CN106712504B - 一种含有软开关的非隔离型高增益dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器，包含两个功率电感，两个功率开关，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；所述倍增模块由多个倍增单元组成，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。本发明一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器，实现了可调的高增益，倍增模块中每增加一个倍增单元，都可在原电路的增益基础之上增加两倍的基础增益。本发明电路拓扑简单，并且可以大幅降低开关器件的电压应力。

Description

一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种DC/DC变换器，具体说是一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器。

背景技术

在现有的技术中，基本的两相升压型高增益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导致工作效率不高，且在某些输入输出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。非隔离型高增益DC/DC变换器在电动汽车、不间断电源系统、光伏与燃料电池发电并网系统等诸多领域得到了广泛的应用，它具备高增益的特点。但总的来说，对于现有的几种解决方案，如借助于变压器，在原有的DC/DC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、开关损耗较大、升压能力不可调等技术问题，本发明提供一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器，通过软开关辅助电路的应用，使得功率开关S1、S2均实现了无损零电压关断，减少了开关损耗，提高了工作效率。其电路拓扑简单，可以大幅降低开关器件的电压应力。

本发明采取的技术方案为：

一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器，包含两个功率电感L₁、L₂，两个功率开关S₁、S₂，软开关辅助电路。

第一电感L₁、第二电感L₂的输入端均接输入电源V_in的正极，第一电感L₁、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、第二功率开关S₂的源极接输入电源V_in的负极，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂的栅极分别接各自的控制器；

软开关辅助电路包括二极管D₁、二极管D₂、电容C₁；二极管D₁、二极管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D_1a的阴极；

电容C_1a、C_1b串联，电容C_1a上端与二极管D₁、D_1a并联节点相连，电容C_1b下端与D_1b阳极相接；

第一电感L₁输出端与所有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C_1a上端之后、电容C_1b下端之后，可以连接(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-1个倍增单元组合而成倍增模块，n-1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≥2。

其控制方式为各相功率开关采用交错控制策略。

与现有技术相比，本发明一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器，有益效果如下：

1)、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，同时倍增单元可以随应用需要设计，拓宽了该变换器的应用场合。

2)、本发明中加入软开关辅助电路，使得功率开关S1、S2均实现了无损零电压关断，减少了开关损耗，提高了工作效率。

3)、本发明中开关器件的电压应力大幅降低。

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，采用交错并联控制方法。

5)、本发明通过软开关辅助电路的应用，使得功率开关S₁、S₂均实现了无损零电压关断，减少了开关损耗，提高了工作效率。

6)、本发明实现了可调的高增益，倍增模块中每增加一个倍增单元都可在原电路的增益基础之上增加两倍的基础增益。

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是本发明具体实施方式例中含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非隔离型高增益DC/DC变换器，由低压输入电源V_in、DC/DC升压电路和软开关辅助电路组成。

一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器，包含两个功率电感L₁、L₂，两个功率开关S₁、S₂，六个二极管D₁、D₂、D_1a、D_1b、D_2a、D_2b和五个电容C₁、C_1a、C_1b、C_2a、C_2b。

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；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D_1a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D_1a的阴极。电容C_1a、C_1b串联，C_1a上端与二极管D₁、D_1a并联结点相连，电容C_1b下端与D_1b阳极相接；D_2a、D_2b、C_2a、C_2b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。

所述的含有软开关的非隔离型高增益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，此时低压电源通过功率开关S₁和功率开关S₂分别向电感L₁和电感L₂充电；电容C_2a、C_2b均在向输出端放电；二极管D₁、D₂、D_1a、D_1b、D_2a、D_2b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，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U_c1＝U_c1b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C_2a、C_2b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，低压电源通过功率开关S₂向电感L₂充电；二极管D₂、D_1a、D_2a、D_1b、D_2b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C_1a、C_1b之间的节点时分流，一部分通过电容C_1a、二极管D_2a、电容C_2a及开关S₂流回电源负极，电容C_1a放电，电容C_2a充电；一部分通过电容C_1b、二极管D_1b流回电源负极，此时电容C_1b处于充电状态；该过程中低压输入电源、电感L₁、电容C_1a、C_2b处于放电状态，电容C_1b、C_2a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、D_2b均关断。

4.模态4：同模态1，功率开关S₁、S₂均导通，此时低压电源通过功率开关S₁和功率开关S₂分别向电感L₁和电感L₂充电；电容C_2a、C_2b均在向输出端放电；二极管D₁、D₂、D_1a、D_1b、D_2a、D_2b均关断。

5.模态5：控制器控制功率开关S₁导通，S₂关断，此时电感L₂的电流通过电容C₁、二极管D₂、电容C_1a及开关S₁流回电源负极，电容C₁放电，电容C_1a充电，当电容C₁的电压U_c1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C_1a处于充电状态，此时功率开关S₁保持导通状态，低压电源通过功率开关S₁向电感L₁充电；二极管D₁、D_1a、D_2a、D_1b、D_2b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D_1a导通，此时电感L₂的电流在经过D_1a阳极下端的结点时分流，一部分通过二极管D_1a、电容C_1a及开关S₁流回电源负极，电容C_1a充电；另一部分电流通过电容C_2b，二极管D_2b、电容C_1b以及开关S₁流回电源负极，电容C_1b、C_2a放电，电容C_2b处于充电状态，二极管D₁、D₂、D_1b、D_2a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，提高了工作效率。上述实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而采用了具有2组倍增单元的高增益模块，但是在实际的应用中，能够根据实际应用情况合理选择倍增单元的个数，以达到与应用场合匹配和减少开支成本的目的。

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非隔离型高增益DC/DC变换器，其特征在于：

包含两个功率电感L₁、L₂，两个功率开关S₁、S₂，软开关辅助电路；

第一电感L₁、第二电感L₂的输入端均接输入电源V_in的正极，第一电感L₁、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、第二功率开关S₂的源极接输入电源V_in的负极，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂的栅极分别接各自的控制器；

软开关辅助电路包括二极管D₁、二极管D₂、电容C₁；二极管D₁、二极管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D_1a的阴极；

电容C_1a、C_1b串联，电容C_1a上端与二极管D₁、D_1a并联节点相连，电容C_1b下端与D_1b阳极相接；

第一电感L₁输出端与所有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，此时低压电源通过功率开关S₁和功率开关S₂分别向电感L₁和电感L₂充电；电容C_2a、C_2b均在向输出端放电；二极管D₁、D₂、D_1a、D_1b、D_2a、D_2b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，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U_c1＝U_c1b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C_2a、C_2b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，低压电源通过功率开关S₂向电感L₂充电；二极管D₂、D_1a、D_2a、D_1b、D_2b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C_1a、C_1b之间的节点时分流，一部分通过电容C_1a、二极管D_2a、电容C_2a及开关S₂流回电源负极，电容C_1a放电，电容C_2a充电；一部分通过电容C_1b、二极管D_1b流回电源负极，此时电容C_1b处于充电状态；该过程中低压输入电源、电感L₁、电容C_1a、C_2b处于放电状态，电容C_1b、C_2a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、D_2b均关断；

模态4：同模态1，功率开关S₁、S₂均导通，此时低压电源通过功率开关S₁和功率开关S₂分别向电感L₁和电感L₂充电；电容C_2a、C_2b均在向输出端放电；二极管D₁、D₂、D_1a、D_1b、D_2a、D_2b均关断；

模态5：控制器控制功率开关S₁导通，S₂关断，此时电感L₂的电流通过电容C₁、二极管D₂、电容C_1a及开关S₁流回电源负极，电容C₁放电，电容C_1a充电，当电容C₁的电压U_c1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C_1a处于充电状态，此时功率开关S₁保持导通状态，低压电源通过功率开关S₁向电感L₁充电；二极管D₁、D_1a、D_2a、D_1b、D_2b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D_1a导通，此时电感L₂的电流在经过D_1a阳极下端的结点时分流，一部分通过二极管D_1a、电容C_1a及开关S₁流回电源负极，电容C_1a充电；另一部分电流通过电容C_2b，二极管D_2b、电容C_1b以及开关S₁流回电源负极，电容C_1b、C_2a放电，电容C_2b处于充电状态，二极管D₁、D₂、D_1b、D_2a均关断。

2.根据权利要求1所述一种含有软开关的非隔离型高增益DC/DC变换器，其特征在于：在电容C_1a上端之后、电容C_1b下端之后，可以连接(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非隔离型高增益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非隔离型高增益DC/DC变换器，其特征在于：n-1个倍增单元组合而成倍增模块，n-1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≥2。

Images