CN203233309U - 三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器，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，一个储能电感，一个三绕组耦合电感，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

三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器

技术领域

本实用新型涉及一种直流-直流变换器及应用，属电力电子技术中的功率变换领域。

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额有着重要的作用。

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，也没有拓展变换器的增益。

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，提供一种三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器，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。

本实用新型所述三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器如图1所示，其特征在于：

变换器包括交错并联Boost改进型升压电路单元和倍压电路单元；

变换器中的交错并联Boost改进型电路单元由一个储能电感、三绕组耦合电感的两个绕组、两个开关管、两个箝位二极管和两个箝位电容构成，其中：

储能电感的一端与电源的正极相连，储能电感的另一端与三绕组耦合电感的绕组一的一端和三绕组耦合电感的绕组二的一端相连，三绕组耦合电感的绕组一的另一端与第一开关管的漏极和第一箝位二极管的阳极相连，三绕组耦合电感的绕组二的另一端与第二开关管的漏极和第一箝位电容的的一端相连，第一箝位电容的另一端与第一箝位二极管的阴极和第二箝位二极管的阳极相连，第二箝位二极管的阴极与第二箝位电容的一端相连，第二箝位电容的另一端、第一开关管的源极、第二开关管的源极、电源的负极相连，三绕组耦合电感绕组一的第一端和三绕组耦合电感绕组二的第二端是同名端；

倍压电路单元由两个续流二极管、两个举升电容和三绕组耦合电感的绕组三构成，其中：

第一续流二极管的阳极、第二箝位二极管的阴极、第二箝位电容的一端、第一举升电容的一端相连，三绕组耦合电感的绕组三的第一端与第一续流二极管的阴极和第二续流二极管的阳极相连，三绕组耦合电感的绕组三的第二端与第一举升电容的另一端和第二举升电容的第一端相连，第二举升电容的第二端与第二续流二极管的阴极和输出的正极相连，输出与输入共地，三绕组耦合电感的绕组三的第二端、绕组一的第一端、绕组二的第二端是同名端。

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。能在恰当占空比的情况下实现较高的电压增益。

附图说明

图1是本实用新型三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器的电路图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提出的三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器包括交错并联Boost改进型升压电路单元和倍压电路单元；

变换器中的交错并联Boost改进型电路单元由一个储能电感L_b、三绕组耦合电感的两个绕组L₁、L₂、两个开关管T₁、T₂、两个箝位二极管D₁、D₂和两个箝位电容C₁、C₂构成，其中：

储能电感L_b的一端与电源V_in的正极相连，储能电感L_b的另一端与三绕组耦合电感的绕组一L₁的一端和三绕组耦合电感的绕组二L₂的一端相连，三绕组耦合电感的绕组一L₁的另一端与第一开关管T₁的漏极和第一箝位二极管D₁的阳极相连，三绕组耦合电感的绕组二L₂的另一端与第二开关管T₂的漏极和第一箝位电容C₁的的一端相连，第一箝位电容C₁的另一端与第一箝位二极管D₁的阴极和第二箝位二极管D₂的阳极相连，第二箝位二极管D₂的阴极与第二箝位电容C₂的一端相连，第二箝位电容C₂的另一端、第一开关管T₁的源极、第二开关管T₂的源极、电源V_in的负极相连，三绕组耦合电感绕组一L₁的第一端和三绕组耦合电感绕组二L₂的第二端是同名端；

倍压电路单元由两个续流二极管D₃、D₄、两个举升电容C₃、C₄和三绕组耦合电感的绕组三L₃构成，其中：

第一续流二极管D₃的阳极、第二箝位二极管D₄的阴极、第二箝位电容C₂的一端、第一举升电容C₃的一端相连，三绕组耦合电感的绕组三L₃的第一端与第一续流二极管D₃的阴极和第二续流二极管D₄的阳极相连，三绕组耦合电感的绕组三L₃的第二端与第一举升电容C₃的另一端和第二举升电容C₄的第一端相连，第二举升电容C₄的第二端与第二续流二极管D₄的阴极和输出的正极相连，输出与输入V_in共地，三绕组耦合电感的绕组三L₃的第二端、绕组一L₁的第一端、绕组二L₂的第二端是同名端。

三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器在一个开关周期内有四种工作过程，即第一开关管T₁、第二开关管T₂开通，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；第一开关管T₁关断与第一箝位二极管D₁开通和第二续流二极管D₄开通之间的换流；第一开关管T₁开通与第一箝位二极管D₁关断和第二续流二极管D₄关断之间的换流；第二开关管T₂关断与第二箝位二极管D₂开通和第一续流二极管D₃开通的换流过程。

第一开关管T₁、第二开关管T₂开通，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：

电源V_in和储能电感L_b给三绕组耦合电感的绕组一L₁、绕组二L₂充能，第二箝位电容C₂、第一举升电容C₃、第二举升电容C₄向负载提供能量，流经开关管T₁、T₂的电流从零以一定斜率线性上升。

第一开关管T₁关断与第一箝位二极管D₁开通和第二续流二极管D₄开通之间的换流：

电源V_in、储能电感L_b一方面和三绕组耦合电感绕组一L₁通过第一箝位二极管D₁给第一箝位电容C₁提供能量，另一方面继续给三绕组耦合电感绕组二L₂充电，存储于三绕组耦合电感绕组三L₃中的能量通过第二续流二极管D₄传输给第二举升电容C₄，第二箝位电容C₂、第一举升电容C₃、第二举升电容C₄向负载提供能量；流经三绕组耦合电感绕组一L₁的电流线性下降。

第一开关管T₁开通与第一箝位二极管D₁关断和第二续流二极管D₄关断之间的换流：

工作状况和工作过程一相同。

第二开关管T₂关断与第二箝位二极管D₂开通和第一续流二极管D₃开通的换流过程：

电源V_in、储能电感L_b一方面和三绕组耦合电感绕组二L₂通过第二箝位二极管D₂给第二箝位电容C₂提供能量，另一方面继续给三绕组耦合电感绕组一L₁充电，存储于三绕组耦合电感绕组三L₃中的能量通过第一续流二极管D₃传输给第一举升电容C₃，第二箝位电容C₂、第一举升电容C₃、第二举升电容C₄向负载提供能量；流经三绕组耦合电感绕组二L₂的电流线性下降。

Claims (1)

1.一种三绕组耦合电感实现高增益高效率升压型变换器，包括交错并联Boost改进型升压电路单元和倍压电路单元，其特征在于：

变换器中的交错并联Boost改进型电路单元由一个储能电感L_b、三绕组耦合电感的两个绕组L₁、L₂、两个开关管T₁、T₂、两个箝位二极管D₁、D₂和两个箝位电容C₁、C₂构成，其中：

储能电感L_b的一端与电源V_in的正极相连，储能电感L_b的另一端与三绕组耦合电感的绕组一L₁的一端和三绕组耦合电感的绕组二L₂的一端相连，三绕组耦合电感的绕组一L₁的另一端与第一开关管T₁的漏极和第一箝位二极管D₁的阳极相连，三绕组耦合电感的绕组二L₂的另一端与第二开关管T₂的漏极和第一箝位电容C₁的的一端相连，第一箝位电容C₁的另一端与第一箝位二极管D₁的阴极和第二箝位二极管D₂的阳极相连，第二箝位二极管D₂的阴极与第二箝位电容C₂的一端相连，第二箝位电容C₂的另一端、第一开关管T₁的源极、第二开关管T₂的源极、电源V_in的负极相连，三绕组耦合电感绕组一L₁的第一端和三绕组耦合电感绕组二L₂的第二端是同名端；

倍压电路单元由两个续流二极管D₃、D₄、两个举升电容C₃、C₄和三绕组耦合电感的绕组三L₃构成，其中：

第一续流二极管D₃的阳极、第二箝位二极管D₄的阴极、第二箝位电容C₂的一端、第一举升电容C₃的一端相连，三绕组耦合电感的绕组三L₃的第一端与第一续流二极管D₃的阴极和第二续流二极管D₄的阳极相连，三绕组耦合电感的绕组三L₃的第二端与第一举升电容C₃的另一端和第二举升电容C₄的第一端相连，第二举升电容C₄的第二端与第二续流二极管D₄的阴极和输出的正极相连，输出与输入V_in共地，三绕组耦合电感的绕组三L₃的第二端、绕组一L₁的第一端、绕组二L₂的第二端是同名端。

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