CN104113208B - 一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器 - Google Patents
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Abstract
一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器,包括电感L1、电感L2、……电感Ln,所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输入端连接输入电源Vin的正极;所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输出端分别连接二极管D1、二极管D2、……二极管Dn的阳极;所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输出端分别连接功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn的集电极;二极管D1、二极管D2、……二极管Dn的阴极均连接滤波电容C0一端;所述功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn的发射极、滤波电容C0另一端均连接入电源Vin的负极;本发明可以有效降低功率开关管关断损耗的辅助电路,要求结构简单;不改变原变换器性能,控制及驱动电路实现难度,成本低且无能量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种交错并联Boost变换器,特别是一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器。
背景技术
传统的基本Boost变换器,其电路结构包括一个电感,一个功率开关管,一个输出二极管。其中电感的输入端连接输入电源的正极,输出端接二极管的阳极,二极管的阴极接变换器输出端的正极;在电感和二极管的阳极之间接功率开关的漏极,功率开关源极接变换器的负极。这种基本Boost变换器在应用于大功率场合,开关管的关断损耗由于IGBT的电流拖尾效应而变的很高,关断损耗在整个变换器的损耗中也占据了相当大的比例。导致变换器所需的散热器体积较大,开关管的工作频率也受到了限制,整个开关电源的功率密度较低。这对于一些对电源体积和重量要求较高的应用场合来说极为不利,如电动汽车、飞机中。针对变换器开关损耗而开展的研究早已开始,主要是借助于辅助电路来实现功率开关管的软开关工作状态。但目前多数方案所针对的研究对象,均为使用MOS管的应用场合,主要关注的是降低开关管的开通损耗而非关断损耗,这在以使用IGBT为主的大功率应用场合难以直接应用,同时多数方案均含有有源开关管,使得变换器的控制和驱动电路实现难度较大。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器,可以有效降低功率开关管关断损耗的辅助电路,要求结构简单;不改变原变换器性能,控制及驱动电路实现难度,成本低且无能量损耗。
本发明采取的技术方案为:一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器,包括电感L1、电感L2、……电感Ln,所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输入端连接输入电源Vin的正极;所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输出端分别连接二极管D1、二极管D2、……二极管Dn的阳极;所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输出端分别连接功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn的集电极;二极管D1、二极管D2、……二极管Dn的阴极均连接滤波电容C0一端;所述功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn的发射极、滤波电容C0另一端均连接入电源Vin的负极;二极管D2阳极连接辅助电容Ca1一端,辅助电容Ca1另一端连接辅助二极管D a1阳极,辅助二极管D a1阴极连接二极管D2阴极;辅助二极管D a2阴极连接辅助二极管D a1阳极,辅助二极管D a2阳极连接二极管D1阳极;该交错并联Boost变换器中每两相之间均含有一个无损缓冲电路;
依次类推:二极管Dn阳极连接辅助电容Can-1一端,辅助电容Can-1另一端连接辅助二极管D a(2n-3)阳极,辅助二极管D a(2n-3)阴极连接二极管Dn阴极;辅助二极管D a(2n-2)阴极连接辅助二极管D a(2n-3)阳极,辅助二极管D a(2n-2)阳极连接二极管D n-1阳极;
所述功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn的栅极均连接各自独立的控制器;
所述功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn为IGBT管或者MOSFET 管。
本发明一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器,有益效果如下:
1)、该辅助电路可以有效降低功率开关管的关断损耗,且不影响原变换器的性能、控制和驱动电路的设计及实现方式。
2)、可以直接应用于多相交错并联Boost变换器中,同时降低所有功率开关管的关断损耗。
3)、与现有的解决方案相比,本发明电路拓扑简单,不改变原变换器的工作性能和参数设计,不增加有源开关管,且特别适合于采用IGBT作为功率开关的大功率应用场合。
附图说明
图1是本发明实施方式中2相交错并联Boost变换器中的电路原理图。
图2是本发明n相交错并联型Boost电路的实施原理图。
具体实施方式
如图2所示,一种包括零电压关断辅助电路的交错并联Boost变换器,每一个无损缓冲电路均含有1个辅助电容和2个辅助二极管,n相交错并联Boost变换器需要n-1个无损缓冲电路,因此包含n-1个辅助电容和2n-2个辅助电容;其中电路的具体连接情况如下:
原交错并联Boost变换器的连接情况不变,电感L1、L2、…、Ln的输入端接输入电源Vin的正极,电感L1、L2、…、Ln的输出端接各自Boost单元二极管的阳极和所述功率开关管的集电极,功率开关若采用MOS管则为漏极,二极管D1、D2、…、Dn的阴极接输出滤波电容C 0的一端,该结点即为输出端Vout的正极;各相功率开关管的发射极,若采用MOS管则为源极和滤波电容C 0的另一端均与输入电源Vin的负极相连。
交错并联Boost变换器中每两相之间均含有一个所提无损缓冲电路,其具体连接方式如下:第一个辅助单元居于第一相与第二相之间,其中辅助电容Ca1的一端与电感L2的输出端、二极管D2的阳极及功率开关管S2的源极相连,功率开关若采用MOS管则为漏极,辅助电容Ca1的另一端与辅助二极管Da1的阳极及辅助二极管Da2的阴极相连,辅助二极管Da1的阴极与二极管D1、D2、…、Dn的阴极及滤波电容的C 0一端相连,辅助二极管Da2的阳极与电感L1的输出端、二极管D1的阳极及功率开关管S1的源极相连,功率开关若采用MOS管则为漏极;第二个辅助单元居于第二相与第三相之间,其中辅助电容Ca2的一端与电感L3的输出端、二极管D3的阳极及功率开关管S3的源极相连,功率开关若采用MOS管则为漏极,辅助电容Ca2的另一端与辅助二极管Da3的阳极及辅助二极管Da4的阴极相连,辅助二极管Da3的阴极与二极管D1、D2、…、Dn的阴极及滤波电容C 0的一端相连,辅助二极管Da4的阳极与电感L2的输出端、二极管D2的阳极及功率开关管S2的源极相连,功率开关若采用MOS管则为漏极。依次类推,第n-1个辅助单元居于第n-1相与第n相之间,其中辅助电容Ca(n-1)的一端与电感Ln的输出端、二极管Dn的阳极及功率开关管Sn的源极相连,功率开关若采用MOS管则为漏极,辅助电容Ca(n-1)的右端与辅助二极管Da(2n-3)的阳极及辅助二极管Da(2n-2)的阴极相连,辅助二极管Da(2n-3)的阴极与二极管D1、D2、…、Dn的阴极及滤波电容C 0的一端相连,辅助二极管Da(2n-2)的阳极与电感Ln-1的输出端、二极管Dn-1的阳极及功率开关管Sn-1的源极相连,功率开关若采用MOS管则为漏极。所述功率开关管的栅极分别接各自的控制器。
实施例:
如图1所示,一种具有零电压关断能力的2相交错并联Boost升压变换器,由2相交错并联基本Boost变换器和1个所提无损缓冲电路组成;该变换器与普通的2相交错Boost变换器相比具有零电压关断能力,可以大幅降低由功率开关管关断时电流拖尾效应而引起的损耗。所述直流-直流变换器包含两个功率开关S1、S2,两个输出二极管D1、D2,一个辅助电容Ca1,两个辅助二极管Da1、Da2,两个电感L1、L2,一个输出滤波电容C0;
电感L1、L2的输入端接输入电源的正极,输出端接各自Boost单元二极管的阳极和功率开关管的集电极,二极管D1、D2的阴极接输出滤波电容C0的一端,该结点即为输出端Vout的正极;功率开关管S1、S2的发射极和滤波电容C0的下端均与输入电源Vin的负极相连;
辅助单元居于第一相与第二相之间,其中辅助电容Ca1的一端与电感L2的输出端、二极管D2的阳极及功率开关管S2的源极相连,辅助电容Ca1的另一端与辅助二极管Da1的阳极及辅助二极管Da2的阴极相连,辅助二极管Da1的阴极与二极管D1、D2的阴极及输出滤波电容C0的一端相连,辅助二极管Da2的阳极与电感L1的输出端、二极管D1的阳极及功率开关管S1的源极相连;
据开关管状态的不同,可以将电路分为2种工作状态:
1)、控制器控制功率开关S1关断,在功率开关管S1关断时,由于辅助电容Ca1上的电压为0,所以功率开关管S1的端电压被箝位在0,当开关管关断后,电感电流必须首先经过辅助二极管Da2,功率开关管S1向辅助电容Ca1充电,直到辅助电容Ca1上的电压上升至输出电压u o之后二极管D1导通,显然在此过程之中功率开关管S1实现了零电压关断,由于辅助电容Ca1的值较小,该过程持续时间不长,所以不会对变换器的性能产生大的影响。
2)、控制器控制功率开关管S2关断,在功率开关管S2关断时,由于辅助电容Ca1的电压箝位在输出电压u o上,所以功率开关管S2的端电压被箝位在0,当开关管关断后,电感电流必须首先经过辅助电容Ca1,辅助二极管Da1向滤波电容C0和负载供电,直到辅助电容Ca1上的能量完全放完之后二极管D2导通,显然在此过程之中功率开关管S2实现了零电压关断,且辅助电容Ca1上的能量完全输送到了输出端,实现了无损缓冲。
值得注意的是,上述过程必须保证功率开关管在S1关断时,功率开关管S2处于导通状态。在占空比大于0.5时,仅需采取常用的交错并联控制策略就可以满足要求,但在占空比小于0.5时,则需根据开关具体工作频率,设置功率开关管S2的开通时间略延迟于开关管S1的开通时间,以保证在功率开关管S1关断时,功率开关管S2处于导通状态。
在本发明的具体实施方式中,功率开关根据系统中所需直流母线电压的不同,而选择不同电压应力的开关器件。本发明使用的功率开关可以为IGBT,也可以为MOSFET或其它可控的开关管。
综上所述,该电路拓扑结构简单,可以有效降低功率开关管的关断损耗,适合应用于一些功率较大的场合。
Claims (1)
1.一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器,包括电感L1、电感L2、……电感Ln,所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输入端连接输入电源Vin的正极;
所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输出端分别连接二极管D1、二极管D2、……二极管Dn的阳极;所述电感L1、电感L2、……电感Ln的输出端分别连接功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn的集电极;二极管D1、二极管D2、……二极管Dn的阴极均连接滤波电容C0一端;所述功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn的发射极、滤波电容C0另一端均连接入电源Vin的负极;
其特征在于,二极管D2阳极连接辅助电容Ca1一端,辅助电容Ca1另一端连接辅助二极管Da1阳极,辅助二极管D a1阴极连接二极管D2阴极;辅助二极管D a2阴极连接辅助二极管D a1阳极,辅助二极管D a2阳极连接二极管D1阳极;
依次类推:二极管Dn阳极连接辅助电容Can-1一端,辅助电容Can-1另一端连接辅助二极管D a(2n-3)阳极,辅助二极管D a(2n-3)阴极连接二极管Dn阴极;辅助二极管D a(2n-2)阴极连接辅助二极管D a(2n-3)阳极,辅助二极管D a(2n-2)阳极连接二极管D n-1阳极;所述功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn的栅极均连接各自独立的控制器;功率开关管S1、功率开关管S2、……功率开关管Sn为IGBT管或者MOSFET 管;
据开关管状态的不同,将具有零电压关断能力的2相交错并联Boost升压变换器分为2种工作状态:
1)、控制器控制功率开关S1关断,在功率开关管S1关断时,由于辅助电容Ca1上的电压为0,所以功率开关管S1的端电压被箝位在0,当开关管关断后,电感电流必须首先经过辅助二极管Da2,功率开关管S1向辅助电容Ca1充电,直到辅助电容Ca1上的电压上升至输出电压u o之后二极管D1导通,在此过程之中功率开关管S1实现了零电压关断;
2)、控制器控制功率开关管S2关断,在功率开关管S2关断时,由于辅助电容Ca1的电压箝位在输出电压u o上,所以功率开关管S2的端电压被箝位在0,当开关管关断后,电感电流首先经过辅助电容Ca1,辅助二极管Da1向滤波电容C0和负载供电,直到辅助电容Ca1上的能量完全放完之后二极管D2导通,在此过程之中功率开关管S2实现了零电压关断,且辅助电容Ca1上的能量完全输送到了输出端,实现了无损缓冲。
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