CN105391287A - 基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器，它包括直流输入电源V_in，耦合电感T₁和T₂，续流二极管D₁、D₂和D₄，储能电容C₁，功率开关管Q，箝位二极管D₃，倍压储能电容C₂、C₃和C₄，输出二极管D₀，输出电容C₀。该变换器借用耦合电感可获得电压高增益，且增益同时受控于占空比和耦合电感匝比可调范围宽，开关管电压、电流应力小；通过输入电感和储能电感耦合，并合理配置耦合系数，可实现输入电流零纹波；由箝位二极管和储能电容组成的无损吸收电路可减小开关管电压尖峰；由续流二极管和倍压储能电容与耦合电感副边侧组成能量回收电路，使漏感能量最终回馈到负载侧，提高变换器的效率。

Description

基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器

技术领域

本发明涉及电力电子领域的直流-直流变换器，具体的说涉及一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器。

背景技术

升压变换器广泛应用于诸多工业领域，如光伏发电系统，蓄电池能量管理系统，PFC电路以及UPS等场合，传统升压变换器具有升压增益不高、开关管电压应力大和二极管反向恢复的电流大等缺点。近年来，高增益变换器成为电力电子领域的研究热点，并取得了很多成果。耦合电感升压变换器电压增益高，开关管电压应力比传统变换器大幅度降低，二极管反向恢复电流减小，具有更小的变换器体积和成本。但是，其缺点也很明显，如漏感能量得不到回收，直接影响变换器能量传输效率；如输入电流纹波较大，不能满足蓄电池等要求输入电流小纹波的要求。因此，研究零输入电流纹波高增益变换器，具有重要的理论意义和应用价值。

关于输入电流零纹波变换器的研究，已有相关的技术方案公布。对于中国专利号201410168450.1发明专利提出的：“低输入电流纹波单开关高增益变换器”。其所述的低输入电流纹波的实现条件是通过调节电感的大小来达到滤除纹波的效果，虽然在输入电流纹波上有一定的抑制，但也增加了变换器的体积，同时损耗也增加。

另外，关于使用耦合电感技术来提高变换器电压增益的方案有很多，但未设计相关的漏感能量回收电路。虽然在电压增益上有很大提高，但是效率没有得到改善。比如中国专利号201310377481.3发明专利提出的：“一种两绕组耦合电感倍压式单开关高增益变换器”。其通过开关电感、电容的倍压功能，实现了变换器高电压增益，但是没有漏感能量的回收电路，效率比较低。

发明内容

1.本发明要解决的技术问题：

为了解决以上背景提出的缺陷，本发明公布一种零输入电流纹波，低开关电压应力，高效率，高增益的单开关管变换器。

2.技术方案

为了实现以上目的，本发明提供的技术方案为：

提出的双耦合电感单开关非隔离式零输入电流纹波高增益变换器，包括直流输入电源，两对耦合电感(T₁、T₂)，第一续流二极管，第二续流二极管，储能电容，可控的功率开关管，箝位二极管，第一倍压储能电容，第二倍压储能电容，第三倍压储能电容，第三续流二极管，输出二极管，输出电容，负载。

直流输入电源的正极与耦合电感(T₁)的第一绕组同名端相连，负极则与储能电容的负端和功率开关管的源极相连，耦合电感(T₁)的第一绕组的另一端分别与第一续流二极管和第二续流的正极相连，第一续流二极管的负极与功率开关管的漏极相连，第二续流二极管的负极与储能电容的正端和耦合电感(T₁)的第二绕组的同名端连在一个结点上，耦合电感(T₁)的第二绕组的另一端和箝位二极管的正极以及第一倍压电容的负端都连到开关管的漏极上，第一中间倍压储能电容的正端与耦合电感(T₂)的原边绕组同名端相连，箝位二极管的负极与第二倍压储能电容的正端以及第三续流二极管的正极相连，耦合电感(T₂)的原边另一端和副边绕组的另一端与箝位二极管的负极连在一个结点上，第三倍压储能电容的负端连在耦合电感的副边绕组的同名端上，正端则与第三续流二极管的负极和输出二极管的正极连在一个结点上，输出二极管的负极接输出电容的正端，输出电容的负端和第二倍压电容的另一端都连在开关管的源极上，输出电容两端的电压就是输出电压。

所述的变换器借助耦合电感(T₁)，调节其一、二次侧匝数比和耦合系数满足一、二次侧匝数比大于1，并使互感满足M＝(1-D)L₂。

所述的变换器借助耦合电感(T₂)和倍压电容，合理配置耦合电感T₂的匝数比，使占空比工作在0.5左右。

整个拓扑只用一个可控的开关管，并采用非隔离式的电路拓扑结构。

储能电容(C₁、C₂、C₃、C₄)皆可选小容值CBB电容。

所述的变换器不仅可以借助倍压储能电容提高变换器的电压增益，由电容和二极管组成能量回收电路。

本发明所提出的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器在耦合电感(T₁)和(T₂)电流都处于连续工作模式时，可分为5个工作模态：

工作模态1：开关管导通，储能电容(C₁)和第二倍压储能电容(C₃)都处于放电模态，箝位二极管(D₃)关断，倍压储能电容(C₂、C₄)处于充电模态。

工作模态2：开关管关断，储能电容(C₁)和第二倍压储能电容(C₃)都处于充电模态，箝位二极管(D₃)导通，倍压储能电容(C₂、C₄)也处于充电模态。

工作模态3：开关管关断，储能电容(C₁)和第二倍压储能电容(C₃)都处于充电模态，箝位二极管(D₃)导通，倍压储能电容(C₂、C₄)处于放电模态。

工作模态4：开关管关断，储能电容(C₁)和第二倍压储能电容(C₃)都处于充电模态，箝位二极管(D₃)关断，倍压储能电容(C₂、C₄)处于放电模态。

工作模态5：开关管导通，储能电容(C₁)处于放电模态，第二倍压储能电容(C₃)处于充电模态，箝位二极管(D₃)关断，倍压储能电容(C₂、C₄)处于放电模态。

工作模态5结束后，回到工作模态1，进入下一个工作周期。

3.采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)借助一次侧电感(L₁)和二次侧电感(L₂)耦合，并选择适当的匝数比和耦合系数，使输入电流实现零纹波效果，减小了变换器的体积和重量。

(2)可以通过调节耦合电感(T₂)的匝数比，大幅度提高了变换器电压增益。

(3)采用双耦合电感的技术方案，减小了开关电压应力，可选择较小电压电流等级的开关管和二极管，减小了变换器的体积和成本。

(4)采用双耦合电感减小电路中的电流尖峰电压尖峰，可以选择小容值CBB电容，达到相同的滤波效果，延长了变换器的使用寿命。

(5)由倍压储能电容和二极管以及耦合电感副边侧组成的能量回收电路，吸收了漏感能量，提高了变换器效率。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器的拓扑图

图2是本发明提供的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器工作模态1的等效电路图

图3是本发明提供的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器工作模态2的等效电路图

图4是本发明提供的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器工作模态3的等效电路图

图5是本发明提供的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器工作模态4的等效电路图

图6是本发明提供的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器工作模态5的等效电路图

图中的符号说明：

V_in：直流输入电源；L₁：耦合电感(T₁)一次侧；L₂：耦合电感(T₁)二次侧；n_p：耦合电感(T₂)的原边侧；n_s：耦合电感(T₂)的副边侧；C₁：储能电容；Q：可控的功率开关管；D₁：第一续流二极管；D₂：第二续流二极管；D₄：第三续流二极管；D₃：箝位二极管；C₂：第一倍压储能电容；C₃：第二倍压储能电容；C₄：第三倍压储能电容；D₀：输出二极管；C₀：输出滤波电容；R：负载电阻。

具体实施方式

如图1所示，基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器，其特征在于：包括直流输入电源(V_in)，由第一绕组(L₁)和第二绕组(L₂)组成的耦合电感(T₁)，第一续流二极管(D₁)，第二续流二极管(D₂)，储能电容(C₁)，可控的功率开关管(Q)，箝位二极管(D₃)，由原边绕组(n_p)和副边绕组(n_s)组成的耦合电感(T₂)，第一倍压储能电容(C₂)，第二倍压储能电容(C₃)，第三倍压储能电容(C₄)，第三续流二极管(D₄)，输出二极管(D₀)，输出电容(C₀)，输出负载。

所述的直流输入电源(V_in)的正极与耦合电感(T₁)的第一绕组同名端相连，负极则与储能电容(C₁)的负端和功率开关管的源极相连，耦合电感(T₁)的第一绕组的另一端分别与第一续流二极管(D₁)和第二续流二极管(D₂)的正极相连，第一续流二极管(D₁)的负极与功率开关管(Q)的漏极相连，第二续流二极管(D₂)的负极与储能电容(C₁)的正端和耦合电感(T₁)的第二绕组的同名端连在一个结点上，耦合电感(T₁)的第二绕组的另一端和箝位二极管(D₃)的正极以及第一倍压电容(C₂)的负端都连到开关管的漏极上，第一倍压储能电容(C₂)的正端与耦合电感(T₂)的原边绕组同名端相连，箝位二极管(D₃)的负极与第二倍压储能电容(C₃)的正端以及第三续流二极管(D₄)的正极相连，耦合电感(T₂)的原边另一端和副边绕组的另一端与箝位二极管(D₃)的负极连在一个结点上，第三倍压储能电容(C₄)的负端连在耦合电感(T₂)的副边绕组的同名端上，正端则与第三续流二极管(D₄)的负极和输出二极管(D₀)的正极连在一个结点上，输出二极管(D₀)的负极接输出电容(C₀)的正端，输出电容(C₀)的负端和第二倍压电容(C₃)的另一端都连在开关管的源极上，输出电容(C₀)两端接负载电阻(R)。

本发明公布的基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器在耦合电感(T₁和T₂)处于电感电流连续工作模式时可分为5个工作模态：

工作模态1：如图2所示，驱动信号加在开关管两端，驱动开关管导通。二极管:D₂、D₃和D₀关断，二极管D₁和D₄导通。输入电源通过二极管D₁和开关管给耦合电感T₁一次侧电感L₁充电；同时，储能电容C₁充当激励电源给耦合电感T₁二次侧电感L₂充电。电容C₃、C₂通过开关管与耦合电感T₂原边侧绕组构成回路，励磁电感L_m充电储能；同时副边漏感L_s通过二极管D₄为电容C₄充电。

工作模态2：如图3所示，开关管关断，二极管D₁关断。耦合电感T₁一次侧绕组通过二极管D2导通续流给电容C₁充电；二次侧电感通过二极管D₃给电容C₃补充能量。励磁电感L_m和副边侧L_s通过D₃给C₂放电。

工作模态3：如图4所示，开关管关断，二极管D₂、D₃保持导通，二极管D₄关断。耦合电感T1一、二次侧绕组除了继续分别给C₁和C₃充电储能，还与C₂、耦合电感T2原副边、电容C₄、二极管D₀构成回路给输出负载供电。

工作模态4：如图5所示，开关管关断，二极管D₃关断。耦合电感T₁一次侧绕组继续为电容C₁充电；此外，T₁一、二次侧通过二极管D₂、电容C₂、耦合电感T₂的原边侧C₃充电，另一部分电流则通过T₂的副边绕组给负载供电。

工作模态5：如图6所示，脉冲信号加在开关管两端，开关管导通。二极管D₂、D₃、D₄关断。二极管D₁、D₀导通。耦合电感T₁一、二次侧绕组分别通过二极管D₁和开关管续流充电；耦合电感T₂原边侧放电。直到耦合电感T₂放电结束，二极管D₀关断,开始下一个周期的工作。

由以上对变换器工作原理的分析，实现输入电流纹波为零的具体条件如下：

开关管导通时，输入电流变化率为：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{dt}=\frac{1}{L_1{L}_2-M^2}(L_2{V}_{in}-{\mathrm{MV}}_{C1})---\left(1\right)$

开关管关断时，输入电流变化率为：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{dt}=\frac{1}{L_1{L}_2-M^2}\left(L_2\right(V_{in}-V_{C1})-M(V_{C1}-V_{C3}\left)\right)---\left(2\right)$

令结合各电容的电压应力可得：

$M=(1-D)L_2=k_1\sqrt{L_1{L}_2}---\left(3\right)$

可以通过选择合适的匝数和耦合系数，达到输入电流零纹波的目的。

设耦合电感(T₂)的耦合系数为1，匝数比为N₂，耦合电感(T₁)通过上述公式选取，在工作模态1时，耦合电感处于充电模态：

V_L1＝V_in(4)

V_L2＝V_C1(5)

$V_{Lm}=-\frac{V_{C4}}{N_2}---\left(6\right)$

在工作模态3时，耦合电感处于放电模式：

V_L1＝V_in-V_C1(7)

V_L2＝V_C1-V_C3(8)

$V_{Lm}=-V_{C2}=\frac{V_0-V_{C3}-V_{C4}}{N_2}---\left(9\right)$

根据耦合电感T₁、T₂的伏秒平衡原理：

DT_SV_in+(1-D)T_S(V_in-V_C1)＝0(10)

DT_SV_C1+(1-D)T_S(V_C1-V_C3)＝0(11)

${\mathrm{DT}}_S\frac{-V_{C4}}{N_2}+(1-D)T_S\frac{V_0-V_{C3}-V_{C4}}{N_2}=0---\left(12\right)$

DT_S(V_C3-V_C2)+(1-D)T_S(-V_C2)＝0(13)

联立(4)～(13)可得该变换器的增益表达式为：

$G=\frac{V_0}{V_{in}}=\frac{1+N_2}{{(1-D)}^2}---\left(14\right)$

由式(14)可知，本发明提出的变换器的电压增益随占空比和耦合电感T₂的原、副边匝数比可调。与传统的Boost变换器相比，本发明提出的方案电压增益有大幅度提升，也比传统的耦合电感升压变换器高。通过合理配置耦合电感T₂的匝数比，占空比在0.5左右，即可实现20倍的电压增益；并且借助耦合电感T₁，调节其一、二次侧匝数比和耦合系数满足一、二次侧匝数比大于1，并使互感满足M＝(1-D)L₂，即可实现输入电流的零纹波。

Claims (6)

1.一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器，其特征在于：包括直流输入电源（V_in），由第一绕组（L₁）和第二绕组（L₂）组成的耦合电感（T₁），第一续流二极管（D₁），第二续流二极管（D₂），储能电容（C₁），可控的功率开关管（Q），箝位二极管（D₃），由原边绕组（n_p）和副边绕组（n_s）组成的耦合电感（T₂），第一倍压储能电容（C₂），第二倍压储能电容（C₃），第三倍压储能电容（C₄），第三续流二极管（D₄），输出二极管（D₀），输出电容（C₀）；

所述的直流输入电源（V_in）的正极与耦合电感（T₁）的第一绕组同名端相连，负极则与储能电容（C₁）的负端和功率开关管的源极相连，耦合电感（T₁）的第一绕组的另一端分别与第一续流二极管（D₁）和第二续流二极管（D₂）的正极相连，第一续流二极管（D₁）的负极与功率开关管（Q）的漏极相连，第二续流二极管（D₂）的负极与储能电容（C₁）的正端和耦合电感（T₁）的第二绕组的同名端连在一个结点上，耦合电感（T₁）的第二绕组的另一端和箝位二极管（D₃）的正极以及第一倍压电容（C₂）的负端都连到开关管的漏极上，第一倍压储能电容（C₂）的正端与耦合电感（T₂）的原边绕组同名端相连，箝位二极管（D₃）的负极与第二倍压储能电容（C₃）的正端以及第三续流二极管（D₄）的正极相连，耦合电感（T₂）的原边另一端和副边绕组的另一端与箝位二极管（D₃）的负极连在一个结点上，第三倍压储能电容（C₄）的负端连在耦合电感（T₂）的副边绕组的同名端上，正端则与第三续流二极管（D₄）的负极和输出二极管（D₀）的正极连在一个结点上，输出二极管（D₀）的负极接输出电容（C₀）的正端，输出电容（C₀）的负端和第二倍压电容（C₃）的另一端都连在开关管的源极上。

2.根据权利要求1所述的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器主电路拓扑，其特征在于借助耦合电感（T₁），调节其一、二次侧匝数比和耦合系数满足一、二次侧匝数比大于1，并使互感满足M=(1-D)L₂，即可实现输入电流的零纹波。

3.根据权利要求1所述的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器主电路拓扑，其特征在于借助耦合电感（T₂）和倍压电容，通过合理配置耦合电感T₂的匝数比，占空比在0.5左右，即可实现20倍的电压增益。

4.根据权利要求1所述的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器主电路拓扑，其特征在于整个拓扑只用一个可控的开关管，并采用非隔离式的电路拓扑结构，拓扑简单易控制，能量传输效率高。

5.根据权利要求1所述的一种基于双耦合电感和单开关的零输入电流纹波高增益变换器主电路拓扑，其特征在于储能电容（C₁、C₂、C₃、C₄）皆可选小容值CBB电容，且不影响整个拓扑的滤波效果，可延长变换器使用寿命和减小变换器体积。

6.根据权利要求5所述的倍压储能电容(C2、C3、C4)，其特征在于不仅可以借助倍压储能电容提高变换器的电压增益，由电容和二极管组成的能量回收电路可吸收电路中的漏感能量，减少中间损失，提高效率。