CN103618448A

CN103618448A - 带有电荷泵的耦合电感双管直流变换器

Info

Publication number: CN103618448A
Application number: CN201310569341.6A
Authority: CN
Inventors: 汤雨; 王挺
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN103618448B

Abstract

本发明涉及带有电荷泵的耦合电感双管直流变换器，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、第一箝位回路、第二箝位回路、二极管和负载；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二极管路输入至负载的一端；所述第一箝位回路用于箝位第一升压电路，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，第二箝位回路用于箝位第二升压电路。主功率开关管电压电流应力小；二极管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双管直流变换器，所述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；功率二极管均能实现零电流自然关断，不存在反向恢复问题，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、第一箝位回路、第二箝位回路、二极管和负载；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二极管输入至负载的一端；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；所述第一箝位回路包括第一箝位电容和第一箝位二极管，所述第二箝位回路包括第二箝位电容和第二箝位二极管，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、第一箝位电容的一端和第二开关管的漏极分别接至直流电压源正极，第一电感的另一端分别与第一开关管的漏极、第一箝位二极管的阳极相连，第一箝位二极管的阴极接至第一箝位电容的另一端；所述第二电感的一端、第二箝位电容的一端和第一开关管的源极分别接至直流电压源负极，第二电感的另一端分别与第二开关管的源极、第二箝位二极管的阴极相连，第二箝位二极管的阳极接至第二箝位电容的另一端。

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、第一电荷泵二极管和第一电荷泵电容，第一电荷泵二极管的阳极连接第一箝位二极管的阴极，第一电荷泵二极管的阴极分别与二极管的阳极以及第一电荷泵电容的一端连接，二极管的阴极与负载的一端相连；第一电荷泵电容的另一端与第三电感的一端相连，第三电感的另一端与第一箝位二极管的阳极相连，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、第三电感与第一箝位二极管的阳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，所述的第二电荷泵升压单元包括第四电感、第二电荷泵二极管和第二电荷泵电容，第二箝位二极管的阴极连接第四电感的一端，第四电感的另一端接至第二电荷泵电容的一端，第二电荷泵电容的另一端分别接至负载的另一端以及第二电荷泵二极管的阳极；第二电荷泵二极管的阴极接至第二箝位二极管的阳极，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、第四电感与第二箝位二极管的阴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，第一和第二开关管为MOS管或者IGBT管。

有益效果

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，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双管直流变换器；

图2是第一功率开关管驱动电压波形图；

图3是第二功率开关管驱动电压波形图；

图4至图7是第一电感、第二电感、第三电感和第四电感电流波形图；

图8是第一功率开关管驱动电流波形图；

图9是第二功率开关管驱动电流波形图；

图10是第一箝位二极管电压波形图；

图11是第一箝位二极管电流波形图；

图12是第二箝位二极管电压波形图；

图13是第二箝位二极管电流波形图；

图14是第一电荷泵二极管电压波形图；

图15是第一电荷泵二极管电流波形图；

图16是第二电荷泵二极管电压波形图；

图17是第二电荷泵二极管电流波形图；

图18是输出侧二极管电压波形图；

图19是输出侧二极管电流波形图；

图20是输出滤波电容电压波形图。

图中标号说明：V_i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，D₁、D₂为第一、第二箝位二极管，C₁、C₂为第一、第二箝位电容，N₃为第三电感，D₃为第一电荷泵二极管，C₃为第一电荷泵电容，N₄为第四电感，D₄为第二电荷泵二极管，C₄为第二电荷泵电容，D₅为二极管，C_o为输出滤波电容，R_L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所示的带有电荷泵的耦合电感双管直流变换器，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、第一箝位回路、第二箝位回路、二极管和负载；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二极管输入至负载的一端；所述第一箝位回路用于箝位第一升压电路，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，第二箝位回路用于箝位第二升压电路，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、第一开关管和第二开关管，所述的第一开关管为第一功率开关管S1、第二开关管为第二功率开关管S2；其中：第二功率开关管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的另一端与第一功率开关管S1的漏极连接，第一功率开关管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的另一端与第二功率开关管S2的源极连接。

第一箝位回路包括：第一箝位电容C1和第一箝位二极管D1，其中第一箝位二极管D1的阳极与第一功率开关管S1的漏极、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、第二功率开关管S2的漏极以及第一电感N1的一端相连，第一箝位电容C1的另一端与第一箝位二极管D1的阴极相连。

第二箝位回路包括：第二箝位电容C2和第二箝位二极管D2；其中第二箝位二极管D2的阴极与第二功率开关管S2的源极、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、第一功率开关管S1的源极以及第二电感N2的一端相连，第二箝位电容C2的另一端与第二箝位二极管D2的阳极相连。

第一电荷泵升压单元包括：第一电荷泵电容C3、第一电荷泵二极管D3和第三电感N3；第一电荷泵二极管D3的阳极与第一箝位二极管D1的阴极相连，第一箝位二极管D1、第一电荷泵二极管D3、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，第一电荷泵二极管的阴极与第三功率二极管D5的阳极相连。第三功率二极管D5的阴极与负载的一端相连。

所述第二电荷泵升压单元包括：第二电荷泵电容C4、第二电荷泵二极管D4、第四电感N4；第二电荷泵二极管D4的阴极与第二箝位二极管D2的阳极相连，第二箝位二极管D2、第四电感N4、第二电荷泵电容C4、第二电荷泵二极管D4相互串联，构成一个闭合回路，第二电荷泵二极管的阳极与负载的另一端相连。

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分别与第一箝位二极管的阳极、第一功率开关管S1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分别与第二箝位二极管的阴极、第二功率开关管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R_L并接在变换器的输出端。第一电荷泵升压单元的输出端，经二极管接至滤波电容Co的一端。

图2至图20为输入电压V_i=40V, 功率开关管S₁、S₂占空比D=0.5，第一耦合电感匝比1：2.5，第二耦合电感匝比1：2.5；负载R=320Ω时的波形图，图2和图3分别是第一、第二功率开关管电压V_S1、V_S2所对应的波形图，图4至图7分别是第一电感电流i_L1、第二电感电流i_L2、第三电感电流i_L3和第四电感电流i_L4所对应的波形图，图8和图9分别是第一功率开关管电流i_s1、第二功率开关管电流i_s2所对应的波形图，图10和图11分别是第一箝位二极管电压V_D1和电流i_D1所对应的波形图，图12和图13分别是第二箝位二极管电压V_D2和电流i_D2所对应的波形图，图14和图15分别是第一电荷泵二极管电压V_D3和电流i_D3所对应的波形图，图16和图17分别是输出侧第二电荷泵二极管电压V_D4和电流i_D4所对应的波形图，图18和图19分别是输出二极管电压V_D5和电流i_D5所对应的波形图，图20是输出滤波电容电压V_C所对应的波形图。从图中可以看到功率开关管关断时电压V_S1= V_S2=80V ，说明功率开关管电压应力小。第一功率开关管电流i_s1、第二功率开关管电流i_s2较小，可见功率开关管电流较小，导通损耗小。二极管电流均是电流过零关断，说明有效的解决了二极管反向恢复和EMI干扰问题。

可见，本发明带有电荷泵的耦合电感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，同时二极管不存在反向恢复问题。

Claims

1.带有电荷泵的耦合电感双管直流变换器，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、第一箝位回路、第二箝位回路、二极管和负载；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二极管输入至负载的一端；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；所述第一箝位回路包括第一箝位电容和第一箝位二极管，所述第二箝位回路包括第二箝位电容和第二箝位二极管，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、第一箝位电容的一端和第二开关管的漏极分别接至直流电压源正极，第一电感的另一端分别与第一开关管的漏极、第一箝位二极管的阳极相连，第一箝位二极管的阴极接至第一箝位电容的另一端；所述第二电感的一端、第二箝位电容的一端和第一开关管的源极分别接至直流电压源负极，第二电感的另一端分别与第二开关管的源极、第二箝位二极管的阴极相连，第二箝位二极管的阳极接至第二箝位电容的另一端。

2.根据权利要求1所述的带有电荷泵的耦合电感双管直流变换器，其特征在于：所述的第一电荷泵升压单元包括第三电感、第一电荷泵二极管和第一电荷泵电容，第一电荷泵二极管的阳极连接第一箝位二极管的阴极，第一电荷泵二极管的阴极分别与二极管的阳极以及第一电荷泵电容的一端连接，二极管的阴极与负载的一端相连；第一电荷泵电容的另一端与第三电感的一端相连，第三电感的另一端与第一箝位二极管的阳极相连，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、第三电感与第一箝位二极管的阳极相连的一端为耦合电感的同名端。

3.根据权利要求1或2所述的带有电荷泵的耦合电感双管直流变换器，其特征于：所述的第二电荷泵升压单元包括第四电感、第二电荷泵二极管和第二电荷泵电容，第二箝位二极管的阴极连接第四电感的一端，第四电感的另一端接至第二电荷泵电容的一端，第二电荷泵电容的另一端分别接至负载的另一端以及第二电荷泵二极管的阳极；第二电荷泵二极管的阴极接至第二箝位二极管的阳极，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、第四电感与第二箝位二极管的阴极相连的一端为耦合电感的同名端。

4.根据权利要求1或2所述的带有电荷泵的耦合电感双管直流变换器，其特征在于：第一和第二开关管为MOS管或者IGBT管。