CN110581649B - 一种高增益软开关直流变换器及其控制方法 - Google Patents

一种高增益软开关直流变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高增益软开关直流变换器及其控制方法。所述高增益软开关直流变换器包括直流输入电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、耦合电感及负载。通过对四个开关管的控制，本发明的高增益软开关直流变换器具有高电压增益、低输入电流纹波、高变换效率、开关器件电压应力小等优点，而且四个开关管均可以实现零电压软开关，非常适合于非隔离的可再生能源发电系统。

Description

一种高增益软开关直流变换器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种高增益软开关直流变换器及其控制方法。
背景技术
近年来，在能源危机和环境保护压力下，太阳能、燃料电池等清洁能源已经成为重要的新能源。光伏组件的输出电压一般不超过50V，为实现光伏能源的并网，需要将光伏组件的输出电压升压到380～400V的直流母线电压。因此，高增益、高效率DC-DC变换器越来越受到国内外研究学者的关注。
传统的高增益直流变换器通常通过调整耦合电感的变比来实现各种升压功能，但是，单纯依靠调整耦合电感的变比来实现升压存在以下问题：开关器件的电压应力高，耦合电感漏感引起的电压尖峰会增加开关管或二极管的电压应力，降低了可靠性和效率，并导致严重的电磁干扰问题。此外，传统的非隔离型直流变换器通常不能实现所有开关器件的软开关，极大的影响了变换器的效率。
同时，对于光伏、燃料电池等新能源，升压变换器的输入电流纹波不仅会影响发电效率，而且还将影响它们的使用寿命，所以高增益直流变换器还要有尽可能小的输入电流纹波。
因此为了提高光伏电池和燃料电池的使用寿命，并且满足可再生能源的发电需求，研究高增益、低电流纹波、低电压应力、高效率的升压变换器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高增益软开关直流变换器及其控制方法，通过对四个开关管的控制，高增益软开关直流变换器具有高电压增益、低输入电流纹波、高变换效率、开关器件电压应力小等优点，而且四个开关管均可以实现零电压软开关，非常适合于非隔离的可再生能源发电系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高增益软开关直流变换器，包括直流输入电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、含有漏感的耦合电感及负载；直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二电感的一端连接，直流输入电源的负极与第三开关管的一端、第四开关管的一端、第四电容的一端、负载的一端连接，第一电感的另一端与第一开关管的一端、第三开关管的另一端、耦合电感原边的一端连接，第二电感的另一端与第四开关管的另一端、第二开关管的一端、耦合电感原边的另一端连接，第一开关管的另一端与第二开关管的另一端、第三二极管的阳极、第四电容的另一端、第三电容的一端、第二电容的一端连接，第三二极管的阴极与第一电容的一端、耦合电感副边的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第二电容的另一端与第一二极管的阳极、耦合电感副边的另一端连接，第二二极管的阴极与第三电容的另一端相连接至负载的另一端。
在本发明一实施例中，所述第一开关管与第三开关管互补导通，且留有死区，第二开关管与第四开关管互补导通，且留有死区。
在本发明一实施例中，所述第三开关管与第四开关管的工作占空比相等，且两个开关管的驱动信号互有交叠。
在本发明一实施例中，所述第四电容为钳位电容，用于吸收所述的含漏感的耦合电感的漏感能量，其两端电压为
Figure BDA0002208418500000021
其中，VCH2为钳位电容两端电压，D为第三开关管与第四开关管的工作占空比，VL为直流输入电源电压。
在本发明一实施例中，所述高增益软开关直流变换器利用耦合电感变比和开关电容升压网络构成高增益的直流变换器，并将所述第四电容作为输出电压的一部分，进一步提高了直流变换器的电压增益，该变换器的的电压增益为：
Figure BDA0002208418500000022
其中，M为电压增益，Ns为耦合电感副边绕组匝数，NP为耦合电感原边绕组匝数，D为第三开关管与第四开关管的工作占空比。
本发明还提供了一种基于上述所述的一种高增益软开关直流变换器的控制方法，通过控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，使得第三开关管、第四开关管的工作占空比相等，且第三开关管与第四开关管的驱动信号互有交叠，并使得第一开关管与第三开关管互补导通，第二开关管与第四开关管互补导通，实现四个开关管的零电压软开关。
在本发明一实施例中，该方法具体实现如下：
(t0-t1)：t0时刻，第三开关管S1和第四开关管S2导通，第一开关管S1a和第二开关管S2a关断，直流输入电源VL通过S1和S2对第一电感L1和第二电感L2进行线性充电，第三电容CH1和第四电容CH2给负载RH供电；
(t1-t2)：t1时刻，S2关断、S1继续导通，S1a和S2a保持关断，VL通过S1对L1继续线性充电，L2通过耦合电感T1的原边绕组和S1续流，并与S2和S2a的结电容发生谐振，S2漏源电压增加，为零电压关断，S2a漏源电压以正弦规律减小；T1的副边通过第一二极管D1对第一电容C1充电，通过第三二极管D3对第二电容C2充电；
(t2-t3)：t2时刻，S2a漏源电压vDS2a＝0时，S2a体二极管导通，此时开通S2a，则S2a实现了零电压导通，由于S1继续导通，VL通过S1对L1继续线性充电，L2通过S1和T1原边绕组继续续流，CH2通过S2a、T1原边和S1向T1副边释放能量；
(t3-t4)：t3时刻，S2a零电压关断，T1的漏感Lk与S2和S2a的结电容发生谐振，S2漏源电压vDS2以正弦规律减小，S2a漏源电压vDS2a以正弦规律增加；
(t4-t5)：t4时刻，vDS2减小到零，此时开通S2，则S2实现了零电压开通，这个阶段电路工作过程与(t0-t1)阶段相同；
(t5-t6)：t5时刻，S1关断、S2继续导通，S1a和S2a保持关断，VL通过S2对L2继续充电，L1通过T1的原边绕组和S2续流，并与S1和S1a的结电容发生谐振，S1漏源电压增加，为零电压关断，S1a漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与C1和C2串联后通过D2共同向负载RH供电；
(t6-t7)：t6时刻，S1a漏源电压vDS1a＝0时，S1a体二极管导通，此时开通S1a，则S1a实现了零电压导通，S2继续导通，S1和S2a关断，VL通过S2对L2继续线性充电，L1通过S2和T1的原边绕组继续续流，CH2通过S1a、T1原边和S2向T1副边释放能量；
(t7-t8)：t7时刻，S1a零电压关断，T1的漏感Lk与S1和S1a的结电容发生谐振，S1漏源电压vDS1以正弦规律减小，S1a漏源电压vDS1a以正弦规律增加，到t8时刻vDS1减小到零，此时开通S1，则S1实现了零电压开通，t8以后又重复下一个开关周期。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过对四个开关管的控制，高增益软开关直流变换器具有高电压增益、低输入电流纹波、高变换效率、开关器件电压应力小等优点，而且四个开关管均可以实现零电压软开关，非常适合于非隔离的可再生能源发电系统。
附图说明
图1为本发明高增益软开关直流变换器。
图2为本发明高增益软开关直流变换器的主要工作波形。
图3为本发明高增益软开关直流变换器的主要工作过程。
图4为本发明高增益软开关直流变换器的主要仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明提供了一种高增益软开关直流变换器，包括直流输入电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、含有漏感的耦合电感及负载；直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二电感的一端连接，直流输入电源的负极与第三开关管的一端、第四开关管的一端、第四电容的一端、负载的一端连接，第一电感的另一端与第一开关管的一端、第三开关管的另一端、耦合电感原边的一端连接，第二电感的另一端与第四开关管的另一端、第二开关管的一端、耦合电感原边的另一端连接，第一开关管的另一端与第二开关管的另一端、第三二极管的阳极、第四电容的另一端、第三电容的一端、第二电容的一端连接，第三二极管的阴极与第一电容的一端、耦合电感副边的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第二电容的另一端与第一二极管的阳极、耦合电感副边的另一端连接，第二二极管的阴极与第三电容的另一端相连接至负载的另一端。
通过对直流输入电源、两个电感、四个开关管、一个耦合电感、三个二极管以及四个电容等的连接，本发明的高增益软开关直流变换器实现了高电压增益、低输入电流纹波、高变换效率等功能。
开关管S1a、S2a与电容CH2构成的电路，用于吸收耦合电感T1的漏感引起的电压尖峰，并为开关管S1和S2创造零电压的开通条件，降低了开关管S1和S2的电压应力，同时提高了电路的变换效率。
如图2所示，所述第三开关管S1与第四开关管S1的工作占空比相等，且两个开关管的驱动信号互有交叠(占空比大于0.5)。通过控制S1和S2的工作占空比D、结合由耦合电感和电容-二极管组成的升压网络实现了高电压增益。所述第一开关管S1a与第三开关管S1互补导通，且留有死区，第二开关管S2a与第四开关管S2互补导通，且留有死区。通过控制辅助开关管S1a和S2a可以吸收变压器T1的漏感引起的电压尖峰，并可以实现四个开关管的零电压软开关。
所述高增益软开关直流变换器的电压增益利用耦合电感变比和开关电容升压网络构成高增益的直流变换器，并将所述第四电容作为输出电压的一部分，进一步提高了直流变换器的电压增益，该变换器的为：
Figure BDA0002208418500000041
其中，M为电压增益，Ns为耦合电感副边绕组匝数，NP为耦合电感原边绕组匝数，D为第三开关管与第四开关管的工作占空比。
本发明的高增益直流变换器的电压增益为
Figure BDA0002208418500000051
远高于传统升压变换器(Boost变换器)的电压增益M＝1/(1-D)。
本发明还提供了一种基于上述所述的一种高增益软开关直流变换器的控制方法，通过控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，使得第三开关管、第四开关管的工作占空比相等，且第三开关管与第四开关管的驱动信号互有交叠，并使得第一开关管与第三开关管互补导通，第二开关管与第四开关管互补导通，实现四个开关管的零电压软开关。
如图3、4所示，本发明一种高增益软开关直流变换器的具体工作原理如下：
(t0-t1)：t0时刻，第三开关管S1和第四开关管S2导通，第一开关管S1a和第二开关管S2a关断，直流输入电源VL通过S1和S2对第一电感L1和第二电感L2进行线性充电，第三电容CH1和第四电容CH2给负载RH供电；
(t1-t2)：t1时刻，S2关断、S1继续导通，S1a和S2a保持关断，VL通过S1对L1继续线性充电，L2通过耦合电感T1的原边绕组和S1续流，并与S2和S2a的结电容发生谐振，S2漏源电压增加，为零电压关断，S2a漏源电压以正弦规律减小；T1的副边通过第一二极管D1对第一电容C1充电，通过第三二极管D3对第二电容C2充电；
(t2-t3)：t2时刻，S2a漏源电压vDS2a＝0时，S2a体二极管导通，此时开通S2a，则S2a实现了零电压导通，由于S1继续导通，VL通过S1对L1继续线性充电，L2通过S1和T1原边绕组继续续流，CH2通过S2a、T1原边和S1向T1副边释放能量；
(t3-t4)：t3时刻，S2a零电压关断，T1的漏感Lk与S2和S2a的结电容发生谐振，S2漏源电压vDS2以正弦规律减小，S2a漏源电压vDS2a以正弦规律增加；
(t4-t5)：t4时刻，vDS2减小到零，此时开通S2，则S2实现了零电压开通，这个阶段电路工作过程与(t0-t1)阶段相同；
(t5-t6)：t5时刻，S1关断、S2继续导通，S1a和S2a保持关断，VL通过S2对L2继续充电，L1通过T1的原边绕组和S2续流，并与S1和S1a的结电容发生谐振，S1漏源电压增加，为零电压关断，S1a漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与C1和C2串联后通过D2共同向负载RH供电；
(t6-t7)：t6时刻，S1a漏源电压vDS1a＝0时，S1a体二极管导通，此时开通S1a，则S1a实现了零电压导通，S2继续导通，S1和S2a关断，VL通过S2对L2继续线性充电，L1通过S2和T1的原边绕组继续续流，CH2通过S1a、T1原边和S2向T1副边释放能量；
(t7-t8)：t7时刻，S1a零电压关断，T1的漏感Lk与S1和S1a的结电容发生谐振，S1漏源电压vDS1以正弦规律减小，S1a漏源电压vDS1a以正弦规律增加，到t8时刻vDS1减小到零，此时开通S1，则S1实现了零电压开通，t8以后又重复下一个开关周期。
为验证电路的可行性，对所提电路进行了仿真，仿真参数：输入电压VL＝36V，开关频率f＝100kHz，电感L1＝L2＝400uH，匝比Ns/Np＝1，占空比D＝0.7，图4为主要仿真波形，可以看出输出电压为478.3V，电压增益为13.29倍，四个开关管S1、S2、S1a和S2a均实现了零电压软开关。
电压增益推导过程，对电感L1有：
(1)开关管S1导通阶段(t0-t5)：导通时间为DT，电感L1两端电压VL1＝VL；
(2)开关管S1关断阶段(t5-t8)：关断时间为(1-D)T，电感L1两端电压
Figure BDA0002208418500000061
根据电感L1伏秒平衡有：
Figure BDA0002208418500000062
D*VL+(1-D)(VL-VCH2)＝0
可得：
Figure BDA0002208418500000063
则电压增益为：
Figure BDA0002208418500000064
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高增益软开关直流变换器，其特征在于，包括直流输入电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、含有漏感的耦合电感及负载；直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二电感的一端连接，直流输入电源的负极与第三开关管的一端、第四开关管的一端、第四电容的一端、负载的一端连接，第一电感的另一端与第一开关管的一端、第三开关管的另一端、耦合电感原边的一端连接，第二电感的另一端与第四开关管的另一端、第二开关管的一端、耦合电感原边的另一端连接，第一开关管的另一端与第二开关管的另一端、第三二极管的阳极、第四电容的另一端、第三电容的一端、第二电容的一端连接，第三二极管的阴极与第一电容的一端、耦合电感副边的一端连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第二电容的另一端与第一二极管的阳极、耦合电感副边的另一端连接，第二二极管的阴极与第三电容的另一端相连接至负载的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种高增益软开关直流变换器，其特征在于，所述第一开关管与第三开关管互补导通，且留有死区，第二开关管与第四开关管互补导通，且留有死区。
3.根据权利要求1所述的一种高增益软开关直流变换器，其特征在于，所述第三开关管与第四开关管的工作占空比相等，且两个开关管的驱动信号互有交叠。
4.根据权利要求1所述的一种高增益软开关直流变换器，其特征在于，所述第四电容为钳位电容，用于吸收所述的含漏感的耦合电感的漏感能量，其两端电压为
Figure FDA0002815819270000011
其中，VCH2为钳位电容两端电压，D为第三开关管与第四开关管的工作占空比，VL为直流输入电源电压。
5.根据权利要求1所述的一种高增益软开关直流变换器，其特征在于，所述高增益软开关直流变换器利用耦合电感变比和开关电容升压网络构成高增益的直流变换器，并将所述第四电容作为输出电压的一部分，进一步提高了直流变换器的电压增益，该变换器的电压增益为：
Figure FDA0002815819270000012
其中，M为电压增益，Ns为耦合电感副边绕组匝数，NP为耦合电感原边绕组匝数，D为第三开关管与第四开关管的工作占空比。
6.一种基于权利要求1-4任一所述的一种高增益软开关直流变换器的控制方法，其特征在于，通过控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，使得第三开关管、第四开关管的工作占空比相等，且第三开关管与第四开关管的驱动信号互有交叠，并使得第一开关管与第三开关管互补导通，第二开关管与第四开关管互补导通，实现四个开关管的零电压软开关。
7.根据权利要求6所述的一种高增益软开关直流变换器的控制方法，其特征在于，该方法具体实现如下：
t0-t1阶段：t0时刻，第三开关管S1和第四开关管S2导通，第一开关管S1a和第二开关管S2a关断，直流输入电源VL通过S1和S2对第一电感L1和第二电感L2进行线性充电，第三电容CH1和第四电容CH2给负载RH供电；
t1-t2阶段：t1时刻，S2关断、S1继续导通，S1a和S2a保持关断，VL通过S1对L1继续线性充电，L2通过耦合电感T1的原边绕组和S1续流，并与S2和S2a的结电容发生谐振，S2漏源电压增加，为零电压关断，S2a漏源电压以正弦规律减小；T1的副边通过第一二极管D1对第一电容C1充电，通过第三二极管D3对第二电容C2充电；
t2-t3阶段：t2时刻，S2a漏源电压vDS2a＝0时，S2a体二极管导通，此时开通S2a，则S2a实现了零电压导通，由于S1继续导通，VL通过S1对L1继续线性充电，L2通过S1和T1原边绕组继续续流，CH2通过S2a、T1原边和S1向T1副边释放能量；
t3-t4阶段：t3时刻，S2a零电压关断，T1的漏感Lk与S2和S2a的结电容发生谐振，S2漏源电压vDS2以正弦规律减小，S2a漏源电压vDS2a以正弦规律增加；
t4-t5阶段：t4时刻，vDS2减小到零，此时开通S2，则S2实现了零电压开通，这个阶段电路工作过程与t0-t1阶段相同；
t5-t6阶段：t5时刻，S1关断、S2继续导通，S1a和S2a保持关断，VL通过S2对L2继续充电，L1通过T1的原边绕组和S2续流，并与S1和S1a的结电容发生谐振，S1漏源电压增加，为零电压关断，S1a漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与C1和C2串联后通过D2共同向负载RH供电；
t6-t7阶段：t6时刻，S1a漏源电压vDS1a＝0时，S1a体二极管导通，此时开通S1a，则S1a实现了零电压导通，S2继续导通，S1和S2a关断，VL通过S2对L2继续线性充电，L1通过S2和T1的原边绕组继续续流，CH2通过S1a、T1原边和S2向T1副边释放能量；
t7-t8阶段：t7时刻，S1a零电压关断，T1的漏感Lk与S1和S1a的结电容发生谐振，S1漏源电压vDS1以正弦规律减小，S1a漏源电压vDS1a以正弦规律增加，到t8时刻vDS1减小到零，此时开通S1，则S1实现了零电压开通，t8以后又重复下一个开关周期。
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