CN107659158A - 一种多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器，包括输入电源Vg，第一开关管S1，有源嵌位电路，多绕组变压器T，输出电容Co，输出二极管Do和负载R；多绕组变压器T包括一个原边绕组Tp，以及多个副边绕组Tk，k为正整数；有源嵌位电路包括第一电容Cr，第二开关管S2，以及谐振电感Lr；还包括准倍压结构，准倍压结构包括准倍压电容Ck和准倍压二极管Dk；第一开关管S1和第二开关管S2的开关逻辑为互补开通。本发明具有结构简单，开关管较少，能够减小二极管的电压应力，实现二极管的零电流断开，减少变压器的匝比；能够实现原边开关管零电压开通，减少其电压应力；实现功率管的软开关，减小开关损耗和EMI干扰等优点。

Description

一种多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器
技术领域
本发明涉及光伏新能源、燃料电池以及不间断电源等技术领域，特别的涉及一种多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器。
背景技术
目前，能源危机和环境问题越来越多的受到关注。各国政府都争相致力于绿色新能源中。其中光伏新能源因零污染、无噪声、设备安装方便和潜能巨等优点，在全世界范围内广泛使用。以两级式光伏并网发电系统为例，由于受限光伏电池特性的影响，光伏电池不能串联过多，通常的光伏组件模块输出电压为33～50V，功率约为100W～300W。为了将电压提升到常规的直流母线电压(350V～400V)，需要利用高增益直流变换技术。此外高增益直流变换技术不仅应用在新能源光伏领域中，还应用在燃料电池和不间断电源领域中。
最典型的Boost变换器被广泛应用在升压领域中，理论上当占空比接近1时，它的电压增益无穷大，但伴随着开关电压应力大、二极管反向恢复严重、效率低和严重的EMI等问题。因此新的高增益直流变换技术被提出，比如利用耦合电感、开关电容、倍压单元和自举电路等。此类方法在实现高增益的同时，且具有高效率和高功率密度等优点，但是缺乏电气设备安全的考虑，譬如，太阳能光伏板与大地之间易形成的寄生电容，从而为漏电流提供共模通道，因此当其流过关联设施或是被人接触光伏板的导电部分都会造成安全问题。迄今为止在美国的光伏电站仍禁止使用非电气隔离的逆变器(美国标准UL1741-2010)，无变压器隔离的光伏逆变器仅有极少量的公司获取了美国认证。而具有电气隔离的高增益变换器，通常具有变换器结构复杂(开关元件数量较多)，开关管和二极管的电压应力大或是未完全实现所有功率管的软开关。因而，设计开发出一种高增益、具有变压器隔离、开关管电压应力低且电路结构简单的全软开关高增益直流变换器具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单，开关管较少，能够减小二极管的电压应力，实现二极管的零电流断开，减少变压器的匝比；能够实现原边开关管零电压开通，减少其电压应力；实现功率管的软开关，减小开关损耗和EMI干扰的多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器，其特征在于，包括输入电源Vg，第一开关管S1，有源嵌位电路，多绕组变压器T，输出电容Co，输出二极管Do和负载R；所述多绕组变压器T包括一个原边绕组Tp，以及多个副边绕组Tk，k为正整数；所述原边绕组Tp的同名端连接至所述输入电源Vg，所述原边绕组Tp的另一端连接至所述第一开关管S1的漏极；所述输入电源Vg的另一端与所述第一开关管S1的源极相连并接地；
所述有源嵌位电路包括第一电容Cr，第二开关管S2，以及连接在所述输入电源Vg和所述原边绕组Tp的同名端之间的谐振电感Lr；所述第一电容Cr的一端连接在所述输入电源Vg和所述谐振电感Lr之间，另一端与所述第二开关管S2的漏极相连，所述第二开关管S2的源极连接至所述原边绕组Tp和所述第一开关管S1的漏极之间；
还包括连接在所述副边绕组Tk上的准倍压结构，所述准倍压结构包括准倍压电容Ck和准倍压二极管Dk，所述副边绕组Tk的同名端连接至所述准倍压二极管Dk的阳极，所述副边绕组Tk的另一端与所述准倍压二极管Dk的阴极之间连接有所述准倍压电容Ck；各所述准倍压结构上的所述准倍压二极管Dk依次串联后与所述输出电容Co并联；所述输出二极管Do串联在所述输出电容Co和相邻的所述准倍压二极管Dk之间，且所述输出二极管Do的阴极连接至所述所述输出电容Co；所述负载R并联在所述输出电容Co两端；
所述第一开关管S1和所述第二开关管S2的开关逻辑为互补开通。
进一步的，所述谐振电感Lr为所述多绕组变压器T的漏感。
与现有技术相比，本发明具有以下明显优势：1)由于使用了多个串联的准倍压结构，在第二开关管S2导通后，输出电压等于各个准倍压电容上的电压与副边绕组电压的和，在同等的输出电压下，每一个准倍压结构的增加，都会使对应的原副边匝数比减小。从而可以利用较低的变压器匝数比，实现了高电压增益。2)有源嵌位电路使得第一开关管S1和第二开关管S2可以实现零电压导通，此外，谐振电感与准倍压结构中的准倍压电容谐振，使得准倍压结构中的准倍压二极管可以零电流断开，使得所有功率管均实现软开关，提高了变换器的效率，可高频工作；3)原边开关管的导通和断开期间均向副边传递能量，有助于减小变压器体积，提升功率密度；4)降低了功率管上的电压应力，同时抑制了漏感引起的开关管上的电压尖峰；5)基本升压单元的模块化设计，灵活性强；6)较少的开关元件，电路结构简单。
附图说明
图1为新型多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器的原理图。
图2为新型多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器的等效原理图。
图3为第一开关管S1导通，第二开关管S2断开时的等效原理图。
图4为第一开关管S1断开，第二开关管S2导通时的等效原理图。
图5为电压增益与占空比D、匝数比n及准倍压结构的数量k之间的关系。
图6为采用本申请的直流变换器进行仿真的输入输出电压波形和二极管的电流波形。
图7为采用本申请的直流变换器进行仿真的二极管电压波形。
图8为采用本申请的直流变换器进行仿真的开关管电压波形和驱动信号波形。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时：如图1所示，一种多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器，包括输入电源Vg，第一开关管S1，有源嵌位电路，多绕组变压器T，输出电容Co，输出二极管Do和负载R；所述多绕组变压器T包括一个原边绕组Tp，以及k个副边绕组T1～Tk，其中k为正整数，所述原边绕组Tp的匝数为np，所述副边绕组Tk的匝数为nk；所述原边绕组Tp的同名端连接至所述输入电源Vg，所述原边绕组Tp的另一端连接至所述第一开关管S1的漏极；所述输入电源Vg的另一端与所述第一开关管S1的源极相连并接地；
所述有源嵌位电路包括第一电容Cr，第二开关管S2，以及连接在所述输入电源Vg和所述原边绕组Tp的同名端之间的谐振电感Lr；所述第一电容Cr的一端连接在所述输入电源Vg和所述谐振电感Lr之间，另一端与所述第二开关管S2的漏极相连，所述第二开关管S2的源极连接至所述原边绕组Tp和所述第一开关管S1的漏极之间；
还包括连接在所述副边绕组Tk上的准倍压结构，所述准倍压结构包括准倍压电容Ck和准倍压二极管Dk，所述副边绕组Tk的同名端连接至所述准倍压二极管Dk的阳极，所述副边绕组Tk的另一端与所述准倍压二极管Dk的阴极之间连接有所述准倍压电容Ck；各所述准倍压结构上的所述准倍压二极管Dk依次串联后与所述输出电容Co并联；所述输出二极管Do串联在所述输出电容Co和相邻的所述准倍压二极管Dk之间，且所述输出二极管Do的阴极连接至所述所述输出电容Co；所述负载R并联在所述输出电容Co两端；
所述第一开关管S1和所述第二开关管S2的开关逻辑为互补开通。即第一开关管S1导通时，第二开关管S2断开；而第一开关管S1断开时，第二开关管S导通。
所述谐振电感Lr为所述多绕组变压器T的漏感。
如图2～图4所示，多绕组变压器T的副边侧的各个准倍压结构基本是对偶的结构，其副边绕组的匝数和准倍压结构中的准倍压电容的容值均相等。为便于分析，可取单个单元进行分析。
如图2所示，在该状态下，可以理解为谐振电感Lr(即漏感)与准倍压结构中的准倍压电容Ck进行谐振，其准倍压结构中的电压由低电压逐渐上升，直至上升其最大值。取第一个准倍压结构和第一个副边绕组T1进行分析，同时设定此时段，在t1时刻开始，t2时刻结束。由图2可知：
其中Lm为变压器的励磁电感，im为励磁电感上的电流，i1为原边电流，n等于副边绕组T1的匝数n1与原边绕组Tp的匝数np的比值。在该时段，计算化简可得：
其中，km1＝1+(Lr/Lm)，ω1为谐振时的角频率，Z1为谐振时的等效阻抗。
同理，当第一开关管S1断开，第二开关管S2导通时，此时电路状态如图3所示，在此状态，谐振电感Lr再次与准倍压结构中的准倍压电容Ck进行谐振，但其准倍压结构的准倍压电容上的电压由最大值开始下降，直至降低为最小值。同样取第一个准倍压结构进行分析，设定此时段，在t3时刻开始，t4时刻结束，由图3可知：
计算简化得：
根据电感(漏感和励磁电感)上的伏秒平衡可以得到：
同时，因为准倍压电容C1的电压Vc1在t1时刻和t4时刻为最低电压值，在t2和t3时刻为最高电压值，另外由于漏感相比于励磁电感较小，可以取Km1＝1，然后联立以上各式并结合多个准倍压结构的输出电压，可以得到输入输电压关系式：
图5给出了多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器的电压增益与占空比D、匝比n及准倍压结构的数目k之间的关系。
图6～图8为本多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器的仿真波形，其中Vg＝45V，Vo＝380V，D＝0.35，R＝1200Ω，k＝4，n＝1.5，包括输入输出电压波形，开关管S1和S2的驱动电压波形和漏源电压波形，二极管上的电压波形和电流波形。从图6～图8中可以看出，二极管实现了零电流断开(ZCS)，第一开关管S1和第二开关管S2均实现零电压导通(ZVS)，且第一开关管S1和第二开关管S2上的电压应力(65V)和准倍压结构中的二极管的电压应力(95V)都远小于输出电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器，其特征在于，包括输入电源Vg，第一开关管S1，有源嵌位电路，多绕组变压器T，输出电容Co，输出二极管Do和负载R；所述多绕组变压器T包括一个原边绕组Tp，以及多个副边绕组Tk，k为正整数；所述原边绕组Tp的同名端连接至所述输入电源Vg，所述原边绕组Tp的另一端连接至所述第一开关管S1的漏极；所述输入电源Vg的另一端与所述第一开关管S1的源极相连并接地；
所述有源嵌位电路包括第一电容Cr，第二开关管S2，以及连接在所述输入电源Vg和所述原边绕组Tp的同名端之间的谐振电感Lr；所述第一电容Cr的一端连接在所述输入电源Vg和所述谐振电感Lr之间，另一端与所述第二开关管S2的漏极相连，所述第二开关管S2的源极连接至所述原边绕组Tp和所述第一开关管S1的漏极之间；
还包括连接在所述副边绕组Tk上的准倍压结构，所述准倍压结构包括准倍压电容Ck和准倍压二极管Dk，所述副边绕组Tk的同名端连接至所述准倍压二极管Dk的阳极，所述副边绕组Tk的另一端与所述准倍压二极管Dk的阴极之间连接有所述准倍压电容Ck；各所述准倍压结构上的所述准倍压二极管Dk依次串联后与所述输出电容Co并联；所述输出二极管Do串联在所述输出电容Co和相邻的所述准倍压二极管Dk之间，且所述输出二极管Do的阴极连接至所述所述输出电容Co；所述负载R并联在所述输出电容Co两端；
所述第一开关管S1和所述第二开关管S2的开关逻辑为互补开通。
2.如权利要求1所述的多谐振网络单元的隔离型高增益直流变换器，其特征在于，所述谐振电感Lr为所述多绕组变压器T的漏感。
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