CN102832809A - 电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器 - Google Patents

电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开的电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，包括一个功率开关管，一个箝位二极管，一个整流二极管，一个耦合电感，一个调节电感，该变换器基本功能：利用了耦合电感的漏感来实现功率开关管的零电流开通，利用箝位二极管和箝位电容组成的无源箝位电路实现了功率开关管的软关断和漏感能量的无损转移，利用耦合电感的第二绕组和开关电容实现了变换器的高增益输出，利用电感调节输出电压范围避免耦合电感匝比过高，利用磁性元件双向工作减小磁性元件体积，变换器结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，可提高效率。该发明主要应用为：工作电压等级较低的可再生能源和新能源发电领域，如光伏发电、燃料电池发电等。

Description

电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器
技术领域
本发明涉及一种高增益直流-直流升压型变换器，该变换器通过线性电感、二极管和电容的组合实现无源箝位软开关。
背景技术
目前，公知的直流-直流变换技术中，能实现升压型传输的变换器包括：Boost斩波器、Buck-Boost斩波器、Cuk斩波器等，以及由变压器实现隔离升压传输的正激、反激、桥式、及推挽型变换器等。
无变压器或耦合电感升压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，开关损耗大。近年来相继研究了一些软开关变换器，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。
带变压器或耦合电感的变换器实现高增益，就要求变压器或耦合电感的原副边具有较高的匝数比，当变压器或耦合电感的原副边的工作电压相差较大时，原边就工作在低压、大电流状态；而副边则工作在高压、小电流状态，这给变压器或耦合电感的设计增加难度，而且变压器或耦合电感杂散参数对电路运行影响相对也会较大。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，其功率开关管少，结构简单，控制方便，无能量损耗的无源箝位软开关高增益升压变换器，且避免高匝比变压器或耦合电感的设计难度和变压器或耦合电感的杂散参数的影响。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，包括一个功率开关管，一个箝位二极管，一个箝位电容，一个整流二极管，一个开关电容，一个调节电感和一个耦合电感，一个输出滤波电容；耦合电感有两个绕组，耦合电感的第一绕组的一端与输入电源电压的正极相连，耦合电感的第一绕组的另一端与功率开关管的漏极、开关电容的一端和箝位二极管的阳极相连，开关电容的另一端和调节电感的一端相连，箝位二极管的阴极与整流二极管的阳极相连，耦合电感的第二绕组的一端与调节电感的另一端及整流二极管的阴极相连，耦合电感的第二绕组的另一端与输出滤波电容的一端及负载的一端相连，输入电源电压的负极与主功率开关管的源极、输出滤波电容的另一端及负载的另一端相连；
箝位电容可以有三种连接方法：
1.              箝位电容的一端与箝位二极管的阴极和整流二极管的阳极相连；其另一端与输入电源电压的负极相连；
2.              箝位电容的一端与箝位二极管的阴极和整流二极管的阳极相连；其另一端与输入电源电压的正极相连；
3.   箝位电容的一端与箝位二极管的阴极和整流二极管的阳极相连；其另一端与耦合电感的第二绕组的另一端相连。
 
所述的调节电感、耦合电感第一绕组和耦合电感第二绕组，可以按照磁集成的原理绕制在同一个磁芯体上。
工作时，利用耦合电感的漏感实现功率开关管的零电流开通以及整流二极管的软关断；功率开关管关断时，由于箝位二极管和箝位电容的存在，实现了功率开关管的软箝位关断。同时，每个开关周期箝位电容吸收耦合电感的漏感能量最终转移到负载，实现了无源箝位变换器的无损运行。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，具有这样的有益效果：本发明利用了耦合电感的漏感来实现功率开关管的零电流开通，利用箝位二极管和箝位电容组成无源箝位电路实现了功率开关管的软关断和漏感能量的无损转移，利用耦合电感的第二绕组和调节电感及开关电容实现了变换器的高增益输出，避免变压器或耦合电感的原副边具有较高的匝数比，减小变压器或耦合电感的设计难度和变压器或耦合电感杂散参数对电路运行影响。本发明具有结构简单，控制方便等特点，电路中无能量损耗元件，可以提高升压型变换器效率，且换流过程中，功率开关管关断时无电压过冲。本发明可应用于：工作电压等级较低的可再生能源和新能源发电领域，如光伏发电、燃料电池发电等。
附图说明
图1是第一种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器电路图；
图2是第二种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器电路图；
图3是第三种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器电路图；
图4是电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器的静态工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明的电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，如图1所示，它包括一个功率开关管S，一个箝位二极管D1，一个箝位电容C1，一个整流二极管D2，一个开关电容C2，一个调节电感L2和一个耦合电感，一个输出滤波电容Co，负载Z，耦合电感有两个绕组L1a、L1b，耦合电感的第一绕组L1a的一端与输入电压Vin的正极相连，耦合电感的第一绕组L1a的另一端与功率开关管S的漏极和开关电容C2的一端及箝位二极管D1的阳极相连，开关电容C2的另一端和调节电感L2的一端相连，箝位二极管D1的阴极与箝位电容C1的一端及整流二极管D2的阳极相连，耦合电感的第二绕组L1b的一端与调节电感L2的另一端及整流二极管D2的阴极相连，耦合电感的第二绕组L1b的另一端与输出滤波电容Co的一端及负载Z的一端相连，输入直流电压Vin的负极与主功率开关管S的源极和箝位电容C1的另一端及输出滤波电容Co的另一端、负载Z的另一端相连。
本发明的电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，其箝位电容的另外两种连接方式：
如图2所示，箝位电容C1的另一端换成与输入电压Vin的正极及耦合电感的第一绕组L1a的一端相连；
如图3所示，箝位电容C1的另一端换成与耦合电感的第二绕组L1b的另一端和输出滤波电容Co的一端及负载Z的一端相连。
电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器存在七种工作过程（图1至图3所示变换器工作过程相同），主要包含以下过程：功率开关管S开通过程；功率开关管S开通后耦合电感第二绕组L1b的换流过程；功率开关管S关断与箝位二极管D1开通的换流过程；整流二极管D2开通过程；箝位二极管D1关断过程；工作过程分析如下，静态工作波形参见图4：
功率开关管S开通过程
功率开关管S开通时，耦合电感漏感电流为零，耦合电感第二绕组L1b电流不为零，根据磁性元件存储能量原则，功率开关管S电流以一定斜率上升，实现了功率开关管S的零电流开通。
功率开关管S开通后耦合电感第二绕组L1b的换流过程
换流前，耦合电感第二绕组L1b处于向负载转移能量的稳定状态，功率开关管S开通后，整流二极管D2的电流以一定的斜率线性下降，当整流二极管D2的电流下降到零时，耦合电感第二绕组L1b开始通过调节电感L2向开关电容C2充电，以提高升压型变换器增益。
功率开关管S关断与箝位二极管D1开通的换流过程
换流前，电路处于功率开关管S导通，箝位二极管D1关断的稳定状态。当功率开关管S关断时，功率开关管S电压迅速上升、箝位二极管D1两端电压迅速下降到零，箝位二极管D1开通，由于箝位电容C1的作用，功率开关管S两端电压被箝位在一定电压值，实现了开关管S的软箝位关断。
整流二极管D2开通过程
箝位二极管D1开通后，箝位电容C1的电压从一定值以一定斜率线性上升，整流二极管D2两端的电压线性下降到零，整流二极管D2开通。电路进入功率开关管S关断，箝位二极管D1导通，整流二极管D2导通的稳定状态。
箝位二极管D1关断过程
整流二极管D2导通后，耦合电感的能量向负载转移，箝位二极管D1上的电流以一定的斜率线性下降，当箝位二极管D1的电流下降到零时，箝位二极管D1自然关断。电路进入功率开关管S关断，箝位二极管D1关断，整流二极管D2导通，箝位电容C1上的能量向负载转移的稳定工作状态。

Claims (4)

1.一种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，包括一个功率开关管，一个箝位二极管，一个箝位电容，一个整流二极管，一个开关电容，一个调节电感和一个耦合电感，一个输出滤波电容，其特征在于：耦合电感有两个绕组，耦合电感的第一绕组的一端与输入电源电压的正极相连，耦合电感的第一绕组的另一端与功率开关管的漏极、开关电容的一端和箝位二极管的阳极相连，开关电容的另一端和调节电感的一端相连，箝位二极管的阴极与整流二极管的阳极相连，耦合电感的第二绕组的一端与调节电感的另一端及整流二极管的阴极相连，耦合电感的第二绕组的另一端与输出滤波电容的一端及负载的一端相连，输入电源电压的负极与主功率开关管的源极、输出滤波电容的另一端及负载的另一端相连；箝位电容的一端与箝位二极管的阴极和整流二极管的阳极相连；其另一端与输入电源电压的负极相连。
2.一种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，包括一个功率开关管，一个箝位二极管，一个箝位电容，一个整流二极管，一个开关电容，一个调节电感和一个耦合电感，一个输出滤波电容，其特征在于：耦合电感有两个绕组，耦合电感的第一绕组的一端与输入电源电压的正极相连，耦合电感的第一绕组的另一端与功率开关管的漏极、开关电容的一端和箝位二极管的阳极相连，开关电容的另一端和调节电感的一端相连，箝位二极管的阴极与整流二极管的阳极相连，耦合电感的第二绕组的一端与调节电感的另一端及整流二极管的阴极相连，耦合电感的第二绕组的另一端与输出滤波电容的一端及负载的一端相连，输入电源电压的负极与主功率开关管的源极、输出滤波电容的另一端及负载的另一端相连；箝位电容的一端与箝位二极管的阴极和整流二极管的阳极相连；其另一端与输入电源电压的正极相连。
3.一种电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，包括一个功率开关管，一个箝位二极管，一个箝位电容，一个整流二极管，一个开关电容，一个调节电感和一个耦合电感，一个输出滤波电容，其特征在于：耦合电感有两个绕组，耦合电感的第一绕组的一端与输入电源电压的正极相连，耦合电感的第一绕组的另一端与功率开关管的漏极、开关电容的一端和箝位二极管的阳极相连，开关电容的另一端和调节电感的一端相连，箝位二极管的阴极与整流二极管的阳极相连，耦合电感的第二绕组的一端与调节电感的另一端及整流二极管的阴极相连，耦合电感的第二绕组的另一端与输出滤波电容的一端及负载的一端相连，输入电源电压的负极与主功率开关管的源极、输出滤波电容的另一端及负载的另一端相连；箝位电容的一端与箝位二极管的阴极和整流二极管的阳极相连；其另一端与耦合电感的第二绕组的另一端相连。
4.根据权利要求1—3所述的电感调节开关电容式无源箝位软开关高增益升压型变换器，其特征是：所述的调节电感、耦合电感第一绕组和耦合电感第二绕组，可以按照磁集成的原理绕制在同一个磁芯体上。
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