CN103746565A - 含内置变压器和倍压结构的高增益有源无损箝位交错并联变换器 - 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交错并联变换器，包括两个输入电感，两个功率开关管，两个箝位开关管，两个倍压二极管，两个输出二极管，两个箝位电容，两个倍压电容，两个输出电容和一个带有三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和二极管的电压应力，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交错并联变换器

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交错并联变换器。

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，通常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。

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交错并联变换器。其中：

第一输入电感L1的第一端和第二输入电感L2的第一端与电源Vin的正极相连，第一输入电感L1的第二端与第一功率开关管S1的漏极，第一箝位开关管Sc1的源极，内置变压器原边绕组Tp的第一端及内置变压器副边第一绕组Ts1的第二端相连，第二输入电感L2的第二端与第二功率开关管S2的漏极，第二箝位开关管Sc2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第二绕组Ts2的第一端相连，第一箝位开关管Sc1的漏极与第一箝位电容Cc1的第一端相连，第二箝位开关管Sc2的漏极与第二箝位电容Cc2的第一端相连，电源Vin的负极与第一功率开关管S1的源极，第二功率开关管S2的源极，第一箝位电容Cc1的第二端及第二箝位电容Cc2的第二端相连；

内置变压器副边第一绕组Ts1的第一端与第一倍压电容Cm1的第一端相连，内置变压器副边第二绕组Ts2的第二端与第二倍压电容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的第一端及输出负载1Ro1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和内置变压器副边第一绕组Ts1及第二绕组Ts2同为一个内置变压器中的三个绕组，以原边绕组Tp的第一端，副边第一绕组Ts1的第一端和副边第二绕组Ts2的第一端为内置变压器的同名端；

所述的变换器，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。

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。

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交错并联变换器的电路图；

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交错并联变换器中，

第一输入电感L1的第一端和第二输入电感L2的第一端与电源Vin的正极相连，第一输入电感L1的第二端与第一功率开关管S1的漏极，第一箝位开关管Sc1的源极，内置变压器原边绕组Tp的第一端及内置变压器副边第一绕组Ts1的第二端相连，第二输入电感L2的第二端与第二功率开关管S2的漏极，第二箝位开关管Sc2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第二绕组Ts2的第一端相连，第一箝位开关管Sc1的漏极与第一箝位电容Cc1的第一端相连，第二箝位开关管Sc2的漏极与第二箝位电容Cc2的第一端相连，电源Vin的负极与第一功率开关管S1的源极，第二功率开关管S2的源极，第一箝位电容Cc1的第二端及第二箝位电容Cc2的第二端相连；

内置变压器副边第一绕组Ts1的第一端与第一倍压电容Cm1的第一端相连，内置变压器副边第二绕组Ts2的第二端与第二倍压电容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和内置变压器副边第一绕组Ts1及第二绕组Ts2同为一个内置变压器中的三个绕组，图中由“*”标记了原边绕组Tp，副边第一绕组Ts1和第二绕组Ts2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交错并联变换器在一个开关周期内有六种工作过程，即第一功率开关管S1关断与第一箝位开关管Sc1开通之间的换流；第一箝位开关管Sc1关断与第一功率开关管S1开通之间的换流；第一输出二极管Do1和第二输出二极管Do2关断过程；第二功率开关管S2关断与第二箝位开关管Sc2开通之间的换流；第二箝位开关管Sc2关断与第二功率开关管S2开通之间的换流；第一倍压二极管Dm1和第二倍压二极管Dm2关断过程；

第一功率开关管S1关断与第一箝位开关管Sc1开通之间的换流：

换流前，电路处于第一功率开关管S1和第二功率开关管S2导通，第一箝位开关管Sc1，第二箝位开关管Sc2，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关断的稳定工作状态。当第一功率开关管S1关断时，第一功率开关管S1上电压迅速上升，第一箝位开关管Sc1两端的电压迅速下降至零，第一箝位开关管Sc1的体二极管导通，此时第一箝位开关管Sc1开通。由于体二极管已经导通，第一箝位开关管Sc1实现零电压开通。由于第一箝位电容Cc1的作用，第一功率开关管S1两端的电压被箝位为一定电压值，实现了第一功率开关管S1的软箝位关断。第一箝位电容Cc1的电压不断上升，最终第一输出二极管Do1和第二输出二极管Do2导通，能量转移至第一输出电容Co1和第二输出电容Co2。

第一箝位开关管Sc1关断与第一功率开关管S1开通之间的换流：

第一箝位开关管Sc1关断前，第一箝位电容Cc1的能量正向内置变压器的漏感转移。第一箝位开关管Sc1关断，使得第一功率开关管S1的体二极管导通，随后第一功率开关管S1导通，由于体二极管已经导通，第一功率开关管S1实现零电压开通。

第一输出二极管Do1和第二输出二极管Do2关断过程：

第一功率开关管S1导通后，内置变压器的漏感电流以一定斜率线性下降至零，第一输出二极管Do1和第二输出二极管Do2的电流也跟随内置变压器的漏感电流线性降至零，实现自然关断，减小了反向恢复损耗。电路处于第一功率开关管S1和第二功率开关管S2导通，第一箝位开关管Sc1，第二箝位开关管Sc2，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关断的稳定工作状态。

第二功率开关管S2关断与第二箝位开关管Sc2开通之间的换流：

当第二功率开关管S2关断时，第二功率开关管S2上电压迅速上升，第二箝位开关管Sc2两端的电压迅速下降至零，第二箝位开关管Sc2的体二极管导通，此时第二箝位开关管Sc2开通。由于体二极管已经导通，第二箝位开关管Sc2实现零电压开通。由于第二箝位电容Cc2的作用，第二功率开关管S2两端的电压被箝位为一定电压值，实现了第二功率开关管S2的软箝位关断。第二箝位电容Cc2的电压不断上升，最终第一倍压二极管Dm1和第二倍压二极管Dm2导通，能量转移至第一倍压电容Cm1和第二倍压电容Cm2。

第二箝位开关管Sc2关断与第二功率开关管S2开通之间的换流：

第二箝位开关管Sc2关断前，第二箝位电容Cc2的能量正向内置变压器的漏感转移。第二箝位开关管Sc2关断，使得第二功率开关管S2的体二极管导通，随后第二功率开关管S2导通，由于体二极管已经导通，第二功率开关管S2实现零电压开通。

第一倍压二极管Dm1和第二倍压二极管Dm2关断过程：

第二功率开关管S2导通后，内置变压器的漏感电流以一定斜率线性下降至零，第一倍压二极管Dm1和第二倍压二极管Dm2的电流也跟随内置变压器的漏感电流线性降至零，实现自然关断，减小了反向恢复损耗。电路处于第一功率开关管S1和第二功率开关管S2导通，第一箝位开关管Sc1，第二箝位开关管Sc2，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交错并联变换器，其特征在于： 

第一输入电感L1的第一端和第二输入电感L2的第一端与电源Vin的正极相连，第一输入电感L1的第二端与第一功率开关管S1的漏极，第一箝位开关管Sc1的源极，内置变压器原边绕组Tp的第一端及内置变压器副边第一绕组Ts1的第二端相连，第二输入电感L2的第二端与第二功率开关管S2的漏极，第二箝位开关管Sc2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第二绕组Ts2的第一端相连，第一箝位开关管Sc1的漏极与第一箝位电容Cc1的第一端相连，第二箝位开关管Sc2的漏极与第二箝位电容Cc2的第一端相连，电源Vin的负极与第一功率开关管S1的源极，第二功率开关管S2的源极，第一箝位电容Cc1的第二端及第二箝位电容Cc2的第二端相连； 

内置变压器副边第一绕组Ts1的第一端与第一倍压电容Cm1的第一端相连，内置变压器副边第二绕组Ts2的第二端与第二倍压电容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的第一端及输出负载1Ro1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和内置变压器副边第一绕组Ts1及第二绕组Ts2同为一个内置变压器中的三个绕组，以原边绕组Tp的第一端，副边第一绕组Ts1的第一端和副边第二绕组Ts2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交错并联变换器，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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