CN101714815A - 耦合电感实现高增益倍压升压型变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括两个开关管，两个箝位二极管，一个续流二极管，一个输出二极管，一个箝位电容，一个倍压电容，一个输出电容和两个分别带有两个绕组的耦合电感，本发明利用两个耦合电感提高变换器的增益并降低变换器中开关管和二极管的电压应力，利用耦合电感的漏感实现开关管的零电流开通和二极管的软关断，箝位二极管和箝位电容组成的箝位电路吸收漏感造成的开关管关断电压尖峰和实现能量的无损转移，利用倍压电路进一步提高变换器的增益并降低开关管及输出二极管的电压应力，利用交错并联控制降低输入电流的纹波。

Description

耦合电感实现高增益倍压升压型变换器

技术领域

本发明涉及一种直流-直流变换器及应用，具体说是耦合电感实现高增益倍压升压型变换器。

背景技术

在可再生能源发电系统中，由于许多可再生能源发出的电能都是电压较低的直流电，而并网发电系统需要电压较高的直流母线，因此需要直流-直流变换器把低电压直流电转换为适合并网的高电压直流电。低输入电流纹波、高增益、高效率的非隔离型变换器在可再生能源并网发电领域里有着重要的作用。

常规的升压型(Boost)交错并联直流-直流变换器的输出电压增益较小，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，通过附加有源功率开关管和无源电感、电容等器件或是通过附加二极管和无源电感、电容等器件来实现功率开关管的软开关。软开关电路虽然可以实现功率开关管的软开关，但是不能降低功率开关管的电压应力，也没有拓展变换器的增益。有一种用开关电容的方法实现变换器增益的拓展，但该方法有瞬间电流冲击，而且要实现很高的输出电压时所需开关电容数量多，结构复杂；还有一种用三绕组耦合电感的方法实现变换器增益的拓展，但该方法的耦合电感结构复杂，不利于工业化生产。

发明内容

本发明提供一种低输入电流纹波，结构简单且无能量损耗的耦合电感实现高增益倍压升压型变换器。

一种耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括Boost升压电路单元、倍压电路单元和输出电路单元，

变换器中的Boost升压电路单元由两个绕组、两个开关管、两个箝位二极管和一个箝位电容构成，其中：

第一绕组的第一端与第二绕组的第一端及电源的正极相连，第一绕组的第二端与第一开关管的漏极相连，第二绕组的第二端与第二开关管的漏极相连，第一开关管的源极和第二开关管的源极及电源的负极相连，第一箝位二极管的阳极与第一开关管的漏极相连，第二箝位二极管的阳极与第二开关管的漏极相连，第一箝位二极管的阴极和第二箝位二极管的阴极及箝位电容的第一端相连，箝位电容的第二端与电源的负极相连；

变换器中的倍压电路单元包括，

a)第一串联支路，由第三绕组和第四绕组及倍压电容串联构成，其中第一绕组和第三绕组同为一个耦合电感中的两个绕组，第二绕组和第四绕组同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一绕组的第一端和第二绕组的第一端为参照端，第三绕组和第四绕组中的参照端的同名端或异名端相连；

所述的第一串联支路，第三绕组、第四绕组和倍压电容的位置关系可以互换。

b)与第一串联支路并联的续流二极管，所述的续流二极管的阳极与箝位电容的第一端相连；

变换器的输出电路单元中，输出二极管的阳极与续流二极管的阴极相连，输出二极管的阴极与输出电容的第一端相连，输出电容的第二端与电源的负极相连。

所述的变换器中的箝位电容的第二端还可以与电源正极相连。

所述的变换器中的箝位电容的第二端还可以与输出电容的第一端相连。

所述的变换器，其第一箝位二极管、第二箝位二极管、续流二极管和输出二极管中的一个或多个改成同步整流管，均能正常工作。

本发明变换器工作时，利用耦合电感的变压器效应实现了变换器增益的拓展，降低了第一开关管、第二开关管、第一箝位二极管和第二箝位二极管的电压应力，使高性能的开关管器件的应用成为可能，从而减小开关管的导通损耗和开关损耗，而相比于高电压应力的二极管，电压应力较低的二极管不仅导通压降更小，而且反向恢复特性更好，进一步减小了变换器的损耗。倍压电路单元的引入进一步提高了电路的增益并降低了器件的电压应力；利用耦合电感的漏感实现了第一开关管和第二开关管的零电流开通；同时利用耦合电感的漏感还实现了续流二极管和输出二极管的软关断；利用第一箝位二极管、第二箝位二极管和箝位电容吸收漏感的能量，使第一开关管和第二开关管关断时无电压尖峰，并且吸收的漏感能量最终传递到负载，实现无损吸收；利用交错控制降低了输入电流的纹波并提高系统的功率等级。

本发明中无需额外的功率开关和电感元件，附件元件少，结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，可提高升压型交错并联电路的效率，且换流过程中，功率开关管关断时无电压过冲，续流二极管开通时无电流过冲。耦合电感在对应的开关管开通和关断时都传递能量，提高了耦合电感的利用率，降低了耦合电感的体积。

附图说明

图1是本发明耦合电感实现高增益倍压升压型变换器的电路图；

图2是图1中变换器第二种连接方式的电路图；

图3是图1中变换器第三种连接方式的电路图。

具体实施方式

参见图1，本发明的耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括Boost升压电路单元、倍压电路单元和输出电路单元三部分。

变换器中的Boost升压电路单元中，第一绕组L₁的第一端与第二绕组L₂的第一端及电源Vin的正极相连，第一绕组L₁的第二端与第一开关管S₁的漏极相连，第二绕组L₂的第二端与第二开关管S₂的漏极相连，第一开关管S₁的源极和第二开关管S₂的源极及电源Vin的负极相连，第一箝位二极管Dc₁的阳极与第一开关管S₁的漏极相连，第二箝位二极管Dc₂的阳极与第二开关管S₂的漏极相连，第一箝位二极管Dc₁的阴极和第二箝位二极管Dc₂的阴极及箝位电容Cc的第一端相连，箝位电容Cc的第二端与电源Vin的负极相连；

变换器中的倍压电路单元包括，

a)第一串联支路，由第三绕组L₃和第四绕组L₄及倍压电容Cm串联构成，其中第一绕组L₁和第三绕组L₃同为一个耦合电感中的两个绕组，第二绕组L₂和第四绕组L₄同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一绕组L₁的第一端和第二绕组L₂的第一端为参照端，第三绕组L₃和第四绕组L₄中的参照端的异名端相连；图中由“о”标记了第一绕组L₁和第三绕组L₃的同名端，由“＊”标记了第二绕组L₂和第四绕组L₄的同名端。

b)与第一串联支路并联的续流二极管Dr，所述的续流二极管Dr的阳极与箝位电容Cc的第一端相连；

变换器中的输出电路单元中，输出二极管Do的阳极与续流二极管Dr的阴极相连，输出二极管Do的阴极与输出电容Co的第一端相连，输出电容Co的第二端与电源Vin的负极相连。

输出电容Co的电压为Vout，能量最终传递给负载Ro。

参见图2，变换器存在第二种连接方式，与图1中电路不同之处在于，箝位电容Cc的第二端与电源Vin正极相连。

参见图3，变换器存在第三种连接方式，与图1中电路不同之处在于，箝位电容Cc的第二端还可以与输出电容Co的第一端相连。

耦合电感实现高增益倍压升压型变换器在一个开关周期内有八种工作过程，图1～图3中的变换器的工作过程大体相同，即第一开关管S₁关断与第一箝位二极管Dc₁开通之间的换流；输出二极管Do导通过程；第一箝位二极管Dc₁关断过程；输出二极管Do关断与第一开关管S₁开通之间的换流过程；第二开关管S₂关断与第二箝位二极管Dc₂开通之间的换流；续流二极管Dr导通过程；第二箝位二极管Dc₂关断过程；续流二极管Dr关断与第二开关管S₂开通之间的换流过程。

第一开关管S₁关断与第一箝位二极管Dc₁开通之间的换流：

换流前，电路处于第一开关管S₁、第二开关管S₂导通，第一箝位二极管Dc₁、第二箝位二极管Dc₂关断，续流二极管Dr关断，输出二极管Do关断的稳定工作状态。当第一开关管S₁关断时，第一开关管S₁上电压迅速上升、第一箝位二极管Dc₁两端的电压迅速下降至零，第一箝位二极管Dc₁开通，由于箝位电容Cc的作用，第一开关管S₁两端的电压被箝位为一定电压值，实现了第一开关管S₁的软箝位关断。

输出二极管Do导通过程：

第一箝位二极管Dc₁开通后，箝位电容Cc上的电压从一定值以一定斜率线性上升，输出二极管Do两端的电压线性下降到零，输出二极管Do开通，能量开始从倍压电容Cm和耦合电感中转移到负载Ro。电路进入第一开关管S₁关断，第一箝位二极管Dc₁导通，输出二极管Do导通的稳定工作状态。

第一箝位二极管Dc₁关断过程：

输出二极管Do导通后，第一箝位二极管Dc₁上的电流以一定的斜率线性下降，当第一箝位二极管Dc₁上的电流下降到零时，第一箝位二极管Dc₁自然关断，能量从箝位电容Cc、倍压电容Cm和耦合电感中转移到负载Ro。电路进入第一开关管S₁关断，第一箝位二极管Dc₁关断，输出二极管Do导通的稳定工作状态。

输出二极管Do关断与第一开关管S₁开通之间的换流过程：

第一开关管S₁的门极信号给出，第一开关管S₁的电流从零以一定斜率线性上升，实现了第一开关管S₁的零电流开通，输出二极管Do的电流以一定的斜率线性下降，当输出二极管Do的电流下降到零时，输出二极管Do关断，实现了输出二极管Do关断与第一开关管S₁开通之间的换流，减小了输出二极管Do导致的反向恢复损耗。

第二开关管S₂关断与第二箝位二极管Dc₂开通之间的换流：

由于电路的对称性，该过程与第一开关管S₁关断与第一箝位二极管Dc₁开通之间的换流过程相似，之后电路处于第二开关管S₂关断，第二箝位二极管Dc₂导通的工作状态。

续流二极管Dr导通过程：

第箝位二极管Dc₂开通后，箝位电容Cc上的电压从一定值以一定斜率线性上升，续流二极管Dr两端的电压线性下降到零，续流二极管Dr开通，能量开始转移到倍压电容Cm。电路进入第二开关管S₂关断，第二箝位二极管Dc₂导通，续流二极管Dr导通的稳定工作状态。

第二箝位二极管Dc₂关断过程：

续流二极管Dr导通后，第二箝位二极管Dc₂上的电流以一定的斜率线性下降，当第二箝位二极管Dc₂上的电流下降到零时，第二箝位二极管Dc₂自然关断。电路进入第二开关管S₂关断，第二箝位二极管Dc₂关断，续流二极管Dr导通的稳定工作状态。

续流二极管Dr关断与第二开关管S₂开通之间的换流过程：

第二开关管S₂的门极信号给出，第二开关管S₂的电流从零以一定斜率线性上升，实现了第二开关管S₂的零电流开通，续流二极管Dr的电流以一定的斜率线性下降，当续流二极管Dr的电流下降到零时，续流二极管Dr关断，实现了续流二极管Dr关断与第二开关管S₂开通之间的换流，减小了续流二极管Dr导致的反向恢复损耗。

Claims (3)

1.一种耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括Boost升压电路单元、倍压电路单元和输出电路单元，其特征在于，

所述的Boost升压电路单元由两个绕组、两个开关管、两个箝位二极管和一个箝位电容构成，其中：

第一绕组(L₁)的第一端与第二绕组(L₂)的第一端及电源(Vin)的正极相连，第一绕组(L₁)的第二端与第一开关管(S₁)的漏极相连，第二绕组(L₂)的第二端与第二开关管(S₂)的漏极相连，第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的源极及电源(Vin)的负极相连，第一箝位二极管(Dc₁)的阳极与第一开关管(S₁)的漏极相连，第二箝位二极管(Dc₂)的阳极与第二开关管(S₂)的漏极相连，第一箝位二极管(Dc₁)的阴极和第二箝位二极管(Dc₂)的阴极及箝位电容(Cc)的第一端相连，箝位电容(Cc)的第二端与电源(Vin)的负极相连；

所述的倍压电路单元包括，

a)第一串联支路，由第三绕组(L₃)和第四绕组(L₄)及倍压电容(Cm)串联构成，其中第一绕组(L₁)和第三绕组(L₃)同为一个耦合电感中的两个绕组，第二绕组(L₂)和第四绕组(L₄)同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一绕组(L₁)的第一端和第二绕组(L₂)的第一端为参照端，第三绕组(L₃)和第四绕组(L₄)中的参照端的同名端或异名端相连；

b)与第一串联支路并联的续流二极管(Dr)，所述的续流二极管(Dr)的阳极与箝位电容(Cc)的第一端相连；

所述的输出电路单元中，输出二极管(Do)的阳极与续流二极管(Dr)的阴极相连，输出二极管(Do)的阴极与输出电容(Co)的第一端相连，输出电容(Co)的第二端与电源(Vin)的负极相连。

2.如权利要求1所述的耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，其特征在于，箝位电容(Cc)的第二端与电源(Vin)正极相连。

3.如权利要求1所述的耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，其特征在于，箝位电容(Cc)的第二端与输出电容(Co)的第一端相连。

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