CN106655773B - 一种含有软开关的双端口输入高增益dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，包含两个直流输入电源，两个功率电感，两个功率开关，以及软开关辅助电路和倍增模块；所述软开关辅助电路由一个电容和两个二极管组成；所述倍增模块是由两个二极管和两个电容构成的具有四个端口的单元，其中上侧二极管的阳极作为第一端口，该二极管的阴极与上侧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，该二极管的阴极作为第四端口。该拓扑中将两个直流电源纳入同一个电路拓扑之中提高了能源的利用效率减少了经济成本；倍增单元每增加一个，其增益均可在原来基础上增加两倍，其增益可调；本发明电路拓扑简单，控制容易实现，可以将光伏系统和燃料电池此类新能源同时接入一个拓扑之中。

Description

一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC/DC变换器，具体为一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器。
背景技术
在如今备受关注的新能源中，太阳能作为解决化石能源危机的新型可再生能源，由于具有方便、清洁、安全等优点，越来越受到世界各国的重视，在近年来发展迅速，但是太阳能发电系统有致命的弱点：能量供给不均匀、随机性较大、基本没有预测性、稳定性差，并且不同区域、不同时段的供给能力不同，而燃料电池由于其响应速度快和供电稳定性好等优点，科研人员设计出了太阳能、燃料电池联合供电系统。在现有的技术中，基本的双端口两相升压型DC/DC变换器，结构相对简单，虽然能实现升压的功能，但是存在升压能力不够，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，同时开关管在导通和关断过程中有显著的开关损耗，而导致工作效率不高，且在某些输入输出达到高增益的场合不能满足要求。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。但总的来说，若借助于变压器，可通过改变变压器变比来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。
发明内容
为解决现有技术中变换器开关损耗较大，升压能力不可调、升压能力不够，工作效率不高等技术问题。本发明提供一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，该变换器中将两个直流电源纳入同一个电路拓扑之中，提高了能源的利用效率减少了经济成本；软开关的加入，既减少了开关损耗，又提高了工作效率。
本发明采取的技术方案为：
一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，包含两个直流输入电源Vin1、Vin2，两个功率电感L1、L2，两个功率开关S1、S2，软开关辅助电路。
第一电感L1的输入端、第二电感L2的输入端分别连接输入电源Vin1的正极、输入电源Vin2的正极，第一电感L1的输出端、第二电感L2的输出端分别接第一功率开关S1的漏极、第二功率开关S2的漏极，第一功率开关S1的源极和第二功率开关S2的源极均连接输入电源Vin1、Vin2的负极；两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器；
所述软开关辅助电路包括二极管D1、D2、电容C1，二极管D1、D2串联，电容C1的上端与二极管D1、D2串联的节点相连，第一电感L1的输出端接二极管D1的阳极，第二电感L2输出端接电容C1的下端、然后再与二极管D1a的阳极相接，二极管D2的阴极接二极管D1a的阴极；
电容C1a、C1b上下串联，C1a上端与二极管D1、D1a并联节点相连，电容C1b下端与D1b阳极相接，之后的倍增单元依次接入；
同时第一电感L1输出端与所有第奇数个倍增单元的上下两个电容之间的节点相连；
第n个倍增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；
第二电感L2的输出端与所有偶数倍增单元的上下两个电容之间的节点相连。
在电容C1a上端之后、C1b下端之后连接(n-1)个相同结构的倍增单元。
所述倍增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，两个电容上下串联，上方二极管的阳极作为第一端口①，上方二极管的阴极和上方电容的结点作为第二端口②，下方电容和二极管的阳极的结点作为第三端口③，下方二极管的阴极作为第四端口④。
n个倍增单元组合而成倍增模块，n个倍增单元按顺序从左到右依次接入，即：
第2个倍增单元的端口②接第3个倍增单元的端口①，第2个倍增单元的端口③接第3个倍增单元的端口④；第3个倍增单元的端口②接第4个倍增单元的端口①，第3个倍增单元的端口③接第4个倍增单元的端口④；以此类推，一直到第n个倍增单元；n为自然数，取值范围为n≥1。
一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，其控制方式为交错控制策略。
本发明一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，有益效果如下：
1、本发明将两种不同的新能源发电系统可以有效的接入到一个电路拓扑之中，减少了经济成本的同时提高了能源使用效率。
2、本发明加入倍增单元组成高增益升压网络，实现了2n倍于基本Boost升压变换器的输入输出电压增益，同时倍增单元可以根据需要增减数量，拓宽了该变换器的应用场合；
3、本电路中加入软开关辅助电路，使得功率开关S1、S2均实现了软开关功能，减少了开关损耗，提高了工作效率；
4、电路中开关器件的电压应力大幅降低；
5、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，电路拓扑简单，易于实现。
6：倍增单元每增加一个，其增益均可在原来基础上增加两倍，其增益可调。
7：本发明电路拓扑简单，控制容易实现，可以将光伏系统和燃料电池此类新能源同时接入一个拓扑之中。
附图说明
图1是本发明实施方式含有n个倍增单元时的一般电路原理图。
图2即为本发明具体实施方式中含2组倍增单元的电路原理图。
图3是本发明中所采用的单一倍增单元电路图。
具体实施方式
如图2所示，以含有2个倍增单元为例的一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，由两路输入电源Vin1和Vin2、DC/DC升压电路和软开关辅助电路组成；包含两个直流输入电源Vin1和Vin2，两个功率电感L1、L2，两个功率开关S1、S2，六个二极管D1、D2、D1a、D1b、D2a、D2b和五个电容C1、C1a、C1b、C2a、C2b。
第一电感L1和第二电感L2的输入端同时接双端口输入电源Vin1和Vin2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的源极接双端口输入电源Vin1和Vin2的负极；两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器。
第一电感L1的输出端接软开关辅助电路的二极管D1的阳极，第二电感L2输出端接软开关辅助电路中电容C1的下端，后再与二极管D1a的阳极相接；第一电感L1与软开关辅助电路相接后，软开关辅助电路中的二极管D2的阴极接二极管D1a的阴极。电容C1a、C1b串联，C1a上端与二极管D1、D1a并联结点相连，电容C1b下端与D1b阳极相接；D2a、D2b、C2a、C2b构成第二个倍增单元；
所述倍增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。
第一电感L1的输出端与所有第奇次个倍增单元的上下两个电容之间的节点相连，第2个倍增单元的第二端口作为变换器输出端的正极，第2个单元的第三端口作为变换器输出端的负极；第二电感L2的输出端与所有第偶次个倍压单元的上下两个电容之间的节点相连。
所述的一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器相比于传统的Boost升压变换器具有4倍的增益比。
根据功率开关状态的不同，可以将电路分为6种工作模态：
1.模态1：功率开关S1、S2均导通，此时两路直流输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；电容C2a、C2b均在向输出端放电；二极管D1、D2、D1a、D1b、D2a、D2b均关断。
2.模态2：控制器控制功率开关S1关断，S2导通，此时二极管D1导通，直流电源Vin1、电感L1的电流通过二极管D1给电容C1充电，后经S2流回电源负极；这时电容C1电压上升，当Uc1＝Uc1b时充电完成，二极管D1关断；该过程中开关S1实现零电压关断，低压输入电源、电感L1、电容C2a、C2b均处于放电状态，电容C1处于充电状态；此时功率开关S2保持导通状态，直流电源Vin2通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D2、D1a、D2a、D1b、D2b均关断。
3.模态3：同模态2功率开关S1关断，S2导通，当模态2中的电容C1充电完成时，二极管D1关断，此时电感L1的电流在经过C1a、C1b之间的节点时分流，一部分通过电容C1a、二极管D2a、电容C2a及开关S2流回电源负极，电容C1a放电，电容C2a充电；一部分通过电容C1b、二极管D1b流回电源负极，此时电容C1b处于充电状态；该过程中两路输入直流电源、电感L1、电容C1a、C2b处于放电状态，电容C1b、C2a均处于充电状态；此时功率开关S2保持导通状态，低压电源通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D1、D2、D2b均关断。
4.模态4：同模态1，功率开关S1、S2均导通，此时两路直流输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；电容C2a、C2b均在向输出端放电；二极管D1、D2、D1a、D1b、D2a、D2b均关断。
5.模态5：控制器控制功率开关S1导通，S2关断，此时输入电源Vin2和电感L2的电流通过电容C1、二极管D2、电容C1a及开关S1流回电源负极，电容C1放电，电容C1a充电，当电容C1的电压Uc1下降至0时，二极管D2关断，电容C1充电完成；该过程中开关S2实现零电压关断，低压输入电源、电感L2、电容C1放电，电容C1a处于充电状态，此时功率开关S1保持导通状态，直流输入电源Vin1通过功率开关S1向电感L1充电；二极管D1、D1a、D2a、D1b、D2b均关断。
6.模态6：当模态5的中的C1放电完成时，二极管D2关断，此时二极管D1a导通，电感L2的电流在经过D1a阳极下端的结点时分流，一部分通过二极管D1a、电容C1a及开关S1流回电源负极，电容C1a充电；另一部分电流通过电容C2b，二极管D2b、电容C1b以及开关S1流回电源负极，电容C1b、C2a放电，电容C2b处于充电状态，二极管D1、D2、D1b、D2a均关断。
从模态2和模态5可以看出，开关S1和S2分别实现了零电压关断，有效的减少了开关损耗，且采用两路输入可以实现新能源接入利用率的最大化，较适合应用于对升压能力要求高且输出模块多的场合。
本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，其特征在于：
包含两个直流输入电源Vin1、Vin2，两个功率电感L1、L2，两个功率开关S1、S2，软开关辅助电路；
第一电感L1的输入端、第二电感L2的输入端分别连接输入电源Vin1的正极、输入电源Vin2的正极，第一电感L1的输出端、第二电感L2的输出端分别接第一功率开关S1的漏极、第二功率开关S2的漏极，第一功率开关S1的源极和第二功率开关S2的源极均连接输入电源Vin1、Vin2的负极；两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器；
所述软开关辅助电路包括二极管D1、D2、电容C1，二极管D1、D2串联，电容C1的上端与二极管D1、D2串联的节点相连，第一电感L1的输出端接二极管D1的阳极，第二电感L2输出端接电容C1的下端、然后再与二极管D1a的阳极相接，二极管D2的阴极接二极管D1a的阴极；
电容C1a、C1b上下串联，C1a上端与二极管D1、D1a并联节点相连，电容C1b下端与D1b阳极相接，之后的倍增单元依次接入；
同时第一电感L1输出端与所有第奇数个倍增单元的上下两个电容之间的节点相连；
第n个倍增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；
第二电感L2的输出端与所有偶数倍增单元的上下两个电容之间的节点相连；
根据功率开关状态的不同，分为6种工作模态：
模态1：功率开关S1、S2均导通，此时两路直流输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；电容C2a、C2b均在向输出端放电；二极管D1、D2、D1a、D1b、D2a、D2b均关断；
模态2：控制器控制功率开关S1关断，S2导通，此时二极管D1导通，直流电源Vin1、电感L1的电流通过二极管D1给电容C1充电，后经S2流回电源负极；这时电容C1电压上升，当Uc1＝Uc1b时充电完成，二极管D1关断；该过程中开关S1实现零电压关断，低压输入电源、电感L1、电容C2a、C2b均处于放电状态，电容C1处于充电状态；此时功率开关S2保持导通状态，直流电源Vin2通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D2、D1a、D2a、D1b、D2b均关断；
模态3：同模态2功率开关S1关断，S2导通，当模态2中的电容C1充电完成时，二极管D1关断，此时电感L1的电流在经过C1a、C1b之间的节点时分流，一部分通过电容C1a、二极管D2a、电容C2a及开关S2流回电源负极，电容C1a放电，电容C2a充电；一部分通过电容C1b、二极管D1b流回电源负极，此时电容C1b处于充电状态；该过程中两路输入直流电源、电感L1、电容C1a、C2b处于放电状态，电容C1b、C2a均处于充电状态；此时功率开关S2保持导通状态，低压电源通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D1、D2、D2b均关断；模态4：同模态1，功率开关S1、S2均导通，此时两路直流输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；电容C2a、C2b均在向输出端放电；二极管D1、D2、D1a、D1b、D2a、D2b均关断；
模态5：控制器控制功率开关S1导通，S2关断，此时输入电源Vin2和电感L2的电流通过电容C1、二极管D2、电容C1a及开关S1流回电源负极，电容C1放电，电容C1a充电，当电容C1的电压Uc1下降至0时，二极管D2关断，电容C1充电完成；该过程中开关S2实现零电压关断，低压输入电源、电感L2、电容C1放电，电容C1a处于充电状态，此时功率开关S1保持导通状态，直流输入电源Vin1通过功率开关S1向电感L1充电；二极管D1、D1a、D2a、D1b、D2b均关断；
模态6：当模态5的中的C1放电完成时，二极管D2关断，此时二极管D1a导通，电感L2的电流在经过D1a阳极下端的结点时分流，一部分通过二极管D1a、电容C1a及开关S1流回电源负极，电容C1a充电；另一部分电流通过电容C2b，二极管D2b、电容C1b以及开关S1流回电源负极，电容C1b、C2a放电，电容C2b处于充电状态，二极管D1、D2、D1b、D2a均关断。
2.根据权利要求1所述一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，其特征在于：在电容C1a上端之后、C1b下端之后连接(n-1)个相同结构的倍增单元。
3.根据权利要求1所述一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，其特征在于：所述倍增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，两个电容上下串联，上方二极管的阳极作为第一端口①，上方二极管的阴极和上方电容的结点作为第二端口②，下方电容和二极管的阳极的结点作为第三端口③，下方二极管的阴极作为第四端口④。
4.根据权利要求1所述一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，其特征在于：n个倍增单元组合而成倍增模块，n个倍增单元按顺序从左到右依次接入，即：第2个倍增单元的端口②接第3个倍增单元的端口①，第2个倍增单元的端口③接第3个倍增单元的端口④；第3个倍增单元的端口②接第4个倍增单元的端口①，第3个倍增单元的端口③接第4个倍增单元的端口④；以此类推，一直到第n个倍增单元；n为自然数，取值范围为n≥1。
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Assignee: Hubei Yunzhihang Drone Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980044730

Denomination of invention: A Dual Port Input High Gain DC/DC Converter with Soft Switching

Granted publication date: 20230602

License type: Common License

Record date: 20231027

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