CN1120563C - 复合型有源钳位直流－直流变换器 - Google Patents
复合型有源钳位直流－直流变换器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器是采用具有主开关管、二极管、辅助开关管、钳位电容及辅助电感组成的基本变换电路去替代降压变换器、升压变换器、升-降压变换器、库克变换器、赛比克变换器、柴特变换器等6种常规的直流-直流变换器中的基本变换电路而构成。本发明结构简单，成本低，能有效抑制二极管的反向恢复电流，变换器的主开关和辅助开关均为零电压开关工作，工作效率较高。并且变换器的开关管关断后所承受的电压应力比常规有源钳位变换器中的小；变换器的二极管关断后其两端电压被钳位，没有电压振荡和超调，对器件要求明显降低，变换器钳位电容的电压应力也比常规有源钳位变换器中的小。
Description
技术领域
本发明涉及直流-直流变换器。
背景技术
图1所示的由一个开关管M1和一个整流二极管D2连接，并在接点有引出而具有标号为1、2、3的三个连接端的电路，是图2中的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的降压变换器(buck)、升压变换器(boost)、升-降压变换器(buckboost)、库克变换器(Cuk)、赛比克变换器(SEPIC)、柴特变换器(Zeta)等6种常规的直流-直流变换器中的基本变换电路，图2各图中的Vin为变换器的输入电压端口，Vo为变换器的输出电压端口，L及L′为变换器中的电感，C为变换器中的电容。由这种基本变换电路构成的直流-直流变换器的不足之处在于，变换器为硬开关工作，在电流连续模式工作中变换器中二极管反向恢复所引起的相关损耗很高，开关管的电流应力大。近年来，为了提高直流-直流变换器的效率，不少软开关技术相继被运用。一些变换器采用零电压转换技术，在没有增加器件电压应力的情况下抑制了二极管的反向恢复电流，并实现了主开关的零电压开关工作，但是，往往变换器中的辅助开关器件没有工作在软开关状态；通常的有源钳位技术虽然可以同时实现主开关和辅助开关的软开关工作，但是主开关和辅助开关的电压应力增加不少，并且电压应力随着控制占空比以及负载的增大而增大，另外变换器中二极管关断后其两端的寄生电容和辅助电感谐振产生较严重的电压振荡，电压应力大。
发明内容
本发明的目的是提供一类能抑制变换器中二极管的反向恢复电流，保证所有功率开关器件均实现软开关工作的复合型有源钳位直流-直流变换器。
为达上述目的，本发明采取的措施是用主开关管M1、二极管D2、辅助开关管M3、钳位电容Cc和辅助电感L1构成的基本变换电路去替代常规直流-直流变换器中如图1所示的由开关管和二极管构成的基本变换电路。其中辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与辅助电感L1并联后的一端与主开关管M1相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端及主开关管M1的另一端，二极管的另一端分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与主开关管M1与二极管D2的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感L1，并联端中的另一端及辅助电感L1的另一端和主开关管M1与二极管的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
具体技术解决方案有：
方案1，本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的降压变换器(buck)，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管M1、二极管D2、辅助开关管M3、钳位电容Cc及辅助电感L1，其中辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与辅助电感L1并联后的一端与主开关管M1相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端及主开关管M1的另一端，二极管的另一端分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与主开关管M1与二极管D2的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感L1，并联端中的另一端及辅助电感L1的另一端和主开关管M1与二极管D2的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
方案2，本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的升压变换器(boost)，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管M1、二极管D2、辅助开关管M3、钳位电容Cc及辅助电感L1，其中辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与辅助电感L1并联后的一端与主开关管M1相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端及主开关管M1的另一端，二极管的另一端分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与主开关管M1与二极管D2的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感L1，并联端中的另一端及辅助电感L1的另一端和主开关管M1与二极管D2的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
方案3，本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的升-降压变换器(buckboost)，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管M1、二极管D2、辅助开关管M3、钳位电容Cc及辅助电感L1，其中辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与辅助电感L1并联后的一端与主开关管M1相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端及主开关管M1的另一端，二极管的另一端分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与主开关管M1与二极管D2的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感L1，并联端中的另一端及辅助电感L1的另一端和主开关管M1与二极管D2的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
方案4，本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的库克变换器(Cuk)，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管M1、二极管D2、辅助开关管M3、钳位电容Cc及辅助电感L1，其中辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与辅助电感L1并联后的一端与主开关管M1相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端及主开关管M1的另一端，二极管的另一端分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与主开关管M1与二极管D2的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感L1，并联端中的另一端及辅助电感L1的另一端和主开关管M1与二极管D2的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
方案5，本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的赛比克变换器(SEPIC)，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管M1、二极管D2、辅助开关管M3、钳位电容Cc及辅助电感L1，其中辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与辅助电感L1并联后的一端与主开关管M1相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端及主开关管M1的另一端，二极管的另一端分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与主开关管M1与二极管D2的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感L1，并联端中的另一端及辅助电感L1的另一端和主开关管M1与二极管D2的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
方案6，本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的柴特变换器(Zeta)，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管M1、二极管D2、辅助开关管M3、钳位电容Cc及辅助电感L1，其中辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与辅助电感L1并联后的一端与主开关管M1相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端及主开关管M1的另一端，二极管的另一端分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与主开关管M1与二极管D2的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感L1，并联端中的另一端及辅助电感L1的另一端和主开关管M1与二极管D2的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
上述的主开关管和辅助开关管可以是功率双极型晶体管，也可以是绝缘门极晶体管或其它可控的开关器件。
本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器中辅助电感L1的加入使得二极管D2为软关断，反向恢复电流被有效控制。主开关管M1和辅助开关管M3进行开关切换过程中，由于辅助电感L1的存在，在辅助开关管M3关断后，电感L1中的电流将给主开关管M1两端并接的等效电容放电，之后主开关管M1将在零电压情况下被开通。任一开关管(M1或M3)被关断后，其两端电压均被钳位在一固定电压上，不会出现高的电压应力和振荡。又由于在二极管D2关断期间，主开关管M1和辅助开关管M3均为导通状态，因此D2的关断电压也是被钳位的，电压应力低。
附图说明
图1是已有直流-直流变换器中的基本变换电路；
图2是含图1基本变换电路的常规直流-直流变换器，
其中，图a)为降压直流-直流变换器；
图b)为升压直流-直流变换器；
图c)为升-降压直流-直流变换器；
图d)为库克直流-直流变换器；
图e)为赛比克直流-直流变换器；
图f)为柴特变换器直流-直流变换器；
图3是本发明的基本变换电路实例之一；
图4是本发明的基本变换电路实例之二；
图5是本发明的基本变换电路实例之三；
图6是本发明的基本变换电路实例之四；
图7是具有图3基本变换电路的复合型有源钳位直流-直流变换器；
图8是具有图4基本变换电路的复合型有源钳位直流-直流变换器；
图9是具有图5基本变换电路的复合型有源钳位直流-直流变换器；
图10是具有图6基本变换电路的复合型有源钳位直流-直流变换器。
具体实施方式
图3、图4所示的基本变换电路包括主开关管M1、二极管D2、辅助开关管M3、钳位电容Cc及辅助电感L1，其中辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与辅助电感L1并联后的一端与主开关管M1相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端3及主开关管M1的另一端1，二极管的另一端2分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
图5、图6所示的基本变换电路为辅助开关M3与钳位电容Cc的串联电路与主开关管M1与二极管D2的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感L1，并联端中的另一端及辅助电感L1的另一端和主开关管M1与二极管的接点3分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
将图2的6种常规直流-直流变换器中的如图1所示基本变换电路，按照对应连接端的连接关系替代成为图3所示的基本变换电路，就可得到如图7的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本发明的6种复合型有源钳位直流-直流变换器。
将图2的6种常规直流-直流变换器中的如图1所示基本变换电路，按照对应连接端的连接关系替代成为图4所示的基本变换电路，就可得到如图8的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本发明的6种复合型有源钳位直流-直流变换器。
将图2的6种常规直流-直流变换器中的如图1所示基本变换电路，按照对应连接端的连接关系替代成为图5所示的基本变换电路，就可得到如图9的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本发明的6种复合型有源钳位直流-直流变换器。
将图2的6种常规直流-直流变换器中的如图1所示基本变换电路，按照对应连接端的连接关系替代成为图6所示的基本变换电路，就可得到如图10的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本发明的6种复合型有源钳位直流-直流变换器。
本发明的复合型有源钳位直流-直流变换器工作时，主开关管M1同相应的常规直流-直流变换器中的开关管的控制方式相同。辅助开关管M3的开关频率和主开关管M1的开关频率相同，它在M1与D2共通阶段结束且其两端电压自然下降到零后被驱动开通，并在主开关管M1驱动开通之前被关断。
Claims (6)
1.复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的降压变换器，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管(M1)、二极管(D2)、辅助开关管(M3)、钳位电容(Cc)及辅助电感(L1)，其中辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与辅助电感(L1)并联后的一端与主开关管(M1)相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端(3)及主开关管(M1)的另一端(1)，二极管的另一端(2)分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与主开关管(M1)与二极管(D2)的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感(L1)，并联端中的另一端及辅助电感(L1)的另一端和主开关管(M1)与二极管(D2)的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
2.复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的升压变换器，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管(M1)、二极管(D2)、辅助开关管(M3)、钳位电容(Cc)及辅助电感(L1)，其中辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与辅助电感(L1)并联后的一端与主开关管(M1)相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端(3)及主开关管(M1)的另一端(1)，二极管的另一端(2)分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与主开关管(M1)与二极管(D2)的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感(L1)，并联端中的另一端及辅助电感(L1)的另一端和主开关管(M1)与二极管(D2)的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
3.复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的升-降压变换器，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管(M1)、二极管(D2)、辅助开关管(M3)、钳位电容(Cc)及辅助电感(L1)，其中辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与辅助电感(L1)并联后的一端与主开关管(M1)相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端(3)及主开关管(M1)的另一端(1)，二极管的另一端(2)分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与主开关管(M1)与二极管(D2)的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感(L1)，并联端中的另一端及辅助电感(L1)的另一端和主开关管(M1)与二极管(D2)的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
4.复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的库克变换器，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管(M1)、二极管(D2)、辅助开关管(M3)、钳位电容(Cc)及辅助电感(L1)，其中辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与辅助电感(L1)并联后的一端与主开关管(M1)相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端(3)及主开关管(M1)的另一端(1)，二极管的另一端(2)分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与主开关管(M1)与二极管(D2)的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感(L1)，并联端中的另一端及辅助电感(L1)的另一端和主开关管(M1)与二极管(D2)的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
5.复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的赛比克变换器，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管(M1)、二极管(D2)、辅助开关管(M3)、钳位电容(Cc)及辅助电感(L1)，其中辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与辅助电感(L1)并联后的一端与主开关管(M1)相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端(3)及主开关管(M1)的另一端(1)，二极管的另一端(2)分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与主开关管(M1)与二极管(D2)的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感(L1)，并联端中的另一端及辅助电感(L1)的另一端和主开关管(M1)与二极管(D2)的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
6.复合型有源钳位直流-直流变换器，是具有三个连接端基本变换电路的柴特变换器，其特征是所说的基本变换电路包括主开关管(M1)、二极管(D2)、辅助开关管(M3)、钳位电容(Cc)及辅助电感(L1)，其中辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与辅助电感(L1)并联后的一端与主开关管(M1)相连，另一端与二极管相连，两并联端中的任一端(3)及主开关管(M1)的另一端(1)，二极管的另一端(2)分别为基本变换电路在变换器中的连接端，或者辅助开关(M3)与钳位电容(Cc)的串联电路与主开关管(M1)与二极管(D2)的串联电路并联，两并联端中的任一端接辅助电感(L1)，并联端中的另一端及辅助电感(L1)的另一端和主开关管(M1)与二极管(D2)的接点分别为基本变换电路在变换器中的连接端。
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