CN111900877B - 一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器 - Google Patents

一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器。本发明通过基于耦合电感的倍压结构，实现了较高电压增益，并降低了所有开关管和二极管的电压应力。本发明在保证电源输入电流较低纹波的同时，可使电流正负交替通过耦合电感，防止耦合电感出现偏磁电流饱和问题，保证了变换器整体结构稳定安全。本发明加入有源钳位软开关结构，使所有开关管实现软开关，降低系统损耗，提升系统效率。

Description

一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器。
背景技术
随着清洁能源的快速发展，光伏发电系统和燃料电池发电系统逐渐成为电力电子领域的研究重点。由于单位光伏或燃料电池发电系统输出的直流电压普遍较低，无法满足正常生产生活电压等级需求，因此发电设备后端一般要增设一个升压电路来抬高输出电压等级。现在体术的升压电路有：传统Boost升压电路，虽然因结构简单而受到广泛应用，但升压比偏低、电路损耗大并且效率不高；级联型Boost电路，虽提高了电压增益，但该结构控制难度较大并且转换效率偏低；交错并联Boost变换器，虽降减小了输入电流纹波，但电压增益并没提升，同时开关应力较大。
发明内容
本发明的目的在于提供提高拓扑的升压增益，同时还具有低输入电流纹波、器件低电压应力和开关管实现软开关等优点的一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括输入电源Vin，滤波单元、升压单元和负载单元R；所述的滤波单元包括滤波电感L1和滤波电容C1；所述的升压单元包括耦合电感第一线圈L2、辅助电感L3、耦合电感第二线圈L4、主开关管Q1、辅助开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、寄生电容Cs；
所述的输入电源Vin、滤波电感L1、耦合电感第一线圈L2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第五电容C5、耦合电感第二线圈L4依次连接，串联成闭合回路；所述的滤波电感L1一侧与输入电源Vin的正极连接，另一侧与耦合电感第一线圈L2的同名端连接；所述的耦合电感第一线圈L2的异名端与第三二极管D3的阳极连接，第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极连接，第四二极管D4的阴极与第五二极管D5的阳极连接，第五二极管D5的阴极与第五电容C5的正极连接，第五电容C5的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端连接，耦合电感第二线圈L4的异名端与输入电源Vin的负极连接；
所述的滤波电容C1的正极连接在滤波电感L1与耦合电感第一线圈L2之间，滤波电容C1的负极分别与输入电源Vin的负极和主开关管Q1的源极连接；所述的主开关管Q1的漏极与耦合电感第一线圈L2的异名端连接；所述的第一二极管D1并联在主开关管Q1的两端，第一二极管D1的阴极与主开关管Q1的漏极连接，第一二极管D1的阳极与主开关管Q1的源极连接；所述的寄生电容Cs并联在第一二极管D1的两端，寄生电容Cs的正极与第一二极管D1的阴极连接，寄生电容Cs的负极与第一二极管D1的阳极连接；所述的辅助开关管Q2的源极连接在耦合电感第一线圈L2的异名端与主开关管Q1的漏极之间，辅助开关管Q2的漏极与第二电容C2的正极连接；所述的第二二极管D2并联在辅助开关管Q2的两端，第二二极管D2的阳极与辅助开关管Q2的源极连接，第二二极管D2的阴极与辅助开关管Q2的漏极连接；所述的第二电容C2的负极与耦合电感第二线圈L4的异名端连接；所述的第四电容C4的正极连接在第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极之间，第四电容C4的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端连接；所述的辅助电感L3一侧连接在第二电容C2的负极与耦合电感第二线圈L4的异名端之间，另一侧连接在第四电容C4的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端之间；所述的负载单元R并联在电容C5两端。
本发明还可以包括：
所述的第二电容C2的容值大于寄生电容Cs的容值。
所述的主开关管Q1为IGBT。
所述的辅助开关管Q2为IGBT。
本发明的有益效果在于：
本发明通过基于耦合电感的倍压结构，实现了较高电压增益，并降低了所有开关管和二极管的电压应力。本发明在保证电源输入电流较低纹波的同时，可使电流正负交替通过耦合电感，防止耦合电感出现偏磁电流饱和问题，保证了变换器整体结构稳定安全。本发明加入有源钳位软开关结构，使所有开关管实现软开关，降低系统损耗，提升系统效率。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑示意图。
图2为本发明的电路拓扑等效示意图。
图3为本发明的直流变换器工作时的关键波形。
图4为本发明的直流变换器模态1的工作原理结构示意图。
图5为本发明的直流变换器模态2的工作原理结构示意图。
图6为本发明的直流变换器模态3的工作原理结构示意图。
图7为本发明的直流变换器模态4的工作原理结构示意图。
图8为本发明的直流变换器模态5的工作原理结构示意图。
图9为本发明的直流变换器模态6的工作原理结构示意图。
图10为本发明的直流变换器模态7的工作原理结构示意图。
图11为本发明的直流变换器模态8的工作原理结构示意图。
图12为本发明的直流变换器模态9的工作原理结构示意图。
图13为本发明的直流变换器输出电压Vo图。
图14为本发明的直流变换器输入电流iL1图。
图15为本发明的直流变换器开关管Q1、Q2实现软开关仿真图。
图16为本发明的直流变换器漏感电流ik及辅助电感电流iL3图。
图17为本发明的直流变换器耦合电感一次侧L2两端电压VL2图。
图18为本发明的直流变换器二极管D3、D4、D5两端电压图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器。首先，本发明通过基于耦合电感的倍压结构，实现了较高电压增益，并降低了所有开关管和二极管的电压应力。同时，本发明所述的变换器结构在保证电源输入电流较低纹波的同时，可使电流正负交替通过耦合电感，防止耦合电感出现偏磁电流饱和问题，保证了变换器整体结构稳定安全。最后，本发明加入有源钳位软开关结构，使所有开关管实现软开关，降低系统损耗，提升系统效率。
本发明设计了如图1所示的一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器。该变换器引入耦合电感和升压电容电路两种升压结构，极大的提高了拓扑的升压增益，同时还具有低输入电流纹波、器件低电压应力和开关管实现软开关等优点。具体方案如下：
一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器，包括输入电源Vin，滤波单元、升压单元和负载单元R；所述的滤波单元包括滤波电感L1和滤波电容C1；所述的升压单元包括耦合电感第一线圈L2、辅助电感L3、耦合电感第二线圈L4、主开关管Q1、辅助开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、寄生电容Cs；
所述的输入电源Vin、滤波电感L1、耦合电感第一线圈L2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第五电容C5、耦合电感第二线圈L4依次连接，串联成闭合回路；所述的滤波电感L1一侧与输入电源Vin的正极连接，另一侧与耦合电感第一线圈L2的同名端连接；所述的耦合电感第一线圈L2的异名端与第三二极管D3的阳极连接，第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极连接，第四二极管D4的阴极与第五二极管D5的阳极连接，第五二极管D5的阴极与第五电容C5的正极连接，第五电容C5的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端连接，耦合电感第二线圈L4的异名端与输入电源Vin的负极连接；
所述的滤波电容C1的正极连接在滤波电感L1与耦合电感第一线圈L2之间，滤波电容C1的负极分别与输入电源Vin的负极和主开关管Q1的源极连接；所述的主开关管Q1的漏极与耦合电感第一线圈L2的异名端连接；所述的第一二极管D1并联在主开关管Q1的两端，第一二极管D1的阴极与主开关管Q1的漏极连接，第一二极管D1的阳极与主开关管Q1的源极连接；所述的寄生电容Cs并联在第一二极管D1的两端，寄生电容Cs的正极与第一二极管D1的阴极连接，寄生电容Cs的负极与第一二极管D1的阳极连接；所述的辅助开关管Q2的源极连接在耦合电感第一线圈L2的异名端与主开关管Q1的漏极之间，辅助开关管Q2的漏极与第二电容C2的正极连接；所述的第二二极管D2并联在辅助开关管Q2的两端，第二二极管D2的阳极与辅助开关管Q2的源极连接，第二二极管D2的阴极与辅助开关管Q2的漏极连接；所述的第二电容C2的负极与耦合电感第二线圈L4的异名端连接；所述的第四电容C4的正极连接在第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极之间，第四电容C4的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端连接；所述的辅助电感L3一侧连接在第二电容C2的负极与耦合电感第二线圈L4的异名端之间，另一侧连接在第四电容C4的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端之间；所述的负载单元R并联在电容C5两端。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明拥有滤波模块，可有效减小输入电源的电流纹波。
2、本发明同时引入耦合电感和升压电容电路两种升压电路，其电压增益高于大多数现有高增益变换器。
3、本发明可通过调节耦合电感匝数比n的大小，可灵活自有地选择输入电压与输出电压的升压比。
4、本发明引入辅助电感L3，目的是防止耦合电感在能量交换过程中储存过多能量，从而导致耦合电感偏磁，电流饱和现象，提高整体系统稳定性。
5、本发明引入有源钳位软开关单元，使所有开关管实现软开关，降低导通损耗，提高系统效率。
6、本发明结构简单，易于实现，各开关器件承受电压应力均小于输出电压，降低损耗，提高系统效率。
如图1所示本发明的电路拓扑示意图，一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器，包括输入电源Vin，滤波单元、升压单元和负载单元。
所述的输入电源Vin并联与滤波单元输入端；所述的滤波单元是滤波电感L1与输入电源Vin串联后，滤波电容C1正极接滤波电感L1另一侧，电容负极接输入电源Vin负极。
所述的升压单元，耦合电感第一线圈L2同名端和滤波电容C1正极相连，异名端分别连接主开关管Q1漏极、二极管D1阴极、寄生电容Cs正极、辅助开关管Q2源极、二极管D2阳极、二极管D3阳极和电容C3负极。电容C2正极接开关管Q2漏极和二极管D2阴极，电容C2负极分别接辅助电感L3的一侧、耦合电感第二线圈L4异名端、开关管Q1源极、二极管D1阳极和寄生电容Cs负极，辅助电感L3另一侧分别与耦合电感第二线圈L4同名端和电容C4负极相连，电容C4正极与二极管D3阴极和二极管D4阳极相连，二极管D4阴极接电容C3正极和二极管D5阳极，二极管D5阴极接电容C5正极，电容C5负极与耦合电感第二线圈L4同名端相连。
所述的负载单元R并联在电容C5两端。
所述的耦合电感第一线圈L2和耦合电感第二线圈L4的匝数比为n＝n1/n2，其中n1、n2分别为耦合电感第一线圈L2和第二线圈L4的匝数。
所述的主开关管Q1和辅助开关管Q2为IGBT。
所述的二极管D1和二极管D2分别是开关管Q1、Q2的体二极管或额外并联的二极管。
所述的寄生电容Cs是开关管Q1自身自有的寄生电容，电容C2的容值应大于寄生电容Cs的容值。
如图2所示的是为本发明的电路拓扑等效示意图，其将耦合电感等效为电路模型，其中Lk是耦合电感的漏感，Lm是耦合电感的励磁电感，L2和L4分别相当于理想变压器的一次侧和二次侧。
如图3所示的是本发明工作时的关键波形，其中Vg是开关管Q1、Q2的驱动信号；iL1是电源Vin的输入电流；ik是流过耦合电感漏感的电流；iL3是流过辅助电感L3的电流；VL2是耦合电感一次侧电压波形；VC4、VC3分别是电容C4和电容C3的电压波形；VD3、VD4、VD5分别是二极管D3、D4、D5的电压波形。
如图4所示，模态1[t0～t1]:主开关Q1在t0时刻导通，钳位开关管Q2关断，二极管除D4导通外，其余全部关断，由于开关管Q1导通，此时耦合电感L2端电压是左正右负，故输入电源Vin经电感L1和电容C1滤波后对励磁电感Lm及辅助电感L3充电，励磁电流im、漏感电流ik及辅助电感电流iL3线性上升，同时输入电源Vin经滤波后和电容C4串联向电容C3充电，电容C5对负载放电；
如图5所示，模态2[t1～t2]:电容C3在t1时刻充满，此时滤波后输入电源和电容C4不再向C3充电，励磁电流im、漏感电流ik及辅助电感电流iL3继续线性上升，电容C5继续对负载放电。
如图6所示，模态3[t2～t3]:主开关Q1在t2时刻零电压关断，滤波后输入电源Vin对开关管Q1寄生电容Cs充电，Cs电压VCs逐渐上升，其余器件工作状态不变。
如图7所示，模态4[t3～t4]:寄生电容Cs电压在t3时刻上升至电容C2电压VC2，耦合电感L2端电压变为左负右正，二极管D2正向导通，漏感Lk，励磁电感Lm、电容C3、辅助电感L3串联对电容C2、C4、C5及负载R放电。此时漏感Lk，励磁电感Lm、辅助电感L3与C2发生谐振，励磁电流im、漏感电流ik及辅助电感电流iL3开始逐渐下降。
如图8所示，模态5[t4～t5]:钳位开关Q2在t4时刻导通，由于开关管Q2两端电压被二极管D2钳位，故Q2为零电压导通，此时漏感Lk，励磁电感Lm、电容C3、辅助电感L3继续串联对电容C2、C4、C5及负载R放电，励磁电流im、漏感电流ik及辅助电感电流iL3继续下降。
如图9所示，模态6[t5～t6]:在t5时刻，励磁电流im、漏感电流ik及辅助电感电流iL3下降至零，电容C2开始反向对漏感Lk，励磁电感Lm、辅助电感L3及电容C4、电容C1进行充电，并与电容C3一起对电容C5和负载R放电。
如图10所示，模态7[t6～t7]:钳位开关管Q2在t6时刻零电压关断，寄生电容Cs代替电容C4对漏感Lk，励磁电感Lm、辅助电感L3及电容C4、电容C1进行充电，并与电容C3一起对电容C5和负载R放电。
如图11所示，模态8[t7～t8]:寄生电容电压在t7时刻迅速放电至零，二极管D1正向导通，励磁电流im、漏感电流ik及辅助电感电流iL3开始线性上升，其余器件状态不变。
如图12所示，模态9[t8～t9]:主开关管Q1在t8时刻导通，由于存在二极管D1钳位，故为零电压导通，励磁电流im、漏感电流ik及辅助电感电流iL3开始线性上升，其余器件状态不变，直至励磁电流im、漏感电流ik及辅助电感电流iL3由逐步上升至由负变正，开始模态1，进行下一工况循环。
为简化分析，只考虑模态1、模态2和模态5模态6，其他模态持续时间很短予以忽略。并为简化分析过程，作如下假设：
(1)不考虑元器件中寄生参数对电路的影响；
(2)所有功率器件，湖绿导通压降和导通损耗，均视为器件；
(3)近似认为电路中的电容电压在一个开关周期内保持恒定。
根据基尔霍夫电压定律(KVL)，在模态1、模态2时，有
Figure BDA0002559651910000061
在模态5、模态6时，有
Figure BDA0002559651910000062
其中，Vin是电路输入电压，Vo是电路输出电压，VL2和VL4分别是耦合电感一次侧和二次侧电压，n为耦合电感匝数比，VC3和VC4分别是电容C3和电容C4两端的电压。
在一个开关周期中，结合式(1)和式(2)，根据电感伏秒平衡原理，可得
Figure BDA0002559651910000071
联立式(3)，该变换器增益为：
Figure BDA0002559651910000072
其中，D为开关管Q1占空比，TS是每个周期的持续时间。
同理，根据基尔霍夫定律(KVL)，二极管D3、D4电压应力为电容C3两端的电压，二极管D5两端电压为电容C5和C4两端电压之差，由式(3)得
Figure BDA0002559651910000073
同理，根据基尔霍夫定律(KVL)，在模态1、模态2时，耦合电感一次侧电压L2电压VL2是：
VL2＝Vin (6)
在模态5、模态6时，耦合电感一次侧电压L2电压VL2是：
Figure BDA0002559651910000074
针对输入电压Vin＝50V，开关管占空比0.5，耦合电感匝数比n＝1，负载200Ω，开关管开关频率20kHz的条件下进行仿真实验。
如图13所示为输出电压Vo，根据公式(4)，计算输出电压应为350V，考虑仿真模型存在寄生参数影响，实际仿真结果为347V，符合计算结果。
如图14为电源Vin输入电流iL1，可以看出输入电流近似无纹波，符合理论分析。
如图15所示分别为主开关管Q1和辅助开关管Q2的漏源极和栅源极两端电压，从图中可以看出两个开关管均实现软开关，同时两管承受电压小于输出电压
如图16所示为漏感电流ik及辅助电感电流iL3，均符合理论分析。
如图17所示为耦合电感一次侧L2两端电压，可以看出电压呈正负方波，且电压等级小于输出电压Vo，正负方波可一定程度防止耦合电感出现偏磁，同时较低的电压等级也便于减小耦合电感体积和设计成本。
如图18所示为二极管D3、D4、D5两端电压，由图可知满足上述理论计算，二极管两端承受电压均小于输出电压，提高了二极管使用寿命的同时，也减小了二极管的选型难度和成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器，其特征在于：包括输入电源Vin，滤波单元、升压单元和负载单元R；所述的滤波单元包括滤波电感L1和滤波电容C1；所述的升压单元包括耦合电感第一线圈L2、辅助电感L3、耦合电感第二线圈L4、主开关管Q1、辅助开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、寄生电容Cs；
所述的输入电源Vin、滤波电感L1、耦合电感第一线圈L2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第五电容C5、耦合电感第二线圈L4依次连接，串联成闭合回路；所述的滤波电感L1一侧与输入电源Vin的正极连接，另一侧与耦合电感第一线圈L2的同名端连接；所述的耦合电感第一线圈L2的异名端与第三二极管D3的阳极连接，第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极连接，第四二极管D4的阴极与第五二极管D5的阳极连接，第五二极管D5的阴极与第五电容C5的正极连接，第五电容C5的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端连接，耦合电感第二线圈L4的异名端与输入电源Vin的负极连接；
所述的滤波电容C1的正极连接在滤波电感L1与耦合电感第一线圈L2之间，滤波电容C1的负极分别与输入电源Vin的负极和主开关管Q1的源极连接；所述的主开关管Q1的漏极与耦合电感第一线圈L2的异名端连接；所述的第一二极管D1并联在主开关管Q1的两端，第一二极管D1的阴极与主开关管Q1的漏极连接，第一二极管D1的阳极与主开关管Q1的源极连接；所述的寄生电容Cs并联在第一二极管D1的两端，寄生电容Cs的正极与第一二极管D1的阴极连接，寄生电容Cs的负极与第一二极管D1的阳极连接；所述的辅助开关管Q2的源极连接在耦合电感第一线圈L2的异名端与主开关管Q1的漏极之间，辅助开关管Q2的漏极与第二电容C2的正极连接；所述的第二二极管D2并联在辅助开关管Q2的两端，第二二极管D2的阳极与辅助开关管Q2的源极连接，第二二极管D2的阴极与辅助开关管Q2的漏极连接；所述的第二电容C2的负极与耦合电感第二线圈L4的异名端连接；所述的第四电容C4的正极连接在第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阳极之间，第四电容C4的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端连接；所述的辅助电感L3一侧连接在第二电容C2的负极与耦合电感第二线圈L4的异名端之间，另一侧连接在第四电容C4的负极与耦合电感第二线圈L4的同名端之间；所述的负载单元R并联在电容C5两端。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器，其特征在于：所述的第二电容C2的容值大于寄生电容Cs的容值。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器，其特征在于：所述的主开关管Q1为IGBT。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器，其特征在于：所述的辅助开关管Q2为IGBT。
5.根据权利要求3所述的一种基于耦合电感和升压电容的软开关高增益直流变换器，其特征在于：所述的辅助开关管Q2为IGBT。
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