CN105790576B - 一种隔离型cuk软开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离型CUK软开关变换器，包括输入电感(L1)、第一开关管(Q1)、第一并联二极管(DQ1)、第一并联电容(CQ1)、第二开关管(Q2)、第二并联二极管(DQ2)、第三开关管(Q3)、第三并联二极管(DQ3)、第三并联电容(CQ3)、谐振电感(Lr)、续流二极管(Da)、串联电容(Cs)、高频变压器(T)、第一输出二极管(D1)、第二输出二极管(D2、第一至第三输出电容(C1‑C3),通过本发明可以提高系统效率，减小系统体积，减小系统的电磁干扰，并改善系统的电磁兼容环境。

Description

一种隔离型CUK软开关变换器
技术领域
本发明涉及DC-DC软开关变换器技术领域，特别是涉及一种倍压式高升压比的隔离型CUK软开关变换器。
背景技术
在传统的DC-DC变换器中的开关器件主要为硬开关，在开通时，电流上升和电压下降同时进行，在关断过程中，电流的下降和电压的上升同时进行，因此，电压和电流波形会产生交叠而存在开关损耗，且开关损耗会随着开关频率的提高而急速增加。另外，电路中的di/dt和dv/dt较大时，会产生较大的电磁干扰，影响周边电子设备和自身的正常工作和运行。
现代电力电子装置的发展趋势越来越趋于小型化和轻量化，对系统的效率还有电磁兼容也有了更高的要求。但是硬开关的自身缺陷大大制约了现代电力电子装置的发展和应用。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种隔离型CUK软开关变换器，其可以提高系统效率，减小系统体积，减小系统的电磁干扰，并改善系统的电磁兼容环境。
为达上述及其它目的，本发明提出一种隔离型CUK软开关变换器，该软开关变换器包括输入电感(L1)、第一开关管(Q1)、第一并联二极管(DQ1)、第一并联电容(CQ1)、第二开关管(Q2)、第二并联二极管(DQ2)、第三开关管(Q3)、第三并联二极管(DQ3)、第三并联电容(CQ3)、谐振电感(Lr)、续流二极管(Da)、串联电容(Cs)、高频变压器(T)、第一输出二极管(D1)、第二输出二极管(D2、第一至第三输出电容(C1-C3)。
进一步地，输入直流电源Vin正极接所述输入电感(L1)一端，所述输入电感(L1)的另一端连接所述第一开关管(Q1)的漏极、所述第一并联二极管(DQ1)的阴极、所述第一并联电容(CQ1)的一端以及所述第三开关管(Q3)源极、所述第三并联二极管(DQ3)的阳极、所述第三并联电容(CQ3)的一端、所述谐振电感(Lr)的一端，所述谐振电感(Lr)的另一端连接所述续流二极管(Da)的阳极、所述第二开关管(Q2)的漏极、所述第二并联二极管(DQ2)阴极，输入直流电源Vin负极连接所述第一开关管(Q1)的源极、所述第一并联二极管(DQ1)的阳极、所述第一并联电容(CQ1)的另一端、所述第二开关管(Q2)的源极、所述第二并联二极管(DQ2)阳极以及所述高频变压器(T)初级侧的异名端，所述第三开关管(Q3)漏极、所述第三并联二极管(DQ3)的阴极、所述第三并联电容(CQ3)的另一端、所述续流二极管(Da)的阴极以及所述串联电容(Cs)的一端，所述串联电容(Cs)的另一端连接所述高频变压器(T)初级侧的同名端，所述第一至第三开关管(Q1-Q3)的源极和各自的衬底相连，所述第一至三开关管(Q1-Q3)的栅极分别接驱动电路的输出；所述高频变压器(T)次级侧同名端连接所述第一输出二极管(D1)阳极和第二输出二极管(D2)阴极，所述高频变压器(T)次级侧异名端连接所述第一、第二输出电容(C1-C2)的公共端，所述第一输出二极管(D1)阴极连接所述第一输出电容(C1)的另一端和所述第三输出电容(C3)的一端形成输出电压Vo的正端，所述第二输出二极管(D2)阳极连接所述第二输出电容(C2)的另一端和所述第三输出电容(C3)的另一端形成输出电压Vo的负端。
进一步地，所述软开关变换器在一个周期内具有8个工作模式。
进一步地，t0～t1时刻为模式1，t0时刻前，第一至第三开关管(Q1-Q3)都处于关断状态，输入电源Vin经过所述输入电感(L1)、所述第三并联二极管(DQ3)、所述串联电容(Cs)、高频变压器(T)的一次侧绕组形成回路，所述串联电容(Cs)充电；t0时刻，第二开关管(Q2)开通，所述谐振电感(Lr)和第二开关管(Q2)上的电流由0逐渐增大，第二开关管(Q2)实现零电流开通，所述谐振电感(Lr)和所述第一并联电容(CQ1)发生并联谐振，所述第一并联电容(CQ1)两端电压逐渐减小，所述谐振电感(Lr)上电流逐渐上升。
进一步地，t1～t2时刻为模式2，于t1时刻，所述第一并联电容(CQ1)两端电压减小至0，所述第一开关管(Q1)的所述第一并联二极管(DQ1)导通。
进一步地，t2～t3时刻为模式3，所述第一开关管(Q1)被钳位到0之后，t2时刻，所述第三开关管(Q3)导通，流经第三并联二极管(DQ3)的电流切换至所述第三开关管(Q3)，值越来越小，减小至0之后反向逐渐增大，于此同时，所述隔离变压器(T)的二次侧回路出现变化，所述第一输出二极管(D1)截止，所述第二输出二极管(D2)导通，所述第三开关管(Q3)为零电压开通。
进一步地，t3～t4时刻为模式4，所述第一开关管(Q1)被钳位到0V，t3时刻，所述第一开关管(Q1)导通，所述第一开关管(Q1)实现零电压导通。
进一步地，t4～t5时刻为模式5，t4时刻，所述第二开关管(Q2)关断，所述第二开关管(Q2)上的电流减为0，所述谐振电感(Lr)上的电流全部经由所述续流二极管(Da)和第三开关管(Q3)续流，大小和所述第二开关管(Q2)关断前一致，而所述续流二极管(Da)的阳极电压保持为0，所述第二开关管(Q2)为零电压关断。
进一步地，t5～t6时刻为模式6，t5时刻，第三开关管(Q3)关断，所述第三并联电容(CQ3)上的电压由0开始逐渐上升，为零电压关断，所述串联电容(Cs)上的电流由负逐渐减小至0再反向增大，然后逐渐减小，于此同时，所述谐振电感(Lr)上的电流也逐渐减小，所述第三并联电容(CQ3)的谐振电压先逐渐上升再下降，即先充电再放电。
进一步地，t6～t7时刻为模式7，t7～t8时刻为模式8，t6时刻，所述第三并联电容(CQ3)电压谐振至0V，所述第三并联二极管(DQ3)导通；t7时刻，所述第一开关管(Q1)关断，所述第一并联电容(CQ1)和所述输入电感(L1)发生并联谐振，所述第一并联电容(CQ1)两端电压由0逐渐上升，所述第一开关管(Q1)实现零电压关断,第一并联电容(CQ1)两端的电压值上升至谐振峰值后，第一并联电容(CQ1)放电，所述第一并联电容(CQ1)的电压值逐渐减小，至t8时刻，进入下一个开关周期。
与现有技术相比，本发明一种隔离型CUK软开关变换器通过使用较少的电子元件，实现了降低开关损耗和提高开关频率，提高电路的效率和功率密度以及改善系统EMC的目的，另外，本发明通过输入滤波电感L1，保证了系统输入电流的连续性，使得光伏输出侧的滤波电容得以大大减小，从而可以进一步提高系统的可靠性和减小系统体积，隔离变压器的使用，除了可实现高的升压比，也起到了输入输出电气隔离，使用起来会更加安全，本发明通过二次侧的倍压电路，进一步提高了系统的升压比。
附图说明
图1为本发明一种隔离型CUK软开关变换器之较佳实施例的结构示意图；
图2-1(a)、图2-1(b)为本发明较佳实施例之模式1的电路示意图；
图2-2为本发明较佳实施例之模式2的电路示意图；
图2-3(a)、图2-3(b)为本发明较佳实施例之模式3的电路示意图；
图2-4为本发明较佳实施例之模式4的电路示意图；
图2-5为本发明较佳实施例之模式5的电路示意图；
图2-6(a)、图2-6(b)、图2-6(c)为本发明较佳实施例之模式6的电路示意图；
图2-7为本发明较佳实施例之模式7的电路示意图；
图2-8(a)、图2-8(b)为本发明较佳实施例之模式8的电路示意图；
图2-9为本发明较佳实施例的主要波形示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种隔离型CUK软开关变换器之较佳实施例的结构示意图。如图1所示，本发明一种隔离型CUK软开关变换器，包括：输入电感L1、第一开关管Q1、第一并联二极管DQ1、第一并联电容CQ1、第二开关管Q2、第二并联二极管DQ2、第三开关管Q3、第三并联二极管DQ3、第三并联电容CQ3、谐振电感Lr、续流二极管Da、串联电容Cs、高频变压器T、第一输出二极管D1、第二输出二极管D2、第一至第三输出电容C1-C3。
输入直流电源Vin正极接输入电感L1之一端，输入电感L1之另一端连接第一开关管Q1之漏极、第一并联二极管DQ1之阴极、第一并联电容CQ1之一端以及第三开关管Q3源极、第三并联二极管DQ3之阳极、第三并联电容CQ3之一端、谐振电感Lr之一端，谐振电感Lr之另一端连接续流二极管Da之阳极、第二开关管Q2之漏极、第二并联二极管DQ2阴极，输入直流电源Vin负极连接第一开关管Q1之源极、第一并联二极管DQ1之阳极、第一并联电容CQ1之另一端、第二开关管Q2之源极、第二并联二极管DQ2阳极以及高频变压器T初级侧之异名端，第三开关管Q3漏极、第三并联二极管DQ3之阴极、第三并联电容CQ3之另一端、续流二极管Da之阴极以及串联电容Cs之一端，串联电容Cs之另一端连接高频变压器T初级侧之同名端(图中串联电容Cs之另一端与高频变压器T初级侧之同名端间电感L2为高频变压器T的等效泄露电感，用于原理分析，实际电路并不存在实体器件)，第一至三开关管Q1-3之源极和各自的衬底相连，第一至三开关管Q1-3之栅极分别接驱动电路(驱动电路和开关信号产生电路为常规电路，未示出)的输出；高频变压器T次级侧同名端连接第一输出二极管D1阳极和第二输出二极管D2阴极，高频变压器T次级侧异名端连接第一、第二输出电容C1-2之公共端，第一输出二极管D1阴极连接第一输出电容C1之另一端和第三输出电容C3之一端形成输出电压Vo的正端，第二输出二极管D2阳极连接第二输出电容C2之另一端和第三输出电容C3之另一端形成输出电压Vo的负端。
为了更清楚的说明本发明实施例，下面将对本发明的原理进行详细描述：
本发明在一个周期内，共有如下8个工作模式，分别如图2-1～2-8所示，主要工作波形如图2-9所示。
具体描述如下：
输入电压为Vin，因为输入电感L1值较大，所以流过电感L1的电流在单个周期开通和关断过程的短时间内可以看作定值，L2为变压器T的一次侧漏感。
模式1[t0～t1]：t0时刻前，三个开关管Q1-Q3都处于关断状态，Vin经过L1、DQ3、Cs、T的一次侧绕组形成回路，Cs充电，如图2-1(a)所示。t0时刻，Q2开通，Lr和Q2上的电流由0逐渐增大，Q2可实现零电流开通。此时，Lr和CQ1发生并联谐振，CQ1两端电压逐渐减小，Lr上电流逐渐上升，如图2-1(b)所示。
模式2[t1～t2]：t1时刻，CQ1两端电压减小至0，Q1的反并联二极管DQ1导通，如图2-2所示。
模式3[t2～t3]：如图2-3(a)，Q1被钳位到0之后，t2时刻，Q3导通，流经DQ3的电流切换至Q3，值越来越小。减小至0之后反向逐渐增大，于此同时，T的二次侧回路也出现了变化，D1截止，D2导通，如图2-3(b)所示。电路其他部分继续保持之前状态，因为Q3导通之前，DQ3处于导通状态，Q3两端电压为0，所以，Q3为零电压开通。
模式4[t3～t4]：如图2-4，Q1被钳位到0V，t3时刻，Q1导通，Q1实现零电压导通。
模式5[t4～t5]：如图2-5，t4时刻，Q2关断，Q2上的电流减为0，Lr上的电流全部经由Da和Q3续流，大小和Q2关断前一致，而Da的阳极电压保持为0，所以，Q2为零电压关断。
模式6[t5～t6]：t5时刻，Q3关断，如图2-6(a)，L2和CQ3发生串联谐振，CQ3上的电压由0开始逐渐上升，为零电压关断，Cs上的电流由负逐渐减小至0再反向增大，然后逐渐减小，如图2-6(b)所示。于此同时，Lr上的电流也逐渐减小，CQ3的谐振电压先逐渐上升再下降，即先充电再放电，如图2-6(c)所示。
模式7[t6～t7]：t6时刻，CQ3电压谐振至0V，DQ3导通，如图2-7所示。
模式8[t7～t8]：t7时刻，Q1关断，CQ1和L1发生并联谐振，如图2-8(a)，CQ1两端电压由0逐渐上升，Q1实现零电压关断。CQ1两端的电压值上升至谐振峰值后，CQ1向L2放电，如图2-8(b)所示，CQ1的电压值逐渐减小，至t8时刻，进入下一个开关周期。
可见，本发明一种隔离型CUK软开关变换器通过使用较少的电子元件，实现了降低开关损耗和提高开关频率，提高电路的效率和功率密度以及改善系统EMC的目的，另外，本发明通过输入滤波电感L1，保证了系统输入电流的连续性，使得光伏输出侧的滤波电容得以大大减小，从而可以进一步提高系统的可靠性和减小系统体积，隔离变压器的使用，除了可实现高的升压比，也起到了输入输出电气隔离，使用起来会更加安全，本发明通过二次侧的倍压电路，进一步提高了系统的升压比。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (9)

1.一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：该软开关变换器包括输入电感(L1)、第一开关管(Q1)、第一并联二极管(DQ1)、第一并联电容(CQ1)、第二开关管(Q2)、第二并联二极管(DQ2)、第三开关管(Q3)、第三并联二极管(DQ3)、第三并联电容(CQ3)、谐振电感(Lr)、续流二极管(Da)、串联电容(Cs)、高频变压器(T)、第一输出二极管(D1)、第二输出二极管(D2)、第一至第三输出电容(C1-C3)；输入直流电源Vin正极接所述输入电感(L1)一端，所述输入电感(L1)的另一端连接所述第一开关管(Q1)的漏极、所述第一并联二极管(DQ1)的阴极、所述第一并联电容(CQ1)的一端以及所述第三开关管(Q3)源极、所述第三并联二极管(DQ3)的阳极、所述第三并联电容(CQ3)的一端、所述谐振电感(Lr)的一端，所述谐振电感(Lr)的另一端连接所述续流二极管(Da)的阳极、所述第二开关管(Q2)的漏极、所述第二并联二极管(DQ2)阴极，输入直流电源Vin负极连接所述第一开关管(Q1)的源极、所述第一并联二极管(DQ1)的阳极、所述第一并联电容(CQ1)的另一端、所述第二开关管(Q2)的源极、所述第二并联二极管(DQ2)阳极以及所述高频变压器(T)初级侧的异名端，所述第三开关管(Q3)漏极、所述第三并联二极管(DQ3)的阴极、所述第三并联电容(CQ3)的另一端、所述续流二极管(Da)的阴极连接所述串联电容(Cs)的一端，所述串联电容(Cs)的另一端连接所述高频变压器(T)初级侧的同名端，所述第一至第三开关管(Q1-Q3)的源极和各自的衬底相连，所述第一至三开关管(Q1-Q3)的栅极分别接驱动电路的输出；所述高频变压器(T)次级侧同名端连接所述第一输出二极管(D1)阳极和第二输出二极管(D2)阴极，所述高频变压器(T)次级侧异名端连接所述第一、第二输出电容(C1-C2)的公共端，所述第一输出二极管(D1)阴极连接所述第一输出电容(C1)的另一端和所述第三输出电容(C3)的一端形成输出电压Vo的正端，所述第二输出二极管(D2)阳极连接所述第二输出电容(C2)的另一端和所述第三输出电容(C3)的另一端形成输出电压Vo的负端。
2.如权利要求1所述的一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：所述软开关变换器在一个周期内具有8个工作模式。
3.如权利要求2所述的一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：t0～t1时刻为模式1，t0时刻前，第一至第三开关管(Q1-Q3)都处于关断状态，输入电源Vin经过所述输入电感(L1)、所述第三并联二极管(DQ3)、所述串联电容(Cs)、高频变压器(T)的一次侧绕组形成回路，所述串联电容(Cs)充电；t0时刻，第二开关管(Q2)开通，所述谐振电感(Lr)和第二开关管(Q2)上的电流由0逐渐增大，第二开关管(Q2)实现零电流开通，所述谐振电感(Lr)和所述第一并联电容(CQ1)发生并联谐振，所述第一并联电容(CQ1)两端电压逐渐减小，所述谐振电感(Lr)上电流逐渐上升。
4.如权利要求3所述的一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：t1～t2时刻为模式2，于t1时刻，所述第一并联电容(CQ1)两端电压减小至0，所述第一开关管(Q1)的所述第一并联二极管(DQ1)导通。
5.如权利要求4所述的一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：t2～t3时刻为模式3，所述第一开关管(Q1)被钳位到0之后，t2时刻，所述第三开关管(Q3)导通，流经第三并联二极管(DQ3)的电流切换至所述第三开关管(Q3)，值越来越小，减小至0之后反向逐渐增大，于此同时，所述高频变压器(T)的二次侧回路出现变化，所述第一输出二极管(D1)截止，所述第二输出二极管(D2)导通，所述第三开关管(Q3)为零电压开通。
6.如权利要求5所述的一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：t3～t4时刻为模式4，所述第一开关管(Q1)被钳位到0V，t3时刻，所述第一开关管(Q1)导通，所述第一开关管(Q1)实现零电压导通。
7.如权利要求6所述的一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：t4～t5时刻为模式5，t4时刻，所述第二开关管(Q2)关断，所述第二开关管(Q2)上的电流减为0，所述谐振电感(Lr)上的电流全部经由所述续流二极管(Da)和第三开关管(Q3)续流，大小和所述第二开关管(Q2)关断前一致，而所述续流二极管(Da)的阳极电压保持为0，所述第二开关管(Q2)为零电压关断。
8.如权利要求7所述的一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：t5～t6时刻为模式6，t5时刻，第三开关管(Q3)关断，所述第三并联电容(CQ3)上的电压由0开始逐渐上升，为零电压关断，所述串联电容(Cs)上的电流由负逐渐减小至0再反向增大，然后逐渐减小，于此同时，所述谐振电感(Lr)上的电流也逐渐减小，所述第三并联电容(CQ3)的谐振电压先逐渐上升再下降，即先充电再放电。
9.如权利要求8所述的一种隔离型CUK软开关变换器，其特征在于：t6～t7时刻为模式7，t7～t8时刻为模式8，t6时刻，所述第三并联电容(CQ3)电压谐振至0V，所述第三并联二极管(DQ3)导通；t7时刻，所述第一开关管(Q1)关断，所述第一并联电容(CQ1)和所述输入电感(L1)发生并联谐振，所述第一并联电容(CQ1)两端电压由0逐渐上升，所述第一开关管(Q1)实现零电压关断,第一并联电容(CQ1)两端的电压值上升至谐振峰值后，第一并联电容(CQ1)放电，所述第一并联电容(CQ1)的电压值逐渐减小，至t8时刻，进入下一个开关周期。
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