CN100446390C - 有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器 - Google Patents

有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开的有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器包括两个功率开关管，两个箝位开关管，两个箝位电容，两个续流二极管和两个耦合电感，两个耦合电感分别有三个绕组。本发明利用两个耦合电感的第二、第三绕组实现了变换器的高增益输出，利用两个箝位开关管与两个箝位电容组成的串联电路分别无损的吸收和转移了两个耦合电感的漏感能量，并实现了两个功率开关管的零电压开通，利用第一、第二功率开关管的并联电容实现了两个功率开关管的零电压关断，利用第一、第二功率开关管和第一、第二箝位开关管的门极安排，实现了两个箝位开关管的零电压开通和零电压关断，电路中无能量损耗元件，结构简单，可提高升压型交错并联电路的效率。

Description

有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器。具体说是有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器。
背景技术
常规的升压型(Boost)交错并联直流-直流变换器，包括两个电感，两个续流二极管，两个功率开关管，第一功率开关管的漏极与第一二极管的阳极及第一电感的一端相连，第二功率开关管的漏极与第二二极管的阳极及第二电感的一端相连，第一电感的另一端与第二电感的另一端相连。这种升压型交错并联直流-直流变换器输出电压增益较小，功率开关管的电压应力较大，功率开关管为硬开关工作，开关损耗较大，续流二极管的反向恢复电流较大，反向恢复损耗较大。近年来，相继研究了一些软开关电路，主要有两种：一种是通过附加有源功率开关和无源电感、电容等器件实现功率开关管的软开关；另一种是通过附加二极管和无源电感、电容等器件实现功率开关管的软开关。这两种方法虽然可以实现功率开关管的软开关，但是外加电路复杂，而且不能降低功率开关管的电压应力，也不能实现变换器的高增益功能。
发明内容
本发明的目的是提供输出电压增益高，输入电流纹波小，输出电流纹波小，结构简单，且无能量损耗的有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器。
本发明的技术解决方案是：有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器包括两个功率开关管，两个续流二极管、两个耦合电感和两个箝位开关管及两个箝位电容，两个耦合电感分别有三个绕组，第一耦合电感的第一绕组的一端与第二耦合电感的第一绕组的一端相连，第一耦合电感的第一绕组的另一端与第一功率开关管的漏极、第一耦合电感的第二绕组的一端及第一箝位开关管的源极相连，第一箝位开关管的漏极与第一箝位电容的一端相连，第一耦合电感的第二绕组的另一端与第二耦合电感的第三绕组的一端相连，第二耦合电感的第三绕组的另一端与第一续流二极管阳极相连，第二耦合电感的第一绕组的另一端与第二功率开关管的漏极、第二耦合电感的第二绕组的一端及第二箝位开关管的源极相连，第二箝位开关管的漏极与第二箝位电容的一端相连，第二耦合电感的第二绕组的另一端与第一耦合电感的第三绕组的一端相连，第一耦合电感的第三绕组的另一端与第二续流二极管阳极相连，第一续流二极管的阴极与第二续流二极管的阴极相连，第一功率开关管和第二功率开关管的漏、源极间分别存在并联电容，第一箝位电容和第二箝位电容的另一端共同与第一功率开关管及第二功率开关管的源极相连，或者共同与第一耦合电感的第一绕组及第二耦合电感的第一绕组的接点相连，或者共同与第一续流二极管及第二续流二极管的阴极共接。
工作时，利用两个耦合电感的第二、第三绕组实现了电路的高增益，由于第一功率开关管漏、源极间的并联电容、第二功率开关管漏、源极间的并联电容的存在，实现了第一功率开关管、第二功率开关管的零电压关断；第一、第二箝位电容收集第一耦合电感、第二耦合电感的漏感能量，并最终转移到输出端，实现了箝位电路的无损吸收。在整个开关周期中，通过控制第一功率开关管、第二功率开关管、第一箝位开关管、第二箝位开关管的门极脉冲，可使第一、第二功率开关管、第一、第二箝位开关管实现零电压开通和零电压关断。
本发明的有益效果在于：
本发明的有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器，利用第一、第二耦合电感的第二、第三绕组实现了变换器的高增益输出，利用第一、第二箝位开关管与第一、第二箝位电容组成的串联电路分别无损的吸收和转移了第一、第二耦合电感的漏感能量，并实现了第一、第二功率开关管的零电压开通，利用第一、第二功率开关管的并联电容实现了第一、第二功率开关管的零电压关断，利用第一、第二功率开关管和第一、第二箝位开关管的门极安排，实现了第一、第二箝位开关管的零电压开通和零电压关断，无需额外的电感元件，从而附加元件少，结构简单，成本低，无需额外的检测电路，电路中无能量损耗元件，可提高变换器的输出增益与电路效率，且换流过程中，功率开关管关断时无电压过冲，续流二极管关断时无电流过冲。
附图说明
图1是一种有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器的电路图；
图2是第二种有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器的电路图；
图3是第三种有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器的电路图；
图4是有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器的静态工作波形图。
具体实施方式
参见图1，本发明的有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器，包括两个功率开关管S1、S2，两个箝位开关管Sc1、Sc2，两个箝位电容Cc1、Cc2，两个续流二极管Do1、Do2和两个耦合电感，第一耦合电感有三个绕组L1a、L1b、L1c，第二耦合电感有三个绕组L2a、L2b、L2c，第一耦合电感的第一绕组L1a的一端与第二耦合电感的第一绕组L2a的一端相连，第一耦合电感的第一绕组L1a的另一端与第一功率开关管S1的漏极、第一箝位开关管Sc1的源极及第一耦合电感的第二绕组L1b的一端相连，第一箝位开关管Sc 1的漏极与第一箝位电容Cc1的一端相连，第一耦合电感的第二绕组L1b的另一端与第二耦合电感的第三绕组L2c的一端相连，第二耦合电感的第三绕组L2c的另一端与第一续流二极管Do1阳极相连，第二耦合电感的第一绕组L2a的另一端与第二功率开关管S2的漏极、第二箝位开关管Sc2的源极及第二耦合电感的第二绕组L2b的一端相连，第二箝位开关管Sc2的漏极与第二箝位电容Cc2的一端相连，第二耦合电感的第二绕组L2b的另一端与第一耦合电感的第三绕组L1c的一端相连，第一耦合电感的第三绕组L1c的另一端与第二续流二极管Do2阳极相连，第一续流二极管Do1的阴极与第二续流二极管Do2的阴极相连，图1所示具体实例中，第一箝位电容Cc1和第二箝位电容Cc2的另一端共同与第一功率开关管S1及第二功率开关管S2的源极相连。图中Llk1、Llk2为分别为第一耦合电感和第二耦合电感耦合电感的漏感。
或者也可以如图2所示，第一、第二箝位电容Cc1、Cc2的另一端共同与第一耦合电感的第一绕组L1a及第二耦合电感的第一绕组L2a的接点相连。图中Llk1、Llk2为分别为第一耦合电感和第二耦合电感耦合电感的漏感。
或者也可以如图3所示，第一、第二箝位电容Cc1、Cc2的另一端共同与第一续流二极管Do1及第二续流二极管Do2的阴极共接。图中Llk1、Llk2为分别为第一耦合电感和第二耦合电感耦合电感的漏感。
有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器存在四种工作过程(图1～图3所示变换器的工作过程相同)，第一功率开关管S1关断与第一箝位开关管Sc1开通之间的换流和第一箝位开关管Sc1关断与第一开关管S1开通之间的换流；第二功率开关管S2关断与第二箝位开关管Sc2开通之间的换流和第二箝位开关管Sc2关断与第二功率开关管S2开通之间的换流。由于电路的对称性，仅以第一功率开关管S1与第一箝位开关管Sc1之间的换流过程为例分析如下，静态工作波形参见图4。
第一功率开关管S1关断，第一箝位开关管Sc1开通的换流过程：
换流之前，电路处于第一功率开关管S1、第二功率开关管S2开通，第一续流二极管Do1、第二续流二极管Do2关断的稳定工作状态。当第一功率开关管S1关断时，由于第一功率开关管S1上并联电容的存在，第一功率开关管S1的电压vds1从零开始以一定斜率线性上升，即第一功率开关管S1实现了零电压关断。第一功率开关管S1的电压vds1上升到一定值时，第一箝位开关管Sc1的体内二极管开通，第一箝位开关管Sc1的电压vdsc1为零，第一耦合电感的漏感能量转移到第一箝位电容Cc1上，第一箝位开关管Sc1的体内二极管开通后，给出第一箝位开关Sc1的门极信号，实现了第一箝位开关管Sc1的零电压开通。在这个过程，第一续流二极管Do1导通，耦合电感能量开始向电路的输出端转移。之后，电路进入第一功率管S1关断，第一箝位开关管Sc1开通，第一续流二极管Do1开通的稳定运行状态。
第一箝位开关管Sc1关断，第一功率开关管S1开通的换流过程：
第一箝位开关管Sc1关断前，第一耦合电感的漏感与第一箝位电容Cc1谐振，第一续流二极管Do1处于导通的稳定运行工作状态。第一箝位开关管Sc1关断时，由于第一功率开关管S1上并联电容的存在，第一箝位开关管Sc1电压vdsc1从零开始以一定斜率线性上升，即第一箝位开关管Sc1实现了零电压开通。第一耦合电感的漏感与第一功率开关管S1上并联电容谐振，第一功率开关管S1上并联电容能量向第一耦合电感的漏感转移，第一功率开关管S1的电压vds1从一定值开始以一定斜率下降，当第一功率开关管S1的电压vds1下降到零时，第一功率开关管S1的体内二极管开通，第一功率开关管S1的体内二极管开通后，给出第一功率开关管S1门极信号，实现了第一功率开关管S1的零电压开通。第一续流二极管Do1电流iDo1从一定值开始以一定斜率下降，当第一续流二极管Do1电流iDo1下降到零时，第一续流二极管Do1关断。这样，第一续流二极管Do1的反向恢复电流为零，大大减小了第一续流二极管Do1带来的反向恢复损耗。之后，电路进入第一功率开关管S1导通，第一续流二极管Do1关断的稳定运行状态。

Claims (1)

1.有源箝位零电压软开关高增益升压型交错并联变换器，包括两个功率开关管(S1、S2)，两个续流二极管(Do1、Do2)和两个耦合电感，其特征是还包括两个箝位开关管(Sc1、Sc2)及两个箝位电容(Cc1、Cc2)，第一耦合电感有三个绕组(L1a、L1b、L1c)，第二耦合电感有三个绕组(L2a、L2b、L2c)，第一耦合电感的第一绕组(L1a)的一端与第二耦合电感的第一绕组(L2a)的一端相连，第一耦合电感的第一绕组(L1a)的另一端与第一功率开关管(S1)的漏极、第一箝位开关管(Sc1)的源极及第一耦合电感的第二绕组(L1b)的一端相连，第一箝位开关管(Sc1)的漏极与第一箝位电容(Cc1)的一端相连，第一耦合电感的第二绕组(L1b)的另一端与第二耦合电感的第三绕组(L2c)的一端相连，第二耦合电感的第三绕组(L2c)的另一端与第一续流二极管(Do1)阳极相连，第二耦合电感的第一绕组(L2a)的另一端与第二功率开关管(S2)的漏极、第二箝位开关管(Sc2)的源极及第二耦合电感的第二绕组(L2b)的一端相连，第二箝位开关管(Sc2)的漏极与第二箝位电容(Cc2)的一端相连，第二耦合电感的第二绕组(L2b)的另一端与第一耦合电感的第三绕组(L1c)的一端相连，第一耦合电感的第三绕组(L1c)的另一端与第二续流二极管(Do2)阳极相连，第一续流二极管(Do1)的阴极与第二续流二极管(Do2)的阴极相连，第一功率开关管(S1)和第二功率开关管(S2)的漏、源极间分别存在并联电容，第一箝位电容(Cc1)和第二箝位电容(Cc2)的另一端共同与第一功率开关管(S1)及第二功率开关管(S2)的源极相连，或者共同与第一耦合电感的第一绕组(L1a)及第二耦合电感的第一绕组(L2a)的接点相连，或者共同与第一续流二极管(Do1)及第二续流二极管(Do2)的阴极共接。
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