CN106981994A - 一种单管双端逆变隔离型dc‑dc升压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电学技术领域，涉及一种单管双端逆变隔离型DC‑DC升压变换器，在普通单端反激型电路拓扑的基础上，在其变压器原边并联谐振电容，在变压器副边级联高频倍压整流电路，并联支路的谐振电容与变压器原边线圈电感进行谐振，从而使原变换器变成了双向励磁，提高磁芯利用率，并且提高隔离变换器输出对输入的电压增益；变压器副边级联的高频倍压整流电路使变压器副边线圈输出的不对称电压得到有效利用，从而使变换器的整体效率进一步提高。

Description

一种单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种单管双端逆变隔离型DC-DC(直流-直流)升压变换器，特别是一种用单个开关管进行双端逆变的隔离型DC-DC升压变换器拓扑。

背景技术：

传统的隔离型DC-DC升压变换器拓扑有正激型、反激型、半桥型、全桥型、推挽型五种电路形式，其中，正激型和反激型电路结构简单、成本低、容易控制，但存在变压器单向励磁，磁芯容易饱和，磁芯利用率低，功率难以做大，难以实现软开关控制等缺点；半桥型和全桥型电路的变压器双向励磁，磁芯利用率高，功率可以做大，也可实现软开关控制，但是存在偏磁问题，而且上下桥臂容易直通，电路控制相对困难、可靠性较低；推挽型电路的变压器也是双向励磁，不存在上下桥臂直通问题，但是存在偏磁问题，而且变压器需要抽头、设计困难，不能实现软开关。近年来出现了一种有源钳位式反激型电路拓扑，该拓扑是在传统反激型拓扑中增加了有源钳位支路，通过辅助开关管使主开关管实现了零电压软开关，同时辅助开关管也实现了零电压开关，不存在直通问题，效率较传统反激型拓扑大为提高，已被应用于太阳能微型逆变器的前级电路当中，但是该新型拓扑仍存在单向励磁，磁芯容易饱和，磁芯利用率低，功率难以做大等问题，而且钳位支路的辅助开关管与主开关管互补导通，辅助开关管导通损耗较大，制约了该拓扑的进一步普及应用。因此，设计一种单管双端逆变隔离型直流-直流升压变换器。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，在普通单端反激型电路拓扑的基础上，在其变压器原边并联谐振电容，在变压器副边级联高频倍压整流电路，并联支路的谐振电容与变压器原边线圈电感进行谐振，从而使原变换器变成了双向励磁，提高磁芯利用率，并且提高隔离变换器输出对输入的电压增益；变压器副边级联的高频倍压整流电路使变压器副边线圈输出的不对称电压得到有效利用，从而使变换器的整体效率进一步提高。

为了实现上述目的，本发明所述单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器的主体结构包括第一滤波电容、谐振电容、开关管、第一二极管、高频变压器、高频倍压整流电路、负载和控制驱动电路，V_dc经第一滤波电容滤波后，开关管和第一二极管将直流电逆变成高频交流电，高频交流电施加在原边线圈电感的两端，副边线圈电感两端感应出电压，副边线圈电感两端电压经高频倍压整流电路后转换成直流电，为负载供电；第一滤波电容用于滤波，谐振电容与高频变压器中的原边线圈电感发生准谐振，使开关管实现零电压开通；开关管和第一二极管用于实现电能逆变，第一二极管为开关管的反并联二极管；高频变压器由原边线圈电感、磁芯、副边线圈电感电连接组成，用于将能量从原边传递到副边，从而为负载供电，高频变压器使原副边实现电气隔离，高频变压器的耦合系数为0.5-0.95，第二二极管、第三二极管、第二滤波电容和第三滤波电容电连接组成高频倍压整流电路，用于高频整流及升压；负载为变换器的后级，负载两端的电压为输出电压，控制驱动电路用于控制开关管的开通与关断。

本发明实现单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器控制的过程包括以下步骤：

(1)、先采用脉冲宽度调制(PWM)软启动，即给定初始开关频率，保持开关频率不变，导通时间逐渐增加至设定值，输出电压达到设定电压；

(2)、实现PWM软启动后，当检测到谐振电容的电压和第一滤波电容的电压相等时，进入中断，控制驱动电路使开关管的驱动电压变为高电平，开关管实现零电压开通，然后中断返回，当谐振电容的电压和第一滤波电容的电压相等时，原边线圈电感开始通过第一二极管和第一滤波电容进行续流，开关管漏源两端的电压为0，此时使开关管的驱动电压变为高电平，开关管实现零电压开通；

(3)、检测输出电压是否变化，当电路输出电压不稳定时，通过脉冲频率调制(PFM)控制稳定输出电压，若输出电压变大，控制驱动电路增加开关频率；若输出电压减小，控制驱动电路减小开关频率，从而稳定电路的输出电压；

(4)、判断电路是否停止工作，若给出停止工作信号，则电路停止运行；若未给出停止工作信号，则重新检测输出电压，重复上述步骤，实现变换器的控制，同时使开关管实现零电压开通。

本发明与现有技术相比，变压器原边并联的谐振电容与变压器原边线圈电感进行谐振使变换器的开关管既能实现零电压开通又能实现零电压关断，在开关管开通和关断期间均可向变压器副边传输能量，使变压器实现双向励磁，从而增加变换器的传输功率；输出/输入间具有较高的电压增益，在变压器匝数比一定的情况下，能够通过脉冲频率调制进一步提高输出电压，使输出电压具有很宽的调整范围；变压器副边级联的高频倍压整流电路使得变压器副边线圈输出的不对称电压得到有效利用，使变换器的整体效率进一步提高；其电路结构简单，成本低，可靠性高，效率高等优点，能够通过调整开关频率提升电压增益，可广泛用于中小型或微型光伏逆变器的前级电路、中小型UPS电源的前级电路、中小型隔离DC-DC升压变换器、变频微波炉主电路及无线电能传输等电路中。

附图说明：

图1是本发明所述单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器的电路原理示意图。

图2是本发明所述单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器的控制工艺流程图。

图3是本发明所述单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器的工作波形图，其中Ugs为开关管Q₁的驱动电压，Uds为开关管Q₁漏源两端的电压，Up为谐振电容C_p两端的电压，Ip为原边线圈电感L_p的电流。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例：

本实施例所述单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器的主体结构包括第一滤波电容C₁、谐振电容C_p、开关管Q₁、第一二极管D_Q1、高频变压器1、高频倍压整流电路2、负载Z和控制驱动电路3，V_dc经第一滤波电容C₁滤波后，开关管Q₁和第一二极管D_Q1将直流电逆变成高频交流电，高频交流电施加在原边线圈电感L_p的两端，副边线圈电感L_s两端感应出电压，副边线圈电感L_s两端电压经高频倍压整流电路2后转换成直流电，为负载Z供电；第一滤波电容C₁用于滤波，谐振电容C_p与高频变压器1中的原边线圈电感L_p发生准谐振，使开关管Q₁实现零电压开通；开关管Q₁和第一二极管D_Q1用于实现电能逆变，第一二极管D_Q1为开关管Q₁的反并联二极管；高频变压器1由原边线圈电感L_p、磁芯T、副边线圈电感L_s电连接组成，用于将能量从原边传递到副边，从而为负载Z供电，高频变压器1使原副边实现电气隔离，高频变压器1的耦合系数为0.5-0.95，第二二极管D₁、第三二极管D₂、第二滤波电容C₂和第三滤波电容C₃电连接组成高频倍压整流电路2，用于高频整流及升压；负载Z为变换器的后级，负载Z两端的电压为输出电压，控制驱动电路3用于控制开关管Q₁的开通与关断。

本实施例实现单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器控制的过程包括以下步骤：

(1)、先采用PWM软启动，即给定初始开关频率，保持开关频率不变，导通时间逐渐增加至设定值，输出电压达到设定电压；

(2)、实现PWM软启动后，当检测到谐振电容C_p的电压和第一滤波电容C₁的电压相等时，进入中断，控制驱动电路3使开关管Q₁的驱动电压变为高电平，开关管Q₁实现零电压开通，然后中断返回，当谐振电容C_p的电压和第一滤波电容C₁的电压相等时，原边线圈电感L_p开始通过第一二极管D_Q1和第一滤波电容C₁进行续流，开关管Q₁漏源两端的电压为0，此时使开关管Q₁的驱动电压变为高电平，开关管Q₁实现零电压开通；

(3)、检测输出电压是否变化，当电路输出电压不稳定时，通过PFM控制稳定输出电压，若输出电压变大，控制驱动电路3增加开关频率；若输出电压减小，控制驱动电路3减小开关频率，从而稳定电路的输出电压。

(4)、判断电路是否停止工作，若给出停止工作信号，则电路停止运行；若未给出停止工作信号，则重新检测输出电压，重复上述步骤，实现变换器的控制，同时使开关管Q₁实现零电压开通。

本实施例所述单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器的工作过程包括以下阶段：

t0-t1时段：在t0时刻，开关管Q₁的驱动电压Ugs变为高电平，此时原边线圈电感L_p的电流为负，开关管Q₁不导通，原边线圈电感L_p通过第一二极管D_Q1和第一滤波电容C₁续流，开关管Q₁漏源两端的电压为0，到t1时刻，原边线圈电感L_p的电流变为0，开关管Q₁导通，开关管Q₁实现零电压开通；

t1-t2时段：输入电压为原边线圈电感L_p充电，原边线圈电感L_p的电流逐渐增加，到t2时刻，开关管Q₁的驱动电压Ugs变为低电平，开关管Q₁关断；

t2-t3时段：谐振电容C_p为原边线圈电感L_p充电，原边线圈电感L_p的电流继续增加，到t3时刻，谐振电容C_p的电压降为0，原边线圈电感L_p的电流增加到最大；

t3-t4时段：原边线圈电感L_p反向为谐振电容C_p充电，谐振电容C_p的电压反向增大，到t4时刻，原边线圈电感L_p的电流下降为0，谐振电容C_p的电压反向增加到最大；

t4-t5时段：谐振电容C_p为原边线圈电感L_p反向充电，到t5时刻，谐振电容C_p的电压变为0，原边线圈电感L_p的电流反向增加到最大；

t5-t6时段：原边线圈电感L_p为谐振电容C_p反向充电，谐振电容C_p的电压逐渐增加，到t6时刻，谐振电容C_p的电压增加到与第一滤波电容C₁的电压相等，开关管Q₁漏源两端的电压为0；

t6-t7时段：原边线圈电感L_p通过第一二极管D_Q1和第一滤波电容C₁续流，开关管Q₁漏源两端的电压为0，到t7时刻，开关管Q₁的驱动电压Ugs变为高电平，此时原边线圈电感L_p的电流为负，开关管Q₁不导通。

Claims (1)

1.一种单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器，其特征在于：在普通单端反激型电路拓扑的基础上，在其变压器原边并联谐振电容，在变压器副边级联高频倍压整流电路，并联支路的谐振电容与变压器原边线圈电感进行谐振，结构包括第一滤波电容、谐振电容、开关管、第一二极管、高频变压器、高频倍压整流电路、负载和控制驱动电路，V_dc经第一滤波电容滤波后，开关管和第一二极管将直流电逆变成高频交流电，高频交流电施加在原边线圈电感的两端，副边线圈电感两端感应出电压，副边线圈电感两端电压经高频倍压整流电路后转换成直流电，为负载供电；第一滤波电容用于滤波，谐振电容与高频变压器中的原边线圈电感发生准谐振，使开关管实现零电压开通；开关管和第一二极管用于实现电能逆变，第一二极管为开关管的反并联二极管；高频变压器由原边线圈电感、磁芯、副边线圈电感电连接组成，用于将能量从原边传递到副边，从而为负载供电，高频变压器使原副边实现电气隔离，高频变压器的耦合系数为0.5-0.95，第二二极管、第三二极管、第二滤波电容和第三滤波电容电连接组成高频倍压整流电路，用于高频整流及升压；负载为变换器的后级，负载两端的电压为输出电压，控制驱动电路用于控制开关管的开通与关断。

本发明实现单管双端逆变隔离型DC-DC升压变换器控制的过程包括以下步骤：

(1)、先采用PWM软启动，即给定初始开关频率，保持开关频率不变，导通时间逐渐增加至设定值，输出电压达到设定电压；

(2)、实现PWM软启动后，当检测到谐振电容的电压和第一滤波电容的电压相等时，进入中断，控制驱动电路使开关管的驱动电压变为高电平，开关管实现零电压开通，然后中断返回，当谐振电容的电压和第一滤波电容的电压相等时，原边线圈电感开始通过第一二极管和第一滤波电容进行续流，开关管漏源两端的电压为0，此时使开关管的驱动电压变为高电平，开关管实现零电压开通；

(3)、检测输出电压是否变化，当电路输出电压不稳定时，通过脉冲频率调制(PFM)控制稳定输出电压，若输出电压变大，控制驱动电路增加开关频率；若输出电压减小，控制驱动电路减小开关频率，从而稳定电路的输出电压；

(4)、判断电路是否停止工作，若给出停止工作信号，则电路停止运行；若未给出停止工作信号，则重新检测输出电压，重复上述步骤，实现变换器的控制，同时使开关管实现零电压开通。