)電感模塊、第四二級(jí)管和第三繞組；第四二極管的正極分別連接有一儲(chǔ)能電感和第一電容，第一電容的正極與所述第一繞組的另一端、第三二極管的負(fù)極相連，第一電容的負(fù)極與所述儲(chǔ)能電感的一端相連，儲(chǔ)能電感的另一端與直流電源的負(fù)極相連；第三繞組的一端與第四二級(jí)管的負(fù)極相連；第一繞組、第二繞組和第三繞組相互耦合，且匝數(shù)比為1：1：n。其有益效果是通過耦合電感的變壓器磁效應(yīng)進(jìn)行耦合繞組升壓，既避免了變換器出現(xiàn)極限占空比情況，還可以減小開關(guān)管導(dǎo)通和開關(guān)損耗；功率開關(guān)管，用于改變變換器的工作狀態(tài)；

進(jìn)一步的，還包括一第二電容，第二電容的正極與負(fù)極分別和第三繞組的另一端、直流電源的負(fù)極相連；且第二電容的兩端連接負(fù)載。第二電容用于濾波，在該變換器中，當(dāng)功率開關(guān)管打開時(shí)，儲(chǔ)能電感充電，輸出電流由第二電容提供，因此采用第二電容可以抑制紋波電流，選定的第二電容能夠提供最大的有效電流。

進(jìn)一步的，所述第一二極管、第二二極管、第三二極管和第四二極管為快恢復(fù)二極管?？旎謴?fù)二極管是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管應(yīng)用在本實(shí)用新型中可以實(shí)現(xiàn)反向恢復(fù)時(shí)間短，正向壓降低，反向耐壓值高的效果。

進(jìn)一步的，所述切換模塊的導(dǎo)通或截止采用單極性PWM控制方式。PWM控制方式有單極性模式和雙極性模式，與單極性模式相比，雙極性PWM模式控制電路和主電路比較簡單，但是單極性PWM模式要比雙極性PWM模式輸出電壓中、高次諧波分量小得多，本實(shí)用新型采用單極性的PWM控制方法實(shí)現(xiàn)切換模塊的導(dǎo)通或截止，能夠提高切換模塊的工作效率，減小開關(guān)損耗。

當(dāng)功率開關(guān)管開始導(dǎo)通時(shí)，第一二極管和第三二極管均導(dǎo)通；第二二極管截止，第二電容為負(fù)載供電。當(dāng)功率開關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通時(shí)，第一二極管和第三二極管均導(dǎo)通；第二二極管和第四二極管均截止；直流電源為第一繞組和第二繞組供電，第一電容為所述儲(chǔ)能電感供電, 第二電容為負(fù)載供電。當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，第一二極管和第三二極管均截止；第二二極管和第四二極管均導(dǎo)通，第一繞組和第二繞組通過正向?qū)ǖ牡诙O管釋放能量，第一電容儲(chǔ)存能量，第三繞組和儲(chǔ)能電感釋放能量，直流電源與第一繞組、第二繞組、第三繞組以及第一電容共同為負(fù)載和第二電容提供能量。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型與現(xiàn)有的DC-DC升降壓變換器相比，通過由第一繞組、第二繞組、第一二極管、第二二極管和第三二極管組成的開關(guān)電感模塊替代原有Sepic電路中的儲(chǔ)能電感，并且增加了耦合第三繞組，第一繞組、第二繞組和第三繞組相互耦合，且匝數(shù)比為1：1：n，這樣就對(duì)變換器形成開關(guān)管的導(dǎo)通占空比和耦合電感匝數(shù)比的雙自由度調(diào)節(jié)，避免了極限占空比情況的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了在較小占空比的情況下寬范圍電壓輸出的功能，降低了開關(guān)管電壓應(yīng)力，減小了電磁干擾，增加了電路工作的可靠性。其電路整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，電學(xué)原理可靠，使用安全，環(huán)境友好，操作簡單，功率密度高，具有較大的應(yīng)用潛力。

本實(shí)用新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入了開關(guān)電感和耦合電感模塊以后，增加了耦合繞組間的匝數(shù)比這一調(diào)節(jié)量，通過調(diào)節(jié)匝數(shù)比也可實(shí)現(xiàn)最大效率的寬范圍電壓值輸出，由此實(shí)現(xiàn)了占空比和匝數(shù)比的雙自由度調(diào)節(jié)，避免了極限占空比的出現(xiàn)。此外，本實(shí)用新型中的電感模塊，與現(xiàn)有的升降壓DC-DC變換器相比較，降低了相關(guān)器件的電流和電壓應(yīng)力，提高了變換器的轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的主體電路結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的功率開關(guān)管開始導(dǎo)通的工作狀態(tài)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型的功率開關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通的工作狀態(tài)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型的功率開關(guān)管關(guān)斷的工作狀態(tài)示意圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

本實(shí)用新型的電路原理示意圖如圖1所示，一種帶有開關(guān)-耦合電感的升降壓DC-DC變換器由直流電源Vg、開關(guān)電感模塊、耦合電感模塊、功率開關(guān)管S、電感器L、電容器C1、C2和負(fù)載電阻RL組成。

其中，開關(guān)電感模塊包括第一繞組L1、第二繞組L2、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3；耦合電感模塊則由開關(guān)電感模塊與第四二極管D4、第三繞組L3共同組成。并且，第一繞組L1、第二繞組L2和第三繞組L3的匝數(shù)比為1：1：n，且它們互相耦合。第一二極管D1的正極與直流電源Vg的正極和開關(guān)電感模塊中的第二繞組L2的左端相連，第一二極管D1的負(fù)極與開關(guān)電感模塊中的第一繞組L1左端和第二二極管D2負(fù)極相連，第二二極管D2的正極則與開關(guān)電感模塊中的第二繞組L2的右端和第三二極管D3的正極相連，第三二極管D3的負(fù)極與第一繞組L1的右端、功率開關(guān)管S的漏極及第一電容器C1的正極相連，開關(guān)電感模塊中的第二繞組L2的右端與直流電源Vg的正極相連，而直流電源Vg的負(fù)極則與功率開關(guān)管S的源極、儲(chǔ)能電感的下端、第二電容器C2的負(fù)極相連，第一電容器C1的負(fù)極與儲(chǔ)能電感的上端和第四二極管D4的正極相連，第四二極管D4的負(fù)極連接到耦合電感模塊中第三繞組L3的左端，第三繞組L3的右端連接到第二電容器C2的正極，電感模塊中第一繞組L1、第二繞組L2和第三繞組L3的左端互為同名端，負(fù)載電阻RL的兩端分別與第二電容器C2的正負(fù)極相連，功率開關(guān)管S接受外部設(shè)備提供的開關(guān)信號(hào)。

第一二極管、第二二極管、第三二極管和第四二極管為快恢復(fù)二極管?？旎謴?fù)二極管是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管應(yīng)用在本實(shí)用新型中可以實(shí)現(xiàn)反向恢復(fù)時(shí)間短，正向壓降低，反向耐壓值高的效果。

該開關(guān)信號(hào)可以采用PWM控制方法生成，包括雙極性PWM控制方法和單極性控制方法。與單極性模式相比，雙極性PWM模式控制電路和主電路比較簡單，但是單極性PWM模式要比雙極性PWM模式輸出電壓中、高次諧波分量小得多，本實(shí)用新型采用單極性的PWM控制方法實(shí)現(xiàn)切換模塊的導(dǎo)通或截止，能夠提高切換模塊的工作效率，減小開關(guān)損耗。

本實(shí)用新型的工作狀態(tài)示意圖如圖2所示。在一個(gè)工作周期內(nèi)，一共有三種工作狀態(tài)，圖2、和圖3為開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)的工作狀態(tài)示意圖，圖4為開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)的工作狀態(tài)示意圖。其中，圖2表示開關(guān)管S剛開始導(dǎo)通時(shí)的工作狀態(tài)，圖3表示開關(guān)管S持續(xù)導(dǎo)通時(shí)的工作狀態(tài)。

如圖2所示，當(dāng)開關(guān)管S剛開始導(dǎo)通時(shí)，由于漏感L3k的存在，第四二極管D4導(dǎo)通續(xù)流，勵(lì)磁電流緩慢增加，第二電容C2充電，第一二極管D1和第三二極管D3正向?qū)?，第二二極管D2反向截止。隨著漏感能量的減少，第二電容C2電流反向?yàn)樨?fù)載RL供電，流過第四二極管D4的電流緩慢減小。

開關(guān)管S持續(xù)導(dǎo)通時(shí)的工作狀態(tài)示意圖如圖3所示，第四二極管D4反向截止，電源Vg為第一繞組L1和第二繞組L2供電，第一電容器C1給儲(chǔ)能電感供電,第二電容器C2為負(fù)載RL供電。

圖4所示為開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)的工作狀態(tài)，在開關(guān)管S剛關(guān)斷時(shí)，由于漏感L1k和漏感L2k的存在，開關(guān)管S的漏極和源極間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓尖峰，第一二極管D1和第三二極管D3不會(huì)立即反向截止，第一電容器C1也不會(huì)馬上停止為儲(chǔ)能電感供電,而會(huì)隨著漏感L1k和漏感L2k的減小，流經(jīng)第一二極管D1和第三二極管D3上的電流會(huì)逐漸減小至零，第一電容器C1也會(huì)逐漸停止放電。此時(shí)，第一二極管D1和第三二極管D3反向截止，第二二極管D2和第四二極管D4正向?qū)ǎ娫碫g、第一繞組L1、第二繞組L2和第三繞組L3以及儲(chǔ)能電感一起為負(fù)載RL供電，第一電容器C1和第二電容器C2存儲(chǔ)能量。

針對(duì)本實(shí)用新型，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在具體工作過程中具有兩個(gè)工作模式：模式一即功率開關(guān)管S導(dǎo)通，開關(guān)電感模塊中的第一繞組L1、第二繞組L2并聯(lián)勵(lì)磁并儲(chǔ)存能量，該模式下的幾條回路分別為直流電源Vg經(jīng)二極管D1、D3分別給開關(guān)電感中第一繞組L1、第二繞組L2儲(chǔ)存能量，其能量經(jīng)磁耦合傳遞至耦合電感模塊中的第三繞組L3，第一電容器C1向電感L0供能，第二電容器C2為負(fù)載RL供給能量，二極管D1、D3正向?qū)ǎ珼2、D4反向截止，滿足VL1=VL2=Vg、VL3=nV1、VL0=VC1、Vo=VC2；

模式二則為功率開關(guān)管S關(guān)斷的情況，即二極管D1、D3反向關(guān)斷，第一繞組L1、第二繞組L2通過正向?qū)ǖ腄2串聯(lián)釋放能量，第一電容器C1儲(chǔ)存能量，D4正向?qū)?，L3與L0釋放能量，其中直流電源Vg與第一繞組L1、第二繞組L2、第一電容器C1以及第三繞組L3一起為負(fù)載RL提供能量，并為第二電容器C2充電，滿足VC2=Vg+VL1+VL2+ VC1+VL3；另一個(gè)回路為有電感L0與第三繞組L3一起給第二電容器C2和負(fù)載RL供電，滿足VC0=VL0+VL3。利用開關(guān)電感中第一繞組L1、第二繞組L2的電感伏秒平衡法則，得到輸出電壓的表達(dá)式為：

Vo = D (n+D+1)Vg/(1-D)=BVg，

其中，B為該變換器的電壓增益。

實(shí)施例2：

當(dāng)輸出電壓要求轉(zhuǎn)換為為輸入電壓的10倍時(shí)，若按照現(xiàn)有基礎(chǔ)拓?fù)涞妮敵鲭妷罕磉_(dá)式：Vo = DVg/(1-D)，

要達(dá)到輸出電壓的要求，其占空比值為0.91，此時(shí)開關(guān)管已處于極限狀態(tài)，影響工作效率，并對(duì)相關(guān)器件會(huì)產(chǎn)生較大的損害；

當(dāng)按照本實(shí)用新型提出的變換器增益表達(dá)式時(shí)：

Vo = D (n+D+1)Vg/(1-D)

當(dāng)耦合繞組間的匝數(shù)比n=6時(shí)，其占空比D=0.57就可達(dá)到輸出要求。因此，本實(shí)用新型較原有基礎(chǔ)拓?fù)涠?，即可?shí)現(xiàn)寬范圍電壓的輸出，同時(shí)避免極限占空比出現(xiàn)的情況，還有效提高了拓?fù)涞墓ぷ餍?，并減小對(duì)各器件的損耗。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。