CN110572030A - 基于耦合电感的软开关直流变换器 - Google Patents

基于耦合电感的软开关直流变换器 Download PDF

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钱伟
张琪
马腾飞
陈方圆
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Abstract

本发明提供一种基于耦合电感的软开关直流变换器，包括主电路和谐振缓冲子电路；电感L1的一端用于接电源DCin正极，另一端接电容Cr一端、电感L2a和L2b的异名端、二极管D1的阴极、电容Cr1一端和二极管Dm阳极；电感L2b的同名端接二极管D2阳极，二极管D2阴极接电容Cr另一端和二极管D3阳极；二极管D3阴极接二极管Dm阴极、电容C1一端和负载R一端；电感L2a的同名端接开关S1的一端和二极管D1阳极、二极管Ds的阴极；开关S1的另一端接二极管Ds的阳极、电容Cr1另一端、电容C1另一端和负载R另一端，以及用于接电源DCin负极；开关S1的控制端接控制信号。本发明显著减少开关的通断损耗和电流电压冲击。

Description

基于耦合电感的软开关直流变换器
技术领域
本发明涉及适用于开关电源的直流变换器电路，尤其是一种基于耦合电感的软开关直流变换器。
背景技术
目前，由PWM(脉宽调制)方式调控的Boost变换器广泛的应用于航空航天，汽车船舶等各个工业领域。随着这类变换器轻量化而不断提升其开关频率，效率逐渐下降。在开关变换瞬间，电磁噪音也越明显。软开关技术可以很好的解决上述两大问题。近些年所提出的软开关结构一定程度的解决了上述矛盾，效果并不理想。一部分变换器引入辅助开关实现软开通或软关断，但存在诸如不能完全实现软开关，电压电流应力大，拓扑结构和控制逻辑复杂等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于耦合电感的软开关直流变换器，主电路可以完成ZCS(Zero Current Switching)开通和ZVS(Zero Voltage Switching)关断，显著减少开关的通断损耗和电流电压冲击。本发明采用的技术方案是：
一种基于耦合电感的软开关直流变换器，包括主电路和谐振缓冲子电路；
主电路包括电感L1、开关S1、二极管Ds、Dm、电容C1；
谐振缓冲子电路包括相耦合的电感L2a、L2b，以及电容Cr、Cr1、二极管D1、D2、D3；
电感L1的一端用于接电源DCin正极，另一端接电容Cr一端、电感L2a和L2b的异名端、二极管D1的阴极、电容Cr1一端和二极管Dm阳极；电感L2b的同名端接二极管D2阳极，二极管D2阴极接电容Cr另一端和二极管D3阳极；二极管D3阴极接二极管Dm阴极、电容C1一端和负载R一端；
电感L2a的同名端接开关S1的一端和二极管D1阳极、二极管Ds的阴极；
开关S1的另一端接二极管Ds的阳极、电容Cr1另一端、电容C1另一端和负载R另一端，以及用于接电源DCin负极；开关S1的控制端接控制信号。
进一步地，开关S1采用NMOS管，NMOS管的栅极作为S1的控制端，漏极作为S1的一端，源极作为S1的另一端。
本发明的优点：
①结构简单，易实现轻量化。
②不需要有源辅助器件，负载适应能力强，可靠性高。
③该变换器的半导体器件都实现了软开关动作，可有效减少电路损耗。
④同时该变换器可以将多余的谐振能量补偿负载，从而提高效率。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑图。
图2为本发明的每一模态的等效电路图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的一种基于耦合电感的软开关直流变换器，是一种软开关boost变换器，包括主电路和谐振缓冲子电路；
主电路包括电感L1、开关S1、二极管Ds、Dm、电容C1；
谐振缓冲子电路包括相耦合的电感L2a、L2b，以及电容Cr、Cr1、二极管D1、D2、D3；用以实现boost变换器工作在软开关状态下；
电感L1的一端用于接电源DCin正极，另一端接电容Cr一端、电感L2a和L2b的异名端、二极管D1的阴极、电容Cr1一端和二极管Dm阳极；电感L2b的同名端接二极管D2阳极，二极管D2阴极接电容Cr另一端和二极管D3阳极；二极管D3阴极接二极管Dm阴极、电容C1一端和负载R一端；
电感L2a的同名端接开关S1的一端和二极管D1阳极、二极管Ds的阴极；
开关S1的另一端接二极管Ds的阳极、电容Cr1另一端、电容C1另一端和负载R另一端，以及用于接电源DCin负极；开关S1的控制端接控制信号。
开关S1可采用NMOS管，NMOS管的栅极作为S1的控制端，漏极作为S1的一端，源极作为S1的另一端。
选择适当的电参数和相适应的工作频率，该boost变换器就能以图2所示的7个模态为周期，实现软开关过程。
该boost变换器的拓扑结构在工作时，图2所示，在开关S1的一个通断周期内，存在7个工作模态。
下面以图2所示，说明各个模态的工作状态，图2中浅色的器件处于导通状态；
模态1(t0 ≤ t < t1 ):A
在模态1到来之前，开关S1处于关断状态，二极管Dm导通向负载供能。t0时刻进入模态1，此刻开关S1被给予开通信号而导通，耦合电感L2b向Cr充电， L2a对Cr1放电。由于L2a的谐振作用，与L2a串联的S1中的电流无法越变，从而实现零电流开启（ZCS）。
模态2 (t1 ≤ t < t2 ):B
在模态2中，Cr和Cr1分别被充放电完毕，由于此时二极管Dm已经关断，L2a的漏感电流将快速衰减。
模态3 (t2 ≤ t < t3 ):C
该模态是Boost电路开关开启状态的常规模态，即谐振缓冲子电路不参与工作。在这一模态中，电源通过开关S1，和主电感L1构成回路，负载R由稳压电容C1单独保持电压并供电。
模态4 (t3 ≤ t < t4 ):D
当开关S1关闭时，L2a中的漏感电流将通过D1释放,该释放回路使得Cr1等效并联于S1两端。另一方面，电源和L1对电容Cr1充电。Cr1的存在，确保该电容两端电压无法越变，因此S1关断时电压被Cr1钳位，实现近似ZVS。当在本模态末，Cr1被充电至输出电压，Dm则实现软导通（ZVS）。
模态5(t4 ≤ t < t5 ):E
在上一模态中由于S1关断，L2a中产生的磁能无法在该支路以电流方式释放，而通过耦合作用传递到L2b中，并在L2b中通过电流方式释放，能量一部分直接流入负载，L2a中的漏感电流（并未参与电感耦合而形成的电流）通过D1快速衰减。
模态6(t5 ≤ t < t6 ):F
L2b中的剩余的小部分能量将会继续流向负载，直至衰减为零。
模态7(t6 ≤ t < t7 ):G
该模态是传统boost电路的另一常规模态，同样谐振缓冲子电路并未参与工作。此时，开关管S1处于关闭状态，电源和电感L1通过Dm共同为负载与稳压电容供电，由于电感L1的感应电压，负载与稳压电容获得高于电源的电压而完成升压（boost）。当下一个开通信号到来时，下一个便周期开始。
上述电路拓扑结构和可行性已经由仿真软件PSpice和matlab验证，仿真结果与理论分析吻合。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于耦合电感的软开关直流变换器，其特征在于，包括主电路和谐振缓冲子电路；
主电路包括电感L1、开关S1、二极管Ds、Dm、电容C1；
谐振缓冲子电路包括相耦合的电感L2a、L2b，以及电容Cr、Cr1、二极管D1、D2、D3；
电感L1的一端用于接电源DCin正极，另一端接电容Cr一端、电感L2a和L2b的异名端、二极管D1的阴极、电容Cr1一端和二极管Dm阳极；电感L2b的同名端接二极管D2阳极，二极管D2阴极接电容Cr另一端和二极管D3阳极；二极管D3阴极接二极管Dm阴极、电容C1一端和负载R一端；
电感L2a的同名端接开关S1的一端和二极管D1阳极、二极管Ds的阴极；
开关S1的另一端接二极管Ds的阳极、电容Cr1另一端、电容C1另一端和负载R另一端，以及用于接电源DCin负极；开关S1的控制端接控制信号。
2.如权利要求1所述的基于耦合电感的软开关直流变换器，其特征在于，
开关S1采用NMOS管，NMOS管的栅极作为S1的控制端，漏极作为S1的一端，源极作为S1的另一端。
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