CN105553266A - 一种交错并联高增益Boost变换电路及其工作方法 - Google Patents

一种交错并联高增益Boost变换电路及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交错并联高增益Boost变换电路及其工作方法，属于电力电子领域。包括带有两个绕组Lp1、Ls1的第一耦合电感M1，带有两个绕组Lp2、Ls2的第二耦合电感M2，两个主功率开关管S1、S2，一个辅助开关管S3，三个二极管D1、D2和D3，两个输出电容C1和C2。在传统交错并联Boost变换器的基础上，将耦合电感的升压特性以及输出电容串联升压效果相结合。本发明解决了传统Boost电路的电压增益限制问题，采用交错并联技术有效减小输入输出电压、电流纹波，两个交错并联回路的输出电容串联，使得电压增益提升一倍。适用于光伏发电等可再生能源发电系统，具有较好的应用前景。

Description

一种交错并联高增益Boost变换电路及其工作方法
技术领域
本发明属于电力电子技术DC-DC变换电路领域，具体涉及一种交错并联高增益Boost变换电路及其工作方法。
背景技术
随着全球能源危机和环境污染的日益严重，太阳能、风能、地热能等可再生能源越来越受到全世界的关注。然而，由于环境、温度等因素的影响，可再生能源的输出电压较低，而且波动较大，使得可再生能源发电与微网系统的稳定性、实用性大大降低，为达到并网逆变器所需的直流母线电压，在实际应用中需要一种高增益的升压变换器对可再生能源的输出电压进行升压。
常用的升压变换器有Boost、Buck-Boost等变换器，这些变换器都可以实现升压功能，但只有在极端占空比的条件下才能得到较高的电压增益，而在极端占空比条件下会引入较大的电流纹波，开关管电压应力大，同时导通损耗增加导致效率降低。交错并联Boost变换器结构和控制简单，能够有效减小输入输出纹波，因而被广泛应用在可再生能源发电系统中，但传统的交错并联Boost变换器输出电压增益较小，不足以应用在需求高电压增益的场合。
为适应可再生能源的开发与利用，满足并网逆变器的直流母线电压的要求，研究新型高电压增益、高稳定性的升压变换器具有十分重要的理论意义和实际价值。
发明内容
本发明针对现有升压变换器存在的电压增益不高，高增益下Boost变换器工作于极限占空比，输入、输出电流电压纹波较大等问题，提出一种交错并联高增益Boost变换电路，适用于需要高增益的电力电子应用场合。
本发明电路的技术方案为：一种交错并联高增益Boost变换电路，包括带有两个绕组Lp1、Ls1的第一耦合电感M1，带有两个绕组Lp2、Ls2的第二耦合电感M2，两个主功率开关管S1、S2，一个辅助开关管S3，三个二极管D1、D2和D3，两个输出电容C1和C2。
所述第一耦合电感M1的原边绕组Lp1、副边绕组Ls1、主功率开关管S1、辅助开关管S3、二极管D1以及输出电容C1组成升压回路1；第二耦合电感M2的原边绕组Lp2、副边绕组Ls2、主功率开关管S2、辅助开关管S3、二极管D2、二极管D3以及输出电容C2组成升压回路2；升压回路1和升压回路2交错并联。
所述第一耦合电感M1的原边绕组Lp1的同名端分别与第二耦合电感M2的原边绕组Lp2的同名端和低压端的正极相连，Lp1的另一端与第一耦合电感M1的副边绕组Ls1的同名端相连，Ls1的另一端与二极管D1的阳极相连，Lp2的另一端与第二耦合电感M2的副边绕组Ls2的同名端相连，Ls2的另一端与二极管D2的阳极相连，主功率开关管S1的漏极与Ls1的同名端相连，S1的源级分别与主功率开关管S2的源级和低压端的负极相连，S2的漏极与Ls2的同名端相连，辅助开关管S3的漏极与二极管D2的阴极相连，S3的源级与S2的源级相连，输出电容C1的一端分别与二极管D1的阴极和高压端的正极相连，C1的另一端与二极管D2的阴极相连，输出电容C2的一端与开关管S3的漏极相连，C2的另一端分别与二极管D3的阳极和高压端的负极相连，D3的阴极与开关管S3的源级相连。
进一步，第一耦合电感M1的原边绕组Lp1、副边绕组Ls1、主功率开关管S1、辅助开关管S3、二极管D1以及输出电容C1组成升压回路1；第二耦合电感M2的原边绕组Lp2、副边绕组Ls2、主功率开关管S2、辅助开关管S3、二极管D2、二极管D3以及输出电容C2组成升压回路2；升压回路1和升压回路2交错并联。
本发明电路工作方法的技术方案为：一种交错并联高增益Boost变换电路的工作方法，分为以下工作模态：
工作模态1(t0～t1)：主功率开关管S1和S2开通，辅助开关管S3关断；第一、第二耦合电感M1、M2的原边绕组对磁芯进行励磁，副边绕组均产生感应电压，无电流流过；负载由输出电容C1、C2串联供电；
工作模态2(t1～t2)：S1开通，S2和S3关断，第二耦合电感M2原边绕组部分能量在瞬间转移到副边绕组，再共同为输出电容C2供电。第一耦合电感M1仍保持原边励磁，副边感应电压。输出电容C1、C2串联为负载供电；
工作模态3(t2～t3)：主功率开关管S1、S2开通，辅助开关管S3关断，第一、第二耦合电感M1、M2的原边绕组对磁芯进行励磁，副边绕组均有感应电压，无电流流过，负载由输出电容C1、C2串联供电；
工作模态4(t3～t4)：S1关断，S2和S3开通，此时第一耦合电感M1原边绕组部分能量瞬间转移到副边绕组，再与原副边绕组联合向负载电容C2供电，电流流经开关管S3回到低压端负极，第一耦合电感M1的原边绕组励磁，副边绕组感应电压，输出电容C1、C2串联为负载供电。
进一步，辅助开关管S3的通断使第一耦合电感M1的能量传递至输出电容C1，并维持变换电路输出电容C1、C2的电压均衡。
本发明的有益效果为：本发明在传统交错并联Boost变换器的基础上作出改进，将耦合电感的升压特性以及输出电容串联升压效果相结合，耦合电感大大提升了升压效果，解决了高增益Boost变换器工作于极限占空比的情况；交错并联技术使得变换器的输入输出电压、电流脉动减小；两个交错并联回路的输出电容串联，使得电压增益提高一倍。
附图说明
图1交错并联高增益Boost变换电路拓扑结构图；
图2(a)所述变换电路的开关管驱动电路，图2(b)相应输出波形图；
图3交错并联高增益Boost变换器在D＞0.5时的四种工作模态等效电路图，其中：
(a)模态1等效电路图；
(b)模态2等效电路图；
(c)模态3等效电路图；
(d)模态4等效电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案作进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种交错并联高增益Boost变换电路，包括带有两个绕组Lp1、Ls1的第一耦合电感M1，带有两个绕组Lp2、Ls2的第二耦合电感M2，两个主功率开关管S1、S2，一个辅助开关管S3，三个二极管D1、D2和D3，两个输出电容C1和C2。
所述第一耦合电感M1的原边绕组Lp1、副边绕组Ls1、主功率开关管S1、辅助开关管S3、二极管D1以及输出电容C1组成升压回路1；第二耦合电感M2的原边绕组Lp2、副边绕组Ls2、主功率开关管S2、辅助开关管S3、二极管D2、二极管D3以及输出电容C2组成升压回路2；升压回路1和升压回路2交错并联。
所述第一耦合电感M1的原边绕组Lp1的同名端分别与第二耦合电感M2的原边绕组Lp2的同名端和低压端的正极相连，Lp1的另一端与第一耦合电感M1的副边绕组Ls1的同名端相连，Ls1的另一端与二极管D1的阳极相连，Lp2的另一端与第二耦合电感M2的副边绕组Ls2的同名端相连，Ls2的另一端与二极管D2的阳极相连，主功率开关管S1的漏极与Ls1的同名端相连，S1的源级分别与主功率开关管S2的源级和低压端的负极相连，S2的漏极与Ls2的同名端相连，辅助开关管S3的漏极与二极管D2的阴极相连，S3的源级与S2的源级相连，输出电容C1的一端分别与二极管D1的阴极和高压端的正极相连，C1的另一端与二极管D2的阴极相连，输出电容C2的一端与开关管S3的漏极相连，C2的另一端分别与二极管D3的阳极和高压端的负极相连，D3的阴极与开关管S3的源级相连。
本发明在传统交错并联Boost变换器的基础上作出改进，将耦合电感的升压特性以及输出电容串联升压效果相结合。所述的耦合电感M1、M2在运行时刻，将低压端能量储存在其原边绕组上，当耦合电感释放能量阶段，原边绕组上部分能量瞬间转移到副边绕组上，并联合向输出电容C1、C2提供能量；由于耦合电感是同向耦合，故能起到提升电压的作用；并且耦合电感的引入使得两开关管S1、S2电压应力减小。但是由于变换器高压端为两输出电容C1、C2的串联结构，为使得输出电容均压且第二耦合电感M2不在第一耦合电感M1放电时被去磁，辅助开关管S3被引入，开关管S3的电压应力为第二输出电容C2的端电压，而S3的引入也使得变换器必须运行在占空比D＞0.5情况下。在基于上述原理基础上，采用交错并联技术，能使得低压端、高压端电压电流纹波降低。使变换器更适用于高压差、大电流场合。
图2(a)和图2(b)分别为所述变换电路的开关管驱动电路示意图以及驱动电路在占空比D＞0.5时输出时序波形和输出电压示意图。
如图2(a)所示，开关管S1与S2交错开关，驱动信号互差180度；而S3为配合耦合电感M1的能量流动需在S1关断、S2开通时开通。
如图2(b)所示，其中Vc1为第一升压回路的输出电容电压，Vc2为第二升压回路的输出电容电压，Vo为高压端的输出电压，是两输出电容电压的叠加。
图3(a)～3(d)所示，为本发明在占空比D＞0.5时变换器的四个工作模态。假设开关周期为Ts；占空比D＞0.5；两路耦合电感参数一致；原副边匝比为N＝N2/N1，则四个模态时间分别为：t1＝(D-0.5)Ts、t2＝(1-D)Ts、t3＝(D-0.5)Ts、t4＝(1-D)Ts。
工作模态1(t0～t1)：如图3(a)所示，此模态下，开关管S1和S2开通、S3关断；耦合电感M1、M2的原边绕组对磁芯进行励磁；副边绕组均产生感应电压，无电流流过；负载由输出电容C1、C2串联供电。耦合电感M1的原边绕组励磁，M1中磁通增量为副边绕组感应电压为耦合电感M2的原边绕组励磁，M2中磁通增量为副边绕组感应电压为
工作模态2(t1～t2)：如图3(b)所示，此模态下，开关管S1开通、S2和S3关断，则耦合电感M2原边绕组部分能量在瞬间转移到副边绕组，再共同为输出电容C2供电。耦合电感M1仍保持原边励磁，副边感应电压。输出电容C1、C2串联为负载供电。耦合电感M1的原边绕组励磁，M1中磁通增量为副边感应电压为耦合电感M2的原副边绕组放电去磁，M2中磁通减量为
工作模态3(t2～t3)：如图3(c)所示，此模态下，开关管S1、S2开通、S3关断，耦合电感M1、M2的原边绕组对磁芯进行励磁，副边绕组均有感应电压，无电流流过，负载由输出电容C1、C2串联供电。耦合电感M1的原边绕组励磁，M1中磁通增量为副边绕组感应电压为耦合电感M2的原边绕组励磁，M2中磁通增量为副边绕组感应电压为
工作模态4(t3～t4)：如图3(d)所示，此模态下，开关管S1关断、S2和S3开通，此时耦合电感M1原边绕组部分能量瞬间转移到副边绕组，再与原副边绕组联合向负载电容C2供电，电流流经开关管S3回到低压端负极。耦合电感M1的原边绕组励磁，副边绕组感应电压。耦合电感M1的原副边绕组放电去磁，M1中磁通减量为耦合电感M2的原边绕组励磁，M2中磁通增量为副边绕组电压为 V L s 2 = N 2 * V L p 2 N 1 .
所述该电路下一个工作周期工作与上述步骤相同。
综合以上分析：由于耦合电感一个周期内磁通增量与减量相等，分别整理两个耦合电感中磁通增减量，将其列于等式两边，可得：第一升压回路：化简可得(注：匝比)，根据对偶原理，第二升压回路：由于Vo＝Vc1+Vc2，则
显然对比传统Boost电路增益得到有效提升；若假设N为1，占空比0.5＜D＜0.8，则完全满足低压端为48V电压输入，高压端为400V或600-700V直流母线的应用需求。
本发明将耦合电感的升压特性以及输出电容串联升压效果相结合，解决了传统Boost电路的电压增益限制问题，采用交错并联技术有效降低输出电压、电流纹波，并减小开关管的电压应力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种交错并联高增益Boost变换电路，其特征在于：包括带有两个绕组Lp1、Ls1的第一耦合电感M1，带有两个绕组Lp2、Ls2的第二耦合电感M2，两个主功率开关管S1、S2，一个辅助开关管S3，三个二极管D1、D2和D3，两个输出电容C1和C2；
所述第一耦合电感M1的原边绕组Lp1的同名端分别与第二耦合电感M2的原边绕组Lp2的同名端和低压端的正极相连，Lp1的另一端与第一耦合电感M1的副边绕组Ls1的同名端相连，Ls1的另一端与二极管D1的阳极相连，Lp2的另一端与第二耦合电感M2的副边绕组Ls2的同名端相连，Ls2的另一端与二极管D2的阳极相连，主功率开关管S1的漏极与Ls1的同名端相连，S1的源级分别与主功率开关管S2的源级和低压端的负极相连，S2的漏极与Ls2的同名端相连，辅助开关管S3的漏极与二极管D2的阴极相连，S3的源级与S2的源级相连，输出电容C1的一端分别与二极管D1的阴极和高压端的正极相连，C1的另一端与二极管D2的阴极相连，输出电容C2的一端与开关管S3的漏极相连，C2的另一端分别与二极管D3的阳极和高压端的负极相连，D3的阴极与开关管S3的源级相连。
2.根据权利要求1所述的交错并联高增益Boost变换电路，其特征在于，所述第一耦合电感M1的原边绕组Lp1、副边绕组Ls1、主功率开关管S1、辅助开关管S3、二极管D1以及输出电容C1组成升压回路1；第二耦合电感M2的原边绕组Lp2、副边绕组Ls2、主功率开关管S2、辅助开关管S3、二极管D2、二极管D3以及输出电容C2组成升压回路2；升压回路1和升压回路2交错并联。
3.根据权利要求1所述的一种交错并联高增益Boost变换电路的工作方法，其特征在于：分为以下工作模态：
工作模态1(t0～t1)：主功率开关管S1和S2开通，辅助开关管S3关断；第一、第二耦合电感M1、M2的原边绕组对磁芯进行励磁，副边绕组均产生感应电压，无电流流过；负载由输出电容C1、C2串联供电；
工作模态2(t1～t2)：S1开通，S2和S3关断，第二耦合电感M2原边绕组部分能量在瞬间转移到副边绕组，再共同为输出电容C2供电。第一耦合电感M1仍保持原边励磁，副边感应电压。输出电容C1、C2串联为负载供电；
工作模态3(t2～t3)：主功率开关管S1、S2开通，辅助开关管S3关断，第一、第二耦合电感M1、M2的原边绕组对磁芯进行励磁，副边绕组均有感应电压，无电流流过，负载由输出电容C1、C2串联供电；
工作模态4(t3～t4)：S1关断，S2和S3开通，此时第一耦合电感M1原边绕组部分能量瞬间转移到副边绕组，再与原副边绕组联合向负载电容C2供电，电流流经开关管S3回到低压端负极，第一耦合电感M1的原边绕组励磁，副边绕组感应电压，输出电容C1、C2串联为负载供电。
4.根据权利要求3所述的交错并联高增益Boost变换电路的工作方法，其特征在于，辅助开关管S3的通断使第一耦合电感M1的能量传递至输出电容C1，并维持变换电路输出电容C1、C2的电压均衡。
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