CN201608539U - 无源无损箝位单相高增益变换器 - Google Patents

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李武华
赵一
梅烨
吕晓东
何湘宁
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无源无损箝位单相高增益变换器，包括一耦合电感，所述耦合电感第一绕组的第一端与电源的正极相连，所述第一绕组的第二端与功率开关管的漏极及箝位二极管的阳极相连，所述箝位二极管的阴极与箝位电容的第一端相连，所述功率开关管的源极和电源的负极相连；所述耦合电感第二绕组的一端与续流二极管的阳极及箝位二极管的阴极相连，所述第二绕组的第二端与倍压电容的第一端相连，所述倍压电容的第二端与续流二极管的阴极相连，所述耦合电感第二绕组第一端和耦合电感第一绕组第一端为耦合电感的同名端；所述输出二极管的阳极与续流二极管的阴极相连，所述输出二极管的阴极与输出电容的第一端相连，所述输出电容的第二端与电源的负极相连。

Description

无源无损箝位单相高增益变换器
技术领域
本实用新型涉及一种直流-直流变换器。
背景技术
在太阳能发电系统中，由于单块太阳能电池的输出电压较低，而逆变并网发电所需的电压较高，因此需要一级直流-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。在分布式太阳能发电方案中，单块太阳能电池的功率容量较小，但对效率的要求较高。
常规的单相单管升压型(Boost)直流-直流变换器的电压增益仅由占空比决定，电压增益有限，难以满足高增益的变换要求。功率开关管的电压应力较大，难以采用低压高性能的开关管来降低导通损耗。而且，变换器工作在硬开关状态，开关损耗较大。为了实现Boost变换器的软开关动作，近年来，相继研究了一些通过附加有源功率开关或无源器件的软开关方案，这些电路虽然实现了软开关动作，但是不能降低开关管的电压应力，也不能实现系统的高增益变换。为了提升变换器的电压增益，一种方案是采用开关电容的方案，但这种方案所需开关管数量较多，增加了系统成本；另外的方案是采用复杂的三绕组耦合电感方案，这种方案的缺点是耦合电感结构复杂，不利于工业加工，难以保证电路的一致性。
发明内容
本实用新型要解决常规单相单管升压型直流-直流变换器的功率开关管的电压应力较大、不能实现高增益变换的问题，提供了一种能降低功率开关管的电压应力、实现高增益变换的无源无损箝位单相高增益变换器。
本实用新型的技术方案：
无源无损箝位单相高增益变换器，其特征在于：包括依次串接的单相Boost升压电路单元、倍压电路单元和输出电路单元，所述单相Boost升压电路单元包括一耦合电感第一绕组，所述耦合电感第一绕组的第一端与电源的正极相连，所述第一绕组的第二端与功率开关管的漏极及箝位二极管的阳极相连，所述箝位二极管的阴极与箝位电容的第一端相连，所述功率开关管的源极和电源的负极相连；
所述倍压电路单元包括耦合电感第二绕组，所述耦合电感第二绕组的一端与续流二极管的阳极及箝位二极管的阴极相连，所述第二绕组的第二端与倍压电容的第一端相连，所述倍压电容的第二端与续流二极管的阴极相连，所述耦合电感第二绕组和耦合电感第一绕组同为一个耦合电感中的两个绕组，以第一绕组的第一端和第二绕组的第一端为耦合电感的同名端；
所述输出电路单元包括输出二极管，所述输出二极管的阳极与续流二极管的阴极相连，所述输出二极管的阴极与输出电容的第一端相连，所述输出电容的第二端与电源的负极相连。
进一步，所述箝位电容的第二端与电源负极相连。
或者，所述箝位电容的第二端与电源正极相连。
或者，所述箝位电容的第二端与输出电容的第一端相连。
本实用新型中的箝位二极管、续流二极管和输出二极管中的一个或多个可换成同步整流管。
本实用新型工作时，利用耦合电感的变压器效应拓展了变换器电压增益，降低了功率开关管和箝位二极管的电压应力，降低了功率器件的导通损耗。倍压电路单元的引入进一步提高了电路的电压增益和降低了器件的电压应力；利用耦合电感的漏感实现了功率开关管的零电流开通；同时利用耦合电感的漏感还实现了续流二极管和输出二极管的软关断；利用箝位二极管和箝位电容吸收漏感的能量，使功率开关管关断时无电压尖峰，并且吸收的漏感能量最终传递到负载，实现无损吸收；其电路结构简单，控制方便，适用于小功率，高增益和高效率的分布式光伏并网发电场合。
本实用新型中无需额外的功率开关和电感元件，附件元件少，结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，可提高电路的效率，且换流过程中，功率开关管关断时无电压过冲，续流二极管开通时无电流过冲。耦合电感在对应的开关管开通和关断时都传递能量，提高了耦合电感的利用率，降低了耦合电感的体积。
本实用新型的有益效果：结构简单、控制方便、无能量损耗、提高了变换效率。
附图说明
图1是本实用新型第一种实施方式的电路图。
图2是本实用新型第二种实施方式的电路图。
图3是本实用新型第三种实施方式的电路图。
具体实施方式
实施例一
参见图1，无源无损箝位单相高增益变换器，包括依次串接的单相Boost升压电路单元1、倍压电路单元2和输出电路单元3，所述单相Boost升压电路单元1包括耦合电感第一绕组L1，所述耦合电感第一绕组L1的第一端与电源Vin的正极相连，所述第一绕组L1的第二端与功率开关管S的漏极及箝位二极管Dc的阳极相连，所述箝位二极管Dc的阴极与箝位电容Cc的第一端相连，所述功率开关管S的源极和电源Vin的负极相连；
所述倍压电路单元2包括耦合电感第二绕组L2，所述耦合电感第二绕组L2的一端与续流二极管Ds的阳极及箝位二极管Dc的阴极相连，所述耦合电感第二绕组L2第二端与倍压电容Cs的第一端相连，所述倍压电容Cs的第二端与续流二极管Ds的阴极相连，所述耦合电感第二绕组L2和耦合电感第一绕组L1同为一个耦合电感中的两个绕组，图中由“ο”标记了第一绕组L1和第三绕组L2的同名端；
所述输出电路单元3包括输出二极管Do，所述输出二极管Do的阳极与续流二极管Ds的阴极相连，所述输出二极管Do的阴极与输出电容Co的第一端相连，所述输出电容Co的第二端与电源Vin的负极相连。
所述箝位电容Cc的第二端与电源Vin负极相连。
输出电容Co的电压为Vout，能量最终传递给负载Ro。
本实用新型在一个开关周期内有五种工作过程，即功率开关管S关断与箝位二极管Dc开通之间的换流；续流二极管Ds关断和输出二极管Do导通之间的换流；箝位二极管Dc关断过程；输出二极管Do关断与功率开关管S开通之间的换流过程，续流二极管Ds导通过程。
功率开关管S关断与箝位二极管Dc开通之间的换流：
换流前，电路处于功率开关管S和续流二极管Ds导通，箝位二极管Dc和输出二极管Do关断的稳定工作状态。当功率开关管S关断时，功率开关管S上电压迅速上升，箝位二极管Dc两端的电压迅速下降至零，箝位二极管Dc开通，由于箝位电容Cc的作用，功率开关管S两端的电压被箝位为一定电压值，实现了功率开关管S的软箝位关断。
续流二极管Ds关断和输出二极管Do导通之间的换流：
箝位二极管Dc开通后，箝位电容Cc上的电压从一定值以一定斜率线性上升，耦合电感的漏感能量转移到箝位电容Cc上，续流二极管Ds的电流以一定斜率线性下降到零，续流二极管Ds关断。而输出二极管Do两端的电压线性下降到零，输出二极管Do开通，能量开始转移到输出端。电路进入到功率开关管S和续流二极管Ds关断，箝位二极管Dc和输出二极管Do导通的稳定工作状态。
箝位二极管Dc关断过程：
输出二极管Do导通后，箝位二极管Dc上的电流以一定的斜率线性下降，当箝位二极管Dc上的电流下降到零时，箝位二极管Dc自然关断，能量从箝位电容Cc、倍压电容Cs中通过耦合电感第二绕组转移到负载Ro。电路进入第一开关管S，箝位二极管Dc和续流二极管Ds关断，输出二极管Do导通的稳定工作状态。
输出二极管Do关断与功率开关管S开通之间的换流过程：
功率开关管S的门极信号给出，功率开关管S的电流从零以一定斜率线性上升，实现了功率开关管S的零电流开通，输出二极管Do的电流以一定的斜率线性下降，当输出二极管Do的电流下降到零时，输出二极管Do关断，实现了输出二极管Do关断与功率开关管S开通之间的换流，减小了输出二极管Do的反向恢复损耗。
续流二极管Ds导通过程：
功率开关管S开通和输出二极管Do关断后，耦合电感工作在正激变压器状态，续流二极管Ds两端的电压线性下降到零，续流二极管Ds开通，能量开始转移到倍压电容Cs。电路进入功率开关管S和续流二极管Ds导通，箝位二极管Dc和输出二极管关断的稳定工作状态。
实施例二
参见图2，本实施例与实施例一不同之处在于所述箝位电容Cc的第二端与电源Vin正极相连。其余功能与结构都相同。
实施例二
参见图3，本实施例与实施例一、实施例二不同之处在于，所述箝位电容Cc的第二端与输出电容Co的第一端相连。其余功能与结构都相同。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.无源无损箝位单相高增益变换器，其特征在于：包括依次串接的单相Boost升压电路单元、倍压电路单元和输出电路单元，所述单相Boost升压电路单元包括一耦合电感第一绕组，所述耦合电感第一绕组的第一端与电源的正极相连，所述第一绕组的第二端与功率开关管的漏极及箝位二极管的阳极相连，所述箝位二极管的阴极与箝位电容的第一端相连，所述功率开关管的源极和电源的负极相连；
所述倍压电路单元包括耦合电感第二绕组，所述耦合电感第二绕组的一端与续流二极管的阳极及箝位二极管的阴极相连，所述第二绕组的第二端与倍压电容的第一端相连，所述倍压电容的第二端与续流二极管的阴极相连，所述耦合电感第二绕组和耦合电感第一绕组同为一个耦合电感中的两个绕组，以第一绕组的第一端和第二绕组的第一端为耦合电感的同名端；
所述输出电路单元包括输出二极管，所述输出二极管的阳极与续流二极管的阴极相连，所述输出二极管的阴极与输出电容的第一端相连，所述输出电容的第二端与电源的负极相连。
2.根据权利要求1所述的无源无损箝位单相高增益变换器，其特征在于：所述箝位电容的第二端与电源负极相连。
3.根据权利要求1所述的无源无损箝位单相高增益变换器，其特征在于：所述箝位电容的第二端与电源正极相连。
4.根据权利要求1所述的无源无损箝位单相高增益变换器，其特征在于：所述箝位电容的第二端与输出电容的第一端相连。
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