CN103904923A - 基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器，属于电力电子变换器技术领域。所述基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器由高频交流矩形波电压源、变压器、高频电感、四个二极管、两个开关管、两个辅助电容、输出滤波电容和负载构成，本发明利用高频电感和开关管使整流电路具备了可控的升压整流能力，利用辅助电容构成开关电容电路提升整流电路的升压能力，本发明不仅使得整流电路具备了升压能力，而且实现了所有开关管和二极管的软开关，可有效减小开关损耗、提高效率，本发明特别适合高效、高增益隔离升压直流功率变换场合应用。

Description

基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器

技术领域

本发明涉及一种隔离型直流-直流电能变换器，尤其涉及一种基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

在可再生能源发电、航空、航天、汽车以及医疗等技术领域的应用中，出于安全的考虑并且为了满足电压的需求，通常需要采用隔离升压直流变换器。如何提升隔离变换器的电压增益、减小变换器所用器件的电压应力并实现高效率功率变换一直是该技术领域所关注的重点问题。

传统的隔离型直流变换器通过调整变压器的变比来实现各种升压功能，但是，单纯依靠调整变压器的变比来实现升压存在以下问题：开关器件的电压应力高，特别是变换器副边整流二极管的电压应力远高于输出电压；变压器漏感增加，引起开关器件的电压尖峰和震荡，进一步加剧了开关器件的应力、降低了可靠性和效率。此外，传统的隔离型直流变换器通常不能实现所有开关器件、特别是变压器副边器件的软开关，极大的影响了变换器的效率。

电流型隔离变换器是隔离升压变换器的典型解决方案之一，如附图1，该方案将升压电路置于隔离变换器的原边电路，通过调节开关管的占空比可以实现隔离升压功能，该方案可以有效减小变压器绕组的匝数，整流二极管直接被输出电压箝位、电压应力较低。然而，其主要问题在于原边开关管的电压应力过高，特别是开关管关断时变压器漏感等会引起极大的电压尖峰，严重影响变换器的正常运行，因此必须加入合适的有源或无源吸收电路，导致电路复杂。此外，该电路方案虽然可以实现升压，但升压能力有限，而且开关管不能实现软开关，变换效率也受到影响。

文献“Chuan Yao，Xinbo Ruan，Xuehua Wang，Chi K.Tse.Isolated Buck-Boost DC/DCConverters Suitable for Wide Input-Voltage Range[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(9)：2599-2613.”将非隔离升压电路置于隔离降压变换器的副边，连接在整流电路输出端之后，以此实现隔离升压功能。该方案的主要问题在于变压器副边的整流电路、非隔离升压电路等都是硬开关，而且从输入到输出需要经过两级功率变换，这都会极大的降低变换器的整体效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为隔离升压功率变换场合提供一种基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

所述基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器由高频交流矩形波电压源(u_in)、包含一个副边绕组(N_S)和一个原边绕组(N_P)的变压器(T)、高频电感(L_H)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一辅助电容(C_a1)、第二辅助电容(C_a2)、输出滤波电容(C_o)和负载(R_o)构成；所述高频交流矩形波电压源(u_in)的一端连于变压器(T)原边绕组(N_P)的一端、高频交流矩形波电压源(u_in)的另一端连于变压器(T)原边绕组(N_P)的另一端。

所述变压器(T)副边绕组(N_S)、高频电感(L_H)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一辅助电容(C_a1)、第二辅助电容(C_a2)、输出滤波电容(C_o)和负载(R_o)的连接有两种可选方式。

方式一：所述变压器(T)副边绕组(N_S)的一端连于高频电感(L_H)的一端，高频电感(L_H)的另一端连于第二二极管(D₂)的阳极、第一辅助电容(C_a1)的一端和第一开关管(S₁)的漏极，第二二极管(D₂)的阴极连于第一二极管(D₁)的阳极和第二辅助电容(C_a2)的一端，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极、输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于变压器(T)副边绕组(N_S)的另一端、第二辅助电容(C_a2)的另一端和第四二极管(D₄)的阳极，第四二极管(D₄)的阴极连于第三二极管(D₃)的阳极和第一辅助电容(C_a1)的另一端。

方式二：所述变压器(T)副边绕组(N_S)的一端连于高频电感(L_H)的一端，高频电感(L_H)的另一端连于第二二极管(D₂)的阴极、第一开关管(S₁)的源极和第一辅助电容(C_a1)的一端，第一开关管(S₁)的漏极连于第一二极管(D₁)的阳极和第二辅助电容(C_a2)的一端，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极、输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第二二极管(D₂)的阳极和第四二极管(D₄)的阳极，第四二极管(D₄)的阴极连于变压器(T)副边绕组(N_S)的另一端、第二辅助电容(C_a2)的另一端和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于第三二极管(D₃)的阳极和第一辅助电容(C_a1)的另一端。

本发明技术方案与既有技术方案的本质区别在于，将升压电路集成到了隔离变换器的高频整流电路中，并通过开关电容电路提高整流电路的升压能力，这不仅可以有效减小器件应力，而且能够实现所有开关器件的软开关、改善变换效率。

本发明具有如下有益效果：

(1)整流电路本身能够实现升压功能，有效地减小了所用变压器绕组的匝数，从而可以大幅减小变压器漏感、改善效率；

(2)通过开关电容结构能够大幅提高电压增益，这可以进一步减小所需变压器绕组的匝数；

(3)所有开关管、二极管等功率器件都能够实现软开关，变换效率高；

(4)所有开关管、二极管的功率器件都能够自然实现电压箝位，器件电压应力低。

附图说明

附图1是传统电流型隔离升压变换器原理图；

附图2是本发明基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流变换器实施方式一的原理图；

附图3是本发明基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流变换器实施方式二的原理图；

附图4是高频交流矩形波电压源的两种实施例；

附图5是本发明基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流变换器的主要工作波形图；

附图6～9是本发明基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流变换器在各开关模态的等效电路图；

以上附图中的符号名称：T为变压器；N_P和N_S分别为变压器(T)的原边绕组和副边绕组；L_H为高频电感；S₁和S₂分别为第一、第二开关管；D₁、D₂、D₂和D₄分别为第一、第二、第三和第四二极管；C_a1和C_a2分别为第一和第二辅助电容；C_o为输出滤波电容；R_o为负载；U_o为输出电压；u_in为高频交流矩形波电压源；U_DC为直流电压源；L₁、L₂为电感；S_P1、S_P2、S_P3和S_P4为开关管；C₁和C₂为电容；i_LH为高频电感的电流；u_GSP1、u_GSP2、u_GSP3和u_GSP4分别为开关管S_P1、S_P2、S_P3和S_P4的驱动电压；u_GS1和u_GS2分别为第一和第二开关管的驱动电压；t₀、t₁、t₂、t₃和t₄为时间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明所述基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器由高频交流矩形波电压源(u_in)、包含一个副边绕组(N_S)和一个原边绕组(N_P)的变压器(T)、高频电感(L_H)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一辅助电容(C_a1)、第二辅助电容(C_a2)、输出滤波电容(C_o)和负载(R_o)构成；所述高频交流矩形波电压源(u_in)的一端连于变压器(T)原边绕组(N_P)的一端、高频交流矩形波电压源(u_in)的另一端连于变压器(T)原边绕组(N_P)的另一端。

所述变压器(T)副边绕组(N_S)、高频电感(L_H)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一辅助电容(C_a1)、第二辅助电容(C_a2)、输出滤波电容(C_o)和负载(R_o)的连接有两种可选的实施方式。

附图2给出的是方式一的实施方式：所述变压器(T)副边绕组(N_S)的一端连于高频电感(L_H)的一端，高频电感(L_H)的另一端连于第二二极管(D₂)的阳极、第一辅助电容(C_a1)的一端和第一开关管(S₁)的漏极，第二二极管(D₂)的阴极连于第一二极管(D₁)的阳极和第二辅助电容(C_a2)的一端，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极、输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于变压器(T)副边绕组(N_S)的另一端、第二辅助电容(C_a2)的另一端和第四二极管(D₄)的阳极，第四二极管(D₄)的阴极连于第三二极管(D₃)的阳极和第一辅助电容(C_a1)的另一端。

附图3给出的是方式二的实施方式：所述变压器(T)副边绕组(N_S)的一端连于高频电感(L_H)的一端，高频电感(L_H)的另一端连于第二二极管(D₂)的阴极、第一开关管(S₁)的源极和第一辅助电容(C_a1)的一端，第一开关管(S₁)的漏极连于第一二极管(D₁)的阳极和第二辅助电容(C_a2)的一端，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极、输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第二二极管(D₂)的阳极和第四二极管(D₄)的阳极，第四二极管(D₄)的阴极连于变压器(T)副边绕组(N_S)的另一端、第二辅助电容(C_a2)的另一端和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于第三二极管(D₃)的阳极和第一辅助电容(C_a1)的另一端。

在本发明中，所述高频交流矩形波电压源(u_in)的作用是产生正负脉冲宽度各为50％的交流矩形波电压，并将其施加于变压器(T)原边绕组(N_P)的两端。在具体实施时，高频交流矩形波电压源可以由直流电压源与全桥式、半桥式等电路拓扑构成。附图4(a)给出了由直流电压源(U_DC)和全桥式电路拓扑构成的高频交流矩形波电压源实施例，图中包括直流电压源(U_DC)和四个开关管(S_P1、S_P2、S_P3和S_P4)形成的全桥电路结构。附图4(b)给出了由直流电压源(U_DC)和半桥式电路拓扑构成的高频交流矩形波电压源实施例，图中直流电压源(U_DC)、两个开关管(S_P1、S_P2)和两个电容(C₁和C₂)。

本发明的目的是实现高效率的隔离升压变换，为了实现该目的，本发明将升压电路创造性的置于了隔离变换器的整流电路中，通过整流电路中的高频电感和开关管共同实现升压，并借助开关电容结构来提高升压能力，这可以大幅减小变压器绕组的匝数、减小器件应力、提高效率。

下面说明本发明基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器的具体工作原理。以附图2所示基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器实施方式一为例，且高频交流矩形波电压源采用附图4(a)所示的实施方式。附图5给出了基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器的主要工作波形。

t₀时刻之前，原边开关管S_P2和S_P3导通，变压器副边第一开关管(S₁)导通，全桥电路施加负电压在变压器(T)的原边绕组(N_P)，高频电感(L_H)中的电流为负值，第一二极管(D₁)和第四二极管(D₄)导通，直流电压源(U_DC)经变压器(T)和高频电感(L_H)向第一辅助电容(C_a1)充电，同时直流电压源(U_DC)经变压器(T)、高频电感(L_H)和第二辅助电容(C_a2)向负载提供功率；t₀时刻，原边开关管S_P2和S_P3关断，由于高频电感(L_H)电流不能突变，反射到变压器(T)原边绕组(N_P)的电流流过原边开关管S_P1和S_P4的体二极管，为S_P1和S_P4的零电压开通提供条件，同时施加在变压器(T)原边绕组(N_P)的电压变为正值，高频电感(L_H)的电流值开始线性减小，该模态等效电路如附图6所示。

t₁时刻，开关管S_P1和S_P4零电压开通，该模态等效电路如附图7所示。

t₂时刻，高频电感L_H的电流减小为零，第一二极管(D₁)和第四二极管(D₄)零电流关断，高频电感(L_H)的电流流经第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)的体二极管，其电流线性上升，该模态等效电路如附图8所示。

t₃时刻，第一开关管(S₁)关断，第二开关管(S₂)零电压导通，同时第二二极管(D₂)和第三二极管(D₃)导通，直流电压源(U_DC)经变压器(T)、高频电感(L_H)和第二二极管(D₂)向第二辅助电容(C_a2)充电，第一辅助电容(C_a1)则放电，并和高频电感(L_H)一起向负载提供功率，该模态等效电路如附图9所示。

t₄时刻，下半个开关周期开始，工作过程类似，不再重复叙述。

根据上述工作过程的描述可知，本发明可以实现所有开关管、二极管的软开关，能够有效改善变换效率。当直流电压源经变压器、高频电感向负载传输功率时，在功率传输回路上，变压器副边绕组和电容是串联的，这可以有效提升输出电压，也是本发明开关电容的意义所在。

Claims (2)

1.一种基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器，其特征在于：

所述基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器由高频交流矩形波电压源(u_in)、包含一个副边绕组(N_S)和一个原边绕组(N_P)的变压器(T)、高频电感(L_H)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一辅助电容(C_a1)、第二辅助电容(C_a2)、输出滤波电容(C_o)和负载(R_o)构成；

所述变压器(T)副边绕组(N_S)的一端连于高频电感(L_H)的一端，高频电感(L_H)的另一端连于第二二极管(D₂)的阳极、第一辅助电容(C_a1)的一端和第一开关管(S₁)的漏极，第二二极管(D₂)的阴极连于第一二极管(D₁)的阳极和第二辅助电容(C_a2)的一端，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极、输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于变压器(T)副边绕组(N_S)的另一端、第二辅助电容(C_a2)的另一端和第四二极管(D₄)的阳极，第四二极管(D₄)的阴极连于第三二极管(D₃)的阳极和第一辅助电容(C_a1)的另一端；

所述高频交流矩形波电压源(u_in)的一端连于变压器(T)原边绕组(N_P)的一端、高频交流矩形波电压源(u_in)的另一端连于变压器(T)原边绕组(N_P)的另一端。

2.一种基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器，其特征在于：

所述基于混合整流桥臂和开关电容的高增益高频升压整流隔离变换器由高频交流矩形波电压源(u_in)、包含一个副边绕组(N_S)和一个原边绕组(N_P)的变压器(T)、高频电感(L_H)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一辅助电容(C_a1)、第二辅助电容(C_a2)、输出滤波电容(C_o)和负载(R_o)构成；

所述变压器(T)副边绕组(N_S)的一端连于高频电感(L_H)的一端，高频电感(L_H)的另一端连于第二二极管(D₂)的阴极、第一开关管(S₁)的源极和第一辅助电容(C_a1)的一端，第一开关管(S₁)的漏极连于第一二极管(D₁)的阳极和第二辅助电容(C_a2)的一端，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极、输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第二二极管(D₂)的阳极和第四二极管(D₄)的阳极，第四二极管(D₄)的阴极连于变压器(T)副边绕组(N_S)的另一端、第二辅助电容(C_a2)的另一端和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于第三二极管(D₃)的阳极和第一辅助电容(C_a1)的另一端；

所述高频交流矩形波电压源(u_in)的一端连于变压器(T)原边绕组(N_P)的一端、高频交流矩形波电压源(u_in)的另一端连于变压器(T)原边绕组(N_P)的另一端。

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