本文對 DC-DC 轉(zhuǎn)換器進行了分類，并討論了它們的優(yōu)點和局限性。它提出了一種改進的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓撲，結(jié)合了 Cuk 和正輸出 Super Lift Luo 拓撲，以更少的組件實現(xiàn)更高的電壓增益。

降壓轉(zhuǎn)換器通常將輸入電壓調(diào)節(jié)至從零到略小于輸入電壓的值。另一方面，升壓轉(zhuǎn)換器在電感器中存儲能量的模式和電感器釋放以滿足輸出要求的模式和電感釋放存儲的能量以重新對電容器充電同時保持整體能量平衡的模式之間切換電路。在傳統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的情況下，這兩種操作都是可能的?；巨D(zhuǎn)換器的幾種變體可用于在低頻和高電壓水平下工作。但是，基本原理對于所有人來說都是共同的。

簡單來說，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以從電壓水平小于或大于輸出電壓的電源提供穩(wěn)定的直流輸出。一些應用需要具有調(diào)制輸入電壓的能力，包括輸入電壓變化很大的電池等儲能系統(tǒng)。這是因為可以調(diào)節(jié)電池的充電周期和放電周期。當電池充滿電時，電池兩端的電壓通常大于所需的輸出電壓。在這種情況下，可以使用降壓轉(zhuǎn)換器來保持穩(wěn)定的電源電壓。同樣，當電池放電時，電壓水平降低，是導致電池處于需要充電才能使用的階段。

先進的降壓-升壓(Buck-Boost)工作原理

眾所周知，降壓-升壓(Buck-Boost)轉(zhuǎn)換器將輸入側(cè)的正直流電壓轉(zhuǎn)換為輸出側(cè)的負直流電壓。開關的導通狀態(tài)決定了電路的工作性質(zhì)。

在導通狀態(tài)經(jīng)電感器的電流線性增加。二極管不導通。如圖 2 所示。在關斷狀態(tài)下，二極管傳導電流，能量從電感器傳遞到電容器。這導致電感電流的減小，盡管通過電感的電流不能突然改變[。如圖 3 所示。需要注意的是，能量從電感器傳遞到電容器，導致電阻器兩端的電壓與輸入電壓相比，其極性相反。

3.降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的關斷狀態(tài)工作原理

在電路的穩(wěn)態(tài)工作期間，可以根據(jù)電感電流值定義兩種工作模式。如果電感電流從未達到零，則稱為連續(xù)導通模式。但是，如果電感電流達到零，則電感器以不連續(xù)工作模式。

降壓-升壓(Buck-Boost)工轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和輸出電壓之間的關系可以用以下公式表示：

Vout=DVin/(1D)

其中 D 是占空比。

占空比定義為開關導通時間的百分比。換句話說，電感和電容的并聯(lián)組合形成二階低通濾波器，通過降低電壓紋波來平滑開關動作，同時產(chǎn)生干凈的直流電壓。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是電動汽車 (EV)、交通、可再生能源供電的微電網(wǎng)等所必需的。DC-DC 轉(zhuǎn)換器是有效能源管理的重要接口。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類

DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲有兩種類型 ：

● 隔離轉(zhuǎn)換器

● 非隔離轉(zhuǎn)換器

隔離轉(zhuǎn)換器

將負載和輸入源分開的高頻變壓器是隔離拓撲的主要組件。敏感負載可能需要這種隔離。這種隔離可以保護負載免受可能發(fā)生的輸入側(cè)故障的影響。

繞組匝數(shù)比是提高隔離轉(zhuǎn)換器電壓比的主要因素。值得注意的是，所建議的因素具有重大的負面影響，包括

● EMI 噪聲

● 需要使用能量回收電路的剩余電流

● 損失增加

● 由于該組件的磁性基礎導致功率密度下降

非隔離轉(zhuǎn)換器

使用非隔離拓撲時，不必隔離輸入源和負載。因此，大多數(shù)應用，包括高強度放電燈 (HID) 和可再生能源，都使用非隔離轉(zhuǎn)換器。

HID 照明所需的電壓范圍為 100 V 至 250 V。不過，汽車電池的最大電壓為 12 V，可以提供這樣的電壓。車輛無法承受因使用隔離拓撲而增加的重量。因此，有必要使用非隔離轉(zhuǎn)換器。

光伏電池板和其他形式的可再生能源是第二個案例研究的主題。15 V 至 65 V 之間的電壓是轉(zhuǎn)換器的輸出。

非隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的類型

能夠提高輸入電壓的傳統(tǒng)非隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有

● 升壓

● 降壓-升壓

●庫克

● SEPIC 拓撲

非隔離拓撲面臨的挑戰(zhàn)

在所描述的所有拓撲中，升壓拓撲可以將輸入電壓電平提高每個占空比值。對于 SEPIC 和 Cuk 拓撲，其輸入電流也是連續(xù)的。

值得注意的是，Cuk 和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器失去了公共地和輸入源的負載。所有討論的拓撲都有相同的缺陷。除了低占空比和足夠的效率之外，它們無法提供高電壓增益值。針對這個問題提出的解決方案是使用Luo轉(zhuǎn)換器。

正輸出超升羅 (POSLL) 轉(zhuǎn)換器

通過使用較小的占空比百分比，電壓提升技術(shù)將電壓增益提高到更大的量。該轉(zhuǎn)換器被描述為正輸出超升羅 (POSLL) 轉(zhuǎn)換器。

此拓撲的計數(shù)較低。其設計包括

● 電感1個

● 1個開關

● 兩個二極管

● 兩個電容

局限性

該轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器具有更大的電壓增益。當占空比接近 50% 時，POSLL 轉(zhuǎn)換器的電壓增益增加到 3。相反，該值在降壓-升壓、SEPIC 和 Cuk 拓撲中為 1，在升壓拓撲中為 2。

基于上述想法，必須提供替代拓撲，因為 POSLL 轉(zhuǎn)換器的電壓增益沒有預期的那么大。

建議的拓撲結(jié)構(gòu)

本文提出了一種改進的二次 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。Cuk 和 POSLL 轉(zhuǎn)換器之間重新設計的連接構(gòu)成了轉(zhuǎn)換器的拓撲。因此，建議轉(zhuǎn)換器的電壓增益采用電壓提升方法和二次拓撲。

圖 1(a) 顯示了建議的轉(zhuǎn)換器的圖示，它由

● 兩個電感(L1 和 L2)

● 三個電容器(C1、C2 和 Co)

● 三個二極管(D1、D2、D3)

● 兩個開關(S1 和S2)

如圖 1(b) 所示，所提供的拓撲是 Cuk 和 POSLL 拓撲初始部分相結(jié)合的結(jié)果。值得注意的是，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出和Cuk轉(zhuǎn)換器中第一個電容器的電壓是相同的。這樣一來，第一步的電壓就已經(jīng)足夠升高了。

第二個組件接收來自第一個電容器的電壓，如圖1(b)所示。此部分為紅色，與 POSLL 相關。由于所示的架構(gòu)，輸入源電壓已分兩步增加。

當轉(zhuǎn)換器處于連續(xù)導通模式 (CCM) 時，它以兩種模式運行。第二個二極管和開關同時激活。其余的半導體也被鈍化。

根據(jù)對其拓撲結(jié)構(gòu)的徹底檢查，該轉(zhuǎn)換器早期使用的 Cuk 拓撲結(jié)構(gòu)成功地確保了輸入電流的連續(xù)性。此外，傳統(tǒng) Cuk 拓撲缺乏共同點的問題已通過解釋 Cuk 拓撲的方式得到解決。

為了提取轉(zhuǎn)換器的核心關系，有必要考慮某些因素。在理想模式和穩(wěn)態(tài)模式下研究了轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

在建議的拓撲中，50% 占空比提供的電壓增益是原來的六倍。除了高電壓增益之外，還存在輸入電流連續(xù)性。此外，與 Cuk 和 POSLL 轉(zhuǎn)換器的級聯(lián)連接相比，所得拓撲具有更好的電壓增益和更少的組件。

最近提出的轉(zhuǎn)換器中的幾種半導體具有更大的電壓和電流應力值。此外，所提出的拓撲中兩種半導體的電壓和電流應力均有所降低。所提出的轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)用更少的元件產(chǎn)生了更好的電壓增益水平。

總結(jié)要點

● DC-DC 轉(zhuǎn)換器對于電動汽車、交通和可再生能源應用中的能源管理至關重要，是有效能源管理的重要接口。

● 本文將 DC-DC 轉(zhuǎn)換器全面分類為隔離式和非隔離式拓撲，并強調(diào)了它們各自的優(yōu)點和局限性。

● 建議將Cuk 和POSLL 拓撲組合成新的二次DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓撲，該拓撲將具有更高的電壓增益和更少的部件。

● 非隔離式轉(zhuǎn)換器由于能夠處理更高的電壓水平，因此對于各種應用(包括高強度放電燈和可再生能源)來說是不可或缺的。