CN203119763U - 具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器，包括两个开关管，两个箝位二极管，两个箝位电容，两个续流二极管，两个倍压电容，两个分别带有两个绕组的耦合电感，本实用新型利用耦合电感的变压器效应实现了变换器增益的拓展，降低了第一开关管、第二开关管、第一箝位二极管和第二箝位二极管的电压应力，使高性能的开关管器件的应用成为可能，从而减小开关管的导通损耗和开关损耗，而相比于高电压应力的二极管，电压应力较低的二极管不仅导通压降更小，而且反向恢复特性更好，进一步减小了变换器的损耗，倍压单元的引入进一步提高了电路的增益并降低了器件的电压应力，利用耦合电感的漏感实现了第一开关管和第二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的软关断，利用第一箝位二极管、第二箝位二极管和第一箝位电容、第二箝位电容吸收漏感的能量最终传输到负载，实现无损吸收，利用交错控制降低了输入电流的纹波并提高系统的功率等级。

Description

具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器

技术领域

本实用新型涉及一种直流-直流变换器及应用，属电力电子技术中功率变换领域。

背景技术

在可再生能源发电系统中，由于许多可再生能源发出的电能都是电压较低的直流电，而并网发电系统需要电压较高的直流母线，因此需要直流-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。低输入电流纹波、高增益、高效率的非隔离型变换器在可再生能源并网发电领域里有着重要的作用。

常规的升压型（Boost）交错并联直流-直流变换器的输出电压增益较小，功率开关管的电压应力较大，功率开关管为硬开关工作，开关损耗较大，续流二极管的反向恢复电流较大，反向恢复损耗较大。近年来，相继研究了一些软开关电路，通过附加有源功率开关管和无源电感、电容等器件或通过附加二极管和无源电感、电容等器件来实现功率开关管的软开关。软开关电路虽然可以实现功率开关管的软开关，但是不能降低功率开关管的电压应力，也没有拓展变化器的增益。有一种用开关电容的方法实现变换器增益的拓展，但是该方法有瞬间电流冲击，而且要实现很高的输出电压时所需开关电容的数量多，结构复杂；还有一种用三绕组耦合电感的方法实现变换器增益的拓展，但该方法的耦合电感结构复杂，不利于工业化生产。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器，电路拓扑结构简单，且容易控制实现，同时有效减小了输入电流纹波和功率管的电压应力，提高了变换器的性能。

本实用新型所述具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器如图1所示，其特征在于：

变换器包括准交错并联Boost升压电路单元和倍压电路单元；

变换器中的准交错并联Boost单元由两个绕组、两个开关管、两个箝位二极管和两个箝位电容构成，其中：

第一绕组的第一端与第二绕组的第一端及电源的正极相连，第一绕组的第二端与第一开关管的漏极相连，第二绕组的第二端与第二开关管的漏极相连，第一开关管的源极和第二开关管的源极及电源的负极相连，第一箝位二极管的阳极和第二开关管的漏极相连，第一钳位二极管的阴极和第二箝位二极管的阳极及第一箝位电容的第二段相连，第一箝位电容的第一段与第一绕组的第二端及第一开关管的漏极相连，第二箝位二极管的阴极与第二箝位电容的第一端相连，第二箝位电容的第二端与电源的负极相连；

变换器中的倍压电路单元包括：

由第三绕组、第四绕组、第一倍压电容、第二倍压电容、第一续流二极管和第二续流二极管组成，其中第三绕组和第二绕组同为一个耦合电感中的两个绕组，第四绕组和第一绕组同为另一耦合电感中的两个绕组，以第一绕组的第一端和第四绕组的第一端为同名端，第二绕组的第一端和第三绕组的第一端为同名端，第三绕组的第二端、第四绕组的第一端、第一倍压电容的第二端和第二倍压电容的第一端相连，第一续流二极管的第一端、第二箝位二极管的阴极、第二箝位电容的第一端、第一倍压电容的第一端相连，第二续流二极管的阳极和第四绕组的第二端相连，第二续流二极管的阴极和第二倍压电容的第二端和输出电阻的第一端相连，输出电阻的第二段和电源负极相连。

本实用新型工作时，利用耦合电感的变压器效应实现了变换器增益的拓展，降低了第一开关管、第二开关管、第一箝位二极管和第二箝位二极管的的电压应力，使高性能的开关管器件的应用成为可能，从而减小开关管的导通损耗和开关损耗，而相比于高电压应力的二极管，电压应力较低的二极管不仅导通压降更小，而且反向恢复特性更好，进一步减小了变换器的损耗。倍压单元的引入进一步提高了电路的增益并降低了器件的电压应力；利用耦合电感的漏感实现了第一开关管和第二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的软关断；利用第一箝位二极管、第二箝位二极管和第一箝位电容、第二箝位电容吸收漏感的能量最终传输到负载，实现无损吸收；利用交错控制降低了输入电流的纹波并提高系统的功率等级。

本实用新型提出的变换器无需额外的功率开关和电感元件，附加元件少，结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，可提高升压型交错并联电路的效率，且换流过程中，功率开关关断时无电压过冲，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，降低耦合电感的体积。

附图说明

图1是本实用新型具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器的电路图；

具体实施方式

参见图1，本实用新型提出的具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器，包括准交错并联Boost升压电路单元、倍压电路单元两部分。

变换器中的准交错并联Boost单元由两个绕组L₁L₂、两个开关管T₁T₂、两个箝位二极管D₁D₂和两个箝位电容C₁C₂构成，其中：

第一绕组L₁的第一端与第二绕组L₂的第一端及电源V_in的正极相连，第一绕组L₁的第二端与第一开关管T₁的漏极相连，第二绕组L₂的第二端与第二开关管T₂的漏极相连，第一开关管T₁的源极和第二开关管T₂的源极及电源V_in的负极相连，第一箝位二极管D₁的阳极和第二开关管T₂的漏极相连，第一钳位二极管D₁的阴极和第二箝位二极管D₂的阳极及第一箝位电容C₁的第二端相连，第一箝位电容C₁的第一端与第一绕组L₁的第二端及第一开关管T₁的漏极相连，第二箝位二极管D₂的阴极与第二箝位电容C₂的第一端相连，第二箝位电容C₂的第二端与电源V_in的负极相连；

变换器中的倍压电路单元包括：

由第三绕组L₃、第四绕组L₄、第一倍压电容C₃、第二倍压电容C₄、第一续流二极管D₃和第二续流二极管D₄组成，其中第三绕组L₃和第二绕组L₂同为一个耦合电感中的两个绕组，第四绕组L₄和第一绕组L₁同为另一耦合电感中的两个绕组，以第一绕组L₁的第一端和第四绕组L₄的第一端为同名端，第二绕组L₂的第一端和第三绕组L₃的第一端为同名端，第三绕组L₃的第二端、第四绕组L₄的第一端、第一倍压电容C₃的第二端和第二倍压电容C₄的第一端相连，第一续流二极管D₃的第一端、第二箝位二极管D₂的阴极、第二箝位电容C₂的第一端、第一倍压电容C₃的第一端相连，第二续流二极管D₄的阳极和第四绕组L₄的第二端相连，第二续流二极管D₄的阴极和第二倍压电容C₄的第二端和输出电阻R的第一端相连，输出电阻R的第二段和电源负极相连。

耦合电感实现高增益倍压升压型变换器在一个开关周期内有六种工作过程，即第二开关管T₂关断与第一箝位二极管D₁开通和第一续流二极管D₃开通之间的续流；第一箝位二极管D₁关断过程；第二开关管T₂开通和第一续流二极管D₃关断之间的换流；第一开关管T₁关断与第二箝位二极管D₂开通和第二续流二极管D₄开通之间的换流；第二箝位二极管D₂关断过程。

第二开关管T₂关断与第一箝位二极管D₁开通和第一续流二极管D₃开通之间的续流：

换流前，电路处于第一开关管T₁、第二开关管T₂导通，第一箝位二极管D₁、第二箝位二极管D₂关断，第一续流二极管D₃、第二续流二极管D₄关断的稳定状态。当第二开关管T₂关断时，第二开关管T₂上的电压迅速上升、第一箝位二极管D₁两端的电压迅速下降至零，第一箝位二极管D₁开通，由于第一箝位电容C₁的作用，第二开关管T₂两端的电压被箝位为一定电压值，实现了第二开关管T₂的软箝位关断。

第一箝位二极管D₁关断过程：

第二开关管T₂关断后，第一箝位二极管D₁上的电流以一定斜率下降，当第一箝位二极管D₁上的电流下降到零时，第一箝位二极管D₁自然关断，能量从第三绕组L₃、第二箝位电容C₂、第一倍压电容C₃和第二倍压电容 C₄中转移到负载R。电路进入第一开关管T₁导通第一续流二极管D₃导通的稳定状态。

第二开关管T₂开通和第一续流二极管D₃关断之间的换流：

第二开关管T₂的门极信号给出，第二开关管T₂的电流从零以一定斜率线性上升实现了第二开关管T₂的零电流开通。

第一开关管T₁关断与第二箝位二极管D₂开通和第二续流二极管D₄开通之间的换流：

换流前，电路处于第一开关管T₁、第二开关管T₂导通，第一箝位二极管D₁、第二箝位二极管D₂关断，第一续流二极管D₃、第二续流二极管D₄关断的稳定状态。当第一开关管T₁关断时，第二开关管T₁上的电压迅速上升、第二箝位二极管D₂两端的电压迅速下降至零，第二箝位二极管D₂开通，由于第二箝位电容C₂的作用，第一开关管T₁两端的电压被箝位为一定电压值，实现了第一开关管T₁的软箝位关断。

第二箝位二极管D₂关断过程：

第一开关管T₁关断后，第二箝位二极管D₂上的电流以一定斜率下降，当第二箝位二极管D₂上的电流下降到零时，第二箝位二极管D₂自然关断，能量从第四绕组L₄、第二箝位电容C₂、第一倍压电容C₃和第二倍压电容 C₄中转移到负载R。电路进入第二开关管T₂导通第二续流二极管D₄导通的稳定状态。

Claims (1)

1.一种具有电压倍增单元的准交错并联高增益变换器，包括准交错并联Boost升压电路单元和倍压电路单元，其特征在于：

变换器中的准交错并联Boost电路单元由两个绕组L₁L₂、两个开关管T₁T₂、两个箝位二极管D₁D₂和两个箝位电容C₁C₂构成，其中：

第一绕组L₁的第一端与第二绕组L₂的第一端及电源V_in的正极相连，第一绕组L₁的第二端与第一开关管T₁的漏极相连，第二绕组L₂的第二端与第二开关管T₂的漏极相连，第一开关管T₁的源极和第二开关管T₂的源极及电源V_in的负极相连，第一箝位二极管D₁的阳极和第二开关管T₂的漏极相连，第一钳位二极管D₁的阴极和第二箝位二极管D₂的阳极及第一箝位电容C₁的第二端相连，第一箝位电容C₁的第一端与第一绕组L₁的第二端及第一开关管T₁的漏极相连，第二箝位二极管D₂的阴极与第二箝位电容C₂的第一端相连，第二箝位电容C₂的第二端与电源V_in的负极相连；

变换器中的倍压电路单元包括：

由第三绕组L₃、第四绕组L₄、第一倍压电容C₃、第二倍压电容C₄、第一续流二极管D₃和第二续流二极管D₄组成，其中第三绕组L₃和第二绕组L₂同为一个耦合电感中的两个绕组，第四绕组L₄和第一绕组L₁同为另一耦合电感中的两个绕组，以第一绕组L₁的第一端和第四绕组L₄的第一端为同名端，第二绕组L₂的第一端和第三绕组L₃的第一端为同名端，第三绕组L₃的第二端、第四绕组L₄的第一端、第一倍压电容C₃的第二端和第二倍压电容C₄的第一端相连，第一续流二极管D₃的第一端、第二箝位二极管D₂的阴极、第二箝位电容C₂的第一端、第一倍压电容C₃的第一端相连，第二续流二极管D₄的阳极和第四绕组L₄的第二端相连，第二续流二极管D₄的阴极和第二倍压电容C₄的第二端和输出电阻R的第一端相连，输出电阻R的第二段和电源负极相连。

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