CN105186866A - 一种非隔离型软开关高增益dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，包含两个功率电感，一个辅助电感，两个功率开关，一个双向可控辅助开关和n个倍压单元；所述倍压单元是由两个二极管和两个电容组成的具有四个端口的单元；与现有非隔离型高增益升压拓扑相比，本发明实现了可调的高增益，所有开关管均实现了零电压开通和零电压关断，所有二极管均实现了零电流关断。且大幅降低了开关器件的电压应力，变换器整体工作效率得到了提高。

Description

一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种直流-直流变换器，具体说是一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器。背景技术

在现有技术中，基本的两相升压型高增益DC/DC变换器，存在升压能力不够，开关器件电压应力过大，损耗大，效率不高，且升压能力不可调等问题，且在某些输入输出高增益的场合不能满足要求，如光伏电池并网。因此，一些专家学者针对这些问题做了大量研究，并提出了相应的解决方案。总的来说有借助于变压器、耦合电感或开关电容等三种方案，借助于变压器，在原有的直流-直流变换器中间加入一个高频的变压器，通过改变变压器变比实现高增益升压的目的，但该方案能量转换过程复杂，整个系统的能量转换效率低；利用开关电容，此种方案所需开关器件多，且控制及驱动电路实现复杂；采用耦合电感构建的拓扑，由于漏感的存在，开关器件电压应力较大，变换器损耗大。

发明内容

为解决变换器升压能力不够，工作效率不高，升压能力不可调等技术问题。本发明提供一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，输入电流纹波小且同时具有高增益能力和软开关能力。

本发明所采用的技术方案是：

一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，包含第一电感L₁、第二电感L₂，一个辅助电感L_a，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂，一个双向可控开关和n个倍压单元，第一电感L₁和第二电感L₂的输入端同时接输入电源的正极，第一电感L₁和第二电感L₂的输出端分别接第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的漏极，第一功率开关S₁和第二功率开关S2的源极接输入电源的负极；第一电感L₁的输出端和第二电感L₂的输出端之间串联一个双向触发开关和一个辅助电感L_a；两个功率开关S₁、S₂的栅极分别接各自的控制器，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂的驱动相位之间相差180°，即采用交错控制策略。

第一电感L₁的输出端与所有奇次倍压单元的上下两个电容之间的节点相连；第二电感L₂的输出端接第一倍压单元的第一接口，同时与所有偶次倍压单元的上下两个电容之间的节点相连；第n个倍压单元的第二端口作为变换器输出端的正极，第n个单元的第三端口作为变换器输出端的负极；

n个倍压单元按顺序从左到右依次相连，即第1个倍压单元的第二端口接第2个被压单元的第一端口，第1个倍压单元的第三端口接第2个被压单元的第四端口；第2个倍压单元的第二端口接第3个被压单元的第一端口，第2个倍压单元的第三端口接第3个被压单元的第四端口；以此类推，一直到第n个倍压单元；

n为自然数，取值范围为n≥1。

所述倍压单元是由两个二极管和两个电容构成的具有四个端口的单元，上侧二极管的阳极作为第一端口，上侧二极管阴极与电容的节点作为第二端口，下侧电容与下侧二极管阳极的节点作为第三端口，下侧二极管阴极作为第四端口。

所有开关管及二极管均实现了软开关，其输入输出增益可以通过调节倍压单元数量来调节；

双向可控开关既可由2个MOS管或IGBT等全控型器件反向串联组合而成，也可由单个双向可控硅构成。

辅助电容C_S1、C_S2既可以通过外加电容实现，也可以利用器件自身寄生电容实现。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1）、本发明加入倍压单元，不仅可以实现变换器的高增益输出，而且降低了有源开关和二极管的电压应力。

2）、所有开关管和二极管均实现了软开关，可以提高变换器的工作效率。

3）、变换器可根据具体应用场合的不同而设计采用不同数量的倍压单元，扩展了变换器的应用场合。

4）、与现有的高增益升压变换器相比，不含有变压器和耦合电感，EMI特性好，电路拓扑简单，控制系统设计和实现难度均较低。

附图说明

图1是本发明实施方式的一般电路原理图。

图2是本发明所提含有三个倍压单元的具体电路原理图。

图3是本发明中所采用的单一倍压单元电路图；图3中：①-第一端口，②-第二端口，③-第三端口，④-第四端口。

图4是双向触发开关的三种具体实施方式；

图4（1）为双向可控开关由两个MOS管实现电路图；

图4（2）为双向可控开关由两个IGBT管实现电路图；

图4（3）为双向可控开关由一个光控双向可控硅实现电路图。

具体实施方式

一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，包含第一电感L₁、第二电感L₂，一个辅助电感L_a，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂，一个双向可控开关和n个倍压单元，第一电感L₁和第二电感L₂的输入端同时接输入电源的正极，第一电感L₁和第二电感L₂的输出端分别接第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的漏极，第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的源极接输入电源的负极；第一电感L₁的输出端和第二电感L₂的输出端之间串联一个双向触发开关和一个辅助电感L_a；两个功率开关S₁、S₂的栅极分别接各自的控制器，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂的驱动相位之间相差180°，即采用交错控制策略。

第一电感L₁的输出端与所有奇次倍压单元的上下两个电容之间的节点相连；第二电感L₂的输出端接第一倍压单元的第一接口，同时与所有偶次倍压单元的上下两个电容之间的节点相连；第n个倍压单元的第二端口作为变换器输出端的正极，第n个单元的第三端口作为变换器输出端的负极；

n个倍压单元按顺序从左到右依次相连，即第1个倍压单元的第二端口接第2个被压单元的第一端口，第1个倍压单元的第三端口接第2个被压单元的第四端口；第2个倍压单元的第二端口接第3个被压单元的第一端口，第2个倍压单元的第三端口接第3个被压单元的第四端口；以此类推，一直到第n个倍压单元；

n为自然数，取值范围为n≥1。

所述倍压单元是由两个二极管和两个电容构成的具有四个端口的单元，上侧二极管的阳极作为第一端口，上侧二极管阴极与电容的节点作为第二端口，下侧电容与下侧二极管阳极的节点作为第三端口，下侧二极管阴极作为第四端口。

所有开关管及二极管均实现了软开关，其输入输出增益可以通过调节倍压单元数量来调节；

双向可控开关既可由2个MOS管或IGBT等全控型器件反向串联组合而成，也可由单个双向可控硅构成。

辅助电容C_S1、C_S2既可以通过外加电容实现，也可以利用器件自身寄生电容实现。

实施例:

如图2所示，以含有三个倍压单元为例，一种非隔离型高增益升压DC/DC变换器，包含第一电感L₁、第二电感L₂，一个辅助电感L_a，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂，一个双向可控开关，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄和四个电容C₁、C₂、C₃、C₄，两个辅助电容C_S1、C_S2，其电路连接关系为：

第一电感L₁和第二电感L₂的输入端同时接输入电源的正极，第一电感L₁和第二电感L₂的输出端分别接第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的漏极，第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的源极接输入电源的负极；第一电感L₁的输出端和第二电感L₂的输出端之间串联一个双向触发开关和一个辅助电感L _a ；两个功率开关S₁、S₂的栅极分别接各自的控制器，两个功率开关S₁、S₂的驱动相位之间相差180^o，即采用交错控制策略。

二极管D₁、D₃、D₅串联，D₂、D₄、D₆串联，其中二极管D₁的阴极与二极管D₃的阳极相连，二极管D₃的阴极与二极管D₅的阳极相连，二极管D₆的阴极与二极管D₄的阳极相连，二极管D₄的阴极与二极管D₂的阳极相连；电容C₁、C₂串联，C₃、C₄串联，C₅、C₆串联，其中电容C₁、C₃、C₅位于上方，电容C₂、C₄、C₆位于下方；电容C₁的上端与二极管D₁、D₃串联的结点相连，电容C₂的下端与二极管D₂、D₄串联的结点相连；电容C₃的上端与二极管D₃、D₅串联的结点相连，电容C₄的下端与二极管D₄、D₆串联的结点相连；电容C₅的上端与二极管D₅的阴极相连，并作为输出端的正极，电容C₆的下端与二极管D₆的阳极相连，并作为输出端的负极；

同时第一电感L₁的输出端接电容C₁、C₂串联的结点，第二电感L₂的输出端接二极管D₁的阳极和电容C₃、C₄串联的结点；二极管D₂的阴极与输入电源的负极相连。

根据变换器开关管状态的不同，可将电路分为12个工作过程，分别为：第一功率开关S₁关断，第二功率开关S₂开通，第一、第二箝位开关S_a1、S_a2关断；在第一个工作过程的基础上，第一箝位开关S_a1开通的切换过程；在上一个工作过程的基础上，二极管D₂、D₃、D₆截止的切换过程；第一功率开关S₁的体二极管导通时的切换过程；第一功率开关S₁开通，其体二极管截止的切换过程；第二功率开关S₂关断，二极管D₁、D₄、D₅导通的切换过程；由于电路交错并联的对称性，仅分析以上6个工作状态。具体如下：

（1）第一功率开关S₁关断，第二功率开关S₂开通，第一、第二箝位开关S_a1、S_a2关断：控制器控制S₁关断，S₂开通，S_a1、S_a2关断，二极管D₂、D₃、D₆导通，电路通过二极管D₂给C₂充电，同时通过二极管D₃给C₃充电、C₁放电，通过二极管D₆给C₆充电、C₄放电，C₅放电。

（2）在第一个工作过程的基础上，第一箝位开关S_a1开通的切换过程：控制器控制S₁关断，S₂开通，S_a1开通，二极管D₂、D₃、D₆导通，由于电感L _a 的作用，辅助开关S_a1实现零电流开通，电感L _a 的值远小于电感L₁、L₂的值，因此其电流上升速度较快，直至某一时刻上升至电感L₁的电流，进入第三个过程。

（3）在上一个工作过程的基础上，二极管D₂、D₃、D₆截止的切换过程：控制器控制S₁关断，S₂开通，S_a1开通，二极管D₂、D₃、D₆截止，此时L _a 上升至电感L₁的电流时，二极管D₂、D₃、D₆实现零电流关断，辅助电容C_s1向辅助电感L _a 谐振放电，该过程持续到C_s1放电完毕，进入到第四个工作过程。

（4）第一功率开关S₁的体二极管导通时的切换过程：控制器控制S₁关断，S₂开通，S_a1开通，此时辅助电容C_s1放电结束，S₁的体二极管导通，辅助电感L _a 两端电压降为0，因此其电流保持不变。值得注意的是，从辅助电容C_s1电压下降到输入电压时，电感L₁的电流开始上升，但由于其值大，而谐振时刻又较短，因此上升幅度在分析时可以近似忽略。

（5）第一功率开关S₁开通，其体二极管截止的切换过程：控制器控制S₁开通，S₂开通，S_a1开通，S₁零电压导通，电感L₁的电流线性上升，C₅、C₆给负载放电，该过程持续到第六个工作过程。

（6）第二功率开关S₂关断，二极管D₁、D₄、D₅导通的切换过程：控制器控制S₁开通，S₂关断，S_a1开通，二极管D₁、D₄、D₅导通，由于辅助电容C_s2的作用，开关S₂实现零电压关断，C_s2快速充电，电感L₂及储存在辅助电感L _a 的能量开始通过二极管D₁给C₁充电，通过二极管D₄给C₄充电、C₂放电，通过二极管D₅给C₅充电、C₃放电，C₆给负载放电该过程持续到下一个过程，辅助电感L _a 放电完毕。

在本发明的具体实施方式中，功率开关根据输出电压的不同，而选择不同电压应力的开关器件，相比传统方案具有电压应力低的特点。

综上所述，该拓扑解决了变换器升压能力不够，工作效率不高，升压能力不高等问题，且开关管的电压应力仅为输出电压的四分之一，所有开关管均实现了零电压开通和关断，所有二极管均实现了零电流关断。

Claims (5)

1.一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，包含第一电感L₁、第二电感L₂，一个辅助电感L_a，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂，一个双向可控开关和n个倍压单元，其特征在于，第一电感L₁和第二电感L₂的输入端同时接输入电源的正极，第一电感L₁和第二电感L₂的输出端分别接第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的漏极，第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的源极接输入电源的负极；第一电感L₁的输出端和第二电感L₂的输出端之间串联一个双向可控开关和一个辅助电感L_a；两个功率开关S₁、S₂的栅极分别接各自的控制器，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂的驱动相位之间相差180°；

第一电感L₁的输出端与所有奇次倍压单元的上下两个电容之间的节点相连；第二电感L₂的输出端接第一倍压单元的第一接口，同时与所有偶次倍压单元的上下两个电容之间的节点相连；第n个倍压单元的第二端口作为变换器输出端的正极，第n个单元的第三端口作为变换器输出端的负极；

n个倍压单元按顺序从左到右依次相连，即第1个倍压单元的第二端口接第2个被压单元的第一端口，第1个倍压单元的第三端口接第2个被压单元的第四端口；第2个倍压单元的第二端口接第3个被压单元的第一端口，第2个倍压单元的第三端口接第3个被压单元的第四端口；以此类推，一直到第n个倍压单元；

n为自然数，取值范围为n≥1。

2.根据权利要求1所述一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述倍压单元是由两个二极管和两个电容构成的具有四个端口的单元，上侧二极管的阳极作为第一端口，上侧二极管阴极与电容的节点作为第二端口，下侧电容与下侧二极管阳极的节点作为第三端口，下侧二极管阴极作为第四端口。

3.根据权利要求1所述一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，其特征在于，所有开关管及二极管均实现软开关，其输入输出增益通过调节倍压单元数量来调节。

4.根据权利要求1所述一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，其特征在于，双向可控开关由2个MOS管或IGBT全控型器件反向串联组合而成；或者由单个双向可控硅构成。

5.根据权利要求1所述一种非隔离型软开关高增益DC/DC变换器，其特征在于，辅助电容C_S1、C_S2通过外加电容实现；或者利用器件自身寄生电容实现。