CN103078509A - 一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器 - Google Patents

一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN103078509A
CN103078509A CN2013100325259A CN201310032525A CN103078509A CN 103078509 A CN103078509 A CN 103078509A CN 2013100325259 A CN2013100325259 A CN 2013100325259A CN 201310032525 A CN201310032525 A CN 201310032525A CN 103078509 A CN103078509 A CN 103078509A
Authority
CN
China
Prior art keywords
input
output
switching tube
circuit
converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2013100325259A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103078509B (zh
Inventor
赵晋斌
刘海先
屈克庆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai University of Electric Power
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
Shanghai University of Electric Power
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai University of Electric Power filed Critical Shanghai University of Electric Power
Priority to CN201310032525.9A priority Critical patent/CN103078509B/zh
Publication of CN103078509A publication Critical patent/CN103078509A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103078509B publication Critical patent/CN103078509B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明涉及一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，包括输入电源、开关管电路、钳位电容C1和C2、变压器T1和T2、二极管电路以及输出电路，所述的输入电源和开关管电路输入端之间连接有输入电容Ci1、Ci2，Ci1、Ci2串联后连接在输入电源两端，所述的开关管电路包括依次串联的开关管S1、S2、S3和S4，S1连接输入电源的正极，S4连接输入电源的负极，所述的S2和S3间的连接点分别连接Ci1、Ci2、C1、C2，所述的S1和S2间的连接点与T1的一次侧连接，S3和S4间的连接点与T2的一次侧连接。与现有技术相比，本发明具有开关管承受最大电压较小、输出电流均流、高效等优点。

Description

一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器
技术领域
本发明涉及一种直流变换电路，尤其是涉及一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器。
背景技术
现在，开关电源都朝着高转换效率、高输入电压、低输出电压、大输出电流和低输出电流纹波的方向在发展。为了满足以上目标，通常采用的方法是在传统型直流-直流降压转换器中使用较小的占空比，但是由于驱动电路的限制，在高开关频率条件下难以实现这一目标。为了解决这个矛盾，通常用到带有变压器的正激或反激拓扑结构。这种拓扑既可以实现输入端与输出端的隔离，还可以通过调节变压器初级和次级的匝数比获得高转换比，可是变压器的漏电感极易引起开关电压尖峰和EMI等，这些问题对电源本身及周围设备都带来许多隐患。另外，在较大输出电流场合时，为了得到较小的纹波，通常采用交错并联输出来实现。许多学者也多上述问题进行了研究，如文献“An improved interleaved forward converter”(PowerElectronics Specialists Conference，2006.PESC′06.37th IEEE Page(s)：1-5)，该文献提出的并联交错变换器如图1所示，虽然达成了以上目标，但是开关两端所承受的反向电压还是等于输入电压且输出电流仅实现了1/2均流。综上所述，现有技术主要存在以下缺点：
1.传统型降压直流转换器为了实现高转换比、主开关通常采用较小的占空比。这样由于硬件的原因限制了开关频率的提高，阻碍了小型化；
2.文献中的并联交错式开关电源为了实现较低的输出电压，必须增加变压器匝数比，易造成变压器体积增大和铁芯设计难度增加；
3.高匝数比变压器的漏电感和寄生电容极易导致高频振荡发生，产生开关电压尖峰和EMI；
4.为了抑制各种寄生参数产生的尖峰信号和EMI、必须额外设计缓冲电路，造成器件数量增加和转换效率降低，并使设计流程复杂化；
5.文献中的并联交错式开关电源开关管两端电压等于输入电压，需要选择耐压值较高的器件增加了成本；
6.文献中的并联交错式开关电源输出侧仅实现了1/2均流，难以满足更大的输出电流。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电路简单、开关管承受最大电压较小、输出电流纹波小、高效的串联输入并联输出的软开关交错直流变换器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，包括输入电源、开关管电路、钳位电容C1和C2、变压器T1和T2、二极管电路以及输出电路，所述的开关管电路的输入端与输入电源连接，输出端分别连接钳位电容和变压器的一次侧，所述的变压器的二次侧依次连接二极管电路和输出电路，所述的输入电源和开关管电路输入端之间连接有输入电容Ci1、Ci2，所述的Ci1、Ci2串联后连接在输入电源两端，所述的开关管电路包括依次串联的开关管S1、S2、S3和S4，S1连接输入电源的正极，S4连接输入电源的负极，所述的S2和S3间的连接点分别连接Ci1、Ci2、C1、C2，所述的S1和S2间的连接点与T1的一次侧连接，S3和S4间的连接点与T2的一次侧连接。
所述的开关管上并联有寄生电容。
所述的开关管为MOSFET或IGBT。
所述的二极管电路包括续流二极管D1、D2、D3、D4，所述的D1、D2反向串联后连接在T1的二次侧，D3、D4反向串联后连接在T2的二次侧。
所述的输出电路包括输出电感L1、L2、L3、L4和输出电容Co，所述的D1的阴极依次连接L1、L2，所述的L2与D2的阴极连接，所述的D3的阴极依次连接L3、L4，所述的L4与D4的阴极连接，所述的Co一端分别连接D1、D2、D3和D4，另一端分别连接L1、L2、L3和L4。
所述的输出电容Co两端连接有负载。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过两个输入电容的分压，开关管所承受的最大电压仅为输入电压的一半，主开关占空比适中，简化硬件电路的设计；
2)由于输出电压减小；相同输出电压下变压器变比较低，减小了变压器的体积，简化了变压器铁芯的设计难度；
3)所有开关管实现软开关，大大降低了开关损耗，可以使电路工作在较大的频率下，减小了变压器的体积，进而减小了直流变换器整体的体积；
4)实现了输出电流1/4均流，减小了输出电流纹波；
5)钳位电容C1和C2可以吸收变压器漏感中残存的能量，有效防止变压器磁饱和，抑制了各种寄生参数产生的尖峰信号和EMI(电磁干扰)；
6)本发明提出的串联输入并联输出的软开关直流变换器可实现高效、小型、低噪音、低成本的目标。
附图说明
图1为现有技术中的一种直流变换器的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明开关管的软开关仿真示意图；
图4为本发明与现有技术开关管耐压关系对比示意图；
图5为本发明输入电压400V时输出电压与占空比的关系示意图；
图6为本发明输出电压5V时占空比与输入电压的关系示意图；
图7为本发明输出电流均流关系示意图；
图8为本发明工作时的示意图；
图9为本发明八个工作阶段内关键参数的波形示意图；
图10为本发明的第一种变形结构示意图；
图11为本发明的第二种变形结构示意图；
图12为本发明的第三种变形结构示意图；
图13为第一种变形结构与现有技术开关管耐压关系对比示意图；
图14为第一种变形结构的输出电流均流关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图2所示，一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，包括输入电源、开关管电路、钳位电容C1和C2、变压器T1和T2、二极管电路以及输出电路，所述的开关管电路的输入端与输入电源连接，输出端分别连接钳位电容和变压器的一次侧，所述的变压器的二次侧依次连接二极管电路和输出电路，所述的输入电源和开关管电路输入端之间连接有输入电容Ci1、Ci2，所述的Ci1、Ci2串联后连接在输入电源两端，所述的开关管电路包括依次串联的开关管S1、S2、S3和S4，S1连接输入电源的正极，S4连接输入电源的负极，所述的S2和S3间的连接点分别连接C1、C2、Ci1、Ci2，所述的S1和S2间的连接点与T1的一次侧连接，S3、S4间的连接点与T2的一次侧连接。输入电源的输入电压为Vi。
所述的开关管上并联有寄生电容Ci1、Ci2、Ci3、Ci4，开关管为MOSFET或IGBT。
所述的二极管电路包括续流二极管D1、D2、D3、D4，所述的D1、D2反向串联后连接在T1的二次侧，D3、D4反向串联后连接在T2的二次侧。所述的输出电路包括输出电感L1、L2、L3、L4和输出电容Co，所述的D1的阴极依次连接L1、L2，所述的L2与D2的阴极连接，所述的D3的阴极依次连接L3、L4，所述的L4与D4的阴极连接，所述的Co一端分别连接D1、D2、D3和D4，另一端分别连接L1、L2、L3和L4。所述的输出电容Co两端连接有负载，负载两端电压为输出电压Vo。
上述串联输入并联输出的软开关交错直流变换器各开关管的最大承受电压；Vds＝Vi/2，Vds为各开关管的漏级-源级电压；输出电压
Figure BDA00002786178200041
其中，d为开关管的占空比，N为变压器变比。
图3为开关管两端电压和触发信号之间的关系，从仿真中可以看到，开关管S1和S2都实现了软开关，由于电路拓扑的对称性，S3和S4也可以实现软开关。图3中，(3a)为开关管S1的软开关仿真示意图，(3b)为开关管S2的软开关仿真示意图。由于两个输入电容的存在，无论是输出电压还是开关管两端的最大电压都变低了。由于输出的4个输出电感的存在，电路输出侧实现1/4均流。图4为电路运行时对于现有技术直流变换器和串联输入并联输出软开关直流变换器两个电路开关管所承受最大电压的对比图，明显本实施例的管承压水平要小现有技术的一倍。图3、图4中Vas1、Vds2、Vds3、Vds4为开关管S1、S2、S3、S4的漏级-源级电压，Vgs1为开关管S1和S3的栅级-源级电压，Vgs2为开关管S2和S4的栅级-源级电压，Vds1_con为现有技术直流变换器中开关管的漏级-源级电压。
图5为输入电压400V时占空比与输出电压的关系。图6为输出电压为5V时输入电压与占空比之间的关系，可以看出，在输入电压为100V到500V时开关管的占空比在0.3左右变化，控制电路易于实现。图7为串联输入并联输出的均流特性，可以看出由于四个输出电感的存在，电路输出侧实现了1/4均流。图7中Io为输出电流，IL1、IL2、IL3、IL4流过输出电感L1、L2、L3、L4的电流。
如图8所示，上述软开关交错直流变换器在一个开关周期内的工作阶段如下：
(1)工作阶段1(t0～t1)
电路状态：S1：OFF，S2：OFF，S3：OFF，S4：OFF，D1：OFF，D2：ON，D3：ON，D4：OFF。t＝t0时刻，开关管S1、S3断开，开关管S2寄生电容与变压器T1的漏感发生谐振，由于输入电容Ci2的钳位作用，随着开关管S3两端电压的增加，开关管S4两端电压逐渐降低，在t＝t1时刻，寄生电容CS2和CS4的电压降为0，此时，变压器T1、T2一次侧电压Vab＝-V1，Vcd＝Vi/2-V2。
(2)工作阶段2(t1～t2)
电路状态：S1：OFF，S2：OFF，S3：OFF，S4：OFF，D1：OFF，D2：ON，D3：ON，D4：OFF。t＝t2时，开关管S2和S4寄生二极管导通，开关管两端电压保持为0。
(3)工作阶段3(t2～t3)
电路状态：S1：OFF，S2：ON，S3：OFF，S4：ON，D1：OFF，D2：ON，D3：ON，D4：OFF。开关管S2和S4零电压导通，变压器T1一次侧电流减小而变压器T2一次侧电流增大。
(4)工作阶段4(t3～t4)
电路状态：S1：OFF，S2：ON，S3：OFF，S4：ON，D1：ON，D2：OFF，D3：OFF，D4：ON。t＝t3时刻，二极管D1、D4正偏导通而二极管D2、D3反偏关断，此时完成由S1、S3导通向S2、S4导通的阶段转换。
(5)工作阶段5(t4～t5)
电路状态：S1：OFF，S2：OFF，S3：OFF，S4：OFF，D1：ON，D2：OFF，D3：OFF，D4：ON。t＝t4时刻，开关管S2、S4断开，开关管S3寄生电容与变压器T1的漏感发生谐振，由于输入电容Ci1的钳位作用，随着开关管S2两端电压的增加，开关管S1两端电压逐渐降低，在t＝t5时刻，寄生电容CS1和CS3的电压降为0，此时，Vab＝Vi/2-V2，Vcd＝-V1。
(6)工作阶段6(t5～t6)
电路状态：S1：OFF，S2：OFF，S3：OFF，S4：OFF，D1：ON，D2：OFF，D3：OFF，D4：ON。t＝t5时，开关管S1和S3寄生二极管导通，开关管两端电压保持为0。
(7)工作阶段7(t6～t7)
电路状态：S1：ON，S2：OFF，S3：ON，S4：OFF，D1：ON，D2：OFF，D3：OFF，D4：ON。开关管S1和S3零电压导通，变压器T1一次侧电流增大而变压器T2一次侧电流减小。
(8)工作阶段8(t7～t0)
电路状态：S1：ON，S2：OFF，S3：ON，S4：OFF，D1：OFF，D2：ON，D3：ON，D4：OFF。t＝t7时刻，二极管D2、D3正偏导通而续流二极管D1、D4反偏关断，此时完成由S2、S4导通向S2、S3导通的阶段转换。
图9展示了本实施例工作在不同阶段下关键参数的波形，关键参数包括开关管栅级-源级电压Vgs1、Vgs2，开关管漏级-源级电压Vds1、Vds2，变压器漏感电流ILm1、ILm2，续流二极管电压VD1，4、VD2，3，流过输出电感的电流IL1、IL2、IL3、IL4，输出电流Io。
本发明串联输入并联输出的结构可以和很多原有的电路组合成为性能更为优越的新型的电路，图10-图12给出了三个比较典型的组合方法。图13为第一种变形结构与现有技术开关管耐压关系对比示意图，图14为该变形结构的输出电流示意图，从图中可知变形结构也能够使输出电流均流，且开关管所承受最大电压为现有技术的一半。图中Vds为第一种变形结构中开关管S1的漏级-源级电压，Io为总输出电流，IL1、IL2流过输出电感L1、L2的电流。
本发明综合应用软开关技术、均流技术以及串联输入并联输出(SIPO)技术，在不改变控制模式的情况下提出了一种新型的拓扑。它不仅能够使所有开关管都工作在软开关条件下，还能实现输出电流的1/4均流、开关元件所承受的耐压值降低到输入电压的一半，满足了开关电源高效率、小型化、低成本的要求。

Claims (6)

1.一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，包括输入电源、开关管电路、钳位电容C1和C2、变压器T1和T2、二极管电路以及输出电路，所述的开关管电路的输入端与输入电源连接，输出端分别连接钳位电容和变压器的一次侧，所述的变压器的二次侧依次连接二极管电路和输出电路，其特征在于，所述的输入电源和开关管电路输入端之间连接有输入电容Ci1、Ci2，所述的Ci1、Ci2串联后连接在输入电源两端，所述的开关管电路包括依次串联的开关管S1、S2、S3和S4，S1连接输入电源的正极，S4连接输入电源的负极，所述的S2和S3间的连接点分别连接Ci1、Ci2、C1、C2，所述的S1和S2间的连接点与T1的一次侧连接，S3和S4间的连接点与T2的一次侧连接。
2.根据权利要求1所述的一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，其特征在于，所述的开关管上并联有寄生电容。
3.根据权利要求1所述的一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，其特征在于，所述的开关管为MOSFET或IGBT。
4.根据权利要求1所述的一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，其特征在于，所述的二极管电路包括续流二极管D1、D2、D3、D4，所述的D1、D2反向串联后连接在T1的二次侧，D3、D4反向串联后连接在T2的二次侧。
5.根据权利要求4所述的一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，其特征在于，所述的输出电路包括输出电感L1、L2、L3、L4和输出电容Co，所述的D1的阴极依次连接L1、L2，所述的L2与D2的阴极连接，所述的D3的阴极依次连接L3、L4，所述的L4与D4的阴极连接，所述的Co一端分别连接D1、D2、D3和D4，另一端分别连接L1、L2、L3和L4。
6.根据权利要求5所述的一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器，其特征在于，所述的输出电容Co两端连接有负载。
CN201310032525.9A 2013-01-28 2013-01-28 一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器 Expired - Fee Related CN103078509B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310032525.9A CN103078509B (zh) 2013-01-28 2013-01-28 一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310032525.9A CN103078509B (zh) 2013-01-28 2013-01-28 一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103078509A true CN103078509A (zh) 2013-05-01
CN103078509B CN103078509B (zh) 2015-04-22

Family

ID=48154940

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310032525.9A Expired - Fee Related CN103078509B (zh) 2013-01-28 2013-01-28 一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103078509B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103346674A (zh) * 2013-06-14 2013-10-09 阳光电源股份有限公司 一种隔离变换器
CN104716844A (zh) * 2015-03-18 2015-06-17 江苏绿城信息技术有限公司 一种带软开关输入并联输出并联模块化直流变换器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101026338A (zh) * 2007-03-13 2007-08-29 艾默生网络能源有限公司 适用于低压大电流dc/dc模块的拓扑
CN101345490A (zh) * 2008-08-26 2009-01-14 南京航空航天大学 输入串联输出并联组合变换器全负载输入均压的控制方法
TW201138304A (en) * 2010-04-30 2011-11-01 Univ Kun Shan Zero-voltage switching converter for high input voltage and high output current

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101026338A (zh) * 2007-03-13 2007-08-29 艾默生网络能源有限公司 适用于低压大电流dc/dc模块的拓扑
CN101345490A (zh) * 2008-08-26 2009-01-14 南京航空航天大学 输入串联输出并联组合变换器全负载输入均压的控制方法
TW201138304A (en) * 2010-04-30 2011-11-01 Univ Kun Shan Zero-voltage switching converter for high input voltage and high output current

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JINBIN ZHAO ETAL.: "An improved interleaved forward converter", 《POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE, 2006.PESC "06. 37TH IEEE》 *
SHIN-JU CHEN ETAL.: "A New Interleaved Series Input Parallel Output", 《2011 6TH IEEE CONFERENCE ON INDUSTRIAL ELECTRONICS AND APPLICATIONS (ICIEA) 》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103346674A (zh) * 2013-06-14 2013-10-09 阳光电源股份有限公司 一种隔离变换器
CN104716844A (zh) * 2015-03-18 2015-06-17 江苏绿城信息技术有限公司 一种带软开关输入并联输出并联模块化直流变换器

Also Published As

Publication number Publication date
CN103078509B (zh) 2015-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lin et al. New zero-voltage switching DC–DC converter for renewable energy conversion systems
CN103944397B (zh) Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法
CN105141138B (zh) 一种倍压式软开关型推挽直流变换器
CN110932557A (zh) 一种基于倍压整流电路的高增益准谐振dc-dc变换器
CN103780086B (zh) 基于耦合电感倍压结构的双输出母线型高增益变换器
CN203119763U (zh) 具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器
CN103929058A (zh) 基于耦合电感的两相交错并联变换器
Bodur et al. A new zero-voltage transition pulse width modulated boost converter
CN103618458A (zh) 三绕组变压器副边输出串联正反激倍压整流变换器
CN104779790A (zh) 一种开关电感型准z源dc-dc变换器电路
CN203243222U (zh) 含倍压单元和改进型交错并联Boost的高增益变换器
CN103986330A (zh) 一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器及其控制方法
CN104980037A (zh) 一种副边调整型定频谐振变换器及其控制方法
CN103887987B (zh) 一种基于开关电容的多重倍压高增益高频整流隔离变换器
CN103066841B (zh) 一种基于电荷泵电容的倍压型直流变换器
CN104638932A (zh) 一种多谐振变换器
Li et al. Zero-voltage-switching dual-boost converter with multi-functional inductors and improved symmetrical rectifier for distributed generation systems
CN102751866A (zh) 适用于光伏发电系统的高增益dc-dc升压转换器
CN204304823U (zh) 基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器
CN107395015A (zh) 一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器
CN107659158B (zh) 一种多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器
CN103296896B (zh) 一种软开关隔离型升压直流变换器及其控制方法
CN103078509B (zh) 一种串联输入并联输出的软开关交错直流变换器
CN103904898B (zh) 适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器及控制方法
CN113422515B (zh) 一种非隔离型双向软开关dc-dc变换器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150422

Termination date: 20180128