CN110912416A - 一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器及其控制方法 - Google Patents

一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器及其控制方法。所述隔离型低电流纹波高增益直流变换器包括直流输入电源、隔离变压器、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、第四二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容和负载。本发明的高增益直流变换器将交错并联Boost变换器、变压器变比升压和LCD升压网络与钳位电路相结合，具有电气隔离、高升压比、输入电流纹波小、开关器件电压应力小和变换效率高等优点，非常适合于高升压比直流电压变换应用场合。

Description

一种隔离型低电流纹波高增益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，具体涉及一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器及其控制方法。
背景技术
在可再生能源发电系统中，由于许多可再生能源发出的电能都是电压较低的直流电，而并网发电系统需要电压较高的直流母线，因此需在可再生能源输出端与直流母线之间插入一个高增益的直流-直流变换器，把低电压直流电转换为适合并网的高电压直流电。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。
传统的隔离型直流变换器通过调整变压器的变比来实现各种升压功能，但是，单纯依靠采用高匝数比的变压器获取高增益存在以下问题：开关器件的电压应力高，变压器漏感引起的电压尖峰和振荡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，而且高匝数比的变压器寄生效应明显、设计困难等。因此单纯采用高匝数比变压器或耦合电感获取高增益具有很大的局限性。基于L-C-D结构的高增益直流变换器，充分利用泵升电容和L-C-D结构在提升增益方面的优势，同时，利用开关电容的分压作用减小了开关器件电压应力，降低了电路损耗，具有拓扑结构简单，低成本等优点。
此外，对于光伏、燃料电池等新能源，DC-DC变换器的输入电流纹波不仅影响其发电效率，还影响光伏电池板和燃料电池等的使用寿命，所以高增益直流变换器还应具有输入电流纹波小的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器及其控制方法，将交错并联Boost变换器、变压器变比升压、LCD升压网络与钳位电路相结合，具有电气隔离、高升压比、输入电流纹波小、开关器件电压应力小和变换效率高等优点，非常适合于高升压比直流电压变换应用场合。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器，包括直流输入电源、含漏感的隔离变压器、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、第四二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容和负载；直流输入电源的正极与第七电容的一端、第二电感的一端、第一电感的一端连接，直流输入电源的负极与第二开关管的一端、第一开关管的一端连接，第一电感的另一端与隔离变压器原边的一端第一开关管的另一端、第三开关管的一端连接，第二电感的另一端与隔离变压器原边的另一端、第二开关管的另一端、第四开关管的一端连接，第七电容的另一端与第四开关管的另一端、第三开关管的另一端连接，隔离变压器副边的一端与第一二极管的阳极、第一电容的一端、第三二极管的阴极、第三电容的一端连接，隔离变压器副边的另一端与第二电容的一端、第四电容的一端、第五电容的一端、第六电容的一端连接，第一电容的另一端与第三电感的一端、第二二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第三电感的另一端、第二电容的另一端连接，第三二极管的阳极与第四电容的另一端、第四电感的一端连接，第三电容的另一端与第四电感的另一端、第四二极管的阴极连接，第二二极管的阴极与第五电容的另一端相连接至负载的一端，第四二极管的阳极与第六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二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，所述第七电容为钳位电容，用于吸收所述的含漏感的隔离变压器的漏感能量，其两端电压为
Figure BDA0002331002350000021
其中，Vca为钳位电容两端电压，D为第一开关管与第二开关管的工作占空比，Vin为直流输入电源电压。
在本发明一实施例中，所述隔离型低电流纹波高增益直流变换器将交错并联BOOST变换器、变压器变比升压以及LCD升压网络结合在一起构成高增益的直流变换器，其电压增益为
Figure BDA0002331002350000022
其中，M为电压增益，Ns为隔离变压器副边绕组匝数，NP为隔离变压器原边绕组匝数，D为第一开关管与第二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隔离型低电流纹波高增益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，使得第一开关管、第二开关管的工作占空比相等，且第一开关管、第二开关管驱动信号互有交叠，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，第一开关管S1、第四开关管S4导通，第三二极管D3、第四二极管D4导通，直流输入电源Vin通过S1对第一电感L1线性充电，第二电感L2通过隔离变压器T1的原边绕组和S1继续续流，第七电容Ca通过S4、T1的原边绕组和S1向T1的副边释放能量；T1的副边绕组与第三电容C3串联后通过第四二极管D4给第六电容CH2充电，CH2两端电压为T1副边电压的两倍，第三电感L3线性充电，第四电感L4线性放电；
(t1-t2)：t1时刻，S4零电压关断，T1的漏感Lk与第二开关管S2和S4的结电容发生谐振，S2的漏源电压vDS2以正弦规律减小，S4的漏源电压vDS4以正弦规律增加；
(t2-t3)：t2时刻，vDS2减小到零，此时开通S2，则S2实现了零电压开通，S1继续导通，T1的漏感Lk继续向T1的副边释放能量，直至放完为止，此时D3、D4截止，第五电容CH1和CH2给负载供电；
(t3-t4)：t3时刻，S1关断、第一二极管D1、第二二极管D2导通，S2继续导通，Vin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和第三开关管S3的结电容发生谐振，S1的漏源电压增加，为零电压关断，S3的漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与第一电容C1串联后通过D2给CH1充电，CH1两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性放电，L4线性充电；
(t4-t5)：t4时刻，S3的漏源电压vDS3＝0，S3体二极管导通，此时开通S3，则S3实现了零电压导通，S2继续导通，Vin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，Ca通过S3、T1的原边和S2向T1的副边释放能量；T1的副边绕组与C1串联后通过D2给CH1充电，CH1两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性放电，L4线性充电；
(t5-t6)：t5时刻，S3零电压关断，T1的漏感Lk与S1和S3的结电容发生谐振，S1漏源电压vDS1以正弦规律减小，S3漏源电压vDS3以正弦规律增加，到t6时刻vDS1减小到零，此时开通S1，则S1实现了零电压开通；
(t6-t7)：t6时刻，S1、S2导通，S3和S4关断，Vin通过S1和S2对L1和L2进行线性充电，T1的漏感Lk继续通过S1和S2向T1的副边释放能量，直至放完为止，此时D1、D2截止，CH1和CH2给负载供电；
(t7-t8)：t7时刻，S2关断、S1继续导通，S3和S4保持关断，Vin通过S1对L1继续线性充电，L2通过T1的原边绕组、S1续流，并与S2和S4的结电容发生谐振，S2漏源电压增加，为零电压关断，S4漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与C3串联后通过D4给CH2充电，CH2两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性充电，L4线性放电；到t8时刻S4漏源电压vDS4＝0时，S4体二极管导通，此时开通S4，则S4实现了零电压导通，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：本发明提供了一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器及其控制方法，将交错并联Boost变换器、变压器变比升压、LCD升压网络与钳位电路相结合，具有电气隔离、高升压比、输入电流纹波小、开关器件电压应力小和变换效率高等优点，非常适合于高升压比直流电压变换应用场合。
附图说明
图1为本发明的隔离型低电流纹波高增益直流变换器。
图2为本发明的低电流纹波高增益直流变换器主要工作波形。
图3为本发明的高增益直流变换器各阶段工作等效电路图。
图4为本发明的高增益直流变换器主要仿真波形图。
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，本发明提供了一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器，包括直流输入电源、含漏感的隔离变压器、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、第四二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容和负载；直流输入电源的正极与第七电容的一端、第二电感的一端、第一电感的一端连接，直流输入电源的负极与第二开关管的一端、第一开关管的一端连接，第一电感的另一端与隔离变压器原边的一端第一开关管的另一端、第三开关管的一端连接，第二电感的另一端与隔离变压器原边的另一端、第二开关管的另一端、第四开关管的一端连接，第七电容的另一端与第四开关管的另一端、第三开关管的另一端连接，隔离变压器副边的一端与第一二极管的阳极、第一电容的一端、第三二极管的阴极、第三电容的一端连接，隔离变压器副边的另一端与第二电容的一端、第四电容的一端、第五电容的一端、第六电容的一端连接，第一电容的另一端与第三电感的一端、第二二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第三电感的另一端、第二电容的另一端连接，第三二极管的阳极与第四电容的另一端、第四电感的一端连接，第三电容的另一端与第四电感的另一端、第四二极管的阴极连接，第二二极管的阴极与第五电容的另一端相连接至负载的一端，第四二极管的阳极与第六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、负载、四个开关管、四个二极管、四个电感和七个电容等的连接，本发明的高增益低纹波直流变换器将交错并联Boost变换器与变压器变比升压、LCD升压网络等相结合，实现了高增益、高转换效率、低输入电流纹波和电气隔离等功能。
如图2所示，所述第一开关管与第二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。开关管S1、S2交错工作，通过控制开关管S1和S2的工作占空比D、结合LCD组成的无源升压网络实现了高电压增益。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。通过控制辅助开关管S3、S4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，降低了开关管的电压应力，同时提高了电路的变换效率。
所述第七电容为钳位电容，用于吸收所述的含漏感的隔离变压器的漏感能量，其两端电压为
Figure BDA0002331002350000051
其中，Vca为钳位电容两端电压，D为第一开关管与第二开关管的工作占空比，Vin为直流输入电源电压。
所述隔离型低电流纹波高增益直流变换器将交错并联BOOST变换器、变压器变比升压以及LCD升压网络结合在一起构成高增益的直流变换器，其电压增益为
Figure BDA0002331002350000052
其中，M为电压增益，Ns为隔离变压器副边绕组匝数，NP为隔离变压器原边绕组匝数，D为第一开关管与第二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隔离型低电流纹波高增益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，使得第一开关管、第二开关管的工作占空比相等，且第一开关管、第二开关管驱动信号互有交叠，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、图4所示，本发明一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器的具体工作原理如下：
(t0-t1)：t0时刻，第一开关管S1、第四开关管S4导通，第三二极管D3、第四二极管D4导通，直流输入电源Vin通过S1对第一电感L1线性充电，第二电感L2通过隔离变压器T1的原边绕组和S1继续续流，第七电容Ca通过S4、T1的原边绕组和S1向T1的副边释放能量；T1的副边绕组与第三电容C3串联后通过第四二极管D4给第六电容CH2充电，CH2两端电压为T1副边电压的两倍，第三电感L3线性充电，第四电感L4线性放电；
(t1-t2)：t1时刻，S4零电压关断，T1的漏感Lk与第二开关管S2和S4的结电容发生谐振，S2的漏源电压vDS2以正弦规律减小，S4的漏源电压vDS4以正弦规律增加；
(t2-t3)：t2时刻，vDS2减小到零，此时开通S2，则S2实现了零电压开通，S1继续导通，T1的漏感Lk继续向T1的副边释放能量，直至放完为止，此时D3、D4截止，第五电容CH1和CH2给负载供电；
(t3-t4)：t3时刻，S1关断、第一二极管D1、第二二极管D2导通，S2继续导通，Vin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和第三开关管S3的结电容发生谐振，S1的漏源电压增加，为零电压关断，S3的漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与第一电容C1串联后通过D2给CH1充电，CH1两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性放电，L4线性充电；
(t4-t5)：t4时刻，S3的漏源电压vDS3＝0，S3体二极管导通，此时开通S3，则S3实现了零电压导通，S2继续导通，Vin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，Ca通过S3、T1的原边和S2向T1的副边释放能量；T1的副边绕组与C1串联后通过D2给CH1充电，CH1两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性放电，L4线性充电；
(t5-t6)：t5时刻，S3零电压关断，T1的漏感Lk与S1和S3的结电容发生谐振，S1漏源电压vDS1以正弦规律减小，S3漏源电压vDS3以正弦规律增加，到t6时刻vDS1减小到零，此时开通S1，则S1实现了零电压开通；
(t6-t7)：t6时刻，S1、S2导通，S3和S4关断，Vin通过S1和S2对L1和L2进行线性充电，T1的漏感Lk继续通过S1和S2向T1的副边释放能量，直至放完为止，此时D1、D2截止，CH1和CH2给负载供电；
(t7-t8)：t7时刻，S2关断、S1继续导通，S3和S4保持关断，Vin通过S1对L1继续线性充电，L2通过T1的原边绕组、S1续流，并与S2和S4的结电容发生谐振，S2漏源电压增加，为零电压关断，S4漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与C3串联后通过D4给CH2充电，CH2两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性充电，L4线性放电；到t8时刻S4漏源电压vDS4＝0时，S4体二极管导通，此时开通S4，则S4实现了零电压导通，t8以后又重复下一个开关周期。
电压增益推导：
对于电感L1：t0-t1：(D-0.5)T，VL1＝Vin；
t1-t2：(1-D)T，VL1＝Vin-Np*VH/4*Ns；
t2-t3：(D-0.5)T，VL1＝Vin；
t3-t4：(1-D)T，VL1＝Vin
根据伏秒平衡有：
Figure BDA0002331002350000071
则电压增益：
Figure BDA0002331002350000072
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Vin＝24V，开关频率f＝100kHz，电感L1＝L2＝400uH，匝比Ns/Np＝2，占空比D＝0.6，图4为主要仿真波形，可以看出四个开关管S1、S2、S3和S4均实现了零电压软开关，两路输入电感电流在相位上互相错开，总输入电流纹波大大减小。
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)

1.一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，包括直流输入电源、含漏感的隔离变压器、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、第四二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容和负载；直流输入电源的正极与第七电容的一端、第二电感的一端、第一电感的一端连接，直流输入电源的负极与第二开关管的一端、第一开关管的一端连接，第一电感的另一端与隔离变压器原边的一端、第一开关管的另一端、第三开关管的一端连接，第二电感的另一端与隔离变压器原边的另一端、第二开关管的另一端、第四开关管的一端连接，第七电容的另一端与第四开关管的另一端、第三开关管的另一端连接，隔离变压器副边的一端与第一二极管的阳极、第一电容的一端、第三二极管的阴极、第三电容的一端连接，隔离变压器副边的另一端与第二电容的一端、第四电容的一端、第五电容的一端、第六电容的一端连接，第一电容的另一端与第三电感的一端、第二二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第三电感的另一端、第二电容的另一端连接，第三二极管的阳极与第四电容的另一端、第四电感的一端连接，第三电容的另一端与第四电感的另一端、第四二极管的阴极连接，第二二极管的阴极与第五电容的另一端相连接至负载的一端，第四二极管的阳极与第六电容的另一端相连接至负载的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，所述第一开关管与第二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。
3.根据权利要求1所述的一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器，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。
4.根据权利要求1所述的一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，所述第七电容为钳位电容，用于吸收所述的含漏感的隔离变压器的漏感能量，其两端电压为
Figure FDA0002331002340000011
其中，Vca为钳位电容两端电压，D为第一开关管与第二开关管的工作占空比，Vin为直流输入电源电压。
5.根据权利要求1所述的一种隔离型低电流纹波高增益直流变换器，其特征在于，所述隔离型低电流纹波高增益直流变换器将交错并联BOOST变换器、变压器变比升压以及LCD升压网络结合在一起构成高增益的直流变换器，其电压增益为
Figure FDA0002331002340000021
其中，M为电压增益，Ns为隔离变压器副边绕组匝数，NP为隔离变压器原边绕组匝数，D为第一开关管与第二开关管的工作占空比。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的一种隔离型低电流纹波高增益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，使得第一开关管、第二开关管的工作占空比相等，且第一开关管、第二开关管驱动信号互有交叠，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所述的一种隔离型低电流纹波高增益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)：t0时刻，第一开关管S1、第四开关管S4导通，第三二极管D3、第四二极管D4导通，直流输入电源Vin通过S1对第一电感L1线性充电，第二电感L2通过隔离变压器T1的原边绕组和S1继续续流，第七电容Ca通过S4、T1的原边绕组和S1向T1的副边释放能量；T1的副边绕组与第三电容C3串联后通过第四二极管D4给第六电容CH2充电，CH2两端电压为T1副边电压的两倍，第三电感L3线性充电，第四电感L4线性放电；
(t1-t2)：t1时刻，S4零电压关断，T1的漏感Lk与第二开关管S2和S4的结电容发生谐振，S2的漏源电压vDS2以正弦规律减小，S4的漏源电压vDS4以正弦规律增加；
(t2-t3)：t2时刻，vDS2减小到零，此时开通S2，则S2实现了零电压开通，S1继续导通，T1的漏感Lk继续向T1的副边释放能量，直至放完为止，此时D3、D4截止，第五电容CH1和CH2给负载供电；
(t3-t4)：t3时刻，S1关断、第一二极管D1、第二二极管D2导通，S2继续导通，Vin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和第三开关管S3的结电容发生谐振，S1的漏源电压增加，为零电压关断，S3的漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与第一电容C1串联后通过D2给CH1充电，CH1两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性放电，L4线性充电；
(t4-t5)：t4时刻，S3的漏源电压vDS3＝0，S3体二极管导通，此时开通S3，则S3实现了零电压导通，S2继续导通，Vin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，Ca通过S3、T1的原边和S2向T1的副边释放能量；T1的副边绕组与C1串联后通过D2给CH1充电，CH1两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性放电，L4线性充电；
(t5-t6)：t5时刻，S3零电压关断，T1的漏感Lk与S1和S3的结电容发生谐振，S1漏源电压vDS1以正弦规律减小，S3漏源电压vDS3以正弦规律增加，到t6时刻vDS1减小到零，此时开通S1，则S1实现了零电压开通；
(t6-t7)：t6时刻，S1、S2导通，S3和S4关断，Vin通过S1和S2对L1和L2进行线性充电，T1的漏感Lk继续通过S1和S2向T1的副边释放能量，直至放完为止，此时D1、D2截止，CH1和CH2给负载供电；
(t7-t8)：t7时刻，S2关断、S1继续导通，S3和S4保持关断，Vin通过S1对L1继续线性充电，L2通过T1的原边绕组、S1续流，并与S2和S4的结电容发生谐振，S2漏源电压增加，为零电压关断，S4漏源电压以正弦规律减小，T1的副边绕组与C3串联后通过D4给CH2充电，CH2两端电压为T1副边电压的两倍，L3线性充电，L4线性放电；到t8时刻S4漏源电压vDS4＝0时，S4体二极管导通，此时开通S4，则S4实现了零电压导通，t8以后又重复下一个开关周期。
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