CN102412728B - 链式大功率正向升压直流变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链式大功率正向升压直流变换电路，由两个功率开关MOS管Q1、Q2，一个无耦合高频链式正向升压变压器B，一个次级同步整流电路，一个输出滤波电感L，和一个输出滤波电容C构成；电源输入形成双回路，一个回路为输入电源正端从无耦合高频链式正向升压变压器B的1脚输入，由2、3脚分别经Q1、Q2流回输入负端；另一个回路为输入电源正端从无耦合高频链式正向升压变压器B的1脚输入，由4、5脚升压后分别经次级同步整流电路整流，L、C滤波，再依次经输出负载正端、负端流回输入的负端。本发明实现了正向升压电源体积减小50%，输出功率增加了一倍，效率提高10%，效率最高可以达到96%。

Description

链式大功率正向升压直流变换电路

技术领域

本发明涉及一种链式大功率正向升压直流变换电路。

背景技术

目前国内外正向升压开关电源的电路常用的有BOOST升压电路和基于反激的升压电路拓扑等。

BOOST升压电路的主电路图如图1所示，其工作原理是：输入电源通过功率开关管Q的通断将储能电感L储能并与输入电压叠加后经隔离二极管D传递给输出电容C，完成升压过程。

基于反激的升压拓扑主电路图如图2所示，当开关管Q导通时，变压器B的初级线圈储能，当开关管截止时初级储能再经高频变压器耦合给次级，通过初次级匝比设计，实现升压过程。高频变压器在初次级耦合过程中有能量损失，会降低整机效率。

无论是BOOST升压电路还是反激升压电路都是单支功率管的电路结构，即便是可以采用多支功率管并联的形式，但由于并联功率管之间的均流及功率管自身的正温度系数特性等因素不同，在实际使用中难以扩充功率，因此这两种电路通常最大只能输出几百瓦的功率，难以满足市场对大功率升压电源的需求。

再者，两者都是通过初级电感储能后再进行能量传递，目前受磁性材料及导磁率等方面的限制，使得储能电感及反激变压器的磁材尺寸较大，磁材利用率较低，整体功率密度较低，产品在极限应用时易出现磁材饱和并导致电路损坏情况。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术存在的正向升压式直流变换器的输出功率低、体积大、效率低、可靠性低的缺陷，提供一种链式大功率正向升压直流变换电路，它实现了正向升压电源在相同功率和电气参数的要求下，体积减小50%，输出功率增加了一倍，效率提高10%，效率最高可以达到96%。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种链式大功率正向升压直流变换电路，所述电路由两个功率开关MOS管Q1、Q2，一个无耦合高频链式正向升压变压器B，一个次级同步整流电路，一个输出滤波电感L，和一个输出滤波电容C构成；电源输入形成双回路，一个回路为输入电源正端从无耦合高频链式正向升压变压器B的1脚输入， 由2、3 脚分别经Q1、Q2流回输入负端；另一个回路为输入电源正端从无耦合高频链式正向升压变压器B的1脚输入，由4、5 脚升压后分别经次级同步整流电路整流，L、C滤波，再依次经输出负载正端、负端流回输入的负端。

所述次级同步整流电路由两个输出快速恢复二极管D1、D2构成。

或者，所述次级同步整流电路由两个MOS管P1、P2构成。

本发明的工作为：

1、当Q1导通，Q2截止，无耦合高频链式正向升压变压器B电流方向由1到2，D2导通，L、C为储能滤波元件，同时提供输出电压，输出电压＝K*D*Vin，其中， K为匝数比；D为占空比； Vin为输入直流电压；由于匝数比K＞1，因此输出电压较输入电压高。

2、当Q1截止，Q2导通，无耦合高频链式正向升压变压器B电流方向由1到3，D1导通，为L、C储能滤波，提供输出电压。

上述过程依次变换，高频变压器随Q1、Q2交错驱动双极性磁极化工作，即可以为输出提供升压电压值。

3、为了避免Q1、Q2同时导通，导致输入端短路，在Q1、Q2交替导通间隔内设置了死区时间，即Q1、Q2在死区时间内需同时截止。

本发明链式大功率正向升压直流变换电路创造了互为交错增功率驱动、无耦合高频链式正向升压变压器的全新电路拓扑。

本发明链式大功率正向升压直流变换电路互为交错增功率驱动建立了大功率输出的双管驱动结构，以交错导通的方式每支开关管占空比为0-50%，使输出功率比单管电路拓扑的输出功率提升了一倍。

本发明链式大功率正向升压直流变换电路突破了传统设计，依据电磁感应原理，直接将目前传统的初次级两个线圈高度集成为一个具有对称结构的升压能量链。升压链式高频变压器特点是节省了一组线圈，集成并共用了初级线圈，可以最大限度的将初级功率经升压后传递至输出端，改变了目前传统高频变压器需初次级耦合进行能量交换，其传输效率在国内外高频变压器领域内为最高，并且节省了线圈所用铜线，减小磁材的体积和用料。

附图说明

图1为BOOST升压电路图。

图2为反激升压电路图

图3为本发明所述链式大功率升压直流变换电路图。

图4为单管电路与双管电路的工作过程对比图。

图5本本发明所述链式大功率升压直流变换电路延伸拓扑图。

图6为本发明所述链式大功率升压直流变换电路DC12V升压DC24V实例原理图。

具体实施方式

如图3所示，本发明提供了一种链式大功率正向升压直流变换电路，所述电路由两个功率开关MOS管Q1、Q2，一个无耦合高频链式正向升压变压器B，两个输出快速恢复二极管D1、D2，一个输出滤波电感L，和一个输出滤波电容C构成；电源输入形成双回路，一个回路为输入电源正端从无耦合高频链式正向升压变压器B的1脚输入， 由2、3 脚分别经Q1、Q2流回输入负端；另一个回路为输入电源正端从无耦合高频链式正向升压变压器B的1脚输入，由4、5 脚升压后分别经D1、D2整流，L、C滤波，再依次经输出负载正端、负端流回输入的负端。

本发明的工作过程如图3所示：

1、当Q1导通，Q2截止，无耦合高频链式正向升压变压器B电流方向由1到2，D2导通，为L、C储能滤波，提供输出电压，输出电压＝K*D*Vin，由于匝数比K＞1，因此输出电压较输入电压高。

2、当Q1截止，Q2导通，无耦合高频链式正向升压变压器B电流方向由1到3，D1导通，为L、C储能滤波，提供输出电压。

上述过程依次变换，高频变压器随Q1、Q2交错驱动双极性磁极化工作，即可以为输出提供升压电压值。

3、为了避免Q1、Q2同时导通，导致输入端短路，在Q1、Q2交替导通间隔内设置了死区时间，即Q1、Q2在死区时间内需同时截止。

本发明链式大功率正向升压直流变换电路创造了互为交错增功率驱动、无耦合高频链式正向升压变压器的全新电路拓扑。

本发明链式大功率正向升压直流变换电路互为交错增功率驱动建立了大功率输出的双管驱动结构，以交错导通的方式每支开关管占空比为0-50%，使输出功率比单管电路拓扑的输出功率提升了一倍。

本发明链式大功率正向升压直流变换电路突破了传统设计，依据电磁感应原理，直接将目前传统的初次级两个线圈高度集成为一个具有对称结构的升压能量链。升压链式高频变压器特点是节省了一组线圈，集成并共用了初级线圈，可以最大限度的将初级功率经升压后传递至输出端，改变了目前传统高频变压器需初次级耦合进行能量交换，其传输效率在国内外高频变压器领域内为最高，并且节省了线圈所用铜线，减小磁材的体积和用料。

本发明的特点有：

1、提升功率：

图4为单管与双管的工作过程对比，由图中可以看出，双管驱动，即两支功率管交错工作，每支功率管的占空比近50%，功率能够提升一倍。有本发明电路的变压器样机，其单台输出功率轻松实现1.5KW，输出各项参数满足GB/T 17478-2004直流电源设备的性能特性的要求。

2、输出电性能优异：

经反复的计算和试验验证，双管交错驱动的设计方式，在电路工作过程中使电路输出电压波形可以完全对称，在相同频率状态下，输出瞬态响应速度极高，升压后的输出电压和电流调整率均小于0.5%。

3、极高的功率密度：

双管交错驱动使高频变压器磁芯在工作状态，高频变压器属于两极性磁极化，磁感应变化范围是单极性磁极化的两倍以上，磁芯利用率高，磁芯体积仅需上述反激等电路所用磁芯的一半。本发明更具有高功率密度的特点。

4、提高了转换效率：

本发明设计为无耦合的链式结构，消除目前常规拓扑结构高频变压器的初次级间耦合过程的能量丢失，提高了变压器的转换效率，效率提高10%，效率最高可以达到96%。同时高频变压器的这种无耦合链式结构，依据了电磁感应原理，电压平均分配在绕组内部，彻底的消除了耦合的不利因素，实现了电源行业内对于输入与输出具有极大变比要求的升压直流变换电源，仍具有很高效率的理想，节约能源。

5、由本发明电路设计的变压器生产工艺容易控制：

本发明电路设计简洁、新颖，直接将目前传统的初次级两个线圈集成在一起，使得变压器绕制更容易。

目前常规拓扑结构高频变压器的绕制工艺复杂，为了增加线圈间的耦合，通常不得不采用复杂的“三明治”绕法，线圈利用率降低，工艺控制一致性差。

本发明完全通过高频变压器的匝数比，将输入电压提高至所需值，在绕制变压器线圈时需双线并绕和抽头输出的绕线工艺即可，并且磁芯不需要开气隙，生产工艺更容易控制。

因而，本发明带来的有益效果有：

本发明在国内外开关电源领域创造了一种全新的电路拓扑，解决了传统的升压式直流变换器输出功率低、体积大、效率低、可靠性低的弊端。提升了升压电路的输出功率、输出电性能优异、具有极高的功率密度、无耦合高频链式正向升压变压器提高了转换效率、生产工艺容易控制。

本发明实现了升压电源在相同功率和电气参数的要求下，体积减小50%，效率提高10%，效率最高可以达到96%。该发明市场前景广阔，主要包括车载升压变换、激光供电电源、静电除尘、LED照明、太阳能光伏发电、风力发电等领域。

在本发明方案基础上将输出整流二级管用MOS管拓展成次级同步整流电路，接线图见图5， 图5中P1、P2为MOS管，替代了原有的整流管D1、D2，实现同步整流。

本发明在实际应用中的具体实施：

如图6所示，本发明提供了一种在车载升压变换领域的应用：

车载供电一般为DC12V，很多大功率的电子设备需要提供DC24V的电压，原有电路形式其输出功率为0-600W，但采用本发明可以将输出功率提升至3000W，并且体积小、重量轻，更适合于车载使用环境。

如图6所示，电路的拓扑形式采用本发明电路，主控芯片采用TL494，主变压器B选用了EE55磁芯，Q1、Q2选用IPP05CN10L，D1、D2选用MUR3020。将TL494工作频率设定为280KHz，主变压器B采用双线并绕抽头引出方式，输出功率为2000W，实测效率为95.8%。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种链式大功率正向升压直流变换电路，其特征在于：所述电路由两个功率开关MOS管Q1、Q2，一个无耦合高频链式正向升压变压器B，一个次级同步整流电路，一个输出滤波电感L，和一个输出滤波电容C构成；电源输入形成双回路，一个回路为输入电源正端从无耦合高频链式正向升压变压器B的1脚输入， 由2、3 脚分别经Q1、Q2流回输入负端；另一个回路为输入电源正端从无耦合高频链式正向升压变压器B的1脚输入，由4、5 脚升压后分别经次级同步整流电路整流，L、C滤波，再依次经输出负载正端、负端流回输入的负端。

2.如权利要求1所述的链式大功率正向升压直流变换电路，其特征在于：所述次级同步整流电路由两个输出快速恢复二极管D1、D2构成。

3.如权利要求1所述的链式大功率正向升压直流变换电路，其特征在于：所述次级同步整流电路由两个MOS管P1、P2构成。