CN216774624U - 一种高电压增益软开关dc-dc变换器 - Google Patents

一种高电压增益软开关dc-dc变换器 Download PDF

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薛冠宇
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Abstract

本实用新型提供一种高电压增益软开关DC‑DC变换器，包括两个支路来实现更高的电压增益以及软开关，通过在变压器中心节点上设置双向开关并进行相应的调制，该变换器在关断瞬间几乎达到ZVS；这一特性显著地提高了功率转换效率，即使在高频操作。电流加倍器的固有升压功能，使用双向开关的额外升压操作，以及电压加倍器的双重升压，使所述转换器无需使用具有高匝数比的变压器就能实现高电压增益。

Description

一种高电压增益软开关DC-DC变换器
技术领域
本实用新型属于电力电子软开关技术领域，具体涉及一种高电压增益软开关DC-DC变换器。
背景技术
虽然氢燃料电池技术落后于在实践中广泛应用的电池技术，但由于其在续航里程和加油时间上的优势，它开始成为轻型燃料电池汽车和重型卡车应用的一个有前途的动力来源。由于可靠性的原因，燃料电池输出电压相对较低，最高可达100V。为了将其接口到燃料电池汽车的直流连接电压380v，需要配备高电压增益的DC/DC转换器，此外，它的输出电压高度依赖于负载条件。它可以随着负载电流的增大而减小。因此，DC/DC变换器也应该在宽电压增益范围内保持高效率。此外，DC/DC变换器应提供连续的输入电流，以延长燃料电池的寿命。
传统的升压变换器由于其结构简单，可以在这种应用中采用。从理论上讲，它的电压增益可以从单位扩展到无穷大。然而，在实际中，由于电感和电容上的寄生电阻，电压增益会得到限制。同时，当输出二极管在极高的占空比下工作时，其反恢复问题变得严重。这些方面产生非高效率的功率转换过程高电压增益应用。另一方面，通过简单地增加隔离变压器的匝数，隔离 DC/DC变换器可以产生高升压电压。然而，增加匝数会导致寄生电感和电容增大，最终会产生高电压峰值和电磁干扰噪声。
为了在不使用大变压器匝数比的情况下扩展电压增益，许多电流馈电型直流 -直流转换器被提出用于这种应用。电流馈电型直流-直流变换器可以在不使用大变压器匝数比的情况下实现高电压增益。它们具有理想的特点，如输入电流纹波小，二极管额定电压低，变压器匝数比低。然而，电流馈电转换器面临的挑战之一是开关器件上的高压尖峰，这是由一次侧电感和变压器漏感之间的电流不匹配引起的。因此，需要具有高额定电压和高导通电阻的开关，它们严重降低了电力转换效率。为了减轻峰值电压，出现了许多箝位解决方案，然而，额外的电路增加了转换器的复杂性和尺寸。此外，关断瞬间的大电流极大地增加了开关损耗。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种高电压增益软开关 DC-DC变换器。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，包括一次侧支路和二次侧支路；
所述一次侧支路包括输入倍流器和源箝位电路；
所述二次侧支路包括半桥谐振电路；
所述一次侧支路支路和二次侧支路之间设置有变压器T，所述变压器T 的变化比为Np∶Ns，且具有磁化电感和二次漏感组的理想变压器。
进一步，所述输入倍流器包括第一电感器L1、第二电感器L2、开关管S1和开关管S2；所述谐振电路包括开关管S3、开关管S4和电容器Cc；
输入Vi的正极分别连接第一电感器L1、第二电感器L2的一端，所述第一电感器L1的另一端分别连接开关管S1的漏极和开关管S3的源极，所述第二电感器L2的另一端分别连接开关管S2的漏极与开关管S4的源极；
所述开关管S3和开关管S4的漏极合流后依次箝位电容Cc和电压VCC正极。
进一步，所述半桥谐振电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、开关管S5、开关管S6、谐振电容Cr1、Cr2和谐振电感Lr；
所述谐振电感Lr的一端连接变压器T，另一端连接第一二极管D1正极、第二二极管D2负极和开关管S5漏极，开关管S5源极连接开关管S6源极，开关管S6漏极分别连接谐振电容Cr1、Cr2的一端，谐振电容Cr1、Cr2另一端分别连接输出电容Co与输出负载Ro。
进一步，所述开关管S5和开关管S6之间反向连接，形成双向开关。
进一步，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6均采用理想的有源开关MOSFET。
进一步，所述箝位电容Cc和输出电容Co容量较大，用于使箝位电容电压 Vcc和输出电压Vo没有纹波。
进一步，所述开关管S1、开关管S4和开关管S2、开关管S3为两对对角开关。
进一步，所述两对对角开关的开关管S1、开关管S4和开关管S2、开关管 S3均由两个占空比D＝0.5和相同死区时间td的左对齐PWM信号驱动，且彼此之间存在180°相位差。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型提供一种高电压增益软开关DC-DC变换器，包括两个支路来实现更高的电压增益以及软开关，通过在变压器中心节点上设置双向开关并进行相应的调制，该变换器在关断瞬间几乎达到ZVS；这一特性显著地提高了功率转换效率，即使在高频操作。电流加倍器的固有升压功能，使用双向开关的额外升压操作，以及电压加倍器的双重升压，使所述转换器无需使用具有高匝数比的变压器就能实现高电压增益。
附图说明
图1为本实用新型具体实施例中一种高电压增益软开关DC-DC变换器示意图；
图2为本实用新型具体实施例中一种高电压增益软开关DC-DC变换器模式一等效电路示意图；
图3为本实用新型具体实施例中一种高电压增益软开关DC-DC变换器模式二等效电路示意图；
图4为本实用新型具体实施例中一种高电压增益软开关DC-DC变换器模式三等效电路示意图；
图5为本实用新型具体实施例中一种高电压增益软开关DC-DC变换器模式四等效电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供一种高电压增益软开关DC-DC变换器，如图1所示，包括一次侧支路和二次侧支路；
所述一次侧支路包括输入倍流器和源箝位电路；
所述二次侧支路包括半桥谐振电路；
所述一次侧支路支路和二次侧支路之间设置有变压器T，所述变压器T 的变化比为Np∶Ns，且具有磁化电感和二次漏感组的理想变压器。
本实用新型提供的一种优选实施例为，所述输入倍流器包括第一电感器 L1、第二电感器L2、开关管S1和开关管S2；所述谐振电路包括开关管S3、开关管S4和电容器Cr；
输入Vi的正极分别连接第一电感器L1、第二电感器L2的一端，所述第一电感器L1的另一端分别连接开关管S1的漏极和开关管S3的源极，所述第二电感器L2的另一端分别连接开关管S2的漏极与开关管S4的源极；
所述开关管S3和开关管S4的漏极合流后依次箝位电容Cc和电压VCC正极。
本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述半桥谐振电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、开关管S5、开关管S6、谐振电容Cr1、Cr2和谐振电感Lr；
所述谐振电感Lr的一端连接变压器T，另一端连接第一二极管D1正极、第二二极管D2负极和开关管S5漏极，开关管S5源极连接开关管S6源极，开关管S6漏极分别连接谐振电容Cr1、Cr2的一端，谐振电容Cr1、Cr2另一端分别连接输出电容Co与输出负载Ro。
本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述开关管S5和开关管S6之间反向连接，形成双向开关。
本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6均采用理想的有源开关MOSFET。
本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述箝位电容Cc和输出电容Co容量较大，用于使箝位电容电压Vcc和输出电压Vo没有纹波。
本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述开关管S1、开关管S4和开关管S2、开关管S3为两对对角开关，由两个占空比D＝0.5和相同死区时间 td的左对齐PWM信号驱动，且彼此之间存在180°相位差。
本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述开关管S6在开关管S2和开关管S3开通后立即开通，开关管S5在开关管S1和开关管S4开通后立即开通。
本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述一次侧第一电感器L1和第二电感器L2为相同的电感器，所述二次侧谐振电容Cr1和谐振电容Cr2为相同的电容器。
本实用新型提供一种高电压增益软开关DC-DC变换器在使用时，包括以下模式：
模式一：在t0时刻，开关管S1、开关管S4和开关管S5被打开，且开关管S4为ZVS开通，iL1流入开关管S1并开始线性增加，iL2开始线性减小，谐振电感Lr的电流iLr呈负方向线性增加；
模式二：在t1时刻，开关管S6关闭，开关管S6的电压为Vo/2-ΔVcr，输入侧的电流通过变压器流过二极管D2，电压-nVcc、电感Lr和谐振电容Cr1、 Cr2构成等效闭合回路；
模式三：在t2时刻，谐振电感Lr的电流iLr变为0，谐振电感Cr1上的电压 vcr1变小，第一电感器L1上的电流iL1持续增大，第二电感器L2上的电流iL2持续减小，由谐振电感Lr、谐振电容Cr1、Cr2所形成的谐振在t2时刻结束，二极管D2在电流为零的情况下关闭；
模式四：在t3时刻，开关管S1和开关管S4关闭，开关管S4实现ZVS关闭。
具体的，在开关周期期间，所提出的变换器的操作可分为四种模式。由于操作是对称的，因此稳态分析只需分析开关周期前半段的模态
模式一：如图2所示，在t0时刻，开关管S1、开关管S4和开关管S5被打开。特别是，由于开关管S4的寄生二极管DS4在此之前已经打开，所以开关管S4为ZVS开通，iL1流入开关管S1并开始线性增加，iL2开始线性减小。在此期间，变压器T的一次侧电压为-nVcc，并且通过变压器作用于谐振电感 Lr，因此谐振电感Lr的电流iLr呈负方向线性增加。
模式二：如图3所示，在t1时刻，此时开关管S6关闭，因为此时开关管 S6的电压为Vo/2-ΔVcr，它在重载的情况下会变得非常小，因此开关管S6几乎是零电压关闭的。此时，输入侧的电流通过变压器流过二极管D2，在此期间，-nVcc、Lr、Cr1和Cr2构成等效闭合回路，在此阶段结束时，谐振电感Lr的电流iLr变为0。
模式三：如图4所示，在t2时刻，谐振电感Lr的电流iLr变为0，并且谐振电感Cr1上的电压vcr1此时最小，第一电感器L1上的电流iL1持续增大，第二电感器L2上的电流iL2持续减小，由谐振电感Lr、谐振电容Cr1、Cr2所形成的谐振在t2时刻结束，二极管D2在电流几乎为零的情况下关闭，因此没有反向恢复问题。
模式四：如图5所示，在t3时刻，开关管S1和开关管S4关闭，由于在模式3中第二电感器L2的电流iL2流过开关管S4的体二极管DS4，因此在此模式下，开关管S4可以实现ZVS关闭。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，包括一次侧支路和二次侧支路；
所述一次侧支路包括输入倍流器和源箝位电路；
所述二次侧支路包括半桥谐振电路；
所述一次侧支路支路和二次侧支路之间设置有变压器T，所述变压器T的变化比为Np:Ns，且具有磁化电感和二次漏感组的理想变压器。
2.根据权利要求1所述一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述输入倍流器包括第一电感器L1、第二电感器L2、开关管S1和开关管S2；所述谐振电路包括开关管S3、开关管S4和电容器Cc；
输入Vi的正极分别连接第一电感器L1、第二电感器L2的一端，所述第一电感器L1的另一端分别连接开关管S1的漏极和开关管S3的源极，所述第二电感器L2的另一端分别连接开关管S2的漏极与开关管S4的源极；
所述开关管S3和开关管S4的漏极合流后依次箝位电容Cc和电压VCC正极。
3.根据权利要求1所述一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述半桥谐振电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、开关管S5、开关管S6、谐振电容Cr1、Cr2和谐振电感Lr；
所述谐振电感Lr的一端连接变压器T，另一端连接第一二极管D1正极、第二二极管D2负极和开关管S5漏极，开关管S5源极连接开关管S6源极，开关管S6漏极分别连接谐振电容Cr1、Cr2的一端，谐振电容Cr1、Cr2另一端分别连接输出电容Co与输出负载Ro。
4.根据权利要求3所述一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述开关管S5和开关管S6之间反向连接，形成双向开关。
5.根据权利要求3所述一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6均采用理想的有源开关MOSFET。
6.根据权利要求2所述一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述箝位电容Cc和输出电容Co容量较大，用于使箝位电容电压Vcc和输出电压Vo没有纹波。
7.根据权利要求2所述一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述开关管S1、开关管S4和开关管S2、开关管S3为两对对角开关。
8.根据权利要求7所述一种高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述两对对角开关的开关管S1、开关管S4和开关管S2、开关管S3均由两个占空比D＝0.5和相同死区时间td的左对齐PWM信号驱动，且彼此之间存在180°相位差。
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