CN103208927A - 一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法 - Google Patents

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吴红飞
胡海兵
邢岩
陆杨军
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Abstract

本发明公开了一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。该变换器由输入源(Uin)、原边开关电路(10)、副边开关电路(20)、电感(Lf)、变压器(T)、第一输出滤波电容(Co1)、第二输出滤波电容(Co2)和负载(Ro)构成，其中原边开关电路(10)由四个开关管构成，副边开关电路(20)由四个二极管和两个开关管构成；该变换器通过原边开关电路(10)与副边开关电路(20)的移相控制实现输出电压的控制；本发明隔离型软开关高升压直流变换器能够在全负载范围内实现所有开关管的软开关，可以实现高频、高效率功率变换，可以有效减小电感和变压器的体积，副边开关器件电压应力仅为输出电压的一半，为高频、高效、高升压大功率隔离功率变换场合提供了关键技术。

Description

一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
隔离型高升压直流变换器适用于要求输入输出电气隔离且输出电压大大高于输入电压的场合，在新能源发电、工业、民用、航空航天等各个领域具有广泛的应用。
传统的隔离型直流变换器，例如正激变换器、反激变换器、推挽变换器、半桥变换器、全桥变换器等，仅能通过调整变压器的变比来实现升压功能，将会导致开关器件的电压应力高，特别是变换器副边整流二极管的电压应力远高于输出电压；变压器原副边变比的增加将会导致变压器漏感增加，从而引起开关器件的电压尖峰和震荡，进一步加剧了开关器件的应力、降低了可靠性和效率。此外，传统的直流变换器通常不能实现开关管的软开关，限制了变换器的效率。全桥变换器通过采用移相控制可以在特定负载和输入输出电压条件下实现软开关，但是其代价是增加了变换器的导通损耗，特别是漏感引起的环流损耗，当输入电压降低时，环流损耗将急剧增加，此外，移相全桥变换器在轻载时也无法实现软开关，而全桥变换器本质上属于降压型变换器，不适合高升压场合的应用。
升压型全桥隔离直流变换器(也称电流型全桥隔离直流变换器)无需增加变压器变比就可以实现较高的隔离升压能力，然而当开关换向时，由于变压器漏感限制了变压器中电流的上升率，输入端的滤波电感将引起严重的电压尖峰。为了改善该问题，需要引入各种各样的电压钳位或吸收电路，文献“Anmad Mousavi，Pritam Das，Gerry Moschopoulos.A comparativestudy of a new ZCS DC-DC full-bridge boost converter with a ZVS active-clamp converter，IEEETransactions on power electronics，vol.27，no.3，March2012，pp.1347-1358.”详细分析了升压型全桥隔离直流变换器所存在的电压尖峰问题，并对比分析了各种电压钳位方案，虽然其进一步提出了改进的吸收电路方案，但这些方案都在不同程度上增加了电路的复杂程度，增加了变换器的成本，增加了控制的难度，降低了变换器效率并降低了可靠性。除了上述问题外，升压型全桥隔离直流变换器的输出侧整流二极管的电压应力仍等于输出电压，限制了其在高输出电压场合的应用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种隔离型软开关高升压直流变换器及其控制方法。
本发明采用以下技术方案：
所述隔离型软开关高升压直流变换器由输入源(Uin)、原边开关电路(10)、副边开关电路(20)、电感(Lf)、变压器(T)、第一输出滤波电容(Co1)、第二输出滤波电容(Co2)和负载(Ro)构成，原边开关电路(10)由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)构成，副边开关电路(20)由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)构成，变压器(T)包括原边绕组(NP)和副边绕组(NS)；
所述输入源(Uin)的正极分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连，第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极和电感(Lf)的一端，电感(Lf)的另一端连于变压器(T)原边绕组(NP)的同名端，变压器(T)原边绕组(NP)的非同名端连于第三开关管(S3)的源极和第四开关管(S4)的漏极，第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和输入源(Uin)的负极；
所述变压器(T)副边绕组(NS)的同名端连于第二二极管(D2)的阳极、第三二极管(D3)的阴极、第一输出滤波电容(Co1)的一端和第二输出滤波电容(Co2)的一端，第二二极管(D2)的阴极连于第一二极管(D1)的阳极和第五开关管(S5)的漏极，第五开关管(S5)的源极连于第六开关管(S6)的漏极和变压器(T)副边绕组(NS)的非同名端，第六开关管(S6)的源极连于第三二极管(D3)的阳极和第四二极管(D4)的阴极，第四二极管(D4)的阳极连于第二滤波电容(Co2)的另一端和负载(Ro)的一端，负载(Ro)的另一端连于第一输出滤波电容(Co1)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
所述电感(Lf)可以全部或部分由变压器(T)的漏感代替。
所述第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第五开关管(S5)和第六开关管(S6)互补导通，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的占空比相等，第一开关管(S1)和第四开关管(S4)同时导通、同时关断，第二开关管(S2)和第三开关管(S3)同时导通、同时关断，第一开关管(S1)的开通时刻不晚于第六开关管(S6)的开通时刻，第三开关管(S3)的开通时刻不晚于第五开关管(S5)的开通时刻，通过调节第一开关管(S1)和第六开关管(S6)导通时刻之间的移相角实现输出电压的控制。
本发明具有如下技术效果：
(1)所有开关器件的电压都直接由输入电压或输出电压钳位，开关器件电压应力低；
(2)所有开关器件能够在全负载范围内实现软开关，变换效率高；
(3)变压器漏感得到有效利用，不存在漏感引起的环流或电压尖峰问题；
(4)该变换器可以高频开关工作，从而有效减小电感和变压器的体积重量，实现高功率密度；
(5)变换器副边输出侧开关器件的电压应力仅为输出电压的一半，器件应力低，适合高输出电压场合应用。
附图说明
附图1是本发明隔离型软开关高升压直流变换器的电路原理图；
附图2是本发明隔离型软开关高升压直流变换器在电感电流连续工作模式下的主要波形图；
附图3～附图7是本发明隔离型软开关高升压直流变换器在电感电流连续工作模式下各开关模态的等效电路图；
附图8是本发明隔离型软开关高升压直流变换器在电感电流断续工作模式下的主要波形图；
附图9～附图13是本发明隔离型软开关高升压直流变换器在电感电流断续工作模式下各开关模态的等效电路图；
以上附图中的符号名称：Uin为输入源；10为原边开关电路；20为副边开关电路；Lf为电感；T为变压器；NP和NS分别为变压器(T)的原边绕组和副边绕组；Co1、Co2分别为第一、第二输出滤波电容；Ro为负载；S1、S2、S3、S4、S5和S6分别为第一、第二、第三、第四、第五和第六开关管；D1、D2、D3和D4分别为第一、第二、第三和第四二极管；Uo为输出电压；uDS1、uDS4和uDS6分别为第一开关管(S1)、第四开关管(S4)和第六开关管(S6)的漏极和源极之间的电压；uS为变压器(T)副边绕组(NS)同名端和非同名端之间的电压；iLf为电感(Lf)的电流；iS1、iS2、iS3、iS4、iS5和iS6分别为流入第一、第二、第三、第四、第五和第六开关管漏极的电流；t、t0、t1、t2、t3、t4和t5为时间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如附图1所示，本发明所述隔离型软开关高升压直流变换器由输入源(Uin)、原边开关电路(10)、副边开关电路(20)、电感(Lf)、变压器(T)、第一输出滤波电容(Co1)、第二输出滤波电容(Co2)和负载(Ro)构成，原边开关电路(10)由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)构成，副边开关电路(20)由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)构成，变压器(T)包括原边绕组(NP)和副边绕组(NS)；
所述输入源(Uin)的正极分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连，第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极和电感(Lf)的一端，电感(Lf)的另一端连于变压器(T)原边绕组(NP)的同名端，变压器(T)原边绕组(NP)的非同名端连于第三开关管(S3)的源极和第四开关管(S4)的漏极，第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和输入源(Uin)的负极；
所述变压器(T)副边绕组(NS)的同名端连于第二二极管(D2)的阳极、第三二极管(D3)的阴极、第一输出滤波电容(Co1)的一端和第二输出滤波电容(Co2)的一端，第二二极管(D2)的阴极连于第一二极管(D1)的阳极和第五开关管(S5)的漏极，第五开关管(S5)的源极连于第六开关管(S6)的漏极和变压器(T)副边绕组(NS)的非同名端，第六开关管(S6)的源极连于第三二极管(D3)的阳极和第四二极管(D4)的阴极，第四二极管(D4)的阳极连于第二滤波电容(Co2)的另一端和负载(Ro)的一端，负载(Ro)的另一端连于第一输出滤波电容(Co1)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
所述第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第五开关管(S5)和第六开关管(S6)互补导通，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的占空比相等，第一开关管(S1)和第四开关管(S4)同时导通、同时关断，第二开关管(S2)和第三开关管(S3)同时导通、同时关断，第一开关管(S1)的开通时刻不晚于第六开关管(S6)的开通时刻，第三开关管(S3)的开通时刻不晚于第五开关管(S5)的开通时刻，通过调节第一开关管(S1)和第六开关管(S6)导通时刻之间的移相角实现输出电压的控制。
在具体实施时，电感(Lf)可以全部或者部分由变压器(T)的漏感代替，这表明变压器(T)的漏感将得到有效利用。
本发明隔离型软开关高升压直流变换器在具体实施时，所有的开关管应选用带有寄生体二极管的半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管等。如果所选用的开关管不带有寄生体二极管，则应该在其漏极和源极两端反并联二极管。
本发明隔离型软开关高升压直流变换器在具体实施时，处于同一桥臂的两个开关管之间应该加入死区时间，死区时间的加入一方面是为了避免出现桥臂短路直通现象，另一方面是为了实现开关管的软开关。
从附图1所示的本发明隔离型软开关高升压直流变换器的电路结构可以直观的看出，该变换器原边的开关器件都直接被输入电压钳位，即其电压应力就等于输入电压，而变换器副边的开关器件都直接被两个输出电容电压钳位，其电压应力仅等于输出电压的一半，原边和副边的所有开关器件都不存在电压尖峰问题，开关器件的电压应力低。
假设所有电感、电容、开关管和二极管都为理想器件，忽略输出滤波电容Co1和Co2上的电压纹波，且电容Co1和Co2上的电压相等，则电容Co1和Co2的电压分别等于输出电压Uo的一半。根据电感(Lf)的工作状态，本发明隔离型软开关高升压直流变换器(以下简称变换器)可以工作于电感电流连续模式或电感电流断续模式。下面分别分析变换器在两种工作模式下的工作原理。
当输出功率较大时变换器通常工作在电感电流连续模式。附图2是变换器在电感电流连续模式下的主要工作波形。在该模式下，半个开关周期内共有五种开关模态。
开关模态1[t0，t1]：t0时刻之前，开关管S2、S3和S5导通，二极管D1导通，电感Lf电流iLf为负值，输入源Uin经电感Lf向第一输出滤波电容Co1传输能量；t0时刻，S2、S3关断，电感Lf的电流换向到S1和S4的体二极管中，开关管S1和S4的电压降为0，因此，S1和S4具备了零电压开通的条件，同时，电感Lf的电流iLf在输入电压和第一输出滤波电容Co1电压的作用下线性减小，该模态等效电路如附图3所示。
开关模态2[t1，t2]：t1时刻，开关管S1和S4零电压开通，电感Lf电流继续减小，直到t2时刻iLf减小到0，二极管D1自然关断，该模态等效电路如附图4所示。
开关模态3[t2，t3]：t2时刻，二极管D2自然开通，其电流从零逐渐增加，电感Lf电流在输入源Uin的作用下从0开始正向增加，直到t3时刻开关管S5关断，该模态结束，该模态等效电路如附图5所示。值得注意的是，该模态持续的时间越长，电感电流的峰值越大，变换器能够向负载传输的功率越大，也即变换器输出电压或输出功率与该模态的持续时间成正比。
开关模态4[t3，t4]：t3时刻，开关管S5关断，副边绕组电流自然换向到开关管S6的体二极管，开关管S6两端电压降为0，因此S6具备了零电压开通的条件，同时二极管D2关断，二极管D4开通，该模态等效电路如附图6所示。
开关模态5[t4，t5]：t4时刻，开关管S6零电压开通，输入源Uin通过电感Lf共同向第二输出滤波电容Co2传输功率，电感Lf电流线性减小，该模态等效电路如附图7所示。
t5时刻后，下半开关周期开始，工作过程类似，不再重复叙述。
总结电感电流连续模式下的工作过程可知，电感电流连续模式下，所有的开关管都能够实现零电压开通，因此，所有的开关管都是软开关工作状态。
当输出功率较低时变换器通常工作在电感电流断续模式。附图8是变换器在电感电流断续模式下的主要工作波形。在该模式下，半个开关周期内共有五种开关模态。
开关模态1[t0，t1]：t0时刻之前，开关管S2、S3和S5导通，但是由于电感Lf电流iLf已经降为0，流过所有开关管的电流都为0，副边的四个二极管D1、D2、D3和D4都处于关断状态。t0时刻，S2和S3关断，电感Lf电流仍维持在0状态，该模态变换器等效电路如附图9所示。
开关模态2[t1，t2]：t1时刻，开关管S1和S4零电流开通，电感Lf电流从0开始线性增加，副边二极管D2自然导通，该模态等效电路如附图10所示。
开关模态3[t2，t3]：t2时刻，开关管S5关断，副边绕组电流自然换向到开关管S6的体二极管，开关管S6两端电压降为0，因此S6具备了零电压开通的条件，同时二极管D2关断，二极管D4开通，该模态等效电路如附图11所示。
开关模态4[t3，t4]：t3时刻，开关管S6零电压开通，输入源Uin通过电感Lf共同第二输出滤波电容Co2传输功率，电感Lf电流线性减小，该模态等效电路如附图12所示。
开关模态5[t4，t5]：t5时刻，电感Lf电流自然减小到0，二极管D4自然关断，该模态等效电路如附图13所示。
t5时刻后，下半开关周期开始，工作过程类似，不再重复叙述。
总结电感电流断续模式下的工作过程可知，电感电流断续模式下，变换器原边的四个开关管都能够自然实现零电流开通，副边的连个开关管都能够自然实现零电压开通，因此，所有的开关器件也都是软开关工作状态。

Claims (3)

1.一种隔离型软开关高升压直流变换器，其特征在于：
所述隔离型软开关高升压直流变换器由输入源(Uin)、原边开关电路(10)、副边开关电路(20)、电感(Lf)、变压器(T)、第一输出滤波电容(Co1)、第二输出滤波电容(Co2)和负载(Ro)构成，原边开关电路(10)由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)构成，副边开关电路(20)由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)构成，变压器(T)包括原边绕组(NP)和副边绕组(NS)；
所述输入源(Uin)的正极分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连，第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极和电感(Lf)的一端，电感(Lf)的另一端连于变压器(T)原边绕组(NP)的同名端，变压器(T)原边绕组(NP)的非同名端连于第三开关管(S3)的源极和第四开关管(S4)的漏极，第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和输入源(Uin)的负极；
所述变压器(T)副边绕组(NS)的同名端连于第二二极管(D2)的阳极、第三二极管(D3)的阴极、第一输出滤波电容(Co1)的一端和第二输出滤波电容(Co2)的一端，第二二极管(D2)的阴极连于第一二极管(D1)的阳极和第五开关管(S5)的漏极，第五开关管(S5)的源极连于第六开关管(S6)的漏极和变压器(T)副边绕组(NS)的非同名端，第六开关管(S6)的源极连于第三二极管(D3)的阳极和第四二极管(D4)的阴极，第四二极管(D4)的阳极连于第二滤波电容(Co2)的另一端和负载(Ro)的一端，负载(Ro)的另一端连于第一输出滤波电容(Co1)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
2.一种基于权利要求1的隔离型软开关高升压直流变换器，其特征在于：所述电感(Lf)可以全部或部分由变压器(T)的漏感代替。
3.一种基于权利要求1所述的隔离型软开关高升压直流变换器的控制方法，其特征在于：
所述第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第五开关管(S5)和第六开关管(S6)互补导通，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的占空比相等，第一开关管(S1)和第四开关管(S4)同时导通、同时关断，第二开关管(S2)和第三开关管(S3)同时导通、同时关断，第一开关管(S1)的开通时刻不晚于第六开关管(S6)的开通时刻，第三开关管(S3)的开通时刻不晚于第五开关管(S5)的开通时刻，通过调节第一开关管(S1)和第六开关管(S6)导通时刻之间的移相角实现输出电压的控制。
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