CN203039580U - 一种含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器 - Google Patents

Abstract

含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器，包括一个功率开关管，两个续流二极管，一个输出二极管，一个箝位电容，一个倍压电容，一个输出电容和一个带有两个绕组的耦合电感，本实用新型利用耦合电感来拓展变换器的电压增益和降低功率开关管和二极管的电压应力，利用耦合电感的漏感实现开关管的零电流开通和抑制二极管的反向恢复电流，输出二极管和箝位电容组成的箝位电路有效吸收了功率开关管关断时的电压尖峰和实现了能量的无损转移，利用倍压电路进一步提高了变换器的增益，并进一步降低功率开关管及二极管的电压应力，电路结构简单，控制方便，适用于小功率，高增益和高效率的光伏并网发电变换场合。

Description

一种含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器

技术领域

本实用新型涉及一种直流—直流变换器及应用，具体说是含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器。 

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。因此如何实现高增益、高效率且结构简单的单相单级变换器，对于推动光伏产业的发展具有重要意义。 

常规的单相单管升压型（Boost）直流－直流变换器的电压增益仅有占空比决定，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

本实用新型要克服常规的单相单管直流－直流变换器的电压增益不高、导通损耗和开关功耗大的缺点，提供一种结构简单，控制方便且无能量损耗的含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器。 

本实用新型所述的含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器， 耦合电感第一绕组的第一端与电源的正极相连，第一绕组的第二端与功率开关管的漏极，续流二极管1的阳极及箝位电容的第一端相连，箝位电容的第二端与续流二极管2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第一端相连，电源的负极与功率开关管的源极及输出电容的第二端相连； 

耦合电感第二绕组的第一端与续流二极管1的阴极及续流二极管2的阳极相连，耦合电感第二绕组第二端与倍压电容的第一端相连，倍压电容的第二端与电源的负极相连，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； 

所述的变换器，其两个续流二极管和输出二极管中的一个或多个改成同步整流管，均能正常工作。 

本实用新型变换器工作时，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；利用输出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。 

本实用新型的优点是：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。 

附图说明

图1是本实用新型的电路图。 

具体实施方式

参见图1，本实用新型的含倍压单元的无源无损箝位高增益变换 器中，耦合电感第一绕组L₁的第一端与电源Vin的正极相连，第一绕组L₁的第二端与功率开关管S的漏极，续流二极管1Dr₁的阳极及箝位电容Cc的第一端相连，箝位电容Cc的第二端与续流二极管2Dr₂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的第一端相连，电源Vin的负极与功率开关管S的源极及输出电容Co的第二端相连； 

耦合电感第二绕组L₂的第一端与续流二极管1Dr₁的阴极及续流二极管2Dr₂的阳极相连，耦合电感第二绕组L₂第二端与倍压电容Cm的第一端相连，倍压电容Cm的第二端与电源Vin的负极相连，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“*”标记了第一绕组L₁和第二绕组L₂的同名端； 

输出电容Co的电压为Vout，能量最终传递给负载Ro。 

含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器在一个开关周期内有五种工作过程，即功率开关管S关断与输出二极管Do开通之间的换流；续流二极管2Dr₂关断和续流二极管1Dr₁导通之间的换流；输出二极管Do关断过程；续流二极管1Dr₁关断与功率开关管S开通之间的换流过程，续流二极管2Dr₂导通过程。 

功率开关管S关断与输出二极管Do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2Dr₂导通，续流二极管1Dr₁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，输出二极管Do两端的电压迅速下降至零，输出二极管Do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2Dr₂关断和续流二极管1Dr₁导通之间的换流： 

输出二极管Do开通后，箝位电容Cc上的电压从一定值以一定斜 率线性下降，耦合电感的漏感能量以及箝位电容Cc的能量转移至输出端，续流二极管2Dr₂的电流以一定斜率线性下降到零，续流二极管2Dr₂关断。而续流二极管1Dr₁两端的电压线性下降到零，续流二极管1Dr₁开通，能量开始向倍压电容Cm转移。电路进入到功率开关管S和续流二极管2Dr₂关断，续流二极管1Dr₁和输出二极管Do导通的稳定工作状态。 

输出二极管Do关断过程： 

输出二极管Do导通后，输出二极管Do上的电流以一定的斜率线性下降，当输出二极管Do上的电流下降到零时，输出二极管Do自然关断，能量通过耦合电感第二绕组转移到倍压电容Cm中。电路进入功率开关管S，输出二极管Do和续流二极管2Dr₂关断，续流二极管1Dr₁导通的稳定工作状态。 

续流二极管1Dr₁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，续流二极管1Dr₁的电流以一定的斜率线性下降，当续流二极管1Dr₁的电流下降到零时，续流二极管1Dr₁关断，实现了续流二极管1Dr₁关断与功率开关管S开通之间的换流，减小了续流二极管1Dr₁的反向恢复损耗。 

续流二极管2Dr₂导通过程： 

功率开关管S开通和续流二极管1Dr₁关断后，耦合电感工作在正激变压器状态，续流二极管2Dr₂两端的电压线性下降到零，续流二极管2Dr₂开通，能量开始转移到箝位电容Cc。电路进入功率开关管S和续 流二极管2Dr₂导通，续流二极管1Dr₁和输出二极管Do关断的稳定工作状态。 

Claims (2)

1.一种含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器，其特征在于：

耦合电感第一绕组（L₁）的第一端与电源（Vin）的正极相连，第一绕组（L₁）的第二端与功率开关管（S）的漏极，续流二极管1（Dr₁）的阳极及箝位电容（Cc）的第一端相连，箝位电容（Cc）的第二端与续流二极管2（Dr₂）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）的第一端相连，电源（Vin）的负极与功率开关管（S）的源极及输出电容（Co）的第二端相连；

耦合电感第二绕组（L₂）的第一端与续流二极管1（Dr₁）的阴极及续流二极管2（Dr₂）的阳极相连，耦合电感第二绕组（L₂）第二端与倍压电容（Cm）的第一端相连，倍压电容（Cm）的第二端与电源（Vin）的负极相连，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，以第一绕组（L₁）的第一端和第二绕组（L₂）的第一端为耦合电感的同名端。

2.如权利要求1所述的含倍压单元的无源无损箝位高增益变换器，其特征在于，续流二极管1（Dr₁）、续流二极管2（Dr₂）和输出二极管（Do）中的一个或多个改成同步整流管，均能正常工作。 

Images