本发明专利技术公开了一种非变压器的隔离型大降压比DC‑DC转换器，输入电源的正极与第一电容的正极及第一开关管的一端相连接，第一开关管的另一端与第二开关管的一端及第三电容的正极相连接，第三电容的负极与第一电感的一端及第四开关管的一端相连接，第一电感的另一端与负载电阻的一端及第二电感的一端相连接，第一电容的负极与第二电容的正极、第二开关管的另一端、第二电感的另一端及第五开关管的一端相连接，第二电容的负极、输入电源的负极及第三开关管的一端均接地，第三开关管的另一端与第五开关管的另一端、第四开关管的另一端及负载电阻的另一端相连接，该转换器损耗较低，同时高效率、体积小、重量轻、电压变比较大的特点。
【技术实现步骤摘要】
一种非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器
本专利技术涉及一种DC-DC转换器，具体涉及一种非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器。
技术介绍
电力电子技术是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术，是实现节能环保和提高人们生活质量的重要技术手段。高效率和高质量的电能变换是电力电子技术发展的终极目标。非隔离大变比DC-DC转换器现在广泛应用于直流分布式系统、便携式电子设备、通信系统和电压调节模块等。特别是在数据中心应用广泛，由于数据中心的负载每年都在不断增加，预计到2020年末，将占到总电力能源消耗的10％。数据中心现存的12V直流母线电压有着更高的线路损耗，更高的48V直流母线电压正在发展并已经应用在工业领域中，学术界和工业界表示未来将发展400V母线电压，供电电源将发展新型的大变比拓扑，这类新型拓扑具有高效率，体积小及重量轻等特点。传统的buck电路由于占空比的限制不能实现48V到1.xV的电压转换，这是因为极小的占空比使得开关损耗急剧增大，效率严重降低的缘故。因此研究大降压比的DC/DC变换器是一个必然的趋势。目前存在的大降压比的DC-DC拓扑主要分为两类：1)隔离型大降压比DC-DC转换器，这类转换器基于变压器变比实现大变比，这类拓扑有LLC，反激电路等；2)非隔离大降压比DC-DC转换器，这类转换器基于耦合电感，开关电容及两级拓扑等。隔离型的拓扑已经普遍应用在目前的工业领域，但由于存在的变压器，功率密度和体积无法做的很小，这也限制了隔离性DC-DC拓扑的发展。非隔离拓扑在未来是一个非常好的候选，已经获得了很大的关注，基于耦合电感原理的非隔离拓扑也是靠匝比降压，其实质跟隔离型变压器一样的；两级拓扑目前已被工业界和学术界普遍认可，但两级拓扑有着大量的有源器件，通常第二级拓扑的损耗非常大；基于开关电容的DC-DC拓扑利用电容作为储能元件来实现变比，由于无磁件，其拓扑体积小，重量轻及高效率等优势。但缺点也很明显，拓扑结构决定了其电压变比，随着电压变比越大，其开关电容数量和有源开关管数量也越多，因此单纯的开关电容拓扑并不适合大变比降压应用领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器，该转换器损耗较低，且器件数目较少，同时高效率、体积小、重量轻、电压变比较大的特点。为达到上述目的，本专利技术所述的非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器包括输入电源、第一电容、第一开关管、第二开关管、第三电容、第一电感、第四开关管、第二电感、第二电容、第三开关管及第五开关管；输入电源的正极与第一电容的正极及第一开关管的一端相连接，第一开关管的另一端与第二开关管的一端及第三电容的正极相连接，第三电容的负极与第一电感的一端及第四开关管的一端相连接，第一电感的另一端与负载电阻的一端及第二电感的一端相连接，第一电容的负极与第二电容的正极、第二开关管的另一端、第二电感的另一端及第五开关管的一端相连接，第二电容的负极、输入电源的负极及第三开关管的一端均接地，第三开关管的另一端与第五开关管的另一端、第四开关管的另一端及负载电阻的另一端相连接。还包括与负载电阻相连接的输出滤波电容。第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及第五开关管均为有源开关管。在t0＜t＜t1时刻，导通第一开关管及第五开关管，同时断开第二开关管、第三开关管及第四开关管，流过第二电感的电流iL2流经第五开关管，第二电感将存储的能量供给负载，流过第一电感的电流iL1分为两路，其中一路经第一电容、第一开关管、第三电容、第一电感、输出滤波电容、负载电阻及第五开关管返回至第一电容，第一电容给第三电容和第一电感充电，并向负载供电；另一路流经第一开关管、第三电容、第一电感、输出滤波电容、负载电阻、第五开关管及第二电容最后返回至输入电源，通过输入电源给第二电容及第一电感充电，并向负载供电，此时，流经第二电感的电流iL2降低，流经第一电感的电流iL1增加，根据KVL定理得：VC1＝VC3+VL1+Vo(1)VL2＝Vo(2)Vin＝VC1+VC2(3)在t1＜t＜t2时刻，断开第一开关管，导通第四开关管，流经第二电感的电流iL2通过第五开关管向负载供电，第一电感通过第四开关管向负载供电，根据KVL定理得：VL1＝-Vo(4)VL2＝-Vo(5)在t2＜t＜t3时刻，导通第二开关管及第三开关管，关断第五开关管，流经第一电感的电流iL1通过第四开关管为负载供电，流经第二电感的电流iL2有三条支路，其中，第一条支路流经第二电容、第二电感、输出滤波电容、负载电阻及第三开关管并回到第二电容，第二电容放电为负载提供能量；第二条支路流经第三电容、第二开关管、第二电感、输出滤波电容、负载电阻及第四开关管返回至第三电容，第三电容放电为负载提供能量；第三条支路流经输入电源、第一电容、第二电感、输出滤波电容、负载电阻、第三开关管后返回至输入电源，输入电源为第二电感充电，并向负载供电，根据KVL定理得：Vin＝VC1+VC2(6)VL1＝-Vo(7)VC3＝VL2+Vo(8)VC2＝VL2+Vo(9)在t3＜t＜t4时刻，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及第五开关管的开关状态与t1＜t＜t2时刻相同，根据电感元件的伏秒平衡特性，得：D(VC1-VC3-Vo)＝(1-D)Vo(10)D(VC3-Vo)＝(1-D)Vo(11)结合式(6)、式(8)、式(9)、式(10)及式(11)，得DC-DC转换器的电压增益M为：根据KVL定理得第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及第五开关管所承受的电压应力分为：VS1＝VC1(13)VS2＝VC1(14)VS3＝VS5＝VC2(15)VS4＝VC1-VC3(16)基于式(6)、式(10)、式(11)和式(12)，得第一电容、第二电容及第三电容的电压应力表达式为：将式(17)及式(18)代入式(6)、式(7)、式(8)及式(9)，得：本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器在具体操作时，第一电容、第二电容及第三电容作为钳位电容，起分压作用，同时用于存储能量，减少各开关管承受的电压应力，提高降压比，使其具有较大的变压变比，同时本专利技术的结构类似于串联电容buck转换器和两相交错并联buck转换器的结构,可实现三倍的占空比,使开关管承受的开关应力更低,并保持电流平衡。同时本专利技术采用五个有源的开关管、三个电容及两个电感构成，器件数量相对较少，且各开关管均为有源开关管，有利于降低损耗，提高效率，体积小，重量轻，适用于大电流负载，对于负载扰动有较好的动态响应。附图说明图1为本专利技术的结构图；图2为状态1时本专利技术的电流流向图；图3为状态2时本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器，其特征在于，包括输入电源(V
【技术特征摘要】
1.一种非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器，其特征在于，包括输入电源(Vin)、第一电容(C1)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三电容(C3)、第一电感(L1)、第四开关管(S4)、第二电感(L2)、第二电容(C2)、第三开关管(S3)及第五开关管(S5)；
输入电源(Vin)的正极与第一电容(C1)的正极及第一开关管(S1)的一端相连接，第一开关管(S1)的另一端与第二开关管(S2)的一端及第三电容(C3)的正极相连接，第三电容(C3)的负极与第一电感(L1)的一端及第四开关管(S4)的一端相连接，第一电感(L1)的另一端与负载电阻(RL)的一端及第二电感(L2)的一端相连接，第一电容(C1)的负极与第二电容(C2)的正极、第二开关管(S2)的另一端、第二电感(L2)的另一端及第五开关管(S5)的一端相连接，第二电容(C2)的负极、输入电源(Vin)的负极及第三开关管(S3)的一端均接地，第三开关管(S3)的另一端与第五开关管(S5)的另一端、第四开关管(S4)的另一端及负载电阻(RL)的另一端相连接；
第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)及第五开关管(S5)均为有源开关管。
2.根据权利要求1所述的非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器，其特征在于，还包括与负载电阻(RL)相连接的输出滤波电容(Co)。
3.根据权利要求1所述的非变压器的隔离型大降压比DC-DC转换器，其特征在于，在t0<t<t1时刻，导通第一开关管(S1)及第五开关管(S5)，同时断开第二开关管(S2)、第三开关管(S3)及第四开关管(S4)，流过第二电感(L2)的电流iL2流经第五开关管(S5)，第二电感(L2)将存储的能量供给负载，流过第一电感(L1)的电流iL1分为两路，其中一路经第一电容(C1)、第一开关管(S1)、第三电容(C3)、第一电感(L1)、输出滤波电容(Co)、负载电阻(RL)及第五开关管(S5)返回至第一电容(C1)，第一电容(C1)给第三电容(C3)和第一电感(L1)充电，并向负载供电；另一路流经第一开关管(S1)、第三电容(C3)、第一电感(L1)、输出滤波电容(Co)、负载电阻(RL、第五开关管(S5)及第二电容(C2)最后返回至输入电源(Vin)，通过输入电源(Vin)给第二电容(C2)及第一电感(L1)充电，并向负载供电，此时，流经第二电感(L2)的电流iL2降低，流经第一电感(L1)的电流iL1增加，根据KVL定理得：
VC1＝VC3+VL1+Vo(1)
VL2＝Vo(2)
Vin＝VC...
【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，于龙洋，李超杰，杨成子，伍敏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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