CN206294079U - 一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器 - Google Patents

Abstract

一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器，实现两路输入可调高增益，拓扑结构包含两个输入源，两个电感，两个功率开关，两个输出二极管，倍压单元和软开关辅助电路；第一电感和第二电感的输入端分别接两个输入电源的正极，第一电感和第二电感的输出端分别接第一功率开关和第二功率开关的漏极，第一功率开关和第二功率开关的源极接入输入电源的负极；两个功率开关的栅极分别接入各自的控制器；两个功率开关的驱动相位之间相差180°,即采用交错控制策略；电路中的倍压单元可在原电路的增益基础上提高增益倍数，而软开关辅助电路可实现两个功率开关的无损零电压关断。本实用新型电路拓扑不存在变压器和耦合电感，EMI特性好，软开关辅助电路可以实现开关管零电压关断，大幅降低开关管的损耗，提高了变换器整体工作效率。

Description

一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器

技术领域

本实用新型涉及一种DC-DC变换器，具体是一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器。

背景技术

现有技术中，大多是基本的一端口输入升压型(Boost)变换器，其结构较为简单，具备升压能力，但是升压能力不足，开关管导通或关断过程中的导通损耗大，相关器件电压应力大，能量的利用率低，从而导致变换器整体工作效率不高。由于变换器本身结构和升压能力的限制，不足以胜任一些需要多端口输入和输入输出电压差较大的场合，例如:电动汽车系统、光伏并网发电系统等，从而导致应用范围较窄。这些问题引起了越来越多的国内外学者的关注，经过研究提出了相应的拓扑结构或者解决方案。经分析，现有的具有高增益能力的电路拓扑，主要可分为三种：第一种是借助变压器，在原有的DC-DC变换器拓扑结构上添加一个或多个高频变压器，通过改变高频变压器的变比实现高增益升压的目的，但这种方案电能经过了多次转换，整个系统的能量转换效率较低；第二种是采用耦合电感实现高增益升压，耦合电感的使用，能够实现大电压变比，但是存在漏感，并且常会引起开关器件电压应力过高，且会带来电磁干扰等影响。第三种是利用开关电容，尽管这种方案可以实现大变比升压，但是由于开关器件过多，使得电路的控制过于复杂。

发明内容

为解决现有技术中变换器不能多端口输入，升压能力不够，能量转换效率低，开关损耗较大，升压能力不可调等技术问题。本实用新型提供一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器，其电路拓扑不存在变压器和耦合电感，EMI特性好，软开关辅助电路可以实现开关管零电压关断，大幅降低开关管的损耗，提高了变换器整体工作效率。

本实用新型采取的技术方案为：

一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器，包括

两个输入电源V1、V2，两个电感L1、L2，两个功率开关S1、S2，两个输出二极管D₀₁、D₀₂、倍压单元、软开关辅助电路；

第一电感L₁和第二电感L₂的输入端分别接两个电源V₁、V₂的正极，第一电感L₁和第二电感L₂的输出端分别接第一功率开关S₁和第二功率开关的漏极，第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的源极接入电源V₁、V₂的负极；两个功率开关S₁、S₂的栅极分别接入各自的控制器；两个功率开关S₁、S₂的驱动相位之间相差180°，即采用交错控制策略；

第一电感L₁的输出接倍压单元的第一接口，倍压单元的第四接口接软开关辅助电路的第一个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₁接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第四个接口接变换器输出端的正极；第二电感L₂的输出接倍压单元的第二接口，倍压单元的第三接口接软开关辅助电路的第二个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₂接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第三个接口接变换器输出端的正极；变换器输出端的负极与两个输入电源V₁、V₂的负极相连；变换器输出端的正极和负极之间还接有输出滤波电容C₀；

其中，倍压单元由两个二极管和两个电容构成有四个端口的单元，第一个端口经过二极管D₁接第三端口，并且第一端口经电容C₁接第四端口；第二个端口经过二极管D₂接第四端口，并且第二端口经电容C₂接第三端口；

软开关辅助电路由四个二极管和两个电容构成有四个端口的单元，第一个端口经过二极管D_a1、D_a2接第三端口，并且第一端口经电容C_a1、D_a4接第四端口；第二个端口经过二极管D_a3、D_a4接第四端口，并且第二端口经电容C_a2、D_a2接第三端口。

所述倍压单元为n个，n为自然数，取值范围为n≥1。

第一个倍压单元的第四个端口接第二个倍压单元的第一个端口，以此类推，一直到第n个倍压单元；第n个倍压单元的第四个端口接软开关辅助电路的第一个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₁接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第四个接口接变换器输出端的正极；

第一个倍压单元的第三个端口接第二个倍压单元的第二个端口，以此类推，一直到第n个倍压单元；第n个倍压单元的第三接口接软开关辅助电路的第二个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₂接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第三个接口接变换器输出端的正极。

本实用新型一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器，技术效果如下：

1：本发明实现了两路输入高增益，并且两路输入均可调，两输入端口的电压等级可以不一致，实现不同电压等级的接入，扩展了应用范围。

2：本发明加入倍增单元组成高增益升压网络，电路中每增加一个倍压单元，则该电路的增益效果在原有的基础上增加一倍，当有n个倍压单元时，电路的增益比会达到基本电路的(n+1)倍；此电路具有高增益升压能力，每路输出均可控，根据不同应用场合，可以设计不同倍压单元数量的变换器。

3：本电路中加入软开关辅助电路，使得功率开关S₁、S₂均实现了无损零电压关断，减少了开关损耗，提高了工作效率。电路中开关器件的电压应力大幅降低，可选择的范围较广。

4：与现有的高增益升压变换器相比，本发明电路拓扑不含有变压器和耦合电感，EMI特性好，设计简单，采用交错并联控制方法。

附图说明

图1是本实用新型实施方式含有n个倍压单元时的一般电路原理图。

图2是本实用新型ZVT高增益升压变换器一实施例的电路原理图。

图3是本实用新型中采用的单一倍压单元的电路图。

图4是本实用新型中采用的软开关辅助电路的电路图。

具体实施方式

如图2所示，一种两端口输入ZVT高增益升压型直流变换器，由低压输入电源、DC-DC升压电路和软开关辅助电路组成；所述的两端口输入ZVT高增益升压型(Boost)变换器包含两个输入电源V₁、V₂，两个电感L₁、L₂，两个功率开关S₁、S₂，两个输出二极管D₀₁、D₀₂、一个倍压单元以及软开关辅助电路；倍压单元数量可根据实际应用场合来确定。

第一电感L₁和第二电感L₂的输入端分别接两个电源V₁、V₂的正极，第一电感L₁和第二电感L₂的输出端分别接第一功率开关S₁和第二功率开关的漏极，第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的源极接入电源V₁、V₂的负极；两个功率开关S₁、S₂的栅极分别接入各自的控制器；两个功率开关S₁、S₂的驱动相位之间相差180°,即采用交错控制策略；

第一电感L₁的输出接倍压单元的第一接口，倍压单元的第四接口接软开关辅助电路的第一个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₁接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第四个接口接变换器输出端的正极；第二电感L₂的输出接倍压单元的第二接口，倍压单元的第三接口接软开关辅助电路的第二个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₂接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第三个接口接变换器输出端的正极；变换器输出端的负极与两个输入电源V₁、V₂的负极相连；变换器输出端的正极和负极之间还接有输出滤波电容C₀；

如图3所示，倍压单元由两个二极管和两个电容构成有四个端口的单元，第一个端口经过二极管D₁接第三端口，并且第一端口经电容C₁接第四端口；第二个端口经过二极管D₂接第四端口，并且第二端口经电容C₂接第三端口；

参见图4，软开关辅助电路由四个二极管和两个电容构成有四个端口的单元，第一个端口经过二极管D_a1、D_a2接第三端口，并且第一端口经电容C_a1、D_a4接第四端口；第二个端口经过二极管D_a3、D_a4接第四端口，并且第二端口经电容C_a2、D_a2接第三端口；

所述的ZVS高增益升压型变换器相比于基础Boost变换器具有2倍增益比，该变换器的输出电压可控，两路输入均可独立控制。

根据功率开关状态和电路运行过程，可以将电路分为5种工作状态：

(1)模态1：功率开关S₁、S₂均导通，此时低压电源V₁、V₂通过功率开关S₁和功率开关S₂分别向电感L₁和电感L₂充电；二极管D₁、二极管D₂、二极管D₀₁、二极管D₀₂、二极管D_a1、二极管D_a2、二极管D_a2、二极管D_a3、二极管D_a4均关断；

(2)模态2：功率开关S₁导通，功率开关S₂关断，此时低压电源V₁通过功率开关S₁向电感L₁充电，低压电源V₂通过电感L₂、电容C₂、电容C_a2和二极管D_a2向负载供电，同时低压电源V₂通过电感L₂、电容C₂和二极管D_a3给电容C_a1充电，此模态电感L₂、电容C₂、电容C_a2放电，电容Ca1充电，直至电容C_a2的电压下降为0，并且电容C_a1的电压上升为V₁/(1-D₁)，该过程中当开关S₂关断，开关S₂端电压上升速度被电容C_a2限制，其上升速率和电容C_a2端电压下降速度一致，因此开关S₂实现零电压关断；二极管D₁、二极管D₂、二极管D₀₁、二极管D₀₂、二极管D_a1、二极管D_a2、二极管D_a4均关断；

(3)模态3：功率开关S₁导通，功率开关S₂关断，此时低压电源V₁通过功率开关S₁向电感L₁充电；低压电源V₂通过电感L₂和二极管D₂给电容C₁充电，同时低压电源V₂通过电感L₂、电容C₂和二极管D₀₂向负载供电；二极管D₁、二极管D₀₁、二极管D_a1、二极管D_a2、二极管D_a2、二极管D_a3、二极管D_a4均关断；

(4)模态4：功率开关S₂导通，功率开关S₁关断，此时低压电源V₂通过功率开关S₂向电感L₂充电，低压电源V₁通过电感L₁、电容C₁、电容C_a1和二极管D_a4向负载供电，同时低压电源V₁通过电感L₁、电容C₁和二极管D_a1给电容C_a2充电，此模态电感L₁、电容C₁、电容C_a1放电，电容Ca2充电，直至电容C_a1的电压下降为0，并且电容C_a2的电压上升为V₂/(1-D₂)，该过程中当开关S₁关断，开关S₁端电压上升速度被电容C_a1限制，其上升速率和电容C_a1端电压下降速度一致，因此开关S₁实现零电压关断；二极管D₁、二极管D₂、二极管D₀₁、二极管D₀₂、二极管D_a2、二极管D_a2、二极管D_a3均关断；

(5)模态5：功率开关S₂导通，功率开关S₁关断，此时低压电源V₂通过功率开关S₂向电感L₂充电；低压电源V₁通过电感L₁和二极管D₁给电容C₂充电，同时低压电源V₁通过电感L₁、电容C₁和二极管D₀₁向负载供电；二极管D₂、二极管D₀₂、二极管D_a1、二极管D_a2、二极管D_a2、二极管D_a3、二极管D_a4均关断；

综上所述，本电路能够实现两路输入，输入端口电压等级可以不一致，同时能实现两个功率开关的无损零电压关断，并且在加入软开关辅助电路后，因辅助电路没有开关管，所以并不影响原变换器的控制方式及工作特性，还是由控制器控制两相功率开关的占空比每相之间相位差180°，各相占空比大小由输入输出关系确定；该两端口输入变换器升压能力强，有效降低了开关管的损耗，提高了变换器的能力转换效率。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增益模块，在实际中可根据具体应用场合设计相应的倍压单元数量，以达到与应用场合匹配和降低成本的目的。

本实用新型的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器，其特征在于：包括

两个输入电源V1、V2，两个电感 L1、L2，两个功率开关S1、S2，两个输出二极管D₀₁、D₀₂、倍压单元、软开关辅助电路；

第一电感L₁和第二电感L₂的输入端分别接两个电源V₁、V₂的正极，第一电感L₁和第二电感L₂的输出端分别接第一功率开关S₁和第二功率开关的漏极，第一功率开关S₁和第二功率开关S₂的源极接入电源V₁、V₂的负极；两个功率开关S₁、S₂的栅极分别接入各自的控制器；两个功率开关S₁、S₂的驱动相位之间相差180^o，即采用交错控制策略；

第一电感L1的输出接倍压单元的第一接口，倍压单元的第四接口接软开关辅助电路的第一个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₁接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第四个接口接变换器输出端的正极；第二电感L₂的输出接倍压单元的第二接口，倍压单元的第三接口接软开关辅助电路的第二个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₂接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第三个接口接变换器输出端的正极；变换器输出端的负极与两个输入电源V₁、V₂的负极相连；变换器输出端的正极和负极之间还接有输出滤波电容C₀；

其中，倍压单元由两个二极管和两个电容构成有四个端口的单元，第一个端口经过二极管D₁接第三端口，并且第一端口经电容C₁接第四端口；第二个端口经过二极管D₂接第四端口，并且第二端口经电容C₂接第三端口；

软开关辅助电路由四个二极管和两个电容构成有四个端口的单元，第一个端口经过二极管D_a1、D_a2接第三端口，并且第一端口经电容C_a1、D_a4接第四端口；第二个端口经过二极管D_a3、D_a4接第四端口，并且第二端口经电容C_a2、D_a2接第三端口。

2.根据权利要求1所述一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器，其特征在于：所述倍压单元为n个，n为自然数，取值范围为n ≥ 1。

3.根据权利要求1所述一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器，其特征在于：第一个倍压单元的第四个端口接第二个倍压单元的第一个端口，以此类推，一直到第n个倍压单元；第n个倍压单元的第四个端口接软开关辅助电路的第一个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₁接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第四个接口接变换器输出端的正极；

第一个倍压单元的第三个端口接第二个倍压单元的第二个端口，以此类推，一直到第n个倍压单元；第n个倍压单元的第三接口接软开关辅助电路的第二个接口，同时经过正向连接的输出二极管D₀₂接变换器输出端的正极，软开关辅助电路的第三个接口接变换器输出端的正极。