CN203457047U - 一种四开关升降压直流变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种四开关升降压直流变换器，包括直流电压输入回路和直流电压输出回路，所述直流电压输入回路由输入源、第一开关管S₁和第二开关管S₂构成；所述直流电压输出回路由第三开关管S₃、第四开关管S₄和负载R_o构成，所述直流电压输入回路和直流电压输出回路之间通过电感L₁连接，其中，所述第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和/或第四开关管S₄的两端并联有续流二极管。本实用新型提供的四开关升降压直流变换器，通过在同步整流开关管两端并联二极管并结合适当的控制方式，可以降低同步整流开关管体二极管反向恢复的影响，从而减小损耗、提高变换器的效率。

Description

一种四开关升降压直流变换器

技术领域

本实用新型涉及一种直流变换器，尤其涉及一种四开关升降压直流变换器，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

升降压直流变换器在光伏发电系统、可再生能源供电系统、蓄电池充放电等电压宽范围变化的场合具有广泛的应用前景。在光伏发电系统中，由于光伏电池的输出电压随外界环境条件的变化存在较大范围的波动，因此前级直流-直流变换器(光伏优化器)需要适应宽范围变化输入电压的要求。

传统的单开关管升降压直流变换器，如Buck/Boost、Flyback、SEPIC和Cuk变换器等，虽然能够实现升降压变换的功能，但它们存在诸如器件应力高、体积重量大、输入输出反极性等问题，限制了它们在某些场合的应用。

请参见图1，现有的四开关升降压直流变换器只使用一个电感L₁，拓扑结构简洁、功率密度高，在光伏发电等新能源系统中获得较为广泛的应用。然而，由于同步整流管体二极管的反向恢复特性较差，在开关管关断时因体二极管的反向恢复问题会产生较大的电压尖峰并会降低变换器的变换效率。此外，由于同步整流方式会大幅减小开关器件的导通损耗，从而比较适用于低压大电流的应用场合，而在小功率、低电流情况下优势并不明显。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种四开关升降压直流变换器，能够提高变换器的变换效率，且结构简单，工作可靠，易于实施。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种四开关升降压直流变换器，包括直流电压输入回路和直流电压输出回路，所述直流电压输入回路由输入源、第一开关管S₁和第二开关管S₂构成；所述直流电压输出回路由第三开关管S₃、第四开关管S₄和负载R_o构成，所述直流电压输入回路和直流电压输出回路之间通过电感L₁连接，其中，所述第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和/或第四开关管S₄的两端并联有续流二极管。

上述的四开关升降压直流变换器，其中，所述第二开关管S₂的两端并联有第一二极管D₁，所述第三开关管S₃的两端并联有第二二极管D₂；所述输入源的正极连于第一开关管S₁的漏极，所述第一开关管S₁的源极连于第二开关管S₂的漏极、第一二极管D₁的阴极和第一电感L₁的一端，所述第一电感L₁的另一端连于第三开关管S₃的源极、第二二极管D₂的阳极和第四开关管S₄的漏极，所述第三开关管S₃的漏极连于第二二极管D₂的阴极和负载R_o的一端，所述负载R_o的另一端连于第四开关管S₄的源极、第二开关管S₂的源极、第一二极管D₁的阳极和输入源的负极。

上述的四开关升降压直流变换器，其中，所述第一二极管D₁和第二二极管D₂为肖特基二极管。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型提供的四开关升降压直流变换器，通过在开关管两端并联续流二极管，并根据功率大小分别工作在电感电流连续模式或电感电流断续模式，从而大大提高变换器的变换效率，且结构简单，工作可靠，易于实施。此外，本实用新型进一步选取肖特基二极管等反向恢复特性较好的二极管，在同步整流管关断时，由该二极管代替开关管体二极管续流，可以极大改善体二极管的反向恢复问题。

附图说明

图1是现有四开关升降压直流变换器电路原理图；

图2是本实用新型四开关升降压直流变换器电路原理图；

图3是本实用新型四开关升降压直流变换器在二极管续流模式下的等效电路图；

图4是本实用新型四开关升降压直流变换器在同步整流、Buck模式时各开关模态下的等效电路图；

图5是本实用新型四开关升降压直流变换器在二极管续流、Buck模式时各开关模态下的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明。

图2是本实用新型四开关升降压直流变换器电路原理图。

请参见图2，本实用新型提供的四开关升降压直流变换器由输入源V_in、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、电感L₁和负载R_o构成，其中，输入源V_in的正极连于第一开关管S₁的漏极，第一开关管S₁的源极连于第二开关管S₂的漏极、第一二极管D₁的阴极和电感L₁的一端，电感L₁的另一端连于第三开关管S₃的源极、第二二极管D₂的阳极和第四开关管S₄的漏极，第三开关管S₃的漏极连于第二二极管D₂的阴极和负载R_o的一端，负载R_o的另一端连于第四开关管S₄的源极、第二开关管S₂的源极、第一二极管D₁的阳极和输入源V_in的负极。

本实用新型提供的四开关升降压直流变换器，其新加入的二极管分别与第二开关管S₂和第三开关管S₃并联的第一二极管D₁和第二二极管D₂，应选取肖特基二极管等反向恢复特性较好的二极管。在同步整流管关断时，由该二极管代替开关管体二极管续流，可以极大改善体二极管的反向恢复问题。

本实用新型还提供一种上述四开关升降压直流变换器的控制方法，其中，包括如下步骤：当变换器功率较大、流经第二开关管S₂和第三开关管S₃电流较大，超出预设阈值时，变换器工作在电感电流连续模式，所述第一开关管S₁和第二开关管S₂互补导通，第三开关管S₃和第四开关管S₄互补导通；当变换器功率较小、流经第二开关管S₂和第三开关管S₃电流小于预设阈值时，变换器工作在电感电流断续模式，保持第二开关管S₂和第三开关管S₃关断，并分别通过第一二极管D₁和第二二极管D₂续流，以提高变换器的变换效率。

下面继续结合附图3～5，来说明本实用新型改进型四开关升降压变换器的工作过程。根据控制方式的不同，分为同步整流和二极管续流两种工作模式。

同步整流模式下，本实用新型改进型四开关升降压变换器与传统四开关升降压变换器工作原理一致，所不同的是在同步整流开关管第二开关管S₂和第三开关管S₃关断瞬间，不经其各自的二极管续流，而是分别由外加的第一二极管D₁和第二二极管D₂续流。

二极管续流模式下，本实用新型改进型四开关升降压变换器在Boost和Buck模式下的等效电路图分别如附图3(a)和附图3(b)所示。

以Buck模式为例，详细介绍变换器的工作模态，此时，第三开关管S₃保持直通，第四开关管S₄保持关断，第二二极管D₂被第三开关管S₃短路。i_L1为流经第一电感L₁的电流，d₁为第一开关管S₁的占空比。

(1)同步整流

当变换器功率较大、电感电流连续时，各开关桥臂上的开关管互补导通，此时第二开关管S₂工作在同步整流模式。

工作模态1，如图4(a)所示：S₁开通，S₂关断，i_L1满足：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_o}{L_1}---\left(1\right)$

工作模态2，如图4(b)所示：S₁关断，S₂导通，i_L1满足：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{{-V}_o}{L_1}---\left(2\right)$

由电感伏秒平衡原理，整理式(1)和式(2)，可以得到输入、输出电压关系：

V_o=d₁V_in     (3)

需要注意的是，在开关管S₂关断瞬间，通过二极管D₁续流。由于二极管D₁的反向恢复特性优于开关管的体二极管，从而可以减少损耗、提高变换器的效率。

(2)二极管续流

当变换器功率较小、电感电流断续时，各开关桥臂上的开关管不再互补导通，此时第二开关管S₂保持关断，通过第一二极管D₁续流。

工作模态1，如图5(a)所示：S₁开通，占空比为d₁，S₂关断，D₁反向截止，i_L1满足：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_o}{L_1}---\left(4\right)$

工作模态2，如图5(b)所示：S₁关断，S₂关断，D₁正向导通续流，占空比为d′₁，i_L1满足：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{{-V}_o}{L_1}---\left(5\right)$

工作模态3，如图5(c)所示：S₁关断，S₂关断，D₁截止，i_L1满足：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=0---\left(6\right)$

由电感伏秒平衡原理，整理式(4)、式(5)和式(6)，可以得到输入、输出电压关系：

$V_o=\frac{d_1{V}_{\mathrm{in}}}{d_1+d_1^{\′}}---\left(7\right)$

采用上述控制方式，可以保证在电流较小时由反向恢复特性更好的二极管代替同步整流管的体二极管，实现较高的变换效率。

综上所述，本实用新型提供的四开关升降压直流变换器，通过在开关管两端并联续流二极管，并根据功率大小分别工作在电感电流连续模式或电感电流断续模式，从而大大提高变换器的变换效率，且结构简单，工作可靠，易于实施。具体优点如下：(1)输入输出可以实现宽范围升降压变换；(2)在功率较大、电感电流连续时，同一桥臂的两个开关管互补导通实现同步整流，同步整流管关断时由新增二极管续流，损耗小、变换效率高；(3)在功率较小、电感电流断续时，同步整流管保持关断并由新增二极管代替，降低开关管体二极管反向恢复的影响，损耗小、变换效率高。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，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，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (3)

1.一种四开关升降压直流变换器，包括直流电压输入回路和直流电压输出回路，所述直流电压输入回路由输入源、第一开关管S1 和第二开关管S2 构成；所述直流电压输出回路由第三开关管S3、第四开关管S4 和负载Ro 构成，所述直流电压输入回路和直流电压输出回路之间通过电感L1 连接，其特征在于，所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3 和/或第四开关管S4 的两端并联有续流二极管。

2.如权利要求1 所述的四开关升降压直流变换器，其特征在于，所述第二开关管S2 的两端并联有第一二极管D1，所述第三开关管S3 的两端并联有第二二极管D2；所述输入源的正极连于第一开关管S1 的漏极，所述第一开关管S1 的源极连于第二开关管S2 的漏极、第一二极管D1 的阴极和第一电感L1 的一端，所述第一电感L1 的另一端连于第三开关管S3 的源极、第二二极管D2 的阳极和第四开关管S4 的漏极，所述第三开关管S3 的漏极连于第二二极管D2 的阴极和负载Ro的一端，所述负载Ro 的另一端连于第四开关管S4 的源极、第二开关管S2 的源极、第一二极管D1 的阳极和输入源的负极。

3.如权利要求2 所述的四开关升降压直流变换器，其特征在于，所述第一二极管D1 和第二二极管D2 为肖特基二极管。

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