CN200990558Y - 新型软开关零纹波双向dc/dc非隔离变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型软开关零纹波双向DC/DC非隔离变换器，其主电路拓扑由两个MOSFET开关管(VQ₁、VQ₂)、零纹波耦合电感(L、L_r)、滤波电容(C、C_r)和缓冲电容(C_s)构成，电感(L、L_r)集成在同一磁芯上，耦合系数

。该变换器采用两个电感零纹波集成，不但实现了两个MOSFET管的ZVS软开关，而且使输出滤波电感纹波电流极大减小(理论上可以为零)，同时明显降低了电源电流的纹波。该变换器输出电压纹波小、变换效率高、体积小、电磁兼容性强，可广泛应用于各种非隔离电源及驱动产品中，尤其适合于蓄电池供电且能量双向流动的场合。

Description

新型软开关零纹波双向DC/DC非隔离变换器

一、技术领域

本实用新型涉及一种新型软开关零纹波双向DC/DC非隔离变换器，是一种直流开关电源技术，属于电力电子技术领域。

二、背景技术

目前，能量双向流动的直流/直流(DC/DC)非隔离变换器，被广泛应用于各种电源及驱动产品中，其主电路拓扑如图1所示。当Buck或Boost型电源用于输出电压低、电流大的场合，希望用一个MOSFET管来代替肖特基二板管进行同步整流，则其主电路拓扑统一成图1形式；在蓄电池供电的直流电机驱动中，也往往需要图1形式的主电路拓扑结构。

实现图1电路零电压软开关(ZVS)的一种方法是，减小电感L使其电流反向。但这将使得输出电流、电压纹波增大，若减小电压纹波，则需要很大的输出滤波电容，会大大增加成本和体积。为此，提出了多种解决输出电压纹波的方案，其中文献(陈世杰，顾亦磊，吕征宇，钱照明.适用于Buck电路的一种改进型软开关实现方法[J]、电力电子技术，2004，38(4)：8～10)，作为国家自然科学基金项目(50237030ZD)，提出的主电路拓扑及主要波形如图2所示。它通过附加一个小电感L_r和电容C_r实现ZVS，但其输出电压的纹波仍由LC滤波器决定，滤波电感和电容没有减小；并且输入电流纹波很大(与图1相比没有任何改善)。

本实用新型的目的是，克服上述现有技术的不足，提供一种新型软开关零纹波双向DC/DC非隔离变换器，它利用同一磁芯集成两个零纹波耦合的小电感，不但实现了两个MOSFET管的ZVS软开关，而且输出电流电压纹波极大减小(理论上可以为零)，同时还减小了电感体积以及输入电流纹波。

三、发明内容

根据上述原理，本实用新型是这样实现的：一种新型软开关零纹波双向DC/DC非隔离变换器，其主电路拓扑由两个MOSFET开关管(VQ₁、VQ₂)、零纹波耦合电感(L、L_r)、滤波电容(C、C_r)缓冲电容(C_s)构成，如图3所示。零纹波耦合电感(L、L_r)集成在同一磁芯上，耦合系数 $k\≈\sqrt{L_r/L}.$

该变换器各元器件的连接关系是：开关管VQ₁的漏极连接电源V_s的正极，VQ₁的源极连接开关管VQ₂的漏极，VQ₂的源极连接电源V_s的负极；零纹波耦合电感L和L_r的一对同名端相连，并且连接VQ₁的源极、VQ₂的漏极；L的另一端接滤波电容C的正极，并且作为输出端口的正极，C的负极连接电源V_s的负极，并且作为输出端口的负极[负载即接在极之间]；零纹波耦合电感L_r的另一端接滤波电容C_r的一端，C_r的另一端接电源V_s的正极；缓冲电容C_s的一端接VQ₂的漏板，C_s的另一端接VQ₂的源极(或VQ₁的漏极)。

1、该变换器的零纹波耦合原理

若加在耦合电感L和L_r两端的电压相等，那么纹波电压也满足V_e＝V_re。电感L和L_r的电流纹波等效电路如图4(a)所示，T型去耦等效电路如图4(b)所示。设电感L与L_r的互感为M，L_k、L_rk分别为L与L_r耦合的漏感，折算关系为：L_k＝L-M  L_rk＝L_r-M。则有：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_e=(L_k+M)\·\frac{{\mathrm{di}}_e}{\mathrm{dt}}+M\·\frac{{\mathrm{ei}}_{\mathrm{re}}}{\mathrm{dt}}\\ V_{\mathrm{re}}=M\·\frac{{\mathrm{di}}_e}{\mathrm{dt}}+(L_{\mathrm{rk}}+M)\·\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{re}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{di}}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{V_e}{L_e},& \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{re}}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{re}}}{L_{\mathrm{re}}}\\ L_e=L\·\frac{1-K^2}{1-\mathrm{Kn}},& L_{\mathrm{re}}=L_r\·\frac{1-K^2}{1-K/n}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$K=\frac{M}{\sqrt{L\·L_r}}$ $n=\sqrt{\frac{L}{L_r}}=\frac{N}{N_r}---\left(3\right)$

式中：i_e、i_re--分别为L和L_r的纹波电流；

      L_e、L_re--分别称为L和L_r的纹波电感等效值；

      N、N_r--电感L、L_r的匝数；

      n--电感L与L_r的匝比；

      K--耦合系数。

由式(2)可见，当 $K=1/n=\sqrt{L_r/L}<1$ 时，L_e→∞，L_re＝L_r。结果：流过L的纹波电流为零，流过L_r的纹波电流不变(也就是说纹波电流只从L_r流过)。即 $K\&ap;\sqrt{L_r/L}$ 时，可实现零纹波耦合。一般可取：

$K=(0.9~1.1)\sqrt{L_r/L}---\left(4\right)$

令开关管VQ₁的导通占空比为D＝t_on/T，t_on为VQ₁的导通时间，T为开关周期。假设在一个开关周期内，滤波电容电压V_C、V_Cr保持不变，根据一个开关周期内加在电感L、L_r两端的正负伏秒积相等有：

(V_s-V_cr)·(1-D)＝V_cr·D    (5)

      V_c·(1-D)＝(V_s-V_c)·D

$\left\{\begin{array}{c}{V}_c=V_o=D\&CenterDot;V_s\\ V_{\mathrm{cr}}=(1-D)\&CenterDot;V_s\end{array}\right.---\left(6\right)$

这样当VQ₁导通VQ₂关断时，加在L、L_r两端的电压均为(1-D)V_s，当VQ₁关断VQ₂导通时，加在L、L_r两端的电压均为DV_s。可见，电压关系完全符合零纹波的必要条件，只要再满足耦合关系 $K\&ap;\sqrt{L_r/L},$ 即可实现L电流的零纹波。

2、该变换器的工作过程分析

该变换器在一个开关周期内可分为4个工作模态，其主要电量波形时序如图5所示。图中：

V₈--开关管VQ₁、VQ₂的驱动脉冲；

V_d--桥臂中点d的电压；

i_L、i_Lr--电感L、L_r的电流；

i_L+i_Lr--电感L、L_r的电流之和；

i_p--电感L_r的电流峰值；

i_s--电源V_s的电流；

t_d--死区时间。

设L与L_r耦合实现L零纹波，t₀时刻之前开关管VQ₁导通VQ₂截止，且电路进入稳态。则该变换器的工作原理分析如下。

1)、工作模态1：[t₀，t₁)

t₀时刻，开关管VQ₁关断。电流(i_L+i_Lr)使缓冲电容Cs放电，桥臂中点d的电压V_d近似线性下降，故VQ₁为零电压(ZVS)软关断。之后，(i_L+i_Lr)基本不变，电源电流i_s迅速下降，并反向达到电感L_r电流的峰值-i_p。到t₁时刻该模态结束，持续时间t_0，1≥t_d，t_d为开关管VQ₁、VQ₂切换的死区时间。

2)、工作模态2：[t₁，t₂)

t₁时刻，电压V_d下降到零，电流(i_L+i_Lr)通过VQ₂的体二极管续流。此时可开通VQ₂以实现ZVS软开通。之后，电感L_r电流线性下降并反向，电源电流i_s＝i_Lr线性上升并反向，电感L由于实现零纹波，(理论上)其电流i_L维持不变。直到t₂时刻该模态结束，持续时间(t_1，2＝t_off)由电流(i_L+i_Lr)大小决定，即(i_L+i_Lr)下降到零时驱动信号切换，经延时后关断VQ₂。

3)、工作模态3：[t₂，t₃)

t₂时刻，开关管VQ₂关断。由于驱动信号的延时，电流(i_L+i_Lr)已为负值，该电流给缓冲电容C_s充电，VQ₂实现ZVS软关断。之后，(i_L+i_Lr)基本不变，电压V_d近似线性上升。到t₃时刻该模态结束，持续时间t_2，3≥t_d。

4)、工作模态4：[t₃，t₄)

t₃时刻，电压V_d上升到电源电压V_s，电流(i_L+i_Lr)通过VQ₁的体二极管续流。此时可开通VQ₁以实现ZVS软开通。之后，电容C_r的电压V_Cr加在电感L_r上，电流i_Lr线性上升，电流i_L维持不变，电源电流i_s＝i_L。直到t₄时刻该模态结束，持续时间t_3，4＝t_on＝(1-D)T，它由输出电压V_o反馈控制来调节。

t₄时刻，开关管VQ₁关断，电路进入下一个开关周期。

3、该变换器的ZVS软开关条件

由工作过程分析可知，只要保证VQ₂实现ZVS软开关，则VQ₁一定能实现ZVS。下面分析VQ₂实现ZVS软开关的条件。

设VQ₂关断时，流过VQ₂漏极的电流为：

i_Q＝(i_L+i_Lr)＝(i_p-i_o)＝Δi    (7)

式中：i_o--负载电流，稳态时等于电感电流i_L。

则有：

$C_r\&le;\frac{\mathrm{\&Delta;i}\&CenterDot;t_d}{V_s}---\left(8\right)$

可见，在死区时间t_d一定时，只要保持Δi/V_s不变，则按式(8)选定的C_r可在任意负载功率下实现开关的ZVS切换。从而，该变换器的开关频率f应随输出电压V_o和输出电流i_o的变化而变化。具体公式如下(推倒从略)：

$f=\frac{V_o(V_s-V_o)}{2(i_o+\mathrm{\&Delta;i})V_s{L}_r}---\left(9\right)$

本实用新型与现有技术相比具有如下优越性：

①该变换器采用两个电感零纹波集成，实现了输出滤波电感电流的零纹波，从而大大减小了输出电压的纹波。同时缩小了电感体积。

②该变换器实现了两个开关管的零电压软开关(ZVS)，大大减小了开关损耗，提高了变换效率。

③该变换器明显降低了电源电流的纹波(VQ₁导通期间为恒流，VQ₂导通期间电流反向一次)，减小了输入滤波器体积，提高了电磁兼容性。此电源电流波形尤其适合于蓄电池供电且能量双向流动的场合。

四、附图说明

图1为传统的双向DC/DC非隔离变换器主电路图；

图2为一种改进的软开关双向DC/DC非隔离变换器主电路图；

图3为该新型软开关零纹波双向DC/DC非隔离变换器的主电路图；

图4(a)、(b)分别为两个耦合电感的电流纹波等效电路及T型去耦等效电路图；

图5为该变换器的主要电量波形时序图。

在图1中，Vs--输入电源；VQ₁、VQ₂--开关管；L--滤波电感；C--滤波电容。

在图2中，Vs--输入电源；VQ₁、VQ₂--开关管；L--滤波电感；C--滤波电容；L_r、C_r--辅助谐振电感、电容；C_s--缓冲电容。

在图3中，Vs--输入电源；VQ₁、VQ₂--开关管；L、L_r--零纹波耦合电感；C、C_r--滤波电容；C_s--缓冲电容。

在图5中，V_g--开关管VQ₁、VQ₂的驱动脉冲；V_C、V_Cr--电容C、C_r的电压；V_d--桥臂中点d的电压；i_L、i_Lr--电感L、L_r的电流；i_L+i_Lr--电感L、L_r的电流之和；i_p--电感L_r的电流峰值；i_s--电源V_s的电流；t_d--死区时间。

五、具体实施方式

下面结合附图以最佳实施例详述本实用新型。

如图3所示，该新型软开关零纹波双向DC/DC非隔离变换器，其主电路由两个MOSFET开关管(VQ₁、VQ₂)、零纹波耦合电感(L、L_r)、滤波电容(C、C_r)和缓冲电容(C₈)构成。零纹波耦合电感(L、L_r)集成在同一磁芯上，零纹波耦合系数 $k=\sqrt{L_r/L}.$

该变换器各元器件的连接关系是：开关管VQ₁的漏极连接电源V_s的正极，VQ₁的源极连接开关管VQ₂的漏极，VQ₂的源极连接电源V_s的负极；零纹波耦合电感L和L_r的一对同名端相连，并且连接VQ₁的源极、VQ₂的漏极；L的另一端接滤波电容C的正极，并且作为输出端口的正极，C的负极连接电源V_s的负极，并且作为输出端口的负极；零纹波耦合电感L_r的另一端接滤波电容C_r的一端，C_r的另一端接电源V_s的正极；缓冲电容C_s的一端接VQ₂的漏极，C_s的另一端接VQ₂的源极。[负载即接在极之间]

Claims (1)

1、一种新型软开关零纹波双向DC/DC非隔离变换器，其主电路由两个MOSFET开关管(VQ₁、VQ₂)、零纹波耦合电感(L、L_r)、滤波电容(C、C_r)和缓冲电容(C_s)构成，其特征是：零纹波耦合电感(L、L_r)集成在同一磁芯上，耦合系数 $k=(0.9~1.1)\&CenterDot;\sqrt{L_r/L};$ 各元器件的连接关系为：开关管(VQ₁)的漏极连接电源(V_s)的正极，开关管(VQ₁)的源极连接开关管(VQ₂)的漏极，开关管(VQ₂)的源极连接电源(V_s)的负极；零纹波耦合电感(L、L_r)的一对同名端相连，并且连接开关管(VQ₁)的源极和开关管(VQ₂)的漏极；零纹波耦合电感(L)的另一端接滤波电容(C)的正极，并且作为输出端口的正极，滤波电容(C)的负极连接电源(V_s)的负极，并且作为输出端口的负极；零纹波耦合电感(L_r)的另一端接滤波电容(C_r)的一端，滤波电容(C_r)的另一端接电源(V_s)的正极；缓冲电容(C_s)的一端接开关管(VQ₂)的漏极，缓冲电容(C_s)的另一端接开关管(VQ₂)的源极或开关管(VQ₁)的漏极。

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