CN100346563C - 采用无损吸收和具有耦合绕组的升压电感的隔离升压变压器 - Google Patents

Abstract

一种采用无损吸收和具有耦合绕组的升压电感的隔离升压变换器，属电力电子功率变换器。其组成是第1升压电感(L₁)、第1功率开关管(Q₁)于电源(Vin)构成回路，第1升压电感(L₂)、第2功率开关管(Q₂)与电源(Vin)构成另一回路；主变压器原边绕组的一端连于第1升压电感(L₁)负端，另一端连于第2升压电感(L₂)负端，绕组的输出连于整流滤波电路，其特点是由第1功率开关管(Q₁)、第1谐振电感(Lr₁)、第1缓冲电容(Cr₁)、第1续流二极管(Dr₁)、第1隔离二极管(D_s1)以及由第2功率开关管(Q₂)、第2谐振电感(L_r2)第2缓冲电容(C_r2)第2续流二极管(D_r2)、第2隔离二极管(D_s2)构成两路无损吸收电路。本变压器和现有技术相比，减少了功率器件的电压应力，提高了功率和工作可靠性。

Description

采用无损吸收和具有耦合绕组的升压电感的隔离升压变压器

技术领域

本发明采用无损吸收和具有耦合绕组的升压电感的隔离升压变换器，属电力电子功率变换技术。

背景技术

针对低电压大电流输入场合，目前推挽正激电路是一种比较理想的拓扑。推挽正激电路克服了推挽和正激电路的缺点，具有可抑制偏磁和输入电流脉动减小的优点，但该电路仍然存在以下问题：①输入电流脉动对供电电源(如蓄电池、燃料电池、光伏电池等)的影响大，若在供电电源端采用平波电容器，则电容器损耗大；②变压器结构复杂；③每个开关管的占空比小于50％，电流有效值较大。

与推挽正激变换器相比，隔离型的Boost变换器(如附图1所示)有着明显的优势：①输入电流连续，简化了输入滤波器的设计，同时减小了输入平波电容器上的损耗；②变压器的副边绕组匝数少、结构简单；③重载工作时，每个开关管的占空比大于50％，电流有效值减小。

但在实际应用中，由于变压器原边漏感的存在，开关管关断时，漏源电压尖峰很大，同时启动时冲击电流很大。

为了解决隔离型Boost变换器存在着的上述问题，在实际电路中通常采用附图2所示的电路。

附图2所示的是由R_s、C_s、D_s1和D_s2构成的吸收电路。当开关管关断时，吸收电路可以吸收变压器原边较高的电压尖峰，从而保护开关管。当两开关管同时关断时，升压电感L₁、L₂中电流可以分别流过D_s1、D_s2，经R_s形成回路，因此该电路允许两开关管同时关断。启动时，一周期内储存在电感中的多余能量可以消耗于吸收电路上，保证电路的正常工作。

上述解决方案电路简洁，实现比较简单，但由于吸收电路中的C_s电压的存在，与之相并联的R_s一直消耗能量，因此对于整机的效率存在的较大的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，实现隔离型升压(以下Boost)变压器的软开关，减小功率器件的电压电流应力，提高变压器的效率和工作可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：①采用无损吸收电路，可以实现功率管的零电压关断；②将升压电感设计成反激变压器型式，在功率管占空比小于0.5时，将升压电感中能量回馈到电源，从而降低了功率管的电压应力；③反激变压器型式的升压电感可以有效限制冲击电流，实现软启动。

本发明的组成是电源正负极两端既连于由第一升压电感串联第一功率开关管的串联电路两端，同时又连于由第二升压电感串联第二功率开关管的串联电路两端；第一升压电感与第一功率开关管的串联点连于主变压器原边绕组正端，而第二升压电感与第二功率开关管的串联点连于主变压器原边绕组负端，主变压器副边绕组的输出连于由四个整流二级管与滤波电容所组成的整流滤波电路，其特点是第一缓冲电容并联在由第一功率开关管、第一谐振电感和第一续流二级管组成串联电路上构成回路后再经第一隔离二极管连于电源正极组成一路无损吸收电路；第二缓冲电容并联在由第二功率开关管、第二谐振电感和第二续流二极管组成的串联电路上构成回路后再经第二隔离二极管连于电源正极组成另一路无损吸收电路；在第一升压电感上饶有一个耦合绕组，该耦合绕组串联一个续流二极管后并接于电源两端；在第二升压电感上饶有另一个耦合绕组，该另一个耦合绕组串联另一个续流二极管后并接于电源两端。

本发明的隔离型Boost变换器电路，两个功率管的开关信号错开二分之一开关周期，设计占空比大于50％。两路对称的无损吸收电路用于实现功率管的零电压关断。由于启动时可能出现功率管的实际占空比小于50％，升压电感设计为反激变压器型式，用于在两个功率管均不导通时将升压电感储存的能量反馈到输入电源，从而避免启动时的输入冲击电流过大。为了提高变换器的效率，稳态工作时，一个开关周期内，升压电感(变压器)原边中能量应完全提供给负载，而副边(耦合绕组)不会把能量回馈到输入电源，因此设计反激变压器的匝比要保证正常工作时变压器副边电压小于输入电源电压，由于续流二极管的作用，此时反激变压器副边不参与工作。

本发明的电路方案具有很高的实用价值，适用于以电池作为能源的直流变换器场合，如燃料电池应用、光伏电源、电动汽车、航空静止变流器、通信逆变电源等应用领域。

附图说明

图1是隔离型的Boost变换器示意图。

图2是采用RCD吸收电路的隔离型Boost变换器示意图。

图3是采用无损吸收和具有耦合绕组的升压电感的隔离Boost变换器主电路原理图。

图4是本发明的工作原理波形图。

图5是本发明的开关状态的等效电路图。

上述图中的主要符号名称：L₁、L₂——反激变压器型式的升压电感，Q₁、Q₂——功率开关管，T——主变压器，L_r1、L_r2——谐振电感，C_r1、C_r2——缓冲电容，D_r1、D_r2、D_f1、D_f2——续流二极管，D_s1、D_s2——隔离二极管，D₁～D₄——整流二极管，C_f——滤波电容，R——负载，V_in——电源。

具体实施方式

由图3可知，本发明主电路的组成是电源V_in正负极两端分别连于由升压电感L₁串联功率开关管Q₁的串联电路和由升压电感L₂串联功率开关管Q₂的串联电路；两个升压电感L₁与L₂的负端分别连于主变压器原边绕组正负端，主变压器副边绕组的输出连于由整流二极管D₁～D₄与滤波电容C_f所组成的整流滤波电路，其特点是缓冲电容C_r1并联在由功率开关管Q₁、谐振电感L_r1和续流二极管D_r1的串联电路上构成回路后经隔离二极管D_s1连于电源V_in正极组成一路无损吸收电路；缓冲电容C_r2并联在由功率开关管Q₂、谐振电感L_r2和续流二极管D_r2的串联电路上构成回路后经隔离二极管D_s2连于电源V_in正极组成另一路无损吸收电路；在升压电感L₁上绕有耦合绕组，该耦合绕组串联续流二极管D_f1后并接于输入电源两端以及在升压电感L₂上绕有耦合绕组，该耦合绕组串联续流二极管D_f2后并接于输入电源两端。

升压电感(反激变压器)的原边(升压绕组)与副边(耦合绕组)变比为k∶1，其中k的确定原则是：

①电感设计为反激变压器型式，以保证在开关管同时关断时对原边升压电感中电流进行续流。续流过程中，反激变压器副边电压为V_in，则原边电压为kV_in(k为反激变压器的变比)，此时开关管的电压应力为(1+k)V_in。

②开关管导通而另一开关管关断时，开关管上电压应力为

(n为主变压器变比)，升压电感原边电压为

为了保证此时升压电感的副边不参与工作，应满足条件： $\frac{1}{k}(\frac{V_o}{n}-V_{\mathrm{in}})<V_{\mathrm{in}}.$

主变压变比为1∶n，其中n由下式确定。

$V_o=\frac{n}{1-D}{V}_{\mathrm{in}},(D>0.5)$

下面叙述本发明的工作原理。

假设：

①所有的开关管、二极管均为理想器件。

②反激变压器原边电感量(副边开路时的电感量)L₁、L₂足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变，这样流过升压电感的电流可以看成电流为I_s/2的恒流源。

③L₁＝L₂＝L，C_r1＝C_r2＝C_r，L_r1＝L_r2＝L_r，主变压器原边漏感值为L_σ。

主要工作波形如附图4所示。在一个开关周期T中，该变换器有14种开关模态，其等效电路如附图5所示。

1、开关模态1(t₀，t₁)对应图5(a)，缓冲电容充电

t₀时刻以前，开关管Q₁、Q₂同时导通，主变压器原边绕组没有电流流过，缓冲电容C_r1上的电压为-V_in，其大小后面将会解释。

在t₀时刻，开关管Q₁关断，升压电感原边中电流由开关管Q₁转到缓冲电容C_r1、隔离二极管D_s1中，形成回路。此时电感电流I_s/2对缓冲电容充电，缓冲电容和开关管两端电压线性增大。即：

$v_{C_{r1}}\left(t\right)=\frac{I_S}{2C_r}(t-t_0)+(-V_{\mathrm{in}})---\left(1\right)$

$v_{\mathrm{ds}}\left(t\right)=v_{C_{r1}}\left(t\right)+V_{\mathrm{in}}=\frac{I_S}{{2C}_r}(t-t_0)---\left(2\right)$

当开关管两端电压增大到V_O/n时，开关模态1结束。它的持续时间为：

$t_{01}=\frac{{2V}_O{C}_r}{{\mathrm{nI}}_S}$

在此开关模态中，缓冲电容C_r1限制了开关管Q₁的电压上升率，因此开关管Q₁是零电压关断。

2、开关模态2(t₁，t₂)对应图5(b)，缓冲电容和主变压器原边漏感谐振

t₁时刻， $v_{\mathrm{ds}}\left(t_1\right)=\frac{V_O}{n},$ 主变压器原边电流i_p从0开始增加，同时变压器副边开始有电流流过，能量由原边向副边传递，直到i_p增加到I_s/2，此模态结束。在此模态中，缓冲电容和变压器原边漏感L_σ谐振工作。分析工作状态可得：

$L_{\mathrm{\&sigma;}}\frac{{\mathrm{di}}_p}{\mathrm{dt}}+\frac{V_O}{n}-V_{\mathrm{in}}=v_{C_{r1}}\left(t\right)$

$C_r\frac{{\mathrm{dv}}_{C_{r1}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{I_s}{2}-i_p\left(t\right)$

$V_{C_{r1}}\left(t_1\right)=\frac{V_O}{n}-V_{\mathrm{in}}$

由此可得，变压器原边电流和缓冲电容电压分别为：

$i_p\left(t\right)=\frac{I_s}{2}[1-\cos {\mathrm{\&omega;}}_1(t-t_1)]---\left(3\right)$

$v_{C_{r1}}\left(t\right)=(\frac{V_O}{n}-V_{\mathrm{in}})+\frac{I_s{Z}_1}{2}\sin {\mathrm{\&omega;}}_1(t-t_1)---\left(4\right)$

$v_{\mathrm{ds}}\left(t\right)=v_{C_{r1}}\left(t\right)+V_{\mathrm{in}}=\frac{V_O}{n}+\frac{I_s{Z}_1}{2}\sin {\mathrm{\&omega;}}_1(t-t_1)---\left(5\right)$

式中 ${\mathrm{\&omega;}}_1=1/\sqrt{L_{\mathrm{\&sigma;}}{C}_r}.$ 是变压器原边漏感与缓冲电容的谐振角频率； $Z_1=\sqrt{L_{\mathrm{\&sigma;}}/C_r},$ 是变压器原边漏感与缓冲电容的特征阻抗； $T_1=2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L_{\mathrm{\&sigma;}}{C}_r},$ 是变压器原边漏感与缓冲电容的谐振周期。

经过

达到t₂时刻，主变压器原边电流为I_s/2，缓冲电容上电流i_c为零，

由于隔离二极管D_s1的作用，i_c不可反向，缓冲电容和原边漏感谐振过程结束。

开关模态2的持续时间为：

$t_{12}=\frac{1}{4}{T}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}\sqrt{L_{\mathrm{\&sigma;}}{C}_r}}{2}$

$V_{C_{r1}}\left(t_2\right)=\frac{V_O}{n}-V_{\mathrm{in}}+\frac{I_s{Z}_1}{2}$

$V_{\mathrm{ds}}\left(t_2\right)=V_{C_{r1}}\left(t_2\right)+V_{\mathrm{in}}=\frac{V_O}{n}+\frac{I_s{Z}_1}{2}$

(注：开关管的输出结电容容值与缓冲电容容值相比，可以忽略不计，因此分析时没有考虑开关管的结电容参与工作。)

3、开关模态3(t₂，t₃)对应图5(c)，能量传输

t₂时刻起，主变压器原边电流为恒定电流I_s/2，漏感上电压为零，开关管上电压为

能量由原边向副边传输。

在此模态中缓冲电容处于开路状态，其电压保持不变。

$v_{C_{r1}}\left(t\right)=V_{C_{r1}}\left(t_2\right)=\frac{V_O}{n}-V_{\mathrm{in}}+\frac{I_s{Z}_1}{2}---\left(6\right)$

当开关管Q₁再次导通时，开关模态3结束。它的持续时间为：

t₂₃＝(1-D)T-t₀₁-t₁₂

4、开关模态4(t₃，t₄)对应图5(d)，功率管换流

t₃时刻，开关管Q₁再次导通，恒流源I_s/2开始由变压器原边转到开关管Q₁中。分析工作状态可得：

v_ds(t)＝0

$L_{\mathrm{\&sigma;}}\frac{{\mathrm{di}}_p}{\mathrm{dt}}+\frac{V_O}{n}=v_{\mathrm{ds}}\left(t\right)$

$I_p\left(t_3\right)=\frac{I_s}{2}$

由此可得主变压器原边电流为：

$i_p\left(t\right)=\frac{I_s}{2}-\frac{V_O}{{\mathrm{nL}}_{\mathrm{\&sigma;}}}(t-t_3)---\left(7\right)$

当主变压器原边电流i_p为零时，开关模态4结束。它的持续时间为：

$t_{34}=\frac{n{I}_s{L}_{\mathrm{\&sigma;}}}{{2V}_O}$

5、开关模态5(t₃，t₅)对应图5(e)，缓冲电容与谐振电感谐振

t₃时刻，开关管Q₁导通的同时，缓冲电容C_r1经开关管Q₁与谐振电感L_r1、续流二极管D_r1构成回路，C_r1与L_r1谐振。谐振电感上的电流和缓冲电容上的电压为：

$i_{L_{r1}}\left(t\right)=\frac{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}{Z_2}\sin {\mathrm{\&omega;}}_2(t-t_3)---\left(8\right)$

$V_{C_{r1}}\left(t\right)=V_{C_{r1}}\left(t_2\right)\cos {\mathrm{\&omega;}}_2(t-t_3)---\left(9\right)$

式中 ${\mathrm{\&omega;}}_2=1/\sqrt{L_r{C}_r},$ 是谐振电感L_r1与缓冲电容C_r1的谐振角频率； $Z_2=\sqrt{L_r/C_r},$ 是谐振电感L_r1与缓冲电容C_r1的特征阻抗； $T_2=2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L_r{C}_r},$ 是谐振电感L_r1与缓冲电容C_r1的谐振周期。

当 $V_{C_{r1}}\left(t_5\right)=-V_{\mathrm{in}}$ 时，D_s1导通，C_r1与L_r1停止谐振，开关模态5结束。

$V_{C_{r1}}\left(t_5\right)=V_{C_{r1}}\left(t_2\right)\cos {\mathrm{\&omega;}}_2(t_5-t_3)=-V_{\mathrm{in}}$

此模态持续时间为：

$t_{35}=\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_2}c{\mathrm{os}}^{-1}\left(\frac{-V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_2}[\mathrm{\&pi;}-{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)]$

在这段时间里，谐振电感的最大电流为 $I_{L_{r1\max }}=V_{C_{r1}}\left(t_2\right)/Z_2,$ 开关管Q₁流过的电流为变压器原边转到开关管Q₁中电流与谐振电感电流之和，即：

$i_{Q_1}\left(t\right)=\frac{I_s}{2}-i_p\left(t\right)+i_{L_{r1}}\left(t\right)$

开关管Q₁中最大电流为 $I_{Q_1\max }=\frac{I_s}{2}+\frac{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}{Z_2}.$

这里要说明的时，开关模态4和开关模态5在t₃时刻同时发生，开关模态4的持续时间t₃₄可以大于、等于或小于开关模态5的持续时间t₃₅。

当两开关模态持续时间相等，即 $t_{34}=\frac{{\mathrm{nI}}_s{L}_{\mathrm{\&sigma;}}}{{2V}_O}=t_{35}=\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_2}[\mathrm{\&pi;}-{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)]$ 时，必须满足： ${\mathrm{\&omega;}}_2=1/\sqrt{L_r{C}_r}=\frac{\mathrm{\&pi;}-{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)}{\frac{{\mathrm{nI}}_s{L}_{\mathrm{\&sigma;}}}{{2V}_O}}.$

谐振电感L_r和缓冲电容C_r的取值决定了开关模态4和开关模态5结束时间的先后。当 $1/\sqrt{L_r{C}_r}<\frac{\mathrm{\&pi;}-{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)}{\frac{{\mathrm{nI}}_s{L}_{\mathrm{\&sigma;}}}{{2V}_O}}$ 时，开关模态4的持续时间小于开关模态5的持续时间；当 $1/\sqrt{L_r{C}_r}<\frac{\mathrm{\&pi;}-{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)}{\frac{{\mathrm{nI}}_s{L}_{\mathrm{\&sigma;}}}{{2V}_O}}$ 时，开关模态4的持续时间等于开关模态5的持续时间；当 $1/\sqrt{L_r{C}_r}<\frac{\mathrm{\&pi;}-{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)}{\frac{{\mathrm{nI}}_s{L}_{\mathrm{\&sigma;}}}{{2V}_O}}$ 时，开关模态4的持续时间大于开关模态5的持续时间。

工作原理波形附图4中是以开关模态4的持续时间小于开关模态5的持续时间为例。

6、开关模态6(t₅，t₆)对应图5(f)，谐振电感放电

t₅时刻， $V_{C_{r1}}\left(t_5\right)=-V_{\mathrm{in}},D_{s1}$ 导通，L_r1、D_r1、D_s1与电源V_in形成回路，储存在谐振电感L_r1中的能量反馈到电源。在此模态中：

$L_r\frac{{\mathrm{di}}_{L_{r1}}}{\mathrm{dt}}+V_{\mathrm{in}}=0$

$i_{L_{r1}}\left(t_5\right)=\frac{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}{Z_2}\sin {\mathrm{\&omega;}}_2{t}_{35}=\frac{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}{Z_2}\sin \left[{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)\right]$

因此，谐振电感中电流线形下降：

$i_{L_{r1}}\left(t\right)=\frac{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}{Z_2}\sin \left[{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)\right]-\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_r}(t-t_5)---\left(10\right)$

当谐振电感L_r1中电流减小到零，即谐振电感L_r1中储存的能量全部反馈到电源时，开关模态6结束，在此开关模态中，由于D_s1的作用，缓冲电容C_r1上电压保持不变，恒定为-V_in。开关模态6持续时间为：

$t_{56}=\frac{\frac{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}{Z_2}\sin \left[{\cos }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{C_{r1}}\left(t_2\right)}\right)\right]}{\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_r}}$

7、开关模态7(t₆，t₇)对应图5(g)

t₆时刻，谐振电感L_r1上电流为零，缓冲电容C_r1上电压 $V_{C_{r1}}\left(t\right)=-V_{\mathrm{in}},$ LCD缓冲电路停止工作。两个恒流源分别通过开关管Q₁、Q₂与电源形成回路。

当开关管Q₂关断时，开关模态7结束。它的持续时间为：

$t_{67}=(D-\frac{1}{2})T-t_{35}-t_{56}$

t₇时刻开始，开关管Q₂关断，进入下半个开关周期。下半个开关周期的工作模态和上半个周期基本相同，不再赘述。

Claims (1)

1，一种采用无损吸收和具有耦合绕组的升压电感的隔离升压变换器，它的组成是电源(Vin)正负极两端既连于由第一升压电感(L₁)串联第一功率开关管(Q₁)的串联电路两端，同时又连于由第二升压电感(L₂)串联第二功率开关管(Q₂)的串联电路两端；第一升压电感(L₁)与第一功率开关管(Q₁)的串联点连于主变压器(T)原边绕组正端，而第二升压电感(L₂)与第二功率开关管(Q₂)的串联点连于主变压器原边绕组负端，主变压器副边绕组的输出连于由四个整流二极管(D₁～D₄)与滤波电容(C₁)所组成的整流滤波电路，其特点是第一缓冲电容(Cr₁)并联在由第一功率开关管(Q₁)、第一谐振电感(Lr₁)和第一续流二极管(Dr₁)组成串联电路上构成回路后再经第一隔离二极管(Ds₁)连于电源(Vin)正极组成一路无损吸收电路；第二缓冲电容(Cr₂)并联在由第二功率开关管(Q₂)、第二谐振电感(Lr₂)和第二续流二极管(Dr₂)组成的串联电路上构成回路后再经第二隔离二极管(Ds₂)连于电源(Vin)正极组成另一路无损吸收电路；在第一升压电感(L₁)上绕有一个耦合绕组(L_i ¹)，该耦合绕组串联一个续流二极管(D_f1)后并接于电源(V_in)两端，在第二升压电感(L₂)上饶有另一个耦合绕组(L₂′)，另一个耦合绕组串联另一个续流二极管(D_f2)后并接于电源(V_in)两端。

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