CN103812349B - 一种高升压dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高升压DC/DC变换器，其能够将低压直流电转换为电压较高的直流电，并且能够实现软开关，具有很高的工作效率。所述高升压DC/DC变换器中包含两个部分：Boost电路单元和升压单元。Boost电路单元由2个功率开关S1、S2和一个耦合电感的原边<i>L</i>1组成。耦合电感副边<i>L</i>2、电容<i>C</i>和二极管D构成本发明变换器的升压单元；升压单元相当于一个可控直流电压源，它的电压与耦合电感副原边的匝数比<i>N</i>和开关管S1的占空比<i>D</i>有关。本发明的高升压DC/DC变换器较于现有高升压DC/DC变换器，电压增益高、器件电压应力低、效率高。

Description

一种高升压DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种高升压DC/DC变换器，用于将低压直流电转换为电压较高的直流电，主要应用于高升压高效率场合，属于高升压DC/DC技术领域。
背景技术
高增益DC/DC变换器广泛应用于各种场合，如不间断电源、高强度放电灯、电动汽车、燃料电池并网发电、光伏并网发电等系统。在高升压场合，传统Boost变换器的占空比会达到极限，并且电压电流应力高、变换效率低、实际电压增益受等效串联电阻限制。为了实现高升压，已有相关文献对高升压DC/DC变换器进行了研究。Boost变换器级联可以提高电压增益，但存在主电路拓扑、控制、驱动复杂等不足，而且级联变换器的稳定性设计相对困难。有些学者提出将Boost变换器和隔离型变换器的输出串联提高电压增益，并且可以通过共用电感和开关管简化电路。然而，这类输出串联的高增益变换器存在以下不足：首先在于两个输出电容电压一般不相等，不便于归一化设计；其次，由于存在输出电容串联后单独给负载供电的工作模态，而电容串联后等效电容减小，在满足相同输出电压纹波条件下，需要采用较大容量的电容串联。
例如，文献[1]Y.Zhao,W.Li,andX.He,“Single-phaseimprovedactiveclampcoupled-inductor-basedconverterwithextendedvoltagedoublercell,”IEEETrans.PowerElectron.,vol.27,no.6,pp.2869–2878,Jun.2012.公开的高性能升压变换器，其中的变换器的二极管Dr、Do的电压应力均等于输出电压380V，存在电压应力高、控制复杂的问题。再如，文献[2]H.-W.Seong,H.-S.Kim,K.-B.Park,G.-W.Moon,andM.-J.Youn,“Highstep-upDC-DCconvertersusingzero-voltageswitchingboostintegrationtechniqueandlight-loadfrequencymodulationcontrol,”IEEETrans.PowerElectron.,vol.27,no.3,pp.1383–1400,Mar.2012.公开一种高性能升压变换器，但是存在输出电容电压不平衡的问题，在满足同样的输电电压纹波要求下，输出电容串联结构变换器的输出电容的容值和体积会较大。
发明内容
针对现有高升压DC/DC变换器存在的上述不足，本发明的目的是解决现有高升压DC/DC变换器器件存在电压应力高、控制复杂、输出电容电压不平衡的问题，提供一种器件电压应力低、电压增益高和效率高的新型高升压DC/DC变换器。
实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高升压DC/DC变换器，其特征在于：由Boost电路单元和升压单元两部分组成；所述Boost电路单元由耦合电感原边L 1、第一开关管S1和第二开关管S2构成，耦合电感原边L 1的同名端接输入直流电压的正极，非同名端同时接开关管S1的漏极和开关管S2的源极；开关管S2的漏极与升压单元的一端相连，升压单元的另一端接输出电容的一端，输出电容的另一端同时接开关管S1的源极和电压源的负极，负载并联在输出电容两端；
所述升压单元由二极管、电容和耦合电感副边L 2组成受控直流电压源。
进一步，所述升压单元由二极管D、电容C和耦合电感副边L 2组成受控直流电压源；电容C一端同时接开关管S2的漏极和耦合电感副边L 2的同名端，另一端同时接二极管D的阴极和输出电容C o的一端，耦合电感副边L 2的非同名端和二极管D1的阳极相连。
进一步，所述升压单元还可由第一二极管D1、第二二极管D2，第一电容C 1、第二电容C 2和耦合电感副边L 2组成受控直流电压源；第一电容C 1同时接开关管S2的漏极和耦合电感副边L 2的同名端及第二电容C 2的一端，第二电容C 2的另一端同时接第二二极管D2的阴极和输出电容C o的一端，耦合电感L 2的非同名端同时接第二二极管D2的阳极和第一二极管D1的阴极。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明高升压DC/DC变换器仅包含Boost电路单元和升压单元两部分；本发明将特定的Boost电路单元和升压单元合理组合，得到性能非常优良的新型变换器，优势体现在升压能力强、效率高、器件电压应力低。
2、本发明高升压DC/DC变换器具有开关损耗小和效率高的特点。本发明中，所述第一开关管S1和第二开关管S2采用功率MOSFET或IGBT，第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号在一个开关周期内采用互补设计，即一个开关管导通，另一个开关管关断，并根据实际需要留有死区时间，即两个开关管都关断的时间段。开关管承受电压应力低，并且均工作在软开关状态；二极管电流的反向恢复问题得到有效解决。
3、与现有的高性能升压变换器相比，二极管承受的电压应力更低，结合实施例图4中的变换器以及它的实验波形图7～10，与文献[1]中所提的高性能升压变换器做比较，可以发现，图4中的变换器和文献[1]中变换器的元器件种类和个数均相同，升压比相同，两者都能实现软开关；但是，图4中变换器的优势在于：在输入输出电压相同时（两者都是在输入电压48V、输出电压380V的条件下测得的波形），由图10可知，图4中变换器的二极管D1、D2的电压应力仅为250V，然而，文献[1]中的变换器的二极管Dr、Do的电压应力均等于输出电压380V，因此图4变换器除了具有高升压、高效率的优点外，在考虑到元器件的电压应力方面，更具优势。
文献[2]所述的变换器的输出电容为串联结构，拥有高升压、高效率的优点，并且二极管Do1、Do2的电压应力小于输出电压，而本发明图4中的变换器与文献[2]中所提变换器的元器件种类和个数均相同，但与文献[2]中这类输出电容串联的高升压变换器相比，在满足同样输出电压纹波条件下，图4中的变换器所需要的输出电容的容值更小，体积也更小；并且避免了输出电容串联结构带来的电压不平衡问题，电路结构简单。
4、两个开关管S1、S2由一个两路输出控制器驱动，开关管S1、S2驱动信号是近似互补（留有一定的死区）的工作占空比。
5、本变换器可扩展倍压单元进一步提高升压比。
附图说明
图1是本发明高升压DC/DC变换器的整体电路原理图。
图2是本发明高升压DC/DC变换器第一实施方式的电路原理图。
图3是本发明高升压DC/DC变换器第二实施方式的电路原理图。
图4是本发明高升压DC/DC变换器第三实施方式的电路原理图。
图5是图4高升压DC/DC变换器的等效电路原理图。
图6是图5所示开关管驱动波形图。
图7～10是图4高升压DC/DC变换器的实验波形图。
图11是图4高升压DC/DC变换器扩展倍压单元后的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明设计一种高升压DC/DC变换器，由Boost电路单元和升压单元组成，能够实现软开关，具有很高的效率，Boost电路单元和升压单元实现变换器的高升压。基于本发明的思想方法，通过变换升压单元的拓扑组合，可以得到不同的高升压变换器。
图2～4列举了具有此类似结构的三种不同升压单元的变换器。
其中，图2的升压单元是一种整流电路，具体连接结构为：电容C一端同时接开关管S2的漏极和耦合电感副边L 2的同名端，另一端同时接二极管D的阴极和输出电容C o的一端，耦合电感副边L 2的非同名端和二极管D1的阳极相连。
图3中变换器的升压单元是一种半桥形式，具体连接结构为：电容C 1同时接开关管S2的漏极和耦合电感副边L 2的同名端及电容C 2的一端，电容C 2的另一端同时接二极管D2的阴极和输出电容C o的一端，耦合电感L 2的非同名端同时接二极管D2的阳极和二极管D1的阴极。
图4所示变换器的升压单元是一种倍压电路，具体连接结构为：二极管D1的阳极同时与2的漏极、耦合电感副边L 2的同名端及电容C 2的一端相连，电容C 2的另一端同时接二极管D2的阴极和输出电容C o的一端，电容C 1一端接耦合电感L 2的非同名端，另一端同时接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极。
图2～图4所示三种高升压变换器的工作原理和分析方法类似。下面只对图4中变换器的性能做出详细分析和验证，图2和图3中变换器就不再赘述。
由于耦合电感可等效为原副边匝数比为n 1/n 2的理想变压器与激磁电感L m并联后再与漏感L lk串联，因此，图4所示高升压DC/DC变换器可以等效为图5中的变换器，另外图6还给出了第一开关S1和第二开关管S2的驱动波形图。
在一个开关周期内，开关管的驱动波形是接近于互补的，保留了很短的死区时间，以实现开关管的零电压开通。
根据开关状态的不同，可以将电路分为八种工作状态：
（1）开关S1和二极管D1导通，开关S2和二极管D2关断。在此工作状态，激磁电感和漏感在输入电压V in作用下充电，激磁电流和漏感电流均线性上升；
（2）开关S1、S2及D2均关断。在此工作状态，漏感L lk与电容C S1谐振。由于电容C S1的存在，开关S1可近似实现零电压关断，减小其关断损耗。由于电容C S1较小，漏感L lk相对很大，此开关模态持续的时间很短；
（3）开关S1、S2及二极管D2均关断，开关S2的反并联二极管DS2导通，两端电压被钳位到零，为零电压开通开关S2提供了条件。
（4）开关S1、S2及二极管D1关断。存储在耦合电感和电容C 1、C 2中的能量开始向负载端传输；
（5）开关S1和二极管D1关断，开关S2和二极管D2导通。此工作状态的等效电路与工作状态（4）类似；
（6）开关S1、S2及二极管D1关断，二极管D2导通。在此工作状态，漏感L lk与电容C S1谐振，电容C S1上的电压下降，由于电容C S1较小，漏感L lk相对很大，此工作状态持续的时间很短。由于电容C S2的存在，开关S2近似实现零电压关断，减小了开关管的关断损耗。
（7）开关S1、S2及二极管D1关断，二极管D2及开关S1的反并联二极管DS1导通。在此工作状态，漏感电流开始线性上升，激磁电流线性下降，流过二极管D2的电流开始线性下降。
（8）开关S1及二极管D2导通，S2及二极管D1关断。此开关模态的等效电路与开关模态7类似。当漏感电流上升到与激磁电流相等时，二极管D2零电流关断。
图7～图10所示为图4中的高升压变换器的实验波形图，由图4可以看出，变换器实现了由输入电压48V到输出电压380V的高增益变换，此时，开关管占空比D约为0.6，避免了极限占空比的出现。图8和图9分别展示了第一开关管S1和第二开关管S2的软开关波形，可以看出，两开关管均实现了零电压开通及关断，并且承受的电压应力均为120V左右，远低于输出电压380V，此外，开关管S1关断时的电压尖峰得到了有效抑制。二极管D1和D2的电压电流波形如图10所示，由于漏感的作用，二极管电流下降的斜率变得较为平缓，有效解决了二极管的反向恢复问题，另一方面，二极管D1和D2的电压应力仅为250V，比输出电压380V低很多。变换器的工作效率和文献[1]中所提变换器的效率相当，最高效率可以达到96%以上。
从实验波形可知，本发明的高升压直流变换器在避免出现极限占空比的情况下，实现了高升压功能，并且器件的电压应力较低，无论是在升压能力、效率、还是器件的电压应力上，与传统DC/DC升压变换器相比都具有明显优势。
此外，根据实际需要，可以通过扩展倍压电路的方式实现更高的升压比，使用起来非常灵活。图11所示为4中变换器扩展倍压单元后的电路图。
与现有的高性能升压变换器相比，二极管承受的电压应力更低，请结合图4中的变换器以及它的实验波形图7～10，与文献[1]中所提的高性能升压变换器做比较，我们可以发现，图4中的变换器和文献[1]中变换器的元器件种类和个数均相同，升压比相同，两者都能实现软开关，但是，图4中变换器的优势在于：在输入输出电压相同时（两者都是在输入电压48V、输出电压380V的条件下测得的波形），由图10可知，图4中变换器的二极管D1、D2的电压应力仅为250V，然而，文献[1]中的变换器的二极管Dr、Do的电压应力均等于输出电压380V，因此图4变换器除了具有高升压、高效率的优点外，在考虑到元器件的电压应力方面，更具优势。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种高升压DC/DC变换器，其特征在于：由Boost电路单元和升压单元两部分组成；所述Boost电路单元由耦合电感原边L 1、第一开关管S1和第二开关管S2构成，耦合电感原边L 1的同名端接输入直流电压的正极，非同名端同时接开关管S1的漏极和开关管S2的源极；开关管S2的漏极与升压单元的一端相连，升压单元的另一端接输出电容的一端，输出电容的另一端同时接开关管S1的源极和电压源的负极，负载并联在输出电容两端；
所述升压单元由二极管D、电容C和耦合电感副边L 2组成受控直流电压源；电容C一端同时接开关管S2的漏极和耦合电感副边L 2的同名端，另一端同时接二极管D的阴极和输出电容C o的一端，耦合电感副边L 2的非同名端和二极管D1的阳极相连。
2.一种高升压DC/DC变换器，其特征在于：由Boost电路单元和升压单元两部分组成；所述Boost电路单元由耦合电感原边L 1、第一开关管S1和第二开关管S2构成，耦合电感原边L 1的同名端接输入直流电压的正极，非同名端同时接开关管S1的漏极和开关管S2的源极；开关管S2的漏极与升压单元的一端相连，升压单元的另一端接输出电容的一端，输出电容的另一端同时接开关管S1的源极和电压源的负极，负载并联在输出电容两端；
所述升压单元由第一二极管D1、第二二极管D2，第一电容C 1、第二电容C 2和耦合电感副边L 2组成受控直流电压源；第一电容C 1同时接开关管S2的漏极和耦合电感副边L 2的同名端及第二电容C 2的一端，第二电容C 2的另一端同时接第二二极管D2的阴极和输出电容C o的一端，耦合电感L 2的非同名端同时接第二二极管D2的阳极和第一二极管D1的阴极。
3.一种高升压DC/DC变换器，其特征在于：由Boost电路单元和升压单元两部分组成；所述Boost电路单元由耦合电感原边L 1、第一开关管S1和第二开关管S2构成，耦合电感原边L 1的同名端接输入直流电压的正极，非同名端同时接开关管S1的漏极和开关管S2的源极；开关管S2的漏极与升压单元的一端相连，升压单元的另一端接输出电容的一端，输出电容的另一端同时接开关管S1的源极和电压源的负极，负载并联在输出电容两端；
所述升压单元由第一二极管D1、第二二极管D2，第一电容C 1、第二电容C 2和耦合电感副边L 2组成受控直流电压源；第一二极管D1的阳极同时与开关管S2的漏极、耦合电感副边L 2的同名端及第二电容C 2的一端相连，第二电容C 2的另一端同时接第二二极管D2的阴极和输出电容C o的一端，第一电容C 1一端接耦合电感L 2的非同名端，另一端同时接第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阳极。
4.根据权利要求1、2或3所述高升压DC/DC变换器，其特征在于：所述升压单元中的二极管和电容可以组合成倍压单元，适当扩展倍压单元。
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