CN202721610U

CN202721610U - 具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器

Info

Publication number: CN202721610U
Application number: CN2012203318722U
Authority: CN
Inventors: 潘晴财; 郑明杰; 赖庆明; 周彦良; 方志行; 詹文伟
Original assignee: YALI MOTOR CO Ltd
Current assignee: YALI MOTOR CO Ltd; Allis Electric Co Ltd
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2022-07-09

Abstract

本实用新型公开了一种具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器，包括一倍压升压电路以及一主动箝位电路。倍压升压电路包括两个隔离变压器、两个设置在隔离变压器一次侧的主开关、四个设置在隔离变压器二次侧的二极管、以及四个设置在隔离变压器二次侧的电容，用以将一直流电源的电压提高到需要的电压值。主动箝位电路电性连接倍压升压电路，包括两个主动式箝位开关以及一箝位电容，用于降低主开关上的电压突波，使主开关及主动式箝位开关在导通时能进行柔性切换。本实用新型的一种高升压比直流转换器，基于交错式切换与开关柔性切换的技术以提升转换器效率，具有宽广的输入、输出电压范围与可模块化，适合应用于未来分布式再生能源系统。

Description

具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器

技术领域

本实用新型是关于一种具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器。

背景技术

现代高科技文明可说是建立在大量消耗石化能源的基础上，但是根据研究统计，全球石油燃料储藏量还可使用不到四十年，石化燃料逐渐枯竭。使用石化能源改善生活的同时，也产生大量的温室气体，导致温室效应与自然生态环境的破坏等，日渐高涨的石油价格也使得各国开始提倡节能减碳，并逐渐重视太阳能、风力与燃料电池等洁净再生能源，使得能源科技渐渐往其它相关应用领域发展。

大型再生能源发电系统由于空间限制，在地狭人稠的海岛建置不易，因此小型分布式电源发电系统相关技术也逐渐受到重视。小型再生能源系统可由太阳光伏模块或燃料电池、升压型直流/直流转换器(Step-Up DC/DC Converter)、直/交流转换器(DC/AC Converter)等电能转换电路所组成。一般的太阳能或燃料电池等为低电压直流电源(20~45V)，但后级的直/交流转换器却需要较高的直流输入电压(350~400V)，以将其转换为常用的交流电(110Vrms、220Vrms)供给负载或并入市电，因此需要一高升压比直流/直流转换器来达成前级升压的目的。但此种转换器为大电流输入，容易造成较大的电流涟波与开关切换损失。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出一种高升压比直流/直流转换器，基于交错式切换与开关柔性切换的技术以提升转换器效率，且具有宽广的输入、输出电压范围与可模块化的特色，相当适合应用于未来分布式再生能源系统。

本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器包括一倍压升压电路以及一主动箝位电路。倍压升压电路包括两个隔离变压器、两个设置在该两个隔离变压器一次侧的主开关、四个设置在该两个隔离变压器二次侧的二极管、以及四个设置在该两个隔离变压器二次侧的电容，用以将一直流电源的电压值提高到需要的电压值。主动箝位电路电性连接该倍压升压电路，包括两个主动式箝位开关以及一箝位电容，用于降低该两个主开关上的电压突波，使该两个主开关及该两个主动式箝位开关在导通时能进行柔性切换。

作为优选，主开关彼此间为交错式切换，主动式箝位开关彼此间亦为交错式切换，而主开关与主动式箝位开关之间为互补式切换。

作为优选，主开关与主动式箝位开关切换时，均存在一盲时区间，以进行柔性切换。

与现有技术相比，本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器具有以下优点：

1.本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器具备低压侧与高压侧电气隔离(isolated)的电路保护特性；

2.就提升转换效率而言，输入低压侧开关搭配主动箝位技术以达零电压柔性切换降低损失，故本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器具备高转换效率特性；

3.本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器采用主动箝位技术，因此转换器开关的工作范围不受限制；而所述电路先天具有极高升压比，利于将太阳能电池模块的低电压提升高电压，便于后级转换器使用，如并联市电，故本实用新型所揭示的直流转换器非常适用于电压变动幅度较大的中小功率太阳光伏模块；

4.本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器具有模块化的能力，且无须使用额外的电感，可降低成本利于量产。

附图说明

图1是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例的电路图。

图2显示本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的主开关及主动式箝位开关切换操作所遵循的基本原则的示意图。

图3显示本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的主开关及主动式箝位开关于十二个工作模式中切换操作情形。

图4是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式一的等效电路。

图5是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式二的等效电路。

图6是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式三的等效电路。

图7是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式四的等效电路。

图8是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式五的等效电路。

图9是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式六的等效电路。

图10是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式七的等效电路。

图11是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式八的等效电路。

图12是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式九的等效电路。

图13是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式十的等效电路。

图14是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式十一的等效电路。

图15是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例于工作模式十二的等效电路。

图16是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第二实施例的电路图。

图17是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第三实施例的电路图。

图18是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第四实施例的电路图。

图19是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第五实施例的电路图。

主要附图标记说明

10-主动箝位电路 20-倍压升压电路

30-直流转换器 40-负载

101-主动式箝位开关 102-主动式箝位开关

105-箝位电容 106-箝位电容

107-箝位电容 210-主开关

211-主开关 220-隔离变压器

221-隔离变压器 231-二极管

232-二极管 233-二极管

234-二极管 241-电容

242-电容 243-电容

244-电容 2201-激磁电感

2202-漏电感 2211-激磁电感

2212-漏电感 1:n1-匝数比

1:n₂-匝数比 i_Lk1-电流

i_Lk2-电流 i_Lm1-电流

i_Lm2-电流 Vo-输出电压

Vs-输入电压

具体实施方式

为使本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例并配合所附的附图做详细说明。

图1是依据本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器的第一实施例的电路图，此直流转换器30包括一主动箝位电路10以及一倍压升压电路20。倍压升压电路20包括两组隔离变压器220、221，两个设置在隔离变压器220、221一次侧的主开关210、211，四个设置在隔离变压器220、221次侧的二极管231、232、233、234以及电容241、242、243、244，而隔离变压器220、221分别包括激磁电感2201、2211与漏电感2202、2212。倍压升压电路20具有高电压转换比的特点，可降低主开关210、211的导通损失，有助于效率提升。主动箝位电路10电性连接倍压升压电路20，其包括两个主动式箝位开关101、102与两个箝位电容105、106，其主要目的在于降低主开关210、211上的电压突波、并使得主开关210、211及主动式箝位开关101、102导通时可具有零电压切换(Zero Voltage Switching,ZVS)的柔性切换特性，进一步增加整体电路的电能转换效率。本实用新型的直流转换器30输出端可接以负载或后级转换器。

图2显示主开关210、211及主动式箝位开关101、102切换操作所遵循的基本原则的示意图，主开关210与211保持交错式(相差半个切换周期，即相位差180°)控制方式如图2中V₂₁₀、V₂₁₁所示(分别为主开关210与211的驱动电压)，而主动式箝位开关101、102的切换则如该图2中V₁₀₁、V₁₀₂所示(分别为主动式箝位开关101、102的驱动电压)，其分别与主开关210、211成互补式切换。为了避免一次侧箝位电容105、106发生短路的现象，主开关210、211与主动式箝位开关101、102之间需加入一盲时区间(dead time)，其工作模式可依开关导通与截止如图3所示，将一周期区分为十二个区间，以下将说明本实用新型的直流转换器30的工作模式。

直流转换器30于工作模式一时，其等效电路如图4所示，此时主开关210、211导通，主动式箝位开关101、102截止，二极管233、232导通，二极管231、234截止。由于直流转换器30于前一个工作模式(模式十二)时，主开关210电流先行流经主开关210的等效寄生二极管(body diode)(未标示)，故于工作模式一时主开关210可达到ZVS导通的特性。隔离变压器220一次侧输入电流由标示点流出，所以隔离变压器220二次侧电流由标示点流入，并且流经二极管233而对电容243储能。电容241对负载40释能。隔离变压器221一次侧输入电流由标示点流入，所以隔离变压器221二次侧电流由标示点流出，并且流经二极管232与电容244而对电容242与负载40释能。图4中所示的电流方向，虚线为工作模式一开始时的电流方向，实线则为工作模式一结束时的电流方向。由图4中可知流经漏电感2202的电流i_Lk1于工作模式一中会由负电流上升至正电流。当流经漏电感2202电流i_Lk1等于流经激磁电感2201电流i_Lm1时，隔离变压器220一次侧电流会开始转为由标示点流入，此时进入工作模式二。

工作模式二的等效电路如图5所示，主开关210、211导通，主动式箝位开关101、102截止，二极管231、232导通，二极管233、234截止。隔离变压器220、221一次侧电流皆由标示点流入，所以隔离变压器220、221二次侧电流皆由标示点流出，并且分别流经二极管231、232与电容243、244，而对电容241、242与负载40释能。如图3所示，工作模式二中当主开关211截止时，则进入工作模式三。

工作模式三的等效电路如图6所示，主开关210导通，主开关211、主动式箝位开关101、102截止，二极管231、232导通，二极管233、234截止，此时为开关盲时时间(dead time)。隔离变压器220、221一次侧电流皆由标示点流入，所以隔离变压器220、221二次侧电流皆由标示点流出，并且分别流经二极管231、232与电容243、244，对电容241、242与负载40释能。因为漏电感2212电流i_Lk2续流，迫使主动式箝位开关102的等效寄生二极管(body diode)导通，使主动式箝位开关102电流先行流经主动式箝位开关102的等效寄生二极管(bodydiode)，因此可使主动式箝位开关102于工作模式四开始时达到ZVS导通。如图3所示，工作模式三中当主动式箝位开关102导通时，则进入工作模式四。

工作模式四的等效电路如图7所示，主开关210、主动式箝位开关102导通，主开关211、主动式箝位开关101截止，二极管231、232导通，二极管233、234截止。如前述，由于直流转换器30于前一个工作模式(工作模式三)时，主动式箝位开关102的等效寄生二极管(body diode)已先行导通，因此主动式箝位开关102于工作模式四开始时可达到ZVS导通。隔离变压器220、221一次侧电流皆由标示点流入，所以隔离变压器220、221二次侧电流皆由标示点流出，并且分别流经二极管231、232与电容243、244，对电容241、242与负载40释能。工作模式四中当流经漏电感2212电流i_Lk2等于流经激磁电感2211电流i_Lm2时，隔离变压器221一次侧电流会开始转为由标示点流出，此时进入工作模式五。

工作模式五的等效电路如图8所示，主开关210、主动式箝位开关102导通，主开关211、主动式箝位开关101截止，二极管231、234导通，二极管233、232截止。隔离变压器220一次侧电流由标示点流入，所以隔离变压器220二次侧电流由标示点流出，并且流经二极管231与电容243对电容241与负载40释能。隔离变压器221一次侧电流由标示点流出，所以隔离变压器221二次侧电流由标示点流入，并且流经二极管234对电容244储能，电容242对负载40释能。图8中所示的电流方向，虚线为工作模式五开始时的电流方向，实线则为工作模式五结束时的电流方向。由图8中可知流经漏电感2212的电流i_Lk2于工作模式五中会由正电流下降至负电流。如图3所示，工作模式五中当主动式箝位开关102截止时，则进入工作模式六。

工作模式六的等效电路如图9所示，主开关210导通，主开关211、主动式箝位开关101、102截止，二极管231、234导通，二极管233、232截止，此时为开关盲时时间(dead time)。隔离变压器220一次侧电流由标示点流入，所以隔离变压器220二次侧电流由标示点流出，并且流经二极管231与电容243对电容241与负载40释能。隔离变压器221一次侧电流由标示点流出，所以隔离变压器221二次侧电流由标示点流入，并且流经二极管234对电容244储能。电容242对负载40释能。因为漏电感2212电流i_Lk2续流，迫使主开关211的等效寄生二极管(body diode)导通，使主开关211电流先行流经主开关211的等效寄生二极管(body diode)，因此可使主开关211于工作模式七开始时达到ZVS导通。如第3图所示，工作模式六中当主开关211导通时，则进入工作模式七。

工作模式七的等效电路如图10所示，此时主开关210、211导通，主动式箝位开关101、102截止，二极管231、234导通，二极管233、232截止。如前述，由于直流转换器30于前一个工作模式(模式六)时，主开关211电流先行流经主开关211的等效寄生二极管(body diode)，故于工作模式七时主开关211可达到ZVS导通的特性。隔离变压器220一次侧输入电流由标示点流入，所以隔离变压器220二次侧电流由标示点流出，并且流经二极管231与电容243对电容241与负载40释能。隔离变压器221一次侧输入电流由标示点流出，所以隔离变压器221二次侧电流由标示点流入，并且流经二极管234对电容244储能。电容242对负载40释能。图10中所示的电流方向，虚线为工作模式七开始时的电流方向，实线则为工作模式七结束时的电流方向。由图10中可知流经漏电感2212的电流i_Lk2于工作模式七中会由负电流上升至正电流。当流经漏电感2212电流i_Lk2等于流经激磁电感2211电流i_Lm2时，隔离变压器221一次侧电流会开始转为由标示点流入，此时进入工作模式八。

工作模式八其等效电路如图11所示，主开关210、211导通，主动式箝位开关101、102截止，二极管231、232导通，二极管233、234截止。隔离变压器220、221一次侧电流皆由标示点流入，所以隔离变压器220、221二次侧电流皆由标示点流出，并且分别流经二极管231、232与电容243、244，对电容241、242与负载40释能。如图3所示，工作模式八中当主开关210截止时，则进入工作模式九。

工作模式九的等效电路如图12所示，主开关211导通，主开关210、主动式箝位开关101、102截止，二极管231、232导通，二极管233、234截止，此时为开关盲时时间(dead time)。隔离变压器220、221一次侧电流皆由标示点流入，所以隔离变压器220、221二次侧电流皆由标示点流出，并且分别流经二极管231、232与电容243、244，对电容241、242与负载40释能。因为漏电感2202电流i_Lk1续流，迫使主动式箝位开关101的等效寄生二极管(body diode)导通，使主动式箝位开关101电流先行流经主动式箝位开关101的等效寄生二极管(bodydiode)，因此可使主动式箝位开关101于工作模式十开始时达到ZVS导通。如第3图所示，工作模式九中当主动式箝位开关101导通时，则进入工作模式十。

工作模式十的等效电路如图13所示，主开关211、主动式箝位开关101导通，主开关210、主动式箝位开关102截止，二极管231、232导通，二极管233、234截止。如前述，由于直流转换器30于前一个工作模式(工作模式九)时，主动式箝位开关101的等效寄生二极管(body diode)已先行导通，因此主动式箝位开关101于工作模式十开始时可达到ZVS导通。隔离变压器220、221一次侧电流皆由标示点流入，所以隔离变压器220、221二次侧电流皆由标示点流出，并且分别流经二极管231、232与电容243、244，对电容241、242与负载40释能。工作模式十中当流经漏电感2202电流i_Lk1等于流经激磁电感2201电流i_Lm1时，隔离变压器220一次侧电流会开始转为由标示点流出，此时进入工作模式十一。

工作模式十一的等效电路如图14所示，主开关211、主动式箝位开关101导通，主开关210、主动式箝位开关102截止，二极管233、232导通，二极管231、234截止。隔离变压器220一次侧电流由标示点流出，所以隔离变压器220二次侧电流由标示点流入，并且流经二极管233对电容243储能，电容241对负载40释能。隔离变压器221一次侧电流由标示点流入，所以隔离变压器221二次侧电流由标示点流出，并且流经二极管232与电容244对电容242与负载40释能。图14中所示的电流方向，虚线为工作模式十一开始时的电流方向，实线则为工作模式十一结束时的电流方向。由图14中可知流经漏电感2202的电流i_Lk1于工作模式十一中会由正电流下降至负电流。如图3所示，工作模式十一中当主动式箝位开关101截止时，则进入工作模式十二。

工作模式十二的等效电路如图15所示，主开关211导通，主开关210、主动式箝位开关101、102截止，二极管233、232导通，二极管231、234截止，此时为开关盲时时间(dead time)。隔离变压器220一次侧电流由标示点流出，所以隔离变压器220二次侧电流由标示点流入，并且流经二极管233对电容243储能。电容241对负载40释能。隔离变压器221一次侧电流由标示点流入，所以隔离变压器221二次侧电流由标示点流出，并且流经二极管232与电容244对电容242与负载40释能。因为漏电感2202电流i_Lk1续流，迫使主开关210的等效寄生二极管(body diode)导通，使开关主210电流先行流经主开关210的等效寄生二极管(body diode)，因此可使主开关210于工作模式一开始时达到ZVS导通。如图3所示，工作模式十二中当主开关210导通时，则回到工作模式一，如此周而复始。

此转换器经由数学模型推导与仿真验证，可得其理想升压比为(当隔离变压器T₁、T₂的匝数比皆为n)(n₁=n₂=n)：

\frac{V_{o}}{V_{s}} = \frac{2 n}{1 - D}

其中V₀为输出电压；

V_s为输入电压；

D为主开关210、211的导通周期，称为开关工作周期。

此外，依随着不同主动箝位电路摆置配接，可发展出本实用新型电路架构的其它实施例。请参阅图16、图17、图18、及图19，其分别为本实用新型的直流转换器的第二实施例、第三实施例、第四实施例、及第五实施例的电路图，其与第一实施例的差异仅在于主动式箝位开关101、102与箝位电容105、106的配接方式不同，而第四实施例及第五实施例更将两个箝位电容105、106合并，仅使用一箝位电容107，动作原理及功效均类似，升压比亦相同，故此不再赘述。

本实用新型的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器可应用于再生能源系统，如太阳光伏发电系统，然而可以了解到本实用新型的应用并不限于此，凡须将直流电源升压的系统皆可采用本实用新型。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，仍可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器，其特征在于，包括：

一倍压升压电路，包括两个隔离变压器、两个设置在该两个隔离变压器一次侧的主开关、四个设置在该两个隔离变压器二次侧的二极管、以及四个设置在该两个隔离变压器二次侧的电容，用以将一直流电源的电压值提高到需要的电压值；

一主动箝位电路，电性连接该倍压升压电路，包括两个主动式箝位开关以及一箝位电容，用于降低该两个主开关上的电压突波，使该两个主开关及该两个主动式箝位开关在导通时能进行柔性切换。

2.如权利要求1所述的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器，其特征在于，该两个主开关彼此间为交错式切换，该两个主动式箝位开关彼此间亦为交错式切换，而该两个主开关与该两个主动式箝位开关之间为互补式切换。

3.如权利要求2所述的具交错式柔性切换机制的高效率高升压比直流转换器，其特征在于，该两个主开关与该两个主动式箝位开关切换时，均存在一用以进行柔性切换的盲时区间。