CN201985757U - 一种内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开的内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器，包括功率开关管、输入滤波电感、隔直电容、箝位二极管、箝位电容、续流二极管、开关电容、输出二极管、输出电容和具有两个绕组的内置变压器，本实用新型利用内置变压器的漏感来实现功率开关管的零电流开通和消除输出二极管和箝位二极管的反向恢复问题，利用箝位二极管和箝位电容组成的无源箝位电路实现功率开关管的软关断和漏感能量的无损转移，利用漏感和隔直电容的谐振消除了续流二极管的反向恢复问题，利用内置变压器、隔直电容组成倍压单元，实现变换器的高增益输出和降低功率器件的电压应力，无需额外的功率开关，电路中无能量损耗元件，结构简单。

Description

一种内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器
技术领域
本实用新型涉及一种直流－直流变换器。具体说是内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器。
背景技术
常规的升压型(Boost)直流－直流变换器结构简单，应用广泛，但该变换器的功率开关工作于硬开关状态，开关损耗较大，功率开关管的电压应力较大，输出二极管的反向恢复问题严重，且在高增益的应用场合下，需要高的开关占空比，这一点较难实现。近年来，相继研究了一些采用串联开关电容单元的高增益Boost变换器，该方法需要串联多个开关电容单元才能实现高增益变换，电路较复杂，续流二极管反向恢复严重，输出电流纹波大。
发明内容
本实用新型的目的是提供输出电压增益高，输入电流纹波小，输出电流纹波小，结构简单，且二极管方向恢复问题小的内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器。
本实用新型的技术解决方案是：内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器，包括一个功率开关管，一个输入滤波电感，一个隔直电容，一个箝位二极管，一个箝位电容，一个续流二极管，一个开关电容，一个输出二极管，一个输出电容和一个内置变压器，内置变压器有两个绕组，输入滤波电感的一端与电源的正端相连，输入滤波电感的另一端和功率开关管的源极与箝位二极管的阳极及隔直电容的一端和内置变压器的第二绕组的一端相连，隔直电容的另一端与内置变压器的第一绕组的一端相连，箝位二极管的阴极与箝位电容的一端及续流二极管的阳极相连，内置变压器的第二绕组的另一端与开关电容的一端相连，开关电容的另一端与续流二极管的阴极及输出二极管的阳极相连，输出二极管的阴极与输出电容的一端相连，功率开关管的漏极和内置变压器的第一绕组的另一端与箝位电容的另一端及电源的负端和输出电容的另一端相连。上述内置变压器的第一绕组与隔直电容的一端的连接端和内置变压器的第二绕组与开关电容的连接端为内置变压器的同名端。
工作时，利用内置变压器的漏感实现功率开关管的零电流开通以及输出二极管和箝位二极管的软关断；功率开关管关断时，由于箝位二极管和箝位电容的存在，实现了功率开关管的软箝位关断；功率开关管开通时，内置变压器漏感与隔直电容的谐振实现了续流二极管的软关断。利用内置变压器的第一、第二绕组实现变换器的高增益输出，利用开关电容进一步提高变换器的电压增益和降低功率器件的电压应力，同时，每个开关周期箝位电容收集内置变压器的漏感能量，并最终转移到负载，实现了无源箝位电路的无损运行。
本实用新型的内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器，利用输入滤波电感减小输入电流的纹波，利用内置变压器的漏感实现功率开关管的零电流开通以及输出二极管和箝位二极管的软关断，利用箝位二极管和箝位电容组成的无源箝位电路实现了功率开关管的软关断和漏感能量的无损转移，箝位二极管不串联在功率回路上，可减小导通损耗，利用内置变压器的第一、第二绕组实现变换器的高增益输出，利用开关电容进一步提高变换器的电压增益和降低功率器件的电压应力，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，提高了变换器的效率，换流过程中，开关器件无电压过冲。
附图说明
图1是内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器的电路图；
图2是图1变换器工作过程波形图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型的内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器，包括两个功率开关管S，一个输入滤波电感L f ，一个隔直电容C b ，一个箝位二极管D m1 ，一个箝位电容C m1 ，一个续流二极管D m2 ,一个开关电容C m2 ，一个输出二极管D o ，一个输出电容C o 和一个内置变压器，内置变压器有两个绕组L a 、L b ，输入滤波电感L f 的一端与电源V in 的正端相连，输入滤波电感L f 的另一端和功率开关管S的源极与箝位二极管D m1 的阳极及隔直电容C b 的一端和内置变压器的第二绕组L b 的一端相连，隔直电容C b 的另一端与内置变压器的第一绕组L a 的一端相连，箝位二极管D m1 的阴极与箝位电容C m1 的一端及续流二极管D m2 的阳极相连，内置变压器的第二绕组L b 的另一端与开关电容C m2 的一端相连，开关电容C m2 的另一端与续流二极管D m2 的阴极及输出二极管D o 的阳极相连，输出二极管D o 的阴极与输出电容C o 的一端相连，功率开关管S的漏极和内置变压器的第一绕组L a 的另一端与箝位电容C m1 的另一端及电源V in 的负端和输出电容C o 的另一端相连。上述内置变压器的第一绕组L a 与隔直电容C b 的一端的连接端和内置变压器的第二绕组L b 与开关电容C m2 的连接端为内置变压器的同名端。
内置变压器和开关电容的倍压单元的无源箝位Boost变换器存在五种工作过程，即续流二极管D m2 关断过程；功率开关管S关断与箝位二极管D m1 和输出二极管D o 开通之间的换流；箝位二极管D m1 关断过程；功率开关管S导通过程；输出二极管D o 关断、续流二极管D m2 开通过程。换流过程分析如下
续流二极管D m2 关断过程：
换流前，电路处于功率开关管S导通，箝位二极管D m1 关断，续流二极管D m2 导通，输出二极管D o 关断，内置变压器漏感与隔直电容C b 谐振的工作状态。当谐振电流谐振到零时，续流二极管D m2 关断，流过滤波电感L f 的电流以较小的斜率线性上升，能量储存在滤波电感L f 上。
功率开关管S关断与箝位二极管D m1 和输出二极管D o 开通之间的换流：
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D m1 两端的电压迅速下降至零，箝位二极管D m1 开通，由于箝位电容C m1 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。同时，内置变压器第一绕组L a 和第二绕组L b 两端的电压迅速上升，输出二极管D o 两端的电压迅速下降到零，输出二极管D o 导通，储存在滤波电感L f 和开关电容C m2 的上能量向隔直电容C b 和负载转移。
箝位二极管D m1 关断过程：
输出二极管D o 开通后，流过隔直电容C b 和开关电容C m2 的电流以一定斜率上升，而流过箝位二极管D m1 的电流从一定值以一定斜率下降，当流过箝位二极管D m1 的电流下降到零时，箝位二极管D m1 关断。电路进入功率开关管S关断，箝位二极管D m1 、续流二极管D m2 关断和输出二极管D o 导通的工作状态，储存在滤波电感L f 和开关电容C m2 的上能量继续向隔直电容C b 和负载转移。
功率开关管S导通过程：
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D o 的电流以一定的斜率线性下降，当输出二极管D o 的电流下降到零时，输出二极管D o 关断，实现了输出二极管D o 关断与功率开关管S开通之间的换流，减小了输出二极管D o 的反向恢复电流，减小了输出二极管D o 导致的反向恢复损耗。流过滤波电感L f 的电流以较小的斜率线性上升，能量储存在滤波电感L f 上。
输出二极管D o 关断、续流二极管D m2 开通过程：
输出二极管D o 关断后，内置变压器的漏感与隔直电容C b 开始谐振过程。能量从隔直电容C b 和箝位电容C m1 向开关电容C m2 转移。而流过滤波电感L f 的电流继续以较小的斜率线性上升，能量储存在滤波电感L f 上。
图2是图1中电路工作过程中的部分波形图，图中的i Lf 为输入滤波电感L f 中的电流波形，i S 为功率开关管S中的电流波形，v Cb 为隔直电容C b 的电压波形，i Lk 为内置变压器漏感的电流波形，i Dm1 、v Dm1 分别为二极管D m1 的电流、电压波形，i Dm2 、v Dm2 分别续流二极管D m2 的电流、电压波形，i Do 为输出二极管D o 电流波形；图中的t 0 至t 5 表示一个开关周期中的时间点，t 0 ~t 1 时间内是续流二极管D m2 关断过程，t 1 ~t 2 时间内是功率开关管S关断与箝位二极管D m1 和输出二极管D o 开通之间的换流过程，t 2 ~t 3 时间内是箝位二极管D m1 关断过程，t 3 ~t 4 时间内是功率开关管S导通过程，t 4 ~t 5 时间内是输出二极管D o 关断、续流二极管D m2 开通过程。

Claims (1)

1.一种内置变压器和开关电容的倍压单元的Boost变换器，包括一个功率开关管（S），一个输入滤波电感(Lf)，一个隔直电容(Cb)，一个箝位二极管（Dm1），一个箝位电容（Cm1），一个续流二极管(Dm2),一个开关电容（Cm2），一个输出二极管（Do），一个输出电容（Co）和一个内置变压器，内置变压器有两个绕组（La、Lb），输入滤波电感（Lf）的一端与电源（Vin）的正端相连，输入滤波电感（Lf）的另一端和功率开关管（S）的源极与箝位二极管（Dm1）的阳极及隔直电容（Cb）的一端和内置变压器的第二绕组（Lb）的一端相连，隔直电容（Cb）的另一端与内置变压器的第一绕组（La）的一端相连，箝位二极管（Dm1）的阴极与箝位电容（Cm1）的一端及续流二极管(Dm2)的阳极相连，内置变压器的第二绕组（Lb）的另一端与开关电容(Cm2)的一端相连，开关电容(Cm2)的另一端与续流二极管(Dm2)的阴极及输出二极管（Do）的阳极相连，输出二极管（Do）的阴极与输出电容（Co）的一端相连，功率开关管（S）的漏极和内置变压器的第一绕组（La）的另一端与箝位电容（Cm1）的另一端及电源（Vin）的负端和输出电容（Co）的另一端相连，上述内置变压器的第一绕组（La）与隔直电容（Cb）的连接端和内置变压器的第二绕组（Lb）与开关电容（Cm2）的连接端为内置变压器的同名端。
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