CN113783427A - 一种可扩展的非隔离型高升压比谐振dc-dc变换器 - Google Patents

一种可扩展的非隔离型高升压比谐振dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC‑DC变换器，包括一个输入输出串联的BOOST升压单元和m个可拓展单元，m>1，BOOST升压单元包括有输入电源Vin、升压电容Cb、第一开关管Q1、第二开关管Q2、耦合电感原边绕组，任一可拓展单元包括有一个稳压电容、两个二极管、两个谐振电容、两个谐振电感和耦合电感的两个副边绕组，第m‑1个可拓展单元的稳压电容给第m个可拓展单元里由谐振电容和谐振电感组成的谐振腔充电；此谐振腔再给第m个可拓展单元的稳压电容充电；BOOST升压单元的输入输出端和m个可拓展单元的稳压电容依次串联从而实现高升压比并给负载供电。本发明的谐振腔有助于实现二极管的软开关，减少开关损耗，采用简单的PWM斩波控制，可实现调压功能。

Description

一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器
技术领域
如今，随着工业化的发展，工业场合对电压等级的需求越来越高，如今普通的低直流电压源和储能装置，如光伏(PV)电池、燃料电池、蓄电池和超级电容器等，都不足以满足工业场合的用电需求。近年来，基于耦合电感和谐振电容的谐振单元的高升压比零电流开关变换器技术正成为流行的技术，谐振技术的运用可以实现二极管的软开关。文献1(L.He,“A novel quasi-resonant bridge modular switched-capacitor converter withenhanced efficiency andreduced output voltage ripple,”IEEE Trans.PowerElectron.,vol.29,no.4,pp.1881–1893,Apr.2014.)就通过谐振技术实现了高升压零电流开关转换器。但此文献提出的变换器是采取附加的谐振电感来与谐振电容谐振，这会增加变换器的成本。于是采取耦合电感的漏感来代替附加的谐振电感来实现谐振的技术被提出。文献2(Y.Ye,K.W.E.Cheng and S.Chen,"A High Step-up PWM DC-DC Converter WithCoupled-Inductor and Resonant Switched-Capacitor,"in IEEE Transactions onPower Electronics,vol.32,no.10,pp.7739-7749,Oct.2017.)所提出的变换器就是利用耦合电感的漏感来与谐振电容谐振来实现二极管的软开关，同时此变换器的电路拓扑也是可拓展的，但可拓展单元中只包括一个耦合电感的副边绕组和谐振腔，所以获得的电压增益较低。本发明在此文献提出的电路拓扑的基础上，将文献2中提出的可拓展单元的一个谐振腔改为两个谐振腔，同时增加了一个耦合电感的副边绕组串联连接，通过副边绕组的升压作用就能获得相较于文献2中提出的变换器更加高的电压增益。本发明利用谐振技术来实现可拓展单元的谐振。这项技术可以有效的节约成本，减小设备的体积。同时本发明的可拓展性以及可调节的占空比能更好的解决传统升压的不足，获得比传统方式更高的电压增益。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种用作升压可扩展高升压谐振DC-DC变换器，采用两个谐振腔和两个耦合电感副边绕组串联连接，通过副边绕组的升压作用获得了更高的电压增益，并节省了成本，二极管的开关损耗等因素。
为达此目的，本发明提供了一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，包括一个输入输出串联的BOOST升压单元和m个可拓展单元，m>1，
其中，BOOST升压单元的电感为耦合电感的原边绕组；
BOOST升压单元包括有输入电源Vin、升压电容Cb、第一开关管Q1、第二开关管Q2、耦合电感原边绕组，升压电容Cb与输入电源Vin串联连接，Cb的负极与输入电源Vin的正极连接，第一开关管Q1和第二开关管Q2正向串联，Cb的正极与Q1和Q2串联支路的C点连接，输入电源的负极与Q1和Q2串联支路的D点连接，BOOST升压单元的耦合电感原边绕组的同名端连接在升压电容Cb与输入电源串联点A，另一端连接在Q1和Q2串联点B；
任一可拓展单元包括有一个稳压电容Cm、两个二极管Dm1和Dm2、两个谐振电容Crm1和Crm2、两个谐振电感Llkm1和Llkm2、耦合电感的两个副边绕组，当可拓展单元为m个时，两个二极管Dm1与Dm2自下而上正向串联，Dm2的阳极与Dm1的阴极连接，Dm2的阴极连接稳压电容Cm的正极，Dm1的阳极连接稳压电容Cm的负极，谐振电容Crm1和谐振电感Llkm1构成第m个可拓展单元的第一个谐振腔，谐振电容Crm2和谐振电感Llkm2构成第m个可拓展单元的第二个谐振腔，两个谐振腔和两个耦合电感副边绕组串联连接组成一个支路，支路的一端连接在串联二极管Dm1与Dm2的阳极和阴极连接点，另一端连接在第m-1个可拓展单元的两个谐振腔串联支路连接点E；
第m-1个可拓展单元的稳压电容Cm给第m个可拓展单元里由谐振电容Crm1、Crm2和谐振电感Llkm1、Llkm2组成的谐振腔充电；谐振腔再给第m个可拓展单元的稳压电容Cm充电；BOOST升压单元的输入输出端和m个可拓展单元的稳压电容依次串联从而实现高升压比并给负载供电。
作为本发明进一步改进，所述耦合电感的副边绕组匝数和同名端方向一致，第一个可拓展单元耦合电感副边绕组同名端与原边绕组异名端在B点连接，所述第一个谐振腔、第二谐振腔的谐振电容Crm1和Crm2具有一样的容值，谐振电感Llkm1和Llkm2具有一样的感值。
作为本发明进一步改进，第一开关管Q1和第二开关管Q2以互补的方式工作。
作为本发明进一步改进，所述可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器的控制方式为PWM斩波控制。
作为本发明进一步改进，当半个谐振周期小于半个开关周期，则在一个开关周期中有四种工作模式，分别为模态一t0<t<t1、模态二t1<t<t2、模态三t2<t<t3、模态四t3<t<t4。
作为本发明进一步改进，所述模态一开始于第二开关管Q2关闭，第一开关管Q1导通，此时，输入电源Vin直接穿过耦合电感的初级绕组，使励磁电流iLm从其最小值Imin线性上升，二极管D(m-1)1和Dm1的ZCS开通。
作为本发明进一步改进，所述模态二中，当Q1继续导通时，谐振在t1结束，谐振腔的电流降为零，此时，二极管D(m-1)1和Dm1的ZCS关断。
作为本发明进一步改进，所述模态三开始于第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通，此时，输入电源Vin反向穿过耦合电感的初级侧绕组，使得励磁电流iLm从其最大值Imax线性下降，二极管D(m-1)2和Dm2的ZCS开通。
作为本发明进一步改进，所述模态四中，当Q2继续导通时，谐振在t3结束，谐振腔的电流降为零，此时，二极管D(m-1)2和Dm2的ZCS关断。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)通过谐振技术来实现二极管的软开关，同时利用耦合电感的漏感来作为谐振电感，能够有效的节约成本，减小设备的体积；
(2)本发明使用的耦合电感副边绕组的匝数一致，同时可拓展单元的谐振电容和谐振电感的参数相同；
(3)相较于使用一个谐振腔的可拓展单元，本发明的可拓展单元包括了两个谐振腔和两个耦合电感副边绕组串联，通过副边绕组的升压作用能够获得更高的电压增益。
附图说明
图1是可拓展单元数目为2时的电路拓扑图；
图2是电路四个工作状态说明图；
图3是电路处于模态一时的电路拓扑图；
图4是电路处于模态二时的电路拓扑图；
图5是电路处于模态三时的电路拓扑图；
图6是电路处于模态四时的电路拓扑图；
图7是本发明的电路拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明适用于升压变换器领域，由于可拓展单元的一般性，下面以两个可拓展单元为例详细介绍。
一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，包括有两个可拓展单元，两个可拓展单元的电路拓扑如图1所示。
在图1的拓扑中，Vin为输入电源，Q1和Q2为开关管，D11、D12、D21、D22为四个二极管。Cr11、Cr12、Cr21、Cr22为谐振电容(Cr11＝Cr12＝Cr21＝Cr22＝C)，Llk11、Llk12、Llk21、Llk22为耦合电感(Llk11＝Llk12＝Llk21＝Llk22＝L)，Cb、C1、C2为滤波电容，Ro为负载。可拓展单元由一个稳压电容、两个二极管、两个谐振电容、两个谐振电感和耦合电感的两个副边绕组组成。开关Q1和Q2以互补的方式工作。假设半个谐振周期小于半个开关周期，则在一个开关周期中有四种工作模式，波形如图2所示。
模态一[t0<t<t1见图3]此模态开始于Q2关闭，Q1导通。输入电源Vin直接穿过耦合电感的初级绕组，使励磁电流iLm从其最小值Imin线性上升。Llk11-Cr11-Llk12-Cr12谐振支路和Llk21-Cr21-Llk22-Cr22谐振支路的电流从零开始增加。二极管D11和D21为ZCS开通。
模态二[t1<t<t2见图4]在此模态下，由于半谐振周期小于开关周期，因此当Q1继续导通时，谐振在t1结束，谐振单元的电流降为零，因此二极管D11和D21实现ZCS关断。
模态三[t2<t<t3见图5]此模态开始于Q1关闭，Q2导通。输入电源Vin反向穿过耦合电感的初级侧绕组，使得励磁电流iLm从其最大值Imax线性下降。同时，Llk11-Cr11-Llk12-Cr12谐振单元和Llk21-Cr21-Llk22-Cr22谐振单元的电流从零开始反向增加。D12和D22二极管因此为ZCS开通。
模态四[t3<t<t4见图6]在此状态下，由于半谐振周期小于开关周期，因此当Q2继续导通时，谐振在t3结束，谐振单元的电流降为零，因此D12和D22二极管ZCS关断。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)通过谐振技术来实现二极管的软开关，同时利用耦合电感的漏感来作为谐振电感，能够有效的节约成本，减小设备的体积。
(2)本发明使用的耦合电感副边绕组的匝数一致，同时可拓展单元的谐振电容和谐振电感的参数相同。
(3)相较于使用一个谐振腔的可拓展单元，本发明的可拓展单元包括了两个谐振腔和两个耦合电感副边绕组串联，通过副边绕组的升压作用能够获得更高的电压增益。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，包括一个输入输出串联的BOOST升压单元和m个可拓展单元，m>1，
其中，BOOST升压单元的电感为耦合电感的原边绕组；
BOOST升压单元包括有输入电源Vin、升压电容Cb、第一开关管Q1、第二开关管Q2、耦合电感原边绕组，升压电容Cb与输入电源Vin串联连接，Cb的负极与输入电源Vin的正极连接，第一开关管Q1和第二开关管Q2正向串联，Cb的正极与Q1和Q2串联支路的C点连接，输入电源的负极与Q1和Q2串联支路的D点连接，BOOST升压单元的耦合电感原边绕组的同名端连接在升压电容Cb与输入电源串联点A，另一端连接在Q1和Q2串联点B；
任一可拓展单元包括有一个稳压电容Cm、两个二极管Dm1和Dm2、两个谐振电容Crm1和Crm2、两个谐振电感Llkm1和Llkm2、耦合电感的两个副边绕组，当可拓展单元为m个时，两个二极管Dm1与Dm2自下而上正向串联，Dm2的阳极与Dm1的阴极连接，Dm2的阴极连接稳压电容Cm的正极，Dm1的阳极连接稳压电容Cm的负极，谐振电容Crm1和谐振电感Llkm1构成第m个可拓展单元的第一个谐振腔，谐振电容Crm2和谐振电感Llkm2构成第m个可拓展单元的第二个谐振腔，两个谐振腔和两个耦合电感副边绕组串联连接组成一个支路，支路的一端连接在串联二极管Dm1与Dm2的阳极和阴极连接点，另一端连接在第m-1个可拓展单元的两个谐振腔串联支路连接点E；
第m-1个可拓展单元的稳压电容Cm给第m个可拓展单元里由谐振电容Crm1、Crm2和谐振电感Llkm1、Llkm2组成的谐振腔充电；谐振腔再给第m个可拓展单元的稳压电容Cm充电；BOOST升压单元的输入输出端和m个可拓展单元的稳压电容依次串联从而实现高升压比并给负载供电。
2.根据权利要求1所述的一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，所述耦合电感的副边绕组匝数和同名端方向一致，第一个可拓展单元耦合电感副边绕组同名端与原边绕组异名端在B点连接，所述第一个谐振腔、第二谐振腔的谐振电容Crm1和Crm2具有一样的容值，谐振电感Llkm1和Llkm2具有一样的感值。
3.根据权利要求2所述的一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，第一开关管Q1和第二开关管Q2以互补的方式工作。
4.根据权利要求3所述的一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，所述可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器的控制方式为PWM斩波控制。
5.根据权利要求1所述的一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，当半个谐振周期小于半个开关周期，则在一个开关周期中有四种工作模式，分别为模态一t0<t<t1、模态二t1<t<t2、模态三t2<t<t3、模态四t3<t<t4。
6.根据权利要求5所述的一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，所述模态一开始于第二开关管Q2关闭，第一开关管Q1导通，此时，输入电源Vin直接穿过耦合电感的初级绕组，使励磁电流iLm从其最小值Imin线性上升，二极管D(m-1)1和Dm1的ZCS开通。
7.根据权利要求5所述的一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，所述模态二中，当Q1继续导通时，谐振在t1结束，谐振腔的电流降为零，此时，二极管D(m-1)1和Dm1的ZCS关断。
8.根据权利要求5所述的一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，所述模态三开始于第一开关管Q1关闭，第二开关管Q2导通，此时，输入电源Vin反向穿过耦合电感的初级侧绕组，使得励磁电流iLm从其最大值Imax线性下降，二极管D(m-1)2和Dm2的ZCS开通。
9.根据权利要求5所述的一种可扩展的非隔离型高升压比谐振DC-DC变换器，其特征在于，所述模态四中，当Q2继续导通时，谐振在t3结束，谐振腔的电流降为零，此时，二极管D(m-1)2和Dm2的ZCS关断。
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