CN203942447U - 一种zvt交错并联高增益式dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，包括第一耦合电感、第二耦合电感、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第一箝位开关S_a1、第二箝位开关S_a2、第一箝位电容C_a1、第二箝位电容C_a2，输出二极管D₀。第一耦合电感次级绕组的输出端、第二耦合电感次级绕组的输出端均连接倍压增益电路，倍压增益电路连接输出二极管D₀阳极，输出二极管D₀阴极连接滤波电容C₀一端、滤波电容C₀另一端连接输入电源V_in的负极。本实用新型变换器输入电流纹波小、且同时具有高增益能力和软开关能力。与现有的高增益DC/DC变换器相比，本实用新型电路拓扑简单，可以大幅降低开关器件的电压应力，变换器整体工作效率得到了提高。

Description

一种ZVT交错并联高增益式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ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器。

背景技术

基本的升压型（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管的漏极，第一功率开关管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管的漏极，第二功率开关管源极接变换器的负极。这种基本升压型交错并联变换器输出电压增益较小，且功率开关管和二极管的电压应力均为输出电压，所以损耗也较大。此外开关管和二极管均工作在硬开关模式下，开关损耗和二极管的反向恢复损耗较大。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，主要有两种。第一种借助于耦合电感和有源箝位的方式，这种方式一方面增加了原变换器增益，另一方面也实现了软开关工作，但由于需要考虑到多相均流的问题，电路控制方案较复杂。第二种是在现有高增益变换器的基础上，通过附加二极管、电感和电容等器件实现软开关，这种方案一般外加电路复杂，成本较高。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型提供一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，该变换器输入电流纹波小、且同时具有高增益能力和软开关能力。与现有的高增益DC/DC变换器相比，本实用新型电路拓扑简单，并且可以大幅降低开关器件的电压应力，变换器整体工作效率得到了提高。

本实用新型采取的技术方案为：一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，包括第一耦合电感、第二耦合电感、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第一箝位开关S_a1、第二箝位开关S_a2、第一箝位电容C_a1、第二箝位电容C_a2，输出二极管D₀

第一耦合电感初级绕组的输入端、第二耦合电感初级绕组的输入端连接输入电源V_in的正极，第一耦合电感初级绕组的输出端连接第一功率开关管S₁漏极、第一箝位开关S_a1源极，第二耦合电感初级绕组的输出端连接第二功率开关管S₂漏极、第二箝位开关S_a2源极。第一箝位开关S_a1漏极连接第一箝位电容C_a1一端，第二箝位开关S_a2漏极连接第二箝位电容_Ca2一端。第一箝位电容C_a1的另一端、第二箝位电容C_a2的另一端、第一功率开关管S₁源极、第二功率开关管S₂源极连接输入电源V_in的负极。第一功率开关管S₁栅极、第二功率开关管S₂栅极分别连接一控制器，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的驱动相位之间相差180°。

第一耦合电感初级绕组的输出端连接第一耦合电感次级绕组的输入端，第二耦合电感初级绕组的输出端连接第二耦合电感次级绕组的输入端。第一耦合电感次级绕组的输出端、第二耦合电感次级绕组的输出端均连接倍压增益电路，倍压增益电路连接输出二极管D₀阳极，输出二极管D₀阴极连接滤波电容C₀一端、滤波电容C₀另一端连接输入电源V_in的负极。

所述倍压增益电路包括n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，每一个倍压单元由二极管D、电容C连接构成，第一端口①连接电容C一端，电容C另一端与二极管D阴极连接点构成第二端口②，二极管D阳极为第三端口③。

所述倍压增益电路：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， n为自然数，取值范围                                                ，即：第n个倍压单元的第一端口接第n－1个倍压单元的第三端口，第n个倍压单元的第三端口接第n－1个倍压单元的第二端口，以此类推，一直到第1个倍压单元。

所述第一耦合电感初级绕组的输入端，等效为漏感L_k1的输入端；第二耦合电感初级绕组的输入端，等效为漏感L_k2的输入端；第一耦合电感初级绕组的输出端，等效为激磁电感L_m1的输出端；第二耦合电感初级绕组的输出端，等效为激磁电感L_m2的输出端。

本实用新型一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，有益效果如下：

1）、本实用新型利用n倍压单元，不仅可以实现变换器的高增益输出，而且解决了普通交错并联Boost变换器中各个输入相电流需要均流的问题，且降低了有源开关和二极管的电压应力。

2）、本实用新型中耦合电感：一方面可以进一步提高输入输出增益，另一方面借助于耦合电感的漏感、箝位开关和箝位电容，不仅无损的吸收和转移了漏感能量，同时实现了所有开关管的软开关和二极管的零电流关断，可以提高了变换器的工作效率和功率密度，且无需额外的电感元件，节约了成本。

3）、每一个变换器根据应用场合不同，可以设计采用不同匝数比的耦合电感及不同数量的倍压单元，扩展了所提变换器的应用场合。

4）、本实用新型同时利用耦合电感进一步增加了变换器的输入输出增益，借助于箝位开关、箝位电容组成的串联电路，无损的吸收和转移耦合电感的漏感能量，并实现了所有开关管的零电压开通和零电压关断，所有二极管的零电流关断。电路中每增加一个倍压单元都可在原电路的增益基础之上提高一倍的基础增益。

附图说明

图1为包括一个倍压单元的ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器电路图。

图2为包括n个倍压单元的ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器电路图。

图3为倍压单元电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种ZVT交错并联高增益DC/DC变换器，包含：第一耦合电感、第二耦合电感，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第一箝位开关S_a1、第二箝位开关S_a2、第一箝位电容C_a1、第二箝位电容C_a2、一个输出二极管D₀和一个倍压单元。 

第一耦合电感初级绕组的输入端、第二耦合电感初级绕组的输入端连接输入电源V_in的正极，第一耦合电感初级绕组的输出端连接第一功率开关管S₁漏极、第一箝位开关S_a1源极，第二耦合电感初级绕组的输出端连接第二功率开关管S₂漏极、第二箝位开关S_a2源极。第一箝位开关S_a1漏极连接第一箝位电容C_a1一端，第二箝位开关S_a2漏极连接第二箝位电容_Ca2一端。第一箝位电容C_a1的另一端、第二箝位电容C_a2的另一端、第一功率开关管S₁源极、第二功率开关管S₂源极连接输入电源V_in的负极。第一功率开关管S₁栅极、第二功率开关管S₂栅极分别连接一控制器，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的驱动相位之间相差180°。第一耦合电感初级绕组的输出端连接第一耦合电感次级绕组的输入端，第二耦合电感初级绕组的输出端连接第二耦合电感次级绕组的输入端。第一耦合电感次级绕组的输出端、第二耦合电感次级绕组的输出端分别连接一个倍压单元的第一个端口、第三个端口，该倍压单元的第二端口连接输出二极管D₀阳极，输出二极管D₀阴极连接滤波电容C₀一端、滤波电容C₀另一端连接输入电源V_in的负极。输出二极管D₀阴极、电容C₀另一端构成本实用新型DC/DC变换器输出端V_out。

其中：所述第一耦合电感初级绕组的输入端，等效为漏感L_k1的输入端；第二耦合电感初级绕组的输入端，等效为漏感L_k2的输入端；第一耦合电感初级绕组的输出端，等效为激磁电感L_m1的输出端；第二耦合电感初级绕组的输出端，等效为激磁电感L_m2的输出端。

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：第一功率开关管S₁关断与第一箝位开关S_a1开通之间的过程，第一箝位开关S_a1关断与第一功率开关管S₁开通之间的过程；第二功率开关管S₂关断与第二箝位开关S_a2开通之间的过程，第二箝位开关S_a2关断与第二功率开关管S₂开通之间的过程。由于电路的对称性，仅以第一功率开关管S₁与第一箝位开关S_a1之间的开关切换过程为例进行分析，具体如下：

（1）、第一功率开关管S₁关断与第一箝位开关S_a1开通之间的切换过程：在该过程之前，第一功率开关管S₁与第二功率开关管S₂均处于导通状态，二极管D₀、D₁均处于关断状态。当第一功率开关管S₁关断时，由于第一功率开关管S₁上的并联电容C_s1的存在，第一功率开关管S₁的端电压u _ds1从零开始以一定速率上升，因此开关S₁实现了零电压关断。当u _ds1上升至一定值时，第一箝位开关S_a1的体二极管导通，第一耦合电感的漏感能量转移到第一箝位电容C_a1上，且在第一箝位开关S_a1的体二极管导通之后，给出第一箝位开关S_a1的门极信号，开关S_a1实现了零电压开通。在这个过程中，二极管D₀导通，第一耦合电感的能量开始向电路的输出端转移。之后电路进入第一功率开关管S₁关断，第一箝位开关S_a1开通，二极管D₀导通的稳定工作状态。

（2）、第一箝位开关S_a1关断与第一功率开关管S₁开通之间的切换过程：在该过程之前，第一功率开关管S₁关断，第一箝位开关S_a1开通，二极管D₀导通，第一耦合电感的漏感、第一箝位电容C_a1处于谐振状态。第一箝位开关S_a1关断时，由于第一功率开关管S₁上的并联电容C_s1的存在，第一箝位开关S_a1的端电压u _dsa1从零开始以一定速率上升，因此开关S_a1实现了零电压关断。之后由于第一耦合电感的漏感与第一功率开关管S₁上的并联电容C_s1谐振，第一功率开关管S₁上的电压u _ds1从一定值开始以一定的斜率下降，当u _ds1下降至0时，第一功率开关管S₁的体二极管导通，之后给出第一功率开关管S₁的门极驱动信号，开关S₁实现了零电压开通。二极管D₀的电流i _D0从一定值开始以一定的斜率下降，当i _D0下降到0时，二极管D₀关断，实现了二极管D₀的零电流关断，其反向恢复电流为0。此后，变换器进入第一功率开关管S₁导通，第一箝位开关S_a1关断，二极管D₀关断的稳定工作状态。

在本实用新型上述的具体实施方式中，功率开关管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，开关管的电压应力均只略高于u _in/(1-D)。

本实用新型使用的功率开关管为开关器件，功率开关管的开启与关闭受到控制器的控制，主开关控制器控制两相功率开关管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。辅助开关的导通信号分别与所对应主开关导通信号互补且两者之间需要留足切换过程所需的时间。所述的ZVT交错并联高增益DC/DC变换器相比于基本的交错并联Boost升压变换器不仅具有高升压能力，且该变换器的两相输入电流自动平衡、所有开关管均实现了软开关、所有二极管均实现了零电流关断。该变换器输入端连接电压供电模块(光伏电池、燃料电池等)，输出电压可控的高压直流电。

上述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ZVT交错并联高增益DC/DC变换器。

在实际的应用中，能够根据实际应用情况合理选择耦合电感匝数比和倍压单元的个数，以达到优化效率和成本的目的。n个倍压单元的ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，如图2所示：第一耦合电感次级绕组的输出端、第二耦合电感次级绕组的输出端均连接倍压增益电路，倍压增益电路连接输出二极管D₀阳极，输出二极管D₀阴极连接滤波电容C₀一端、滤波电容C₀另一端连接输入电源V_in的负极。输出二极管D₀阴极、电容C₀另一端构成本实用新型DC/DC变换器输出端V_out。所述倍压增益电路包括n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，每一个倍压单元由二极管D、电容C连接构成，第一端口①连接电容C一端，电容C另一端与二极管D阴极连接点构成第二端口②，二极管D阳极为第三端口③；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， n为自然数，取值范围，即：第n个倍压单元的第一端口接第n－1个倍压单元的第三端口，第n个倍压单元的第三端口接第n－1个倍压单元的第二端口，以此类推，一直到第1个倍压单元。

本实用新型的所有功率开关管及二极管均实现了软开关，其输入、输出增益可以通过调节第一耦合电感、第二耦合电感的初次级匝数比和倍压单元数量来调节，所述耦合电感的初次级匝数比为1：m。在该具体实施例中，功率开关管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，功率开关管的电压应力均只略高于u _in/(1-D)。

综上所述，该电路拓扑结构简单，升压能力强，转换效率高，适合应用于一些输入输出电压差较大且要求工作效率较高的场合。

Claims (4)

1.一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，包括第一耦合电感、第二耦合电感、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第一箝位开关S_a1、第二箝位开关S_a2、第一箝位电容C_a1、第二箝位电容C_a2，输出二极管D₀，其特征在于，第一耦合电感初级绕组的输入端、第二耦合电感初级绕组的输入端连接输入电源V_in的正极，第一耦合电感初级绕组的输出端连接第一功率开关管S₁漏极、第一箝位开关S_a1源极，第二耦合电感初级绕组的输出端连接第二功率开关管S₂漏极、第二箝位开关S_a2源极；第一箝位开关S_a1漏极连接第一箝位电容C_a1一端，第二箝位开关S_a2漏极连接第二箝位电容_Ca2一端；第一箝位电容C_a1的另一端、第二箝位电容C_a2的另一端、第一功率开关管S₁源极、第二功率开关管S₂源极连接输入电源V_in的负极；第一功率开关管S₁栅极、第二功率开关管S₂栅极分别连接一控制器，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的驱动相位之间相差180°；第一耦合电感初级绕组的输出端连接第一耦合电感次级绕组的输入端，第二耦合电感初级绕组的输出端连接第二耦合电感次级绕组的输入端；第一耦合电感次级绕组的输出端、第二耦合电感次级绕组的输出端均连接倍压增益电路，倍压增益电路连接输出二极管D₀阳极，输出二极管D₀阴极连接滤波电容C₀一端、滤波电容C₀另一端连接输入电源V_in的负极。

2.根据权利要求1所述一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，其特征在于，所述倍压增益电路包括n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，每一个倍压单元由二极管D、电容C连接构成，第一端口①连接电容C一端，电容C另一端与二极管D阴极连接点构成第二端口②，二极管D阳极为第三端口③；

根据权利要求2所述一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，其特征在于，所述倍压增益电路：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， n为自然数，取值范围                                                ，即：第n个倍压单元的第一端口接第n－1个倍压单元的第三端口，第n个倍压单元的第三端口接第n－1个倍压单元的第二端口，以此类推，一直到第1个倍压单元。

3.根据权利要求1所述一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，其特征在于，所述第一耦合电感初级绕组的输入端，等效为漏感L_k1的输入端；

    第二耦合电感初级绕组的输入端，等效为漏感L_k2的输入端；

    第一耦合电感初级绕组的输出端，等效为激磁电感L_m1的输出端；

    第二耦合电感初级绕组的输出端，等效为激磁电感L_m2的输出端。

4.根据权利要求1所述一种ZVT交错并联高增益式DC/DC变换器，其特征在于，所述输入电源V_in采用光伏电池或燃料电池。