CN107086785A - 一种单相高增益升压型变换器的软开关实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种单相高增益升压型变换器的软开关实现方法，涉及DC‑DC变换。电路拓扑中含有一个双绕组耦合电感、两个开关管及其反并联二极管、一个箝位电容、两个开关电容、两个反馈二极管、一个输出二极管、一个输出电容。双绕组耦合电感和开关电容共同实现高增益电压输出。箝位电容实现对主开关管漏源电压的有源箝位，且箝位电容吸收的漏感能量会传输到输出端。通过优化主开关管和辅助开关管的控制时序，使漏感和主开关管寄生电容、漏感和箝位电容之间谐振，实现主开关管的零电压开通以及辅助开关管的零电流开通与关断，变换器开关损耗可显著减少。

Description

一种单相高增益升压型变换器的软开关实现方法
技术领域
本发明涉及DC-DC变换，尤其是涉及一种单相高增益升压型变换器的软开关实现方法。
背景技术
太阳能的利用形式之一的光伏发电技术以其规模灵活、建设周期短和维护简单等优点成为人们开发太阳能资源的重要方式。集中式大型并网光伏电站因为投资大、建设周期长、占地面积大而没有太大发展。而分布式并网光伏由于投资小、建设快、占地面积小等优点，成为光伏发电的主流。但分布式发电模块输出电压一般不超过50V，而公共直流母线电压常设为200V或400V，所以需要在发电模块与公共直流母线之间插入一高性能DC-DC变换器，传统的Boost变换器工作于高占空比时可以获得高电压增益，但却导致功率变换效率的降低。此外Boost变换器的开关管电压应力为输出电压，导致开关管的电压应力可能较大。如何提高变换器设备的效率，减小开关器件的电压应力成为当前研究的热点。
研究学者提出的高增益变换器主要分为：1基于隔离变换器的高增益变换器；2基于二极管和开关电容的高升压增益变换器；3基于耦合电感的高升压增益变换器。其中任何一种变换器都会用到一个或多个功率开关管。变换器工作时，电路中的功率器件会产生通态损耗，关短损耗和开关损耗。功率器件的开关损耗会随着开关频率的提高显著增加而成为损耗的主体，传统的硬开关变换器在更高开关频率下越来越难以保持较高的效率，而软开关变换器可以减小功率器件的开关损耗，对于提高效率、提高开关频率、优化变换器体积也都有十分明显的优势。近些年，研究人员提出了许多改进的谐振直流环节变换器的拓扑结构，包括有源箝位谐振直流环变换器、并联谐振直流环节变换器，但这些改进的谐振直流环变换器仍然需要进一步完善。
发明内容
本发明的目的在于提供主要解决开关管开通过程开关损耗大的问题的一种单相高增益升压型变换器的软开关实现方法。
本发明设有电源、主开关管、辅助开关管、箝位电容、第一反馈二极管、第一开关电容、第二反馈二极管、第二开关电容、输出二极管、输出电容和耦合电感；所述耦合电感可采用双绕组耦合电感；
所述电源的正极与耦合电感的原边绕组的一端相连，耦合电感的原边绕组的另一端与所述主开关管的漏极、所述第一开关电容的一端相连；所述第一开关电容的另一端和所述耦合电感副变绕组的一端、所述第二反馈二极管的阳极相连；所述耦合电感副边绕组的另一端和所述第二开关电容的一端、所述第一反馈二极管的阴极相连；所述第二开关电容的另一端与第二反馈二极管的阴极以及输出二极管的阳极相连；所述输出二极管的阴极与所述输出电容的一端相连；所述输出电容的另一端与所述电源的负极、所述箝位电容的一端、所述主开关管的源极连接；所述箝位电容的另一端和所述辅助开关管的漏极、第一反馈二极管的阳极相连；所述辅助开关管的源极与主开关管的漏极相连。
当工作时，主开关管关断后，通过箝位电容和辅助开关管的反向并联二极管来箝位主开关管的漏源电压，减小电压应力，且利用箝位时与辅助开关管反向并联二极管的开通实现辅助开关管的零电压开通；利用辅助开关管的开通实现箝位电容与漏感的谐振，产生漏感电流；由于箝位作用，辅助开关管可以实现零电压关断；关短后，漏感电流和主开关管的寄生电容谐振，漏感给寄生电容反向充电；寄生电容电压为零后通过和主开关管反向并联的二极管续流，使得主开关管两端电压箝位为零。实现主开关管的零电压开通。
本发明通过控制辅助开关管的开通与关短实现主开关管的零电压开通，并通过箝位电路的作用减小主开关管的电压应力，并实现辅助开关管的零电压开通和关断。
本发明的有益效果是，可以实现主开关管的零电压开通和辅助开关管的零电压开通与关断，大大减小了开关管的开通损耗。利用箝位电容吸收漏感能量，减少了能量损失。由于箝位电路的箝位作用，减小了开关管的电压应力。
附图说明
图1为本发明实施例的电路图。
图2为图1的等效电路。
图3为本发明实施例的关键波形图。
图4为本发明实施例的开关模态I等效电路图。
图5为本发明实施例的开关模态II等效电路图。
图6为本发明实施例的开关模态III等效电路图。
图7为本发明实施例的开关模态IV等效电路图。
图8为本发明实施例的开关模态V等效电路图。
图9为本发明实施例的开关模态VI等效电路图。
图10为本发明实施例的开关模态VII等效电路图。
图11为本发明实施例的开关模态VIII等效电路图。
具体实施方式
下面通过结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1～3，本发明提供的一种升压型变换器，包含一个主开关管S，一个辅助开关管Sau，一个箝位电容CC，两个反馈二极管Df1、Df2，两个开关电容Cf1、Cf2，一个输出二极管Do，一个输出电容Co和一个双绕组耦合电感，耦合电感的原边绕组np的一端与电源Vin的正端相连，另一端则与主开关管S的漏极、辅助开关管Sau的源极以及第一开关电容Cf1的一端相连；辅助开关管Sau的漏极与箝位电容CC的一端及第一反馈二极管的Df1的阳极相连；第一开关电容Cf1的另一端与第二反馈二极管的Df2的阳极、双绕组耦合电感的副边绕组ns的一端相连，双绕组耦合电感的副边绕组ns的另一端与第一反馈二极管的Df1的阴极及第二开关电容Cf2的一端相连，第二开关电容Cf2的另一端与第二反馈二极管Df2的阴极及输出二极管Do的阳极相连，输出二极管Do的阴极与输出电容Co的一端相连，输出电容Co的另一端与电源Vin的负端、功率开关管S的源极、箝位电容CC的另一端共同连接在一起。
所述双绕组耦合电感的原边绕组np与电源Vin正端的连接端和耦合电感的副边绕组ns与第一开关电容Cf1的连接端为耦合电感的同名端。
模态I[t0t1]:如图4所示，功率开关管S处于开通状态，辅助开关管Sau处于关断状态；双绕组耦合电感Lm及漏感Lk处于被电源线性充电状态；输出二极管Do反向偏置，反馈二极管Df1、Df2处于开通状态；通过第一反馈二极管，箝位电容CC和耦合电感副边ns的能量向第一开关电容Cf1转移；耦合电感副边ns的能量通过第二反馈二极管Df2向第二开关电容Cf2转移；输出电容Co给负载供能。
模态II[t1t2]:如图5所示，在t1时刻，主开关管S关断，耦合电感原边电流对主开关管S的寄生电容线性充电，主开关管零电压开通。辅助开关管Sau的反向并联二极管的反向电压降低而主开关管S的漏源电压升高。
模态III[t2t3]:如图6所示，在t2时刻，辅助开关管Sau的反向并联二极管的反向压降降至零并开始导通，耦合电感的原边np和漏感Lk的能量对箝位电容CC充电，辅助开关管Sau依然关断，且主开关管S的漏源电压被箝位电容CC箝置；反馈二极管Df1处于关断状态，耦合电感的副边继续给开关电容Cf2充电，输出二极管Do仍然反向偏置，输出电容Co继续给负载供能。
模态IV[t3t4]:如图7所示，在t3时刻，耦合电感副边电流反向，停止向开关电容Cf2充电。输出二极管Do开通，电源Vin、励磁电感Lm、开关电容Cf1和Cf2、耦合电感副边ns的能量开始向输出电容Co和输出电阻R转移。
模态V[t4t5]:如图8所示，漏感Lk能量完全转移给箝位电容，辅助开关管Sau的反向并联二极管关断。辅助开关管Sau开启，箝位电容Cc和漏感Lk谐振。
模态VI[t5t6]:如图9所示，辅助开关管Sau关断，辅助开关管Sau的反向并联二极管反向偏置。由于耦合电感漏感Lk的电流不能突变，Lk和主开关管的寄生电容Cr谐振，Lk给Cr反向充能，Cr两端电压渐渐减小。
模态VII[t6t7]:如图10所示，寄生电容Cr两端电压下降到0，漏感Lk通过主开关管S的反向并联二极管续流，主开关管S电压被箝位到0，此刻开通可以实现零电压开通。
模态VIII[t7t8]:如图11所示，开关管在电压被箝位为0时开通，实现了了零电压开通，进入下一周期。
本发明为一种软开关单相高增益升压变换器，电路拓扑中含有一个双绕组耦合电感、两个开关管及其反并联二极管、一个箝位电容、两个开关电容、两个反馈二极管、一个输出二极管、一个输出电容。双绕组耦合电感和开关电容共同实现高增益电压输出。箝位电容实现对主开关管漏源电压的有源箝位，且箝位电容吸收的漏感能量会传输到输出端。通过优化主开关管和辅助开关管的控制时序，使漏感和主开关管寄生电容、漏感和箝位电容之间谐振，实现主开关管的零电压开通以及辅助开关管的零电流开通与关断，变换器开关损耗可显著减少。

Claims (1)

1.一种单相高增益升压型变换器的软开关实现方法，其特征在于设有电源、主开关管、辅助开关管、箝位电容、第一反馈二极管、第一开关电容、第二反馈二极管、第二开关电容、输出二极管、输出电容和耦合电感；所述耦合电感可采用双绕组耦合电感；
所述电源的正极与耦合电感的原边绕组的一端相连，耦合电感的原边绕组的另一端与所述主开关管的漏极、所述第一开关电容的一端相连；所述第一开关电容的另一端和所述耦合电感副变绕组的一端、所述第二反馈二极管的阳极相连；所述耦合电感副边绕组的另一端和所述第二开关电容的一端、所述第一反馈二极管的阴极相连；所述第二开关电容的另一端与第二反馈二极管的阴极以及输出二极管的阳极相连；所述输出二极管的阴极与所述输出电容的一端相连；所述输出电容的另一端与所述电源的负极、所述箝位电容的一端、所述主开关管的源极连接；所述箝位电容的另一端和所述辅助开关管的漏极、第一反馈二极管的阳极相连；所述辅助开关管的源极与主开关管的漏极相连。
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