一种带有耦合电感的三电平Cuk变换器
阅读：262发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种带有耦合电感的三电平Cuk变换器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型属于DC-DC变换设备技术领域，涉及一种带有耦合电感的三电平 Cuk变换器 ，使用耦合电感代替原有的储能电感，第一绕组、第二绕组和第三绕组 匝 数比为1:n:n，这样不但提高升压能 力 ，而且结束 电路 单一改变占空比来改变输入 输出 电压 增益的情况，避免极限占空比情况的出现，而且采用的三电平结构，降低了 开关 管的电压 应力 ，减小了 电磁干扰 ，增加了电路工作的可靠性，其电路整体结构设计合理，电学原理可靠，使用安全，环境友好，操作简单，功率 密度 高，具有较大的应用潜力。，下面是一种带有耦合电感的三电平Cuk变换器专利的具体信息内容。
1.一种带有耦合电感的三电平Cuk变换器，其特征在于主体结构包括直流电源、第一开关管、第一开关管、第一绕组、第二绕组、第一绕组、输出电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容器、第二电容器、第三电容器和负载电阻，第一开关管的源极与第二开关管的漏极串联组成切换模块，第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一二极管和第二二极管组成耦合电感模块，第一绕组、第二绕组和第三绕组的匝数比为1:n:n，且互相耦合；直流电源的正极与第一绕组的同名端相连，第一绕组的另一端与第一开关管的漏极连接，第一电容的一端与第一开关管的漏极连接，另一端与第二绕组的同名端连接，输出电感的一端同时连接在第二绕组的同名端连接上；第二绕组的另一端与第一二极管的正极串联后与第三二极管并联，第三二极管负极与第一二极管的负极相连，同时第一二极管的负极与第三绕组的同名端连接，第三绕组的另一端与第二二极管的正极串联后与第四二极管并联，第四二极管的负极与第二二极管的负极相连，第二二极管的负极与第二电容的一端相连，第二电容的另一端与直流电源的负极相连；第一开关管的源极与第一二极管的负极相连，第二开关管的源极与第二电容的另一端相连；输出部分包括输出电感、输出第三电容与负载，负载与第三电容并联，第三电容的一端与输出电感相连，另一端与第四二极管的负极相连。
一种带有耦合电感的三电平Cuk变换器
技术领域：
[0001] 本实用新型属于DC-DC变换设备技术领域，涉及一种带有耦合电感的三电平 Cuk变换器。背景技术：
[0002] 目前DC-DC变换器由于其输出电压稳定且成本较低，被广泛应用于电能变换、仪表检测、军事等领域。传统DC-DC变换器(如Cuk电路)受自身结构限制，只能通过改变开关管的导通占空比来改变其输入输出电压增益，当输入输出电压增益较大时，开关管导通就会出现极限占空比的情况，即占空比接近1，此时开关管的电压应力也会过高，加大了开关管上的损耗，产生了严重的电磁干扰，其工作效率也明显下降，也大大降低了电路工作的可靠性。上述问题均对变换器的工作质量产生了较大的影响，其应用范围被限制。因此，迫切需要设计一种新型结构的DC-DC变换器。实用新型内容：
[0004] 为了实现上述目的，本实用新型的主体结构包括直流电源、第一开关管、第一开关管、第一绕组、第二绕组、第一绕组、输出电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容器、第二电容器、第三电容器和负载电阻，第一开关管的源极与第二开关管的漏极串联组成切换模块，第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一二极管和第二二极管组成耦合电感模块，第一绕组、第二绕组和第三绕组的匝数比为1:n:n，且互相耦合；直流电源的正极与第一绕组的同名端相连，第一绕组的另一端与第一开关管的漏极连接，第一电容的一端与第一开关管的漏极连接，另一端与第二绕组的同名端连接，输出电感的一端同时连接在第二绕组的同名端连接上；第二绕组的另一端与第一二极管的正极串联后与第三二极管并联，第三二极管负极与第一二极管的负极相连，同时第一二极管的负极与第三绕组的同名端连接，第三绕组的另一端与第二二极管的正极串联后与第四二极管并联，第四二极管的负极与第二二极管的负极相连，第二二极管的负极与第二电容的一端相连，第二电容的另一端与直流电源的负极相连；第一开关管的源极与第一二极管的负极相连，第二开关管的源极与第二电容的另一端相连；输出部分包括输出电感、输出第三电容与负载，负载与第三电容并联，第三电容的一端与输出电感相连，另一端与第四二极管的负极相连，当第一开关管与第二开关管均导通时，输出电感储能。
[0005] 本发实用新型所述切换模块通过开关管的导通或截止的状态切换，控制直流电源向耦合电感模块提供或停止提供能量，并通过改变占空比或者耦合绕组的匝数比，实现输入输出电压增益的变化；耦合电感模块具有相互耦合的绕组，通过改变所述耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升降压变换。
[0006] 本实用新型所述第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管为快恢复二极管，快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片，因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管应用在本实用新型中可以实现反向恢复时间短，正向压降低，反向耐压值高的效果。
[0007] 本实用新型所述切换模块的导通或截止采用单极性PWM控制方式，PWM 控制方式有单极性模式和双极性模式，与单极性模式相比，双极性PWM模式控制电路和主电路比较简单，但是单极性PWM模式要比双极性PWM模式输出电压中、高次谐波分量小得多，本实用新型采用单极性的PWM控制方法实现切换模块的导通或截止，能够提高切换模块的工作效率，减小开关损耗。
[0008] 本实用新型的工作原理为：当第一开关管与第二开关管均导通时，第一二极管和第二二极管均截止，第一电容和第二电容为输出电感和负载供电，耦合电感第一绕组储存能量，第二绕组该阶段为整个电路工作的主要储能阶段；当第一开关管导通，第二开关管关断时，第二二极管导通，第三绕组、输出电感与第一电容均释放能量用于给负载供电；当第一开关管关断，第二开关管导通时，第一二极管导通，第二绕组、输出电感与第二电容释放能量用于给负载供电。
[0009] 本实用新型为解决开关管电压应力高的问题，将传统Cuk变换器中的一个开关管用两个串联的开关管代替，分别为第一开关管和第二开关管，开关管关断时，承受的电压应力一部分来源于电容，在这里将传统Cuk变换器中电容分成两个容量相等的电容，分别为第一电容和第二电容，同样，将二极管替换为两个串联的二极管，分别为第一二极管和第二二极管；为提升其升压能力，在第一二极管和第二二极管上分别串联上耦合电感的第二绕组和第三绕组；同时，为减小第一开关管与第二开关管关断时产生的电压尖峰，加入两个分流二极管：第三二极管与第四二极管，其中第三二极管并联在第二绕组与第一二极管串联的电路上，第四二极管并联在第三绕组与第二二极管串联的电路上。
[0010] 本实用新型加入耦合电感模块以后，增加了耦合绕组间的匝数比这一调节量，通过调节匝数比也可实现最大效率的宽范围电压值输出，由此实现了占空比和匝数比的双自由度调节，避免了极限占空比的出现，与现有的升降压DC-DC 变换器相比较，降低了相关器件的电流和电压应力，提高了变换器的转换效率。
[0011] 本实用新型与传统的Cuk变换器相比，使用耦合电感代替原有的储能电感，第一绕组、第二绕组和第三绕组匝数比为1:n:n，这样不但提高了升压能力，而且结束电路单一改变占空比来改变输入输出电压增益的情况，避免了极限占空比情况的出现。采用的三电平结构，降低了开关管的电压应力，减小了电磁干扰，增加了电路工作的可靠性，其电路整体结构设计合理，电学原理可靠，使用安全，环境友好，操作简单，功率密度高，具有较大的应用潜力。附图说明
[0012] 图1为本实用新型的主体电路结构与工作原理示意图。
[0013] 图2为本实用新型的第一开关管、第二开关管导通的工作状态示意图。
[0014] 图3为本实用新型的第一开关管导通，第二开关管关断的工作状态示意图。
[0015] 图4为本实用新型的第一开关管关断，第二开关管导通的工作状态示意图。具体实施方式：
[0016] 下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0017] 实施例：
[0018] 本实用新型的电路原理示意图如图1所示，所述带有耦合电感的三电平Cuk 变换器主体结构包括直流电源Vg、第一开关管S1、第一开关管S2、第一绕组L1、第二绕组L2、第一绕组L3、输出电感L0、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和负载电阻R，第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极串联组成切换模块，第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一二极管和第二二极管组成耦合电感模块，第一绕组L1、第二绕组L2和第三绕组L3的匝数比为1:n:n，且互相耦合；直流电源Vg的正极与第一绕组L1的同名端相连，第一绕组L1的另一端与第一开关管S1的漏极连接，第一电容C1的一端与第一开关管S1的漏极连接，另一端与第二绕组L2的同名端连接，输出电感L0的一端同时连接在第二绕组的同名端连接上；第二绕组L2的另一端与第一二极管D1的正极串联后与第三二极管D3并联，第三二极管D3负极与第一二极管D1的负极相连，同时第一二极管D1的负极与第三绕组L3的同名端连接，第三绕组L3的另一端与第二二极管D2的正极串联后与第四二极管D4并联，第四二极管D4的负极与第二二极管D2的负极相连，第二二极管D2的负极与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与直流电源Vg的负极相连；第一开关管S1的源极与第一二极管D1的负极相连，第二开关管D2的源极与第二电容C2的另一端相连；输出部分包括输出电感L0、输出第三电容C3与负载R，负载R与第三电容C3并联，第三电容C3的一端与输出电感L0相连，另一端与第四二极管D4的负极相连，当第一开关管S1与第二开关管S2均导通时，输出电感储能。
[0019] 本实施例所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管 D4为快恢复二极管，快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于 PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片，因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管应用在本实用新型中可以实现反向恢复时间短，正向压降低，反向耐压值高的效果。
[0020] 本实施例所述切换模块的导通或截止采用单极性PWM控制方式，PWM控制方式有单极性模式和双极性模式，与单极性模式相比，双极性PWM模式控制电路和主电路比较简单，但是单极性PWM模式要比双极性PWM模式输出电压中、高次谐波分量小得多，本实用新型采用单极性的PWM控制方法实现切换模块的导通或截止，能够提高切换模块的工作效率，减小开关损耗。
[0021] 本实施例的工作状态如图2-4所示，在一个工作周期内，一共有三种工作状态，图2为第一开关管S1、第二开关管S2均导通时的工作状态示意图，图3为第一开关管S1导通、第二开关管S2关断时的工作状态示意图，图4为第一开关管S1关断，第二开关管S2导通时的工作状态示意图：
[0022] 如图2所示，开关管S1、S2导通，第三二极管D3、第四二极管D4反向截止，输出电感L0储存能量，第二电感L2放电，第一电容C1、第二电容C2放电，释放的能量用于给输出电感L0充电以及负载R的供电，该阶段为电路整个工作状态的储能状态，给线圈储存能量，用于之后释放能量状态的准备；
[0023] 图3所示为第一开关管S1导通、第二开关管S2关断的工作状态，第二开关管S2刚刚关断时，由于第一绕组L1的漏感L1k的迅速放电使得第二开关管S2的漏极和源极之间产生一个电压尖峰，此时，第四二极管D4导通，使得此尖峰大大减小，减小了第二开关管S2的电压应力。
[0024] 本实施例在具体工作过程中具有三个工作模式：
[0025] 模式一：第一开关管S1、第二开关管S2均导通，直流电源Vg通过开关管 S1、第二开关管S2回路给第一绕组L1充电，其能量磁耦合传递至耦合电感模块中；第一电容C1、第二电容C2放电，通过第一开关管S1、第二开关管S2给输出电感L0充电以及负载R供电，满足[0026] 模式二：第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，在第二开关管S2刚关断的时候，第一绕组L1迅速放电，释放能量给与其耦合的第三绕组L3，第一二极管D1反向截止，第四二极管D4导通，第三绕组L3释放能量和直流电源Vg一起给第二电容C2充电，第二二极管D2导通，满足： 另一回路中，第一电容C1、输出电感L0以及第三绕组L3均放电，用于给负载R供电，此回路满足：
[0027] 模式三：第二开关管S2导通，第一开关管S1关断，在第一开关管S1刚关断的时候，第一绕组L1迅速放电并释放能量给与其耦合的第二绕组L2，第二二极管D2反向截止，第二绕组L2释放能量与直流电源Vg一起给第一电容C1充电，第一二极管D1导通，满足：另一回路中，第二电容C2、输出电感L0以及第二绕组L2均放电，用于给
负载R供电，此回路满足：
负载R供电，此回路满足：
[0028] 电路工作流程为模式一、模式二、模式一、模式三，利用耦合电感中第一绕组L1以及输出电感L0的电感伏秒平衡法则，得到输出电压的表达式为：
[0029] Vo＝(2nD-n+D)Vg/(1-D)＝BVg
[0030] 其中，B为该变换器的电压增益，
[0031] 当输出电压要求转换为输入电压的10倍时，若按照现有基础拓扑的输出电压表达式：Vo＝DVg/(1-D)要达到输出电压的要求，其占空比值为0.91，此时开关管已处于极限状态，影响工作效率，并对相关器件会产生较大的损害；
[0032] 当按照本实施例提出的变换器增益表达式时：
[0033] Vo＝(2nD-n+D)Vg/(1-D)
[0034] 当耦合绕组间的匝数比n＝7时，其占空比D＝0.68就可达到输出要求，因此，本实施例较原有基础拓扑而言，即可实现宽范围电压的输出，同时避免极限占空比出现的情况，还有效提高了拓扑的工作效率，减小了开关管的电压应力，并减小对各器件的损耗。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种两级联变换器控制电路和直流通信电源 | 2020-05-13 | 30 |
| 一种带抽头电感的双向高增益Cuk电路 | 2020-05-22 | 46 |
| 模块化双CUK升降压输出反并联组合型逆变器 | 2020-05-23 | 555 |
| 变换器开关电流解耦电路 | 2020-05-14 | 77 |
| 一种带功率因数校正的电机驱动系统 | 2020-05-08 | 231 |
| 一种变换器装置及其控制方法 | 2020-05-12 | 895 |
| 一种AC-DC变换系统 | 2020-05-12 | 265 |
| 能源供应系统及能源管理的方法 | 2020-05-16 | 98 |
| 一种基于开关电容的直流变换器 | 2020-05-19 | 411 |
| 电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器及其交错并联形式 | 2020-05-14 | 519 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
Cuk变换器热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈