CN103618445B - 带有电荷泵的耦合电感zvs/zcs双管直流变换器 - Google Patents

带有电荷泵的耦合电感zvs/zcs双管直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，包括直流电源、第一升压电路、第二升压电路、第一电荷泵升压单元、第二电荷泵升压单元、开关电路和负载；所述直流电源输出的电压分为两路输出，其中一路经第一升压电路初步升压后输入第一电荷泵升压单元，经第一电荷泵升压单元二次升压后经开关电路输入至负载的一端；另一路经第二升压电路初步升压后输入至第二电荷泵升压单元；经第二电荷泵升压单元二次升压后输入至负载另一端。该电路体积小转换效率高，且功率开关管电压应力低、电流应力小和导通损耗小；且能实现零电压开通，开关损耗小；所有功率二极管能实现零电流自然关断，不存在反向恢复问题，电路的EMI干扰较小。

Description

带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器
技术领域
本发明涉及带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，属于电力电子变换器领域。
背景技术
受到能源短缺与环境问题的双重压力，新能源发电因其清洁性受到广泛关注和研究，为了将单块光伏电池、燃料电池并入电网，需要使用高增益、高效率直流变换器大幅度提升直流电压等级。传统Boost变换器升压能力十分有限，随着增益的升高，占空比逐渐变大，电感电流纹波变大，需要的电感也随之变大；且应用在高输出电压场合时，功率开关管电压应力，电流应力较大，开关管导通损耗大；输出侧二极管电压应力大，且二极管硬关断，反向恢复问题和EMI问题均十分严重，变换效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，所述开关电感有源网络升压变换器体积小但转换效率高，且功率开关管电压应力低、电流应力小，导通损耗小；所有功率开关均能实现零电压开通，开关损耗小；所有功率二极管均能实现零电流自然关断，不存在反向恢复问题，电路的EMI干扰较小。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，包括直流电源、第一升压电路、第二升压电路、第一电荷泵升压单元、第二电荷泵升压单元、开关电路和负载；所述直流电源输出的电压分为两路输出，其中一路经第一升压电路初步升压后输入第一电荷泵升压单元，经第一电荷泵升压单元二次升压后经开关电路输入至负载的一端；另一路经第二升压电路初步升压后输入至第二电荷泵升压单元；经第二电荷泵升压单元二次升压后输入至负载另一端，在负载的两端还并联一输出滤波电容。
作为本发明的进一步优化方案，所述第一升压电路包括第一开关管和第一电感，所述第二升压电路包括第二开关管和第二电感，所述第一电感的一端和第二开关管的漏极分别连接至直流电压源正极，第一电感的另一端与第一开关管的漏极相连，第二开关管的源极与第二电感的一端相连，第一开关管的源极和第二电感的另一端分别接至直流电压源的负极。
作为本发明的进一步优化方案，所述的第一电荷泵升压单元包括第三电感、第三开关管、第一电荷泵二极管和第一电荷泵电容，所述开关电路为第三功率二极管，其中，第三开关管的漏极连接第一电荷泵二极管的阳极，第一电荷泵二极管的阴极分别与第三功率二极管的阳极以及第一电荷泵电容的一端连接，第一电荷泵电容的另一端与第三电感的一端相连，第三电感的另一端分别与第三开关管的源极以及第一电感的另一端连接；所述第一电感与第三电感构成耦合电感，其中第一电感与输入侧直流源正极相连的一端、第三电感与第三开关管源极相连的一端为耦合电感的同名端，第三功率二极管的阴极与负载的一端连接。
作为本发明的进一步优化方案，所述的第二电荷泵升压单元包括第四电感、第四开关管、第二电荷泵二极管和第二电荷泵电容，第四开关管的源极连接第二电荷泵二极管的阴极，第二电荷泵二极管的阳极接至第二电荷泵电容的一端以及负载的另一端，第二电荷泵电容的另一端与第四电感的一端相连，第四电感的另一端与第四开关管的漏极以及第二电感的一端相连；所述第二电感与第四电感构成耦合电感，其中第二电感与输入侧直流源负极相连的一端、第四电感与第四开关管漏极相连的一端为耦合电感的同名端。
作为本发明的进一步优化方案，还包括第一箝位电容和第二箝位电容，所述的第一箝位电容一端与输入直流源正极相连，第一箝位电容的另一端与第三开关管的漏极相连；所述的第二箝位电容一端与输入直流源负极相连，第二箝位电容的另一端与第四开关管的源极相连。
作为本发明的进一步优化方案，第一、第二、第三、第四开关管为MOS管或者IGBT管。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：变换器体积小但转换效率高，且主功率开关管电压应力、电流应力低，导通损耗小，功率开关管均能实现零电压开通，开关损耗小。功率二极管电压应力低，且能够实现零电流自然关断以解决反向恢复问题。
附图说明
图1为带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器。
图2是第一、第二功率开关管驱动电压V1波形图；
图3是第三、第四功率开关管驱动电压V2波形图；
图4至图7分别是第一、第二、第三、第四功率开关管电压VS1、VS2、VS3、VS4波形图；
图8是第一电荷泵二极管电压VD1波形图；
图9是第一电荷泵二极管电流iD1波形图；
图10是第二电荷泵二极管电压VD2波形图；
图11是第二电荷泵二极管电流iD2波形图；
图12是输出侧二极管电压VD3波形图；
图13是输出侧二极管电压电流iD3波形图；
图14是输出滤波电容电压VC的波形。
图中标号说明：Vi为直流电压源；N1为第一电感，N2为第二电感，S1、S2为第一、第二开关管，S3、S4为第三、第四开关管，C1、C2为第一、第二箝位电容，N3为第三电感，D1为第一电荷泵二极管，C3为第一电荷泵电容，N4为第四电感，D2为第二电荷泵二极管，C4为第二电荷泵电容，D3为开关电路，Co为输出滤波电容，RL为负载。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，包括直流电源、第一升压电路、第二升压电路、第一电荷泵升压单元、第二电荷泵升压单元、开关电路和负载；所述直流电源输出的电压分为两路输出，其中一路经第一升压电路初步升压后输入第一电荷泵升压单元，经第一电荷泵升压单元二次升压后经开关电路输入至负载的一端；另一路经第二升压电路初步升压后输入至第二电荷泵升压单元；经第二电荷泵升压单元二次升压后输入至负载另一端，在负载的两端还并联一输出滤波电容。其中所述第一升压电路和第二升压电路构成双管升压结构。
双管升压结构包括：直流电压源Vi、第一电感N1、第二电感N2、第一开关管S1和第二开关管S2，其中：所述第一开关管和第一电感构成第一升压电路，所述第二开关管和第二电感构成第二升压电路，第二开关管S2的漏极、第一电感N1的一端分别与直流电压源Vi正极连接，第一电感N1的另一端与第一开关管S1的漏极连接，第一开关管S1的源极、第二电感N2的一端分别与直流电压源Vi负极连接，第二电感N2的另一端与第二开关管S2的源极连接。第一升压电路的第一开关管由第一箝位电容箝位，所述的第二箝位电容用于箝位第二开关管。
第一箝位回路包括：第一箝位电容C1、第三开关管S3和第一电感；其中第三开关管S3的源极与第一开关管S1的漏极和第一电感N1的另一端相连，第一箝位电容C1的一端与输入侧直流源Vi的正极、第二开关管S2的漏极以及第一电感N1的一端相连，第一箝位电容C1的另一端与第三开关管S3的漏极相连。
第二箝位回路包括：第二箝位电容C2、第四开关管S4和第二电感，其中第四开关管S4的漏极与第二开关管S2的源极和第二电感N2的另一端相连，第二箝位电容C2的一端与输入侧直流源Vi的负极、第一开关管S1的源极以及第二电感N2的一端相连，第二箝位电容C2的另一端与第四开关管S4的源极相连。
所述的第一电荷泵升压单元包括第三电感、第三开关管、第一电荷泵二极管和第一电荷泵电容，所述开关电路为第三功率二极管，其中，第三开关管的漏极连接第一电荷泵二极管的阳极，第一电荷泵二极管的阴极分别与第三功率二极管的阳极以及第一电荷泵电容的一端连接，第一电荷泵电容的另一端与第三电感的一端相连，第三电感的另一端分别与第三开关管的源极以及第一电感的另一端连接；第三开关管S3、第一电荷泵二极管D1、第一电荷泵电容C3、第三电感N3相互串联，构成一个闭合回路。
所述的第二电荷泵升压单元包括第四电感、第四开关管、第二电荷泵二极管和第二电荷泵电容，第四开关管的源极连接第二电荷泵二极管的阴极，第二电荷泵二极管的阳极接至第二电荷泵电容的一端以及负载的另一端，第二电荷泵电容的另一端与第四电感的一端相连，第四电感的另一端与第四开关管的漏极以及第二电感的另一端相连；第四开关管S4、第四电感N4、第二电荷泵电容C4和第二电荷泵二极管D2相互串联，构成一个闭合回路。
电路中的第一电感N1、第三电感N3相互耦合成耦合电感，其中第一电感N1与输入侧直流源Vi正极相连的一端、第三电感N3与第一开关管S2漏极相连的一端为耦合电感的同名端。
电路中的第二电感N2、第四电感N4相互耦合成耦合电感，其中第二电感N2与输入侧直流源Vi负极相连的一端、第四电感N4与第二开关管S2源极相连的一端为耦合电感的同名端。
滤波电容Co即为变换器的输出端，负载RL并接在变换器的输出端。第一电荷泵升压单元的输出端，经开关电路接至滤波电容Co的一端，所述开关电路为第三功率二极管。
图2至图14为图1所示的带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器在输入电压Vi=30V,第一、第二开关管S1、S2占空比D=0.5，第三、第四开关管占空比D=0.45，第一、第二耦合电感匝比均为1：1.5，负载R=80Ω时的波形图，图2是第一、第二、功率开关管驱动V1所对应的波形图，图3是第三、第四开关管驱动V2所对应的波形图，图4至图7分别是第一、第二、第三、第四开关管电压VS1、VS2、VS3、VS4所对应的波形图；图8是第一电荷泵二极管电压VD1所对应的波形图、图9是第一电荷泵二极管电流iD1所对应的波形图、图10和图11分别是第二电荷泵二极管电压VD2和电流iD2所对应的波形图，图12和图13分别是输出侧二极管电压VD3和电流iD3所对应的波形图，图14是输出滤波电容电压VC的波形图。从图中可以看到功率开关管关断时电压VS1=VS2=VS3=VS4=60V，说明功率开关管电压应力小。功率开关管均能实现零电压开通，功率二极管均能实现零电流自然关断。
可见，本发明所述带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器具有较小的主功率开关管电压应力和较大的电压增益，同时功率开关管开关损耗小，二极管不存在反向恢复问题。

Claims (4)

1.带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，其特征在于：包括直流电源、第一升压电路、第二升压电路、第一电荷泵升压单元、第二电荷泵升压单元、开关电路和负载；所述直流电源输出的电压分为两路输出，其中一路经第一升压电路初步升压后输入第一电荷泵升压单元，经第一电荷泵升压单元二次升压后经开关电路输入至负载的一端；另一路经第二升压电路初步升压后输入至第二电荷泵升压单元；经第二电荷泵升压单元二次升压后输入至负载另一端，在负载的两端还并联一输出滤波电容；
所述第一升压电路包括第一开关管和第一电感，所述第二升压电路包括第二开关管和第二电感，所述第一电感的一端和第二开关管的漏极分别连接至直流电压源正极，第一电感的另一端与第一开关管的漏极相连，第二开关管的源极与第二电感的一端相连，第一开关管的源极和第二电感的另一端分别接至直流电压源的负极；
所述的第一电荷泵升压单元包括第三电感、第三开关管、第一电荷泵二极管和第一电荷泵电容，所述开关电路为第三功率二极管，其中，第三开关管的漏极连接第一电荷泵二极管的阳极，第一电荷泵二极管的阴极分别与第三功率二极管的阳极以及第一电荷泵电容的一端连接，第一电荷泵电容的另一端与第三电感的一端相连，第三电感的另一端分别与第三开关管的源极以及第一电感的另一端连接；所述第一电感与第三电感构成耦合电感，其中第一电感与输入侧直流源正极相连的一端、第三电感与第三开关管源极相连的一端为耦合电感的同名端，第三功率二极管的阴极与负载的一端连接。
2.根据权利要求1所述的带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，其特征在于：所述的第二电荷泵升压单元包括第四电感、第四开关管、第二电荷泵二极管和第二电荷泵电容，第四开关管的源极连接第二电荷泵二极管的阴极，第二电荷泵二极管的阳极接至第二电荷泵电容的一端以及负载的另一端，第二电荷泵电容的另一端与第四电感的一端相连，第四电感的另一端与第四开关管的漏极以及第二电感的一端相连；所述第二电感与第四电感构成耦合电感，其中第二电感与输入侧直流源负极相连的一端、第四电感与第四开关管漏极相连的一端为耦合电感的同名端。
3.根据权利要求2所述的带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，其特征在于：还包括第一箝位电容和第二箝位电容，所述的第一箝位电容一端与输入直流源正极相连，第一箝位电容的另一端与第三开关管的漏极相连；所述的第二箝位电容一端与输入直流源负极相连，第二箝位电容的另一端与第四开关管的源极相连。
4.根据权利要求3所述的带有电荷泵的耦合电感ZVS/ZCS双管直流变换器，其特征在于：第一、第二、第三、第四开关管为MOS管或者IGBT管。
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