CN103746564A - 含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器，包括一个输入电感，一个功率开关管，一个箝位开关管，两个倍压二极管，两个输出二极管，一个箝位电容，一个隔直电容，两个倍压电容，两个输出电容和一个带有两个绕组的内置变压器，本发明利用内置变压器来拓展变换器的电压增益和降低功率开关管的电压应力，利用内置变压器的漏感实现开关管的零电压开通和抑制二极管的反向恢复电流，箝位开关管和箝位电容组成的箝位电路有效吸收了功率开关管关断时的电压尖峰和实现了能量的无损转移，利用倍压电路结构进一步提高了变换器的增益，并进一步降低功率开关管及二极管的电压应力，电路结构简单，控制方便，适用于小功率，高增益和高效率的光伏并网发电变换场合。

Description

含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器

技术领域

本发明涉及一种直流—直流变换器及应用，具体说是含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器。

背景技术

在光伏发电系统中，由于单块光伏电池的输出电压较低，而逆变并网发电所需的直流母线电压较高，因此需要一级直流—直流变换器把低电压直流电转换为适合并网的高电压直流电。在分布式光伏发电方案中，单块光伏电池的功率容量较小，但对效率的要求较高。因此如何实现高增益、高效率且结构简单的单级变换器，对于推动光伏产业的发展具有重要意义。

常规的单相单管升压型Boost直流－直流变换器的电压增益仅由占空比决定，电压增益有限，难以满足高增益的变换要求。功率开关管的电压应力较大，难以采用低压高性能的开关管来降低导通损耗。而且，变换器开关管工作在硬开关状态，开关损耗较大。为了实现Boost变换器的软开关动作，近年来，相继研究了一些通过附加有源功率开关或无源器件的软开关方案，这些电路虽然实现了软开关动作，但是不能降低开关管的电压应力，也不能实现系统的高增益变换。为了提升变换器的电压增益，一种方案是采用开关电容的方案，但这种方案所需开关管数量较多，增加了系统成本；另外的方案是采用复杂的三绕组耦合电感方案，这种方案的缺点是耦合电感结构复杂，不利于工业加工，难以保证电路的一致性。

发明内容

本发明提供一种结构简单，控制方便且无能量损耗的含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器。其中：

输入电感的第一端与电源的正极相连，输入电感的第二端与功率开关管的漏极，箝位开关管的源极，内置变压器原边绕组的第二端及内置变压器副边绕组的第一端相连，内置变压器原边绕组的第一端与隔直电容的第一端相连，箝位开关管的漏极与箝位电容的第一端相连，电源的负极与功率开关管的源极，隔直电容的第二端及箝位电容的第二端相连；

内置变压器副边绕组的第二端与第一倍压电容的第一端及第二倍压电容的第一端相连，第一倍压电容的第二端与第一倍压二极管的阴极及第一输出二极管的阳极相连，第二倍压电容的第二端与第二倍压二极管的阳极及第二输出二极管的阴极相连，第一输出二极管的阴极与第一输出电容的第一端及第一输出负载的第一端相连，第二输出二极管的阳极与第二输出电容的第二端及第二输出负载的第二端相连，电源的负极与第一倍压二极管的阳极，第二倍压二极管的阴极，第一输出电容的第二端，第二输出电容的第一端，第一输出负载的第二端及第二输出负载的第一端相连，内置变压器原边绕组和内置变压器副边绕组同为一个内置变压器中的两个绕组，以原边绕组的第一端和副边绕组的第一端为内置变压器的同名端；

所述的变换器，其第一倍压二极管、第二倍压二极管、第一输出二极管和第二输出二极管中的一个或多个改成同步整流管，均能正常工作。第一输出负载和第二输出负载的连接点与电源负极断开连接或者第一输出负载和第二输出负载的连接点与电源负极断开连接后合并为一个输出负载，电路均能正常工作。

本发明变换器工作时，利用内置变压器效应拓展了变换器电压增益，降低了功率开关管的电压应力，降低了功率器件的导通损耗。倍压电路结构的引入进一步提高了电路的电压增益和降低了器件的电压应力；利用内置变压器的漏感实现了功率开关管的零电压开通；同时利用内置变压器的漏感还实现了倍压二极管和输出二极管的软关断；利用箝位开关管和箝位电容吸收漏感的能量，使功率开关管关断时无电压尖峰，并且吸收的漏感能量最终传递到负载，实现无损吸收；其电路结构简单，控制方便，适用于小功率，高增益和高效率的分布式光伏并网发电场合。

本发明中附件元件少，结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，可提高电路的效率，且换流过程中，功率开关管关断时无电压过冲，倍压二极管和输出二极管开通时无电流过冲。内置变压器在对应的开关管开通和关断时都传递能量，提高了内置变压器的利用率，降低了内置变压器的体积。

附图说明

图1是本发明含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器的电路图；

具体实施方式

参见图1，本发明的含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器中，

输入电感L的第一端与电源Vin的正极相连，输入电感L的第二端与功率开关管S的漏极，箝位开关管Sc的源极，内置变压器原边绕组Tp的第二端及内置变压器副边绕组Ts的第一端相连，内置变压器原边绕组Tp的第一端与隔直电容Cb的第一端相连，箝位开关管Sc的漏极与箝位电容Cc的第一端相连，电源Vin的负极与功率开关管S的源极，隔直电容Cb的第二端及箝位电容Cc的第二端相连；

内置变压器副边绕组Ts的第二端与第一倍压电容Cm1的第一端及第二倍压电容Cm2的第一端相连，第一倍压电容Cm1的第二端与第一倍压二极管Dm1的阴极及第一输出二极管Do1的阳极相连，第二倍压电容Cm2的第二端与第二倍压二极管Dm2的阳极及第二输出二极管Do2的阴极相连，第一输出二极管Do1的阴极与第一输出电容Co1的第一端及第一输出负载Ro1的第一端相连，第二输出二极管Do2的阳极与第二输出电容Co2的第二端及第二输出负载Ro2的第二端相连，电源Vin的负极与第一倍压二极管Dm1的阳极，第二倍压二极管Dm2的阴极，第一输出电容Co1的第二端，第二输出电容Co2的第一端，第一输出负载Ro1的第二端及第二输出负载Ro2的第一端相连，内置变压器原边绕组Tp和内置变压器副边绕组Ts同为一个内置变压器中的两个绕组，图中由“*”标记了原边绕组Tp和和副边绕组Ts的同名端；

第一输出电容Co1的第一端和第二输出电容Co2的第二端之间的电压为Vout，能量最终传递给第一输出负载Ro1和第二输出负载Ro2。

含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器在一个开关周期内有四种工作过程，即功率开关管S关断与箝位开关管Sc开通之间的换流；第一倍压二极管Dm1，第二输出二极管Do2关断和第二倍压二极管Dm2，第一输出二极管Do1导通之间的换流；箝位开关管Sc关断与功率开关管S开通之间的换流；第二倍压二极管Dm2，第一输出二极管Do1关断和第一倍压二极管Dm1，第二输出二极管Do2导通之间的换流。

功率开关管S关断与箝位开关管Sc开通之间的换流：

换流前，电路处于功率开关管S，第一倍压二极管Dm1和第二输出二极管Do2导通，箝位开关管Sc，第二倍压二极管Dm2和第一输出二极管Do1关断的稳定工作状态。当功率开关管S关断时，功率开关管S上电压迅速上升，箝位开关管Sc两端的电压迅速下降至零，进而箝位开关管Sc体二极管导通，随后箝位开关管Sc导通，由于体二极管已经导通，箝位开关管Sc实现了零电压开通。由于箝位电容Cc的作用，功率开关管S两端的电压被箝位为一定电压值，实现了功率开关管S的软箝位关断。

第一倍压二极管Dm1，第二输出二极管Do2关断和第二倍压二极管Dm2，第一输出二极管Do1导通之间的换流：

箝位开关管Sc导通后，内置变压器漏感上的能量转移至箝位电容Cc和输出端，第一倍压二极管Dm1和第二输出二极管Do2的电流跟随内置变压器漏感上的电流以一定斜率线性下降到零，第一倍压二极管Dm1和第二输出二极管Do2关断。随后内置变压器漏感上的电流以一定斜率反向线性上升。第二倍压二极管Dm2和第一输出二极管Do1开通，能量向第二倍压电容Cm2和第一输出电容Co1转移。电路进入到功率开关管S，第一倍压二极管Dm1和第二输出二极管Do2关断，箝位开关管Sc，第二倍压二极管Dm2和第一输出二极管Do1导通的稳定工作状态。

箝位开关管Sc关断与功率开关管S开通之间的换流：

箝位开关管Sc关断前，箝位电容Cc上的能量向内置变压器的漏感转移。箝位开关管Sc关断后，内置变压器漏感上的电流使得功率开关管S的体二极管导通，随后功率开关管S开通。由于功率开关管S的体二极管已经导通，因此功率开关管S实现了零电压开通。

第二倍压二极管Dm2，第一输出二极管Do1关断和第一倍压二极管Dm1，第二输出二极管Do2导通之间的换流：

功率开关管S开通后，内置变压器的漏感电流以一定斜率线性下降到零，第二倍压二极管Dm2和第一输出二极管Do1的电流跟随内置变压器的漏感电流线性下降至零，自然关断。随后内置变压器的漏感电流反向上升，第一倍压二极管Dm1和第二输出二极管Do2导通。能量开始转移到第一倍压电容Cm1和第二输出电容Co2。电路进入到功率开关管S，第一倍压二极管Dm1和第二输出二极管Do2导通，箝位开关管Sc，第二倍压二极管Dm2和第一输出二极管Do1关断的稳定工作状态。

Claims (2)

1.一种含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器，其特征在于： 

输入电感L的第一端与电源Vin的正极相连，输入电感L的第二端与功率开关管S的漏极，箝位开关管Sc的源极，内置变压器原边绕组Tp的第二端及内置变压器副边绕组Ts的第一端相连，内置变压器原边绕组Tp的第一端与隔直电容Cb的第一端相连，箝位开关管Sc的漏极与箝位电容Cc的第一端相连，电源Vin的负极与功率开关管S的源极，隔直电容Cb的第二端及箝位电容Cc的第二端相连； 

内置变压器副边绕组Ts的第二端与第一倍压电容Cm1的第一端及第二倍压电容Cm2的第一端相连，第一倍压电容Cm1的第二端与第一倍压二极管Dm1的阴极及第一输出二极管Do1的阳极相连，第二倍压电容Cm2的第二端与第二倍压二极管Dm2的阳极及第二输出二极管Do2的阴极相连，第一输出二极管Do1的阴极与第一输出电容Co1的第一端及第一输出负载Ro1的第一端相连，第二输出二极管Do2的阳极与第二输出电容Co2的第二端及第二输出负载Ro2的第二端相连，电源Vin的负极与第一倍压二极管Dm1的阳极，第二倍压二极管Dm2的阴极，第一输出电容Co1的第二端，第二输出电容Co2的第一端，第一输出负载Ro1的第二端及第二输出负载Ro2的第一端相连，内置变压器原边绕组Tp和内置变压器副边绕组Ts同为一个内置变压器中的两个绕组，以原边绕组Tp的第一端和副边绕组Ts的第一端为内置变压器的同名端。 

2.如权利要求1所述的含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位变换器，其特征在于，第一倍压二极管Dm1、第二倍压二极管Dm2、第一输出二极管Do1和第二输出二极管Do2中的一个或多个改成同步整流管，均能正常工作。第一输出负载Ro1和第二输出负载Ro2的连接点与电源Vin的负极断开连接或者第一输出负载Ro1和第二输出负载Ro2的连接点与电源Vin的负极断开连接后合并为一个输出负载，电路均能正常工作。 

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