CN203911754U - 一种交错并联零电压关断高增益dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关S₁、第二功率开关S₂、第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2。第一电感L₁输入端、第二电感L₂输入端连接输入电源U_in的正极，第一电感L₁输出端、第二电感L₂输出端分别连接第一功率开关S₁的漏极、第二功率开关S₂的漏极，第一功率开关S₁的源极、第二功率开关S₂的源极连接输入电源U_in的负极，第一功率开关S₁的栅极、第二功率开关S₂的栅极分别连接各自的控制器，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂的驱动相位之间相差180°。本实用新型变换器开关器件电压应力低，整体工作效率和功率密度较高。

Description

一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器

技术领域

本实用新型一种DC/DC变换器，特别是一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器。

背景技术

传统升压型（Boost）交错并联变换器包括：两个电感、两个功率开关管、两个输出二极管。其中，第一个电感的输入端与第二个电感的输入端一起连接输入电源的正极、输出端接第一个输出二极管的阳极，第一个二极管的阴极与第二个二极管的阴极一起接变换器输出端的正极；在第一电感和第一个二极管的阳极之间接第一功率开关的漏极，第一功率开关源极接变换器的负极；第二个电感的输出端接第二个输出二极管的阳极，在第二电感和第二个二极管的阳极之间接第二功率开关的漏极，第二功率开关源极接变换器的负极。这种变换器一方面输出电压增益较小，另一方面功率开关管、二极管的电压应力高，损耗较大，且开关管和二极管均工作在硬开关模式下，开关损耗大。近年来，相继出现了一些具有高增益升压和软开关能力的电路拓扑，主要实现方式通常有两种：第一种借助于耦合电感的方式，通常存在EMI较大及电压应力高的问题；第二种借助于有源箝位的方式，这种方式的电路控制方案较复杂，器件也较多，成本较高。

发明内容

为解决现有技术在高升压应用场合中，能量转换效率低、开关管和二极管电压应力大、软开关电路复杂等问题，本实用新型提供一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器，该变换器电路拓扑简单、控制方便、无耦合电感；且开关管实现了零电压关断，开关器件电压应力低，整体工作效率和功率密度较高。

本实用新型采取的技术方案为：一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关S₁、第二功率开关S₂、第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2。第一电感L₁输入端、第二电感L₂输入端连接输入电源U_in的正极，第一电感L₁输出端、第二电感L₂输出端分别连接第一功率开关S₁的漏极、第二功率开关S₂的漏极，第一功率开关S₁的源极、第二功率开关S₂的源极连接输入电源U_in的负极，第一功率开关S₁的栅极、第二功率开关S₂的栅极分别连接各自的控制器，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂的驱动相位之间相差180°。第一电感L₁输出端、第二电感L₂输出端连接倍压增益电路的一端，倍压增益电路的另一端连接零电压关断辅助电路的一端，零电压关断辅助电路的另一端连接滤波电容C₀一端，滤波电容C₀另一端连接输入电源U_in的负极。所述零电压关断辅助电路一端与另一端之间连接有第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2。

所述零电压关断辅助电路包括辅助电容C_a1、辅助电容C_a2、辅助二极管D_a1、辅助二极管D_a2、辅助二极管D_a3、辅助二极管D_a4，辅助电容C_a2一端连接辅助二极管D_a3阳极，辅助二极管D_a3阴极连接辅助二极管D_a2阳极，辅助电容C_a2另一端连接辅助二极管D_a4阳极；辅助电容C_a1一端连接辅助二极管D_a1阳极，辅助二极管D_a1阴极连接辅助二极管D_a4阳极，辅助电容C_a1另一端连接辅助二极管D_a2阳极；

所述倍压增益电路包括多个倍压单元：第1个倍压单元、第2个倍压单元、第3个倍压单元……第n个倍压单元。每一个倍压单元包括第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容，第一电容一端连接第一二极管阳极，第一二极管阴极连接第二电容另一端，第一电容另一端连接第二二极管阴极，第二二极管阳极连接第二电容一端。所述第一电容一端、第二电容一端、第二电容另一端、第一电容另一端构成该倍压单元的：第一接口、第二接口、第三接口、第四接口。所述第一电感L₁的输出端连接第n个倍压单元的第二接口，第二电感L₂的输出端连接第n个倍压单元的第一接口，第n个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布连接第n-1个倍压单元的第二个接口和第一个接口，第n-1个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布连接第n-2个倍压单元的第二个接口和第一个接口，依次类推：第1个倍压单元的第三个接口连接辅助电容C_a2的一端、辅助二极管D_a3的阳极、以及输出二极管D_o2的阳极。 第1个倍压单元的第四个接口连接辅助电容C_a1的一端、辅助二极管D_a1的阳极及输出二极管D_o1的阳极。

辅助电容C_a1的另一端、辅助二极管D_a3的阴极及辅助二极管D_a2的阳极相连；

辅助电容C_a2的另一端、辅助二极管D_a1的阴极及辅助二极管D_a4的阳极相连；

辅助二极管D_a2、辅助二极管D_a4的阴极、第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2的阴极与滤波电容C₀的一端相连，滤波电容C₀的另一端连接输入电源U_in的负极。

本实用新型一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器，有益效果如下：

1）、本实用新型不改变原交错并联Boost变换器的控制策略及驱动电路实现方式，具有控制系统设计简单、驱动电路实现容易的特点。

2）、与现有方案相比，本实用新型不存在耦合电感，EMI小，不存在变压器，开关器件的电压应力较低。

3）、开关零电压关断可以有效降低开关管的开关损耗，变换器工作效率较高。

4）、通过倍压单元增加变换器输入输出增益，通过零电压关断辅助电路实现开关管的零电压关断。

附图说明

图1为包含一个倍压单元的一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器电路图。

图2为包含n个倍压单元的一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器电路图。

图3为零电压关断辅助电路电路图。

图4为一个倍压单元电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器，包括低压输入电源U_in和DC/DC升压电路组成。所述交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器包含：第一电感L₁、第二电感L₂，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂，第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2、1个零电压关断辅助电路：和1个倍压单元。

零电压关断辅助电路包括辅助电容C_a1、辅助电容C_a2、辅助二极管D_a1、辅助二极管D_a2、辅助二极管D_a3、辅助二极管D_a4，辅助电容C_a2一端连接辅助二极管D_a3阳极，辅助二极管D_a3阴极连接辅助二极管D_a2阳极，辅助电容C_a2另一端连接辅助二极管D_a4阳极；辅助电容C_a1一端连接辅助二极管D_a1阳极，辅助二极管D_a1阴极连接辅助二极管D_a4阳极，辅助电容C_a1另一端连接辅助二极管D_a2阳极。

1个倍压单元包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电容C₁、第二电容C₂，第一电容C₁一端连接第一二极管D₁阳极，第一二极管D₁阴极连接第二电容C₂另一端，第一电容C₁另一端连接第二二极管D₂阴极，第二二极管D₂阳极连接第二电容C₂一端。

第一电感L₁的输入端接输入电源的正极，输出端接第一个倍压单元的第一接口即电容C₁的左端和二极管D₁的阳极，C₁的另一端与该倍压单元的第四端口相连(即二极管D₂的阴极)，第一个倍压单元的第四接口与辅助单元中辅助二极管D_a1、辅助电容C_a1及输出二极管D_o1的阳极相连，二极管D _o1的阴极连接变换器输出端的正极即输出滤波电容C_o的正极；在第一电感L₁、第一个倍压单元的第一接口结点和变换器的负极之间接第一功率开关S₁的漏极，第一功率开关S₁源极接变换器的负极；

第二电感L₂的输入端接输入电源Uin的正极，第二电感L₂的输出端接第1个倍压单元的第二接口：即电容C₂的一端和二极管D₂的阳极，电容C₂的另一端与该倍压单元的第三端口相连，即二极管D₁的阴极，第1个倍压单元的第三接口与辅助二极管D_a3、辅助电容C_a2及第二输出二极管D_o2的阳极相连，第二输出二极管D_o2的阴极连接变换器输出端的正极，即输出滤波电容C_o的正极。在第二电感L₂、第1个倍压单元的第二接口和变换器的负极之间接第二功率开关S₂的漏极，第二功率开关S₂源极接变换器的负极；变换器输出端的正极和负极之间还接有输出滤波电容C_o。

零电压关断辅助电路中，辅助二极管的D_a1阴极接辅助电容C_a2的右端及辅助二极管D_a4的阳极，辅助二极管的D_a3阴极接辅助电容C_a1的右端及辅助二极管D_a2的阳极，辅助二极管D_a2、辅助二极管D_a4的阴极与第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2的阴极及输出滤波电容C_o的正极相连。

根据变换器开关切换状态的不同，可以分为四种工作过程，分别是：第一功率开关S₁开通到关断的过程，第一功率开关S₁关断到开通的过程；第二功率开关S₂开通到关断的过程，第二功率开关S₂关断到开通的过程。因两个开关管开关切换过程类似，因此仅以第一功率开关为例说明，具体如下：

1）、第一功率开关S₁开通到关断的过程：在第一功率开关S₁关断之前，第一功率开关S₁和第二功率开关S₂均处于导通状态。此时二极管D₁、D₂、D_a1、D_a2、D_a3、D_a4、D_o1、D_o2均处于关断状态，倍压单元上电容C₁、电容C₂端电压均为u _o/2，辅助电容C_a1端电压为u _o/2，辅助电容C_a2端电压为0，当第一功率开关S₁关断时，第一电感L₁的部分电流通过倍压单元上电容C₁、辅助二极管D_a1以及第二功率开关S₂向辅助电容C_a2充电，同时另外一部分第一电感L₁的电流通过倍压单元上电容C₁、辅助电容C_a1、辅助二极管D_a2向输出滤波电容C_o及负载供电，该过程中辅助电容C_a1处于放电状态，第一功率开关S₁端电压上升速度在辅助电容C_a1、辅助电容C_a2的作用下被限制，其上升速度与辅助电容C_a1端电压上升速度及辅助电容C_a2端电压下降速度一致。因此，第一功率开关S₁实现了零电压关断，该过程持续到辅助电容C_a1端电压下降至0及电容C_a2端电压上升至u _o/2结束。

2）、第一功率开关S₁关断到开通的过程：在第一功率开关S₁导通之前，第二功率开关S₂处于导通状态，二极管D₁、D_o1处于导通状态，二极管D₂、D_a1、D_a2、D_a3、D_a4、D_o2均处于关断状态，倍压单元上电容C₁、C₂端电压均为u _o/2，辅助电容C_a1端电压为0，辅助电容C_a2端电压为u _o/2。当第一功率开关S₁导通时，二极管D₁、D_o1关断，倍压单元上电容C₁停止放电，输入电源通过第一功率开关S₁向第一电感L₁充电，辅助单元中电容电压保持不变。

在本发明的具体实施方式中，功率开关根据系统中所需直流母线电压的不同，而选择不同电压应力的开关器件。值得注意的是，开关管和所有二极管的电压应力均只有高压直流母线的二分之一。

本发明使用的功率开关为开关器件，功率开关的开启与关闭受到控制器的控制，上述的2倍高增益升压电路，由控制器控制两相功率开关的占空比每相之间相位相差180°。其各相占空比大小根据输入输出关系决定。所述的零电压关断交错并联高增益DC/DC变换器相比于基本的交错并联Boost升压变换器具有2倍的增益比，且所有开关管均实现了零电压关断。该变换器输入端连接电压供电模块(光伏电池、燃料电池等)，输出电压为可控的高压直流电。

综上所述，该电路拓扑结构简单，升压能力强，开关损耗低，适合应用于一些输入输出电压差较大的场合。

实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而采用了具有一个倍压单元的零电压关断交错并联高增益DC/DC变换器，在实际的应用中，可以根据具体应用进行调节。

Claims (3)

1.一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关S₁、第二功率开关S₂、第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2，其特征在于，第一电感L₁输入端、第二电感L₂输入端连接输入电源U_in的正极，第一电感L₁输出端、第二电感L₂输出端分别连接第一功率开关S₁的漏极、第二功率开关S₂的漏极，第一功率开关S₁的源极、第二功率开关S₂的源极连接输入电源U_in的负极，第一功率开关S₁的栅极、第二功率开关S₂的栅极分别连接各自的控制器，第一功率开关S₁、第二功率开关S₂的驱动相位之间相差180°；

第一电感L₁输出端、第二电感L₂输出端连接倍压增益电路的一端，倍压增益电路的另一端连接零电压关断辅助电路的一端，零电压关断辅助电路的另一端连接滤波电容C₀一端，滤波电容C₀另一端连接输入电源U_in的负极；

所述零电压关断辅助电路一端与另一端之间连接有第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2。

2.根据权利要求1所述一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器，其特征在于， 所述零电压关断辅助电路包括辅助电容C_a1、辅助电容C_a2、辅助二极管D_a1、辅助二极管D_a2、辅助二极管D_a3、辅助二极管D_a4，辅助电容C_a2一端连接辅助二极管D_a3阳极，辅助二极管D_a3阴极连接辅助二极管D_a2阳极，辅助电容C_a2另一端连接辅助二极管D_a4阳极；辅助电容C_a1一端连接辅助二极管D_a1阳极，辅助二极管D_a1阴极连接辅助二极管D_a4阳极，辅助电容C_a1另一端连接辅助二极管D_a2阳极；所述倍压增益电路包括多个倍压单元：第1个倍压单元、第2个倍压单元、第3个倍压单元……第n个倍压单元；每一个倍压单元包括第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容，第一电容一端连接第一二极管阳极，第一二极管阴极连接第二电容另一端，第一电容另一端连接第二二极管阴极，第二二极管阳极连接第二电容一端；

所述第一电容一端、第二电容一端、第二电容另一端、第一电容另一端构成该倍压单元的：第一接口、第二接口、第三接口、第四接口。

3.根据权利要求2所述一种交错并联零电压关断高增益DC/DC变换器，其特征在于，所述第一电感L₁的输出端连接第n个倍压单元的第二接口，第二电感L₂的输出端连接第n个倍压单元的第一接口，第n个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布连接第n-1个倍压单元的第二个接口和第一个接口，第n-1个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布连接第n-2个倍压单元的第二个接口和第一个接口，依次类推：第1个倍压单元的第三个接口连接辅助电容C_a2的一端、辅助二极管D_a3的阳极、以及输出二极管D_o2的阳极； 

  第1个倍压单元的第四个接口连接辅助电容C_a1的一端、辅助二极管D_a1的阳极及输出二极管D_o1的阳极；

辅助电容C_a1的另一端、辅助二极管D_a3的阴极及辅助二极管D_a2的阳极相连；

辅助电容C_a2的另一端、辅助二极管D_a1的阴极及辅助二极管D_a4的阳极相连；

辅助二极管D_a2、辅助二极管D_a4的阴极、第一输出二极管D_o1、第二输出二极管D_o2的阴极与滤波电容C₀的一端相连，滤波电容C₀的另一端连接输入电源U_in的负极。