DC-DC变换器及其工作方法以及充电机与流程

dc-dc变换器及其工作方法以及充电机
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种dc-dc变换器及其工作方法以及充电机。


背景技术：

2.dc-dc变换器是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，在汽车充电等领域有比较广泛的应用。
3.由于电感和电容等元件的限制，传统dc-dc变换器的电压增益通常有限。现有技术中有通过设计单开关变换器拓扑来提供高电压增益的方案，但同样受到电感、功率半导体开关和寄生元件的限制，部分方案试图通过采用带升压变压器的变换器(反激变换器)来突破元件限制，这种变换器通过变压器匝数比的调整具有可控的自由度，但是考虑到变压器的尺寸，匝比越大变压器耦合就越差，影响变换器性能。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提供了一种dc-dc变换器及其工作方法以及充电机，能够提高电压增益。
5.一方面，本发明提供一种dc-dc变换器，所述dc-dc变换器包括：第一滤波电容、第一变换电路和第二变换电路；所述第一变换电路为反激变换电路；所述第二变换电路为cuk变换电路；所述第一变换电路包括第一变压器、功率开关管以及与所述第一变换电路的输出端并联的第二滤波电容；所述第一变压器包括原边绕组；所述dc-dc变换器的正极输入端与所述第一变压器原边绕组的第一端连接；所述第一变压器原边绕组的第二端与所述功率开关管的漏极连接；所述功率开关管的源极与所述dc-dc变换器的负极输入端连接；所述第二变换电路复用所述功率开关管和第一变压器的励磁电感；所述第二变换电路还包括与所述第二变换电路的输出端并联的第三滤波电容；
6.所述第一滤波电容的两端分别连接所述第一变换电路的正极输入端和所述第二变换电路的负极输入端。
7.可选地，所述dc-dc变换器还包括第一双刀单掷开关和第二双刀单掷开关；所述第一双刀单掷开关的第一路开关分别连接所述第一变换电路的负极输出端与所述第一变换电路的正极输出端；所述第一双刀单掷开关的第二路开关分别连接第一输出负载与第二输出负载；
8.所述第二双刀单掷开关的第一路开关分别连接所述第一变换电路的负极输出端与所述第一输出负载；所述第二双刀单掷开关的第二路开关分别连接所述第二变换电路的负极输出端与所述第二输出负载。
9.可选地，所述第一变换电路还包括第一整流器件；所述第一变压器还包括副边绕组；所述第一变压器副边绕组的第一端与所述第二滤波电容的第一端连接；所述第一变压器副边绕组的第二端与所述第一整流器件的第一端连接；所述第一整流器件的第二端与所
述第二滤波电容的第二端连接。
10.可选地，所述第二变换电路还包括第二变压器、第二电容和第一电感；所述第二变压器包括原边绕组和副边绕组；所述第一电容的第二端与所述第二变压器原边绕组的第一端连接；所述第二变压器原边绕组的第二端与所述功率开关管的源极连接；所述第一变压器原边绕组的第一端与所述第一变压器副边绕组的第二端互为同名端；所述第二变压器副边绕组的第一端与所述第二电容的第一端连接；所述第二电容的第二端与所述第一电感的第一端连接；所述第三滤波电容的第二端与所述第二变压器副边绕组的第二端连接；所述第一电容的第一端与所述功率开关管的漏极连接。
11.可选地，所述第二变换电路还包括第二整流器件；所述第二变压器原边绕组的第一端与所述第二变压器副边绕组的第一端互为同名端，所述第一电感的第二端与所述第二变压器副边绕组的第二端连接，所述第二整流器件的第一端与所述第一电感的第一端连接，所述第二整流器件的第二端与所述第三滤波电容的第一端连接。
12.可选地，所述第二变换电路还包括第二整流器件；所述第二变压器原边绕组的第一端与所述第二变压器副边绕组的第二端互为同名端，所述第二整流器件的第一端与所述第二变压器副边绕组的第二端连接，所述第一电感的第二端与第三滤波电容的第一端连接，所述第二整流器件的第二端与所述第一电感的第一端连接。
13.可选地，所述第一整流器件为二极管。
14.可选地，所述第二整流器件为二极管。
15.本发明所述的dc-dc变换器，仅需要一个功率开关管可实现高电压增益，并且在功率开关管关断时可实现零电压关断，降低开关损耗，减小功率开关管和二极管的电压应力，成本低，效率高。
16.另一方面，本发明还提供一种dc-dc变换器的工作方法，应用于如上述dc-dc变换器，所述工作方法包括：
17.所述dc-dc变换器在一个工作周期内的工作模态依次为：第一工作模态、第二工作模态和第三工作模态：
18.在所述第一工作模态下，功率开关管保持导通；
19.在所述第二工作模态下，所述功率开关管截止；
20.在所述第三工作模态下，所述功率开关管保持截止。
21.所述dc-dc变换器的工作方法与上述dc-dc变换器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
22.另一方面，本发明还提供一种充电机，包括上述dc-dc变换器。所述充电机与上述dc-dc变换器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
23.图1为本发明实施例的dc-dc变换器的示意图；
24.图2为本发明实施例的dc-dc变换器处于第一工作模态的示意图；
25.图3为本发明实施例的dc-dc变换器处于第一工作模态的示意图；
26.图4为本发明实施例的dc-dc变换器处于第一工作模态的示意图；
27.图5为本发明实施例的dc-dc变换器的第二种示意图；
28.图6为本发明实施例的dc-dc变换器的第三种示意图；
29.图7为本发明实施例的dc-dc变换器的工作关键波形示意图；
30.图8为本发明实施例的dc-dc变换器与传统均衡电路对比的电压增益与占空比关系图。
具体实施方式
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
32.如图1所示，本发明实施例提供一种dc-dc变换器，其包括：第一滤波电容ce1、第一变换电路和第二变换电路。第一变换电路为反激变换电路。
33.第一变换电路包括第一变压器t1、功率开关管s1、第一整流器件、与第一变换电路的输出端并联的第二滤波电容ce2。第一变压器t1包括原边绕组。dc-dc变换器的正极输入端与第一变压器t1原边绕组的第一端连接。第一变压器t1原边绕组的第二端与功率开关管s1的漏极连接。功率开关管s1的源极与dc-dc变换器的负极输入端连接。
34.第二变换电路包括第二变压器t2、第二电容c2、第二整流器件和第一电感l3。
35.第二变换电路复用功率开关管s1和第一变压器t1的励磁电感。通过复用的功率开关管s1和第一变压器t1的励磁电感，与第二变压器t2、第二电容c2、第二整流器件和第一电感l3构成cuk变换电路。
36.第二变换电路还包括与第二变换电路的输出端并联的第三滤波电容ce3。
37.第一滤波电容ce1的两端分别连接第一变换电路的正极输入端和第二变换电路的负极输入端。
38.具体地，在本实施例中，如图1所示，第一变换电路还包括第一整流器件。第一变压器t1还包括副边绕组。第一变压器t1副边绕组的第一端与第二滤波电容ce2的第一端连接。第一变压器t1副边绕组的第二端与第一整流器件的第一端连接。所述第一整流器件的第二端与第二滤波电容ce2的第二端连接。
39.第二变压器t2包括原边绕组和副边绕组。第一电容c1的第二端与第二变压器t2原边绕组的第一端连接。第二变压器t2原边绕组的第二端与功率开关管s1的源极连接。第一变压器t1原边绕组的第一端与第一变压器t1副边绕组的第二端互为同名端。第二变压器t2副边绕组的第一端与第二电容c2的第一端连接。第二电容c2的第二端与第一电感l3的第一端连接。第三滤波电容ce3的第二端与第二变压器副边绕组的第二端连接。第一电容c1的第一端与功率开关管s1的漏极连接。
40.具体地，在本实施例中，可以将bat3作为整个dc-dc变换器的输入电源，与dc-dc变换器的正极输入端及负极输入端连接，bat3可以是单颗电池、电池组或电源，可以将bat1和bat2作为整个dc-dc变换器的输出负载，bat1和bat2可以是负载、单颗电池或电池组。
41.结合图1至图4所示，第二变压器t2原边绕组的第一端与第二变压器t2副边绕组的第一端互为同名端，第一电感l3的第二端与第二变压器t2副边绕组的第二端连接，第二整流器件的第一端与第一电感l3的第一端连接，第二整流器件的第二端与第三滤波电容ce3的第一端连接。在其他实施方式中，结合图5所示，也可以采用如下方式：第二变压器t2原边绕组的第一端与第二变压器t2副边绕组的第二端互为同名端，第二整流器件的第一端与第
二变压器t2副边绕组的第二端连接，第一电感l3的第二端与第三滤波电容ce3的第一端连接，第二整流器件的第二端与第一电感l3的第一端连接。
42.具体地，结合图1至图4所示，第一整流器件为二极管d1，第二整流器件为二极管d2，二极管d1的阴极端为第一整流器件的第一端，二极管d1的阳极端为第一整流器件的第二端；二极管d2的阳极端为第二整流器件的第一端，二极管d2的阴极端为第二整流器件的第二端。
43.在其他实施方式中，如图6所示，第一整流器件为开关管(第一开关管s2)，第二整流器件为开关管(第二开关管s3)，第一开关管s2的漏极为第一整流器件的第一端，第一开关管s2的源极为第一整流器件的第二端，第二开关管s3的源极为第二整流器件的第一端，第二开关管s3的漏极为第二整流器件的第二端，第一开关管s2、第二开关管s3的栅极驱动信号与功率开关管s1的驱动信号互补。
44.在其他实施方式中，第一整流器件为开关管；第二整流器件为二极管；或，第一整流器件为二极管，第二整流器件为开关管。
45.dc-dc变换器的负极输入端与第一滤波电容ce1的第二端连接；第一变压器t1原边绕组的第一端与第一滤波电容ce1的第一端连接。
46.第二滤波电容ce2的第一端还与dc-dc变换器的正极输出端连接,第三滤波电容ce3的第二端与dc-dc变换器的负极输出端连接。
47.dc-dc变换器的正极输出端与负极输出端之间的电压为：
[0048][0049]
其中，d为功率开关管s1的占空比；vin为正极输入端与负极输入端之间的输入电压；k＝n/m，n为第一变压器t1的匝比，m为第二变压器t2的匝比。
[0050]
可选地，dc-dc变换器还包括第一双刀单掷开关k1，所述第一双刀单掷开关k1的第一路开关分别连接所述第一变换电路的负极输出端与所述第一变换电路的正极输出端；所述第一双刀单掷开关k1的第二路开关分别连接第一输出负载bat1与第二输出负载bat2。
[0051]
可选地，dc-dc变换器还包括第一副边地、和第二副边地，第一副边地与第二滤波电容ce2的第二端连接；第二副边地与第三滤波电容ce3的第一端连接。
[0052]
第一变换电路的正极输出端与负极输出端之间的电压为：
[0053][0054]
第二变换电路的正极输出端与负极输出端之间的电压为：
[0055][0056]
其中，d为功率开关管s1的占空比；vin为正极输入端与负极输入端之间的输入电压；k＝n/m，n为第一变压器t1的匝比，m为第二变压器t2的匝比。
[0057]
可选地，dc-dc变换器还包括第二双刀单掷开关k2，
[0058]
所述第二双刀单掷开关k2的第一路开关分别连接所述第一变换电路的负极输出端与所述第一输出负载bat1；所述第二双刀单掷开关k2的第二路开关分别连接所述第二变换电路的负极输出端与所述第二输出负载bat2。
[0059]
本发明所述的dc-dc变换器，仅需要一个功率开关管可实现高电压增益，并且在功率开关管关断时可实现零电压关断，降低开关损耗，减小功率开关管和二极管的电压应力，成本低，效率高。
[0060]
本发明另一实施例提供一种dc-dc变换器的工作方法，应用于如上述dc-dc变换器，所述工作方法包括：
[0061]
所述dc-dc变换器在一个工作周期内的工作模态依次为：第一工作模态、第二工作模态和第三工作模态：
[0062]
在所述第一工作模态下，功率开关管保持导通；正极输入端、负极输入端、第一变压器的原边励磁电感、所述功率开关管形成第一回路；第一电容、所述功率开关管、第二变压器的原边励磁电感形成第二回路；所述第二变压器的副边绕组、第二电容、第一电感形成第三回路；
[0063]
在所述第二工作模态下，所述功率开关管截止；所述正极输入端、所述负极输入端、所述第一变压器的原边励磁电感、所述第一电容和所述第二变压器的原边励磁电感形成第四回路；所述第二变压器副边绕组、所述第二电容、第二整流器件和第三滤波电容形成第五回路；所述第二整流器件导通后，第一电感、所述第二整流器件和所述第三滤波电容形成第六回路；
[0064]
在所述第三工作模态下，所述功率开关管保持截止；第一整流器件导通后，所述第一变压器副边绕组、第二滤波电容和所述第一整流器件形成第七回路。
[0065]
具体地，结合图2所示，【t0～t1】时间区间内，变换器工作在在第一工作模态下，功率开关管s1保持导通，第一双刀单掷开关k1断开，第二双刀单掷开关k2闭合；bat3给第一变压器t1的原边励磁电感l1充电，第一电容c1放电，给第二电容c2、第一电感l3充电。第二滤波电容ce2、第三滤波电容ce3分别给负载bat1和bat2供电。
[0066]
在该模态下，正极输入端、负极输入端、第一变压器t1原边绕组的励磁电感l1、功率开关管s1形成第一回路；第一电容c1、功率开关管s1、第二变压器t2的原边励磁电感l2形成第二回路；第二变压器t2的副边绕组、第二电容c2、第一电感l3形成第三回路。
[0067]
在第一回路中，根据基尔霍夫电压定律可得：
[0068][0069]
此时回路中励磁电感l1中电流的变化为：
[0070][0071][0072]
其中，il1为模式一流过电感l1的电流瞬时值，t为时间，ton为开关管s1的导通时间，il1min为励磁电感l1的电流最小值，il1max为励磁电感l1的电流最大值。
[0073]
同理可得第二回路：
[0074][0075]
同理可得第三回路：
[0076]
[0077][0078][0079][0080]
其中，v3为第二变压器t2原边电压，v4为第二变压器t2副边电压，vl3为第一电感l3两端电压，vc1和vc2分别表示第一电容c1和第二电容c2的电压；il3为流过第一电感l3的瞬时电流值，m为第二变压器t2原副边匝比，il3max为流过第一电感l3的最大值，il3min为流过第一电感l3的最小值。
[0081]
结合图3所示，【t1～t2】时间区间内，变换器工作在第二工作模态下，在t1时刻，功率开关管s1截止，第一双刀单掷开关k1断开，第二双刀单掷开关k2闭合；bat3开始给原边励磁电感l1、第一电容c1充电，同时第二电容c2充电、二极管d2(第二整流器件)导通，第一电感l3开始放电给第三滤波电容ce3充电。
[0082]
在该模态下，正极输入端、负极输入端、励磁电感l1、第一电容c1和第二变压器t2原边绕组形成第四回路；第二变压器t2副边绕组、第二电容c2、第二整流器件和第三滤波电容ce3形成第五回路；第二整流器件导通后，第一电感l3、第二整流器件和第三滤波电容ce3形成第六回路。
[0083]
结合图4所示，【t2～t3】时间区间内，变换器工作在第三工作模态下，功率开关管s1保持截止，第一双刀单掷开关k1断开，第二双刀单掷开关k2闭合；在t2时刻，原边励磁电感l1开始释放能量传输到变压器t1副边，二极管d1(第一整流器件)导通，此时给第二滤波电容ce2充电。
[0084]
第一整流器件导通后，第一变压器t1副边绕组、第二滤波电容ce2和第一整流器件形成第七回路。
[0085]
根据基尔霍夫电压定律可以得到如下表达式：
[0086]
第四回路中，
[0087][0088][0089][0090]
第五回路中，
[0091]-v4+vc2+vo2＝0；
[0092][0093]
v3＝m*(vc2+vo2)；
ꢀꢀ
(4)
[0094]
第六回路中，
[0095]
[0096][0097][0098]
其中，ts为变换器的开关周期。
[0099]
第七回路，中：
[0100][0101][0102][0103][0104]
根据一个开关周期内，电感电流伏秒积平衡，即上升斜率＝下降斜率可得：
[0105]
等式(1)+(5)化简得，
[0106][0107][0108]
等式(2)+(6)化简得，
[0109][0110]
等式(1)+(3)化简得，
[0111][0112]
将等式(4)带入等式(9)化简得：
[0113][0114]
令k＝n/m，可得，
[0115][0116]
其中，当开关k1闭合、开关k2断开时，输出电压vo1和输出电压vo2串联得到vo
sum
。
[0117]
结合图7所示，当开关管s1断开时，由于第一电容c1的存在，使得开关管s1两端电压从零缓慢上升至vin+nvo1，从而降低了开关管s1的关断损耗，提高整个变换器的效率。当开关管s1截止关断时，输入电压vin会给开关管s1的结电容充电，由于电容c1与开关管s1处于并联关系，且电容c1的容值远大于开关管s1的结电容，使得开关管s1两端电压从零缓慢上升至vin+nvo1，如图5中t1至t2时间段的vds波形所示，若在t1时间开关管s1两端电压vds快速上升至vin+nvo1，而由于电感l1的存在开关管s1两端电流不能突变，根据瞬时功率损耗ploss＝vds*ids可知，损耗会很大，而本方案中开关管s1电压在t1时间vds为零，使得关断时损耗几乎为零，即实现了零电压关断方式，提高了变换器的效率。
[0118]
结合图8所示，为了直观体现本方案的高电压增益的效果，通过与反激变换器、boost+cuk变换器在相同匝比(n＝m＝1)、占空比、输入电压的条件下进行对比。
[0119]
反激变换器表达式：
[0120][0121]
boost+cuk变换器表达式：
[0122][0123]
本方案变换器表达式：
[0124][0125]
本发明另一实施例提供一种充电机，包括上述dc-dc变换器。所述充电机与上述dc-dc变换器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
[0126]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种dc-dc变换器，其特征在于，所述dc-dc变换器包括：第一滤波电容、第一变换电路和第二变换电路；所述第一变换电路为反激变换电路；所述第二变换电路为cuk变换电路；所述第一变换电路包括第一变压器、功率开关管以及与所述第一变换电路的输出端并联的第二滤波电容；所述第一变压器包括原边绕组；所述dc-dc变换器的正极输入端与所述第一变压器原边绕组的第一端连接；所述第一变压器原边绕组的第二端与所述功率开关管的漏极连接；所述功率开关管的源极与所述dc-dc变换器的负极输入端连接；所述第二变换电路复用所述功率开关管和第一变压器的励磁电感；所述第二变换电路还包括与所述第二变换电路的输出端并联的第三滤波电容；所述第一滤波电容的两端分别连接所述第一变换电路的正极输入端和所述第二变换电路的负极输入端。2.根据权利要求1所述的dc-dc变换器，其特征在于，还包括第一双刀单掷开关和第二双刀单掷开关；所述第一双刀单掷开关的第一路开关分别连接所述第一变换电路的负极输出端与所述第一变换电路的正极输出端；所述第一双刀单掷开关的第二路开关分别连接第一输出负载与第二输出负载；所述第二双刀单掷开关的第一路开关分别连接所述第一变换电路的负极输出端与所述第一输出负载；所述第二双刀单掷开关的第二路开关分别连接所述第二变换电路的负极输出端与所述第二输出负载。3.根据权利要求1所述的dc-dc变换器，其特征在于，所述第一变换电路还包括第一整流器件；所述第一变压器还包括副边绕组；所述第一变压器副边绕组的第一端与所述第二滤波电容的第一端连接；所述第一变压器副边绕组的第二端与所述第一整流器件的第一端连接；所述第一整流器件的第二端与所述第二滤波电容的第二端连接。4.根据权利要求1所述的dc-dc变换器，其特征在于，所述第二变换电路还包括第二变压器、第一电容、第二电容和第一电感；所述第二变压器包括原边绕组和副边绕组；所述第一电容的第二端与所述第二变压器原边绕组的第一端连接；所述第二变压器原边绕组的第二端与所述功率开关管的源极连接；所述第一变压器原边绕组的第一端与所述第一变压器副边绕组的第二端互为同名端；所述第二变压器副边绕组的第一端与所述第二电容的第一端连接；所述第二电容的第二端与所述第一电感的第一端连接；所述第三滤波电容的第二端与所述第二变压器副边绕组的第二端连接；所述第一电容的第一端与所述功率开关管的漏极连接。5.根据权利要求4所述的dc-dc变换器，其特征在于，所述第二变换电路还包括第二整流器件；所述第二变压器原边绕组的第一端与所述第二变压器副边绕组的第一端互为同名端，所述第一电感的第二端与所述第二变压器副边绕组的第二端连接，所述第二整流器件的第一端与所述第一电感的第一端连接，所述第二整流器件的第二端与所述第三滤波电容的第一端连接。6.根据权利要求4所述的dc-dc变换器，其特征在于，所述第二变换电路还包括第二整流器件；所述第二变压器原边绕组的第一端与所述第二变压器副边绕组的第二端互为同名端，所述第二整流器件的第一端与所述第二变压器副边绕组的第二端连接，所述第一电感的第二端与第三滤波电容的第一端连接，所述第二整流器件的第二端与所述第一电感的第一端连接。
7.根据权利要求3所述的dc-dc变换器，其特征在于，所述第一整流器件为二极管。8.根据权利要求6所述的dc-dc变换器，其特征在于，所述第二整流器件为二极管。9.一种dc-dc变换器的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8任一项所述的dc-dc变换器，所述工作方法包括：所述dc-dc变换器在一个工作周期内的工作模态依次为：第一工作模态、第二工作模态和第三工作模态：在所述第一工作模态下，功率开关管保持导通；在所述第二工作模态下，所述功率开关管截止；在所述第三工作模态下，所述功率开关管保持截止。10.一种充电机，其特征在于，包括如上述权利要求1-8任一项所述的dc-dc变换器。

技术总结
本发明提供了一种DC-DC变换器及其工作方法以及充电机。DC-DC变换器包括第一滤波电容、第一变换电路和第二变换电路；第一变换电路为反激变换电路；第二变换电路为cuk变换电路；第一变换电路包括第一变压器、功率开关管以及与第一变换电路的输出端并联的第二滤波电容；第一变压器包括原边绕组；DC-DC变换器的正极输入端与第一变压器原边绕组的第一端连接；第一变压器原边绕组的第二端与功率开关管的漏极连接；功率开关管的源极与DC-DC变换器的负极输入端连接；第二变换电路复用功率开关管和第一变压器的励磁电感。本发明能够实现高电压增益和零电压关断，降低开关管的应力和二极管的电压应力，提高DC-DC变换器的效率。DC变换器的效率。DC变换器的效率。


技术研发人员：李鹏 陈岱岱 李海威 张翼 姜钊 黄呈武 廖政伟 胡晓东 苏静燕
受保护的技术使用者：宁波均胜新能源研究院有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/14