CN220457296U - 一种高效升压dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
一种高效升压DC‑DC变换器，包括输入电压源Vin、输入滤波电容Cin、输出滤波电容C0、输入电感Lin、功率开关S、三绕组耦合电感、励磁电感LM、漏感LK、钳位二极管Dc、钳位电容Cc、第一二极管D1、第二二极管D2、输出二极管D0、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3；通过所构成的第一回路、第二回路、第三回路及三绕组耦合电感构成电压倍增电路来实现电压增益；通过钳位二极管Dc、钳位电容Cc构成再生无源钳位电路限制功率开关S上的最大电压应力；通过漏感LK、第一电容C1、钳位电容Cc、三绕组耦合电感构成准谐振电路，为功率开关S提供软开关条件，二极管在没有反向恢复损耗的情况下电流达到零；具有高电压增益、低电流纹波、低匝数比、低功率损耗特点。
Description
技术领域
本实用新型属于可再生能源发电技术领域，具体涉及一种高效升压DC-DC变换器。
背景技术
传统能源如石油、煤、天然气等的存量有限，而且大量使用这些能源会造成环境问题，随着时间的推移，传统能源日益枯竭的问题越来越突出，为了解决这一问题，以燃料电池、光伏等为首的可再生新能源受到越来越多国内外学者的关注。但是，这些可再生能源的输出电压较低，通常低于50Ｖ，这一低电压无法给并网逆变器或者负载直接使用，需要高增益直流变换器将其升压至一定的电压等级，而DC-DC变换器广泛用作光伏电池、燃料电池、混合动力电动车辆和不间断电源等应用中的接口设备。在各种类型的高升压转换器中，非隔离式DC-DC变换器由于其相对较小的尺寸、损耗和成本而受到了极大的关注。
传统的DC-DC升压变换器可以在占空比的极值下实现高电压增益。然而，在实践中，该变换器的电压增益受到占空比在附近的电感和电容的寄生分量的限制。此外，由于电源开关两端的高电压应力，该变换器的应用在较高的输出电压中受到限制。除此之外，还引入了许多使用不同升压技术的升压DC-DC变换器，包括电压倍增器（VM）、开关电容、开关电感级联连接，以获得高电压增益。然而，这些电路通常是在使用许多元件的硬切换条件下操作，从而损害其效率和功率密度。
实用新型内容
为克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种高效升压DC-DC变换器，改进了上述现有技术中低电压增益、拓扑结构复杂、低应用效率等缺点。提出采用三绕组耦合电感和电压倍增电路实现高电压增益，所提拓扑具有低输入电流纹波，在较低的匝数比下提供超高的直流电压增益；单个功率开关可以实现零电流关断；所有二极管均无反向恢复损耗。所有开关元件的电压应力远低于输出电压；所提及的特征为所提出的变换器提供了足够高的效率。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种高效升压DC-DC变换器，包括输入电压源Vin、输入滤波电容Cin、输出滤波电容C0、输入电感Lin、功率开关S、三绕组耦合电感、励磁电感LM、漏感LK、钳位二极管Dc、钳位电容Cc、第一二极管D1、第二二极管D2、输出二极管D0、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3；
输入电压源Vin的正极与输入滤波电容Cin的第一端和输入电感Lin的第一端相连接；输入电压源Vin的负极与输入滤波电容Cin的第二端和功率开关S的源极相连接；输入电感Lin的第二端与第一电容C1的第二端、功率开关S的漏极及钳位二极管Dc的阳极相连接；第一电容C1的第一端与三绕组耦合电感的次级侧的第一端相连接；三绕组耦合电感的次级侧的第二端、第一二极管D1的阳极和三绕组耦合电感的三级侧的第一端与励磁电感LM的第二端和三绕组耦合电感的初级侧的第二端相连接；励磁电感LM的第一端和初级侧的第一端与漏感LK的第一端相连接；钳位二极管Dc的阴极和钳位电容Cc的第一端相连后再与漏感LK的第二端、第二电容C2的第二端相连接；第一二极管D1的阴极与第二电容C2的第一端相连后再与第二二极管D2的阳极相连接；三绕组耦合电感三级侧的第二端与第三电容C3的第二端相连接；第三电容C3的第一端与第二二极管D2的阴极和输出二极管D0的阳极相连接，输出二极管D0的阴极和输出滤波电容C0的第一端与负载相连接；
所述的输入电压源Vin的负极与输入滤波电容Cin的第二端、功率开关S的源极、钳位电容Cc的第二端、输出滤波电容C0的第二端和负载均连接。
所述的输入电压源Vin值为20V。
所述的功率开关S为耐压100V、型号为IRFB4110、导通电阻为RDS(on)=3.7mΩ的MOSFET开关管。
所述的第一二极管D1为导通压降VF(Max)=0.71V、型号为MUR415的整流二极管；第二二极管D2和输出二极管D0均为导通压降VF(Max)=0.71V、型号为MUR420的整流二极管；钳位二极管Dc为导通压降VF(Max)=0.65V、型号为MBR1090的整流二极管。
所述的输入电感Lin磁芯型号为T184-52，电感值为85uH；励磁电感LM电感值为200uH。
所述的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、输入滤波电容Cin、输出滤波电容C0、钳位电容Cc其类型分别为MKS、MKS、MKS、MKP、MKP、MPX，其容量分别为15uF、10uF、4.7uF、5.6uF、5.6uF、2.2uF，耐压值分别为100V、100V、160V、275V、275V、100V。
所述的三绕组耦合电感磁芯型号为EE42/21/20、变比n21:n31=0.61:0.63。
还包括电压传感器、DSP芯片和PWM控制器；
所述电压传感器的测量端连接负载两端，输出端依次连接DSP芯片和PWM控制器，PWM控制器上设置一个输出端，连接功率开关S的栅极，其开关频率为60kHz，占空比不大于0.7。
所述的三绕组耦合电感，具有匝数比N1，N2和N3三相绕组。
本实用新型的有益效果是：
与现有技术相比，本实用新型一种新型高效升压DC-DC变换器，提出采用三绕组耦合电感（TWCI）和电压倍增电路（VM）实现高电压增益，使用较少的元件数量实现输入电流连续，具有低电流纹波，使其适合于可再生能源（RES）的应用。此外，存在三个自由度（TWCI的匝数比和占空比）来更好地设计变换器，同时实现期望的性能（电压增益、效率和成本）。采用再生无源钳位电路回收漏电感中存储的能量，这有助于缓解开关电压应力，与传统的耦合电感变换器不同。在该电路中，耦合电感的寄生元件和中间电容器用于创建谐振回路以减少开关损耗。总的来说，所提出的变换器可以提供一个超高的电压转换比、连续输入电流、低电压应力、全软开关性能，和期望的能量转换效率。
附图说明
图1为本实用新型高效升压DC-DC变换器拓扑结构图。
图2为本实用新型高效升压DC-DC变换器的工作模式1的示意图。
图3为本实用新型高效升压DC-DC变换器的工作模式2的示意图。
图4为本实用新型高效升压DC-DC变换器的工作模式3的示意图。
图5为本实用新型高效升压DC-DC变换器的工作模式4的示意图。
图6为本实用新型高效升压DC-DC变换器的工作模式5的示意图。
图7为本实用新型高效升压DC-DC变换器的工作模式6的示意图。
具体实施方式
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。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
参见图1，本实用新型的高效升压DC-DC变换器，包括输入电压源Vin、输入滤波电容Cin、输出滤波电容C0、输入电感Lin、功率开关S、三绕组耦合电感（具有匝数比N1,N2和N3三相绕组）、励磁电感LM、漏感LK、钳位二极管Dc、钳位电容Cc、第一二极管D1、第二二极管D2、输出二极管D0、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3；
输入电压源Vin的正极与输入滤波电容Cin的第一端和输入电感Lin的第一端相连接，输入电压源Vin的负极与输入滤波电容Cin的第二端和功率开关S的源极相连接；输入电感Lin的第二端和第一电容C1的第二端与功率开关S的漏极和钳位二极管Dc的阳极相连接；第一电容C1的第一端与三绕组耦合电感的次级侧的第一端相连接；三绕组耦合电感的次级侧的第二端、第一二极管D1的阳极和三绕组耦合电感的三级侧的第一端与励磁电感LM的第二端和三绕组耦合电感的初级侧的第二端相连接，励磁电感LM的第一端和初级侧的第一端与漏感LK的第一端相连接；钳位二极管Dc的阴极和钳位电容Cc的第一端与漏感LK的第二端和第二电容C2的第二端相连接，第一二极管D1的阴极与第二电容C2的第一端和第二二极管D2的阳极相连接；三绕组耦合电感三级侧的第二端与第三电容C3的第二端相连接，第三电容C3的第一端与第二二极管D2的阴极和输出二极管D0的阳极相连接，输出二极管D0的阴极和输出滤波电容C0的第一端与负载相连接；电压源Vin的负极与输入滤波电容Cin的第二端、功率开关S的源极、钳位电容Cc的第二端、输出滤波电容C0的第二端和负载均连接。
其中，输入电压源Vin为系统提供电压，回路C1-N2-N1-Dc、C2-N1-D1和C2-D2-C3-N3-N1构成电压倍增电路，通过设置匝数比来增加电压增益。在单个功率开关上的最大电压应力通过再生无源钳位电路（Cc和Dc）的帮助来限制，该电路能有效吸收漏感能量、解决开关管S电压尖峰高的问题。在该拓扑中，由于在漏感LK、第一电容C1、钳位电容Cc和TWCI之间构成谐振回路，使得单个功率开关的电流形状以正弦形式变化，这显著降低了开关关断电流。此外所有二极管的电流在没有反向恢复损耗的情况下电流达到零，有效减小了器件损耗。总而言之，所提拓扑可以实现所有元件的ZCS和ZVS。
此外还应着重说明的是所提出拓扑采用三绕组耦合电感（TWCI），这样就存在三个自由度（TWCI的匝数比和占空比）来更好的设计变换器。与传统的变换器相比，传统的变换器通常采用双绕组耦合电感（CI），在相同绕组的情况下，采用TWCI具有高的电压增益和较低的电压应力。此外，对于所提拓扑，还有一个优点为在低匝数比下就可以获得较高的电压增益，以至于在较少的匝数比下充分调节TWCI，可以获得更高的输出直流电压，这显著地减轻了绕组中的功率损耗。此外由于耦合电路位于整个拓扑的中间级，励磁电感LM的平均电流不依赖于耦合电感的匝数比，消除了电流由电感引起的过冲，从而实现了低纹波连续输入电流。在占空比的角度来看，传统变换器以提高占空比（D＞0.5）来提升电压增益，而这无疑避免不了多元件和硬开关的干扰，本拓扑可以在低占空比（0.35＜D＜0.65）的情况下获得高电压增益。这也就同样避免了多元件的问题，所以可以选用具有较低额定电压的半导体，器件数目少，成本低，电压应力小，全软开关特性，使得该变换器在提供高电压增益的同时具有足够高的效率。
下面介绍本实用新型的工作原理是：
所提出的电路被假定为工作在连续导通模式（CCM）和理想的半导体开关元件。所有电容都足够大，使得它们的电压在一个开关周期期间被认为是恒定的。此外，TWCI被建模为具有励磁电感（LM）和合并的漏电感（LK）的理想变压器。
工作模式1：如图2所示，此时给出脉冲触发信号，单个功率开关S开始在ZCS条件下导通。TWCI的漏电感LK减小了开关电流的斜率变化。此时输出二极管D0也导通，而电路的其他二极管处于关断状态。在此模式下，输入电压源Vin将其能量转移到输入电感Lin，同时向负载供电。钳位电容Cc从TWCI的初级侧接收能量。由于三绕组耦合电感的三级侧上的漏感的影响，在该短时间转变结束时，在低反向恢复损耗条件下输出二极管D0的电流达到零。因此，可以预期的是，直流输出电压的电压尖峰将在切换时间内显著减小。
工作模式2：如图3所示，此时单个功率开关仍然导通，并且第二二极管D2开始以平缓的电流斜率导通。此时由于向第三电容C3充电，继而输出二极管D0以零电流关断，输入电感Lin继续由输入直流电压源Vin线性充电。第二电容C2和三绕组耦合电感的三级侧向第三电容C3递送能量。由于三绕组耦合电感的初级侧电压为正，因此TWCI将被磁化。在该时间间隔期间，为了减小关断时刻的功率开关电流值，可以采用由钳位电容Cc、第一电容C1和TWCI的初级侧和次级侧之间构成的谐振回路。由于这种准谐振性能，功率开关S的电流形状与第二二极管D2一起被改变为正弦形式。这降低了开关关断功耗。此外，准谐振操作使得通过第二二极管D2的电流自然地达到零，在该模式结束时第二二极管D2具有零电流关断和低反向恢复损耗条件。此时负载由输出滤波电容C0提供能量。当第二二极管D2的电流随着低反向恢复损耗问题以慢斜率自然变为零时，该模式完成。
工作模式3：如图4所示，此时单个功率开关仍然导通，TWCI次级侧的电流值和漏感LK的电流值相同，无电流流过三绕组耦合电感三级侧，所以对第三电容C3充电停止。在该模式中，三绕组耦合电感的初级侧对第一电容C1充电。在该阶段中，功率开关S的电流等于输入电感Lin中的电流与漏感LK中的电流之和。负载依然由输出滤波电容C0提供能量。
工作模式4：如图5所示，单个功率开关S第一次关断，并且钳位二极管Dc由于功率开关S关断瞬间同时开始导通。因此，功率开关S的最大电压受到钳位电路的限制而不至于过电压。存储在输入电感Lin和励磁电感LM中的能量分别被吸收到钳位电容Cc和第二电容C2。因此，它们的电流开始线性减小。同时，漏感LK使第一二极管D1在零电流条件下导通。当钳位二极管Dc两端电压相等时，此时在低反向恢复损耗条件下关闭时，此操作模式结束。负载依然由输出滤波电容C0提供能量。
工作模式5：如图6所示，在此模式期间，第一二极管D1仍然导通，但由于上一个阶段第二电容C2吸收了能量，实际第一二极管D1中的电流在缓慢下降，由于输入电压源Vin的作用，TWCI三级侧开始导通，并且输出二极管D0在低反向恢复损耗条件下开始导通。而钳位电容Cc仍然从输入电感Lin中接收能量。由于三级侧导通，前几个阶段存储在输入电感Lin和励磁电感LM以及第一电容C1和第三电容C3中的能量释放到负载。当第一二极管D1在低反向恢复损耗条件下关闭时，此工作模式完成。
工作模式6：如图7所示，励磁电感LM和输入电感Lin的能量沿着第一电容C1和第三电容C3一起被输送到负载，钳位电容Cc在所有的工作模式下均导通，为所有二极管提供了零电压导通以及零电流关断，有效减小了器件损耗。当功率开关的脉冲再次到来时，此模式结束。输入电感Lin和TWCI的次级侧的串联连接为功率开关S的下一次开通提供ZCS条件。
一种非隔离单功率开关高效升压DC-DC变换器。所提出的拓扑结构输入电流是连续的，具有低纹波，使其适合于可再生能源应用。在该电路中，TWCI与VM的概念相结合，使用较少的元件数量，用来提高变换器的电压增益。此外，存在三个自由度（TWCI的匝数比和占空比）来更好地设计变换器，同时实现期望的性能（电压增益、效率和成本）。采用再生无源钳位电路回收漏感中存储的能量，这有助于降低开关电压应力，与传统的CI变换器不同。在该电路中，耦合电感的寄生元件和中间电容用于构成谐振回路以减少开关损耗。总的来说，所提出的变换器可以提供一个超高的电压增益、连续的输入电流，低电压应力，全软开关性能，和较高的能量转换效率。
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 (10)
1.一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，包括输入电压源Vin、输入滤波电容Cin、输出滤波电容C0、输入电感Lin、功率开关S、三绕组耦合电感、励磁电感LM、漏感LK、钳位二极管Dc、钳位电容Cc、第一二极管D1、第二二极管D2、输出二极管D0、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3；其特征在于，
输入电压源Vin的正极与输入滤波电容Cin的第一端和输入电感Lin的第一端相连接；输入电压源Vin的负极与输入滤波电容Cin的第二端和功率开关S的源极相连接；输入电感Lin的第二端与第一电容C1的第二端、功率开关S的漏极及钳位二极管Dc的阳极相连接；第一电容C1的第一端与三绕组耦合电感的次级侧的第一端相连接；三绕组耦合电感的次级侧的第二端、第一二极管D1的阳极和三绕组耦合电感的三级侧的第一端与励磁电感LM的第二端和三绕组耦合电感的初级侧的第二端相连接；励磁电感LM的第一端和初级侧的第一端与漏感LK的第一端相连接；钳位二极管Dc的阴极和钳位电容Cc的第一端相连后再与漏感LK的第二端、第二电容C2的第二端相连接；第一二极管D1的阴极与第二电容C2的第一端相连后再与第二二极管D2的阳极相连接；三绕组耦合电感三级侧的第二端与第三电容C3的第二端相连接；第三电容C3的第一端与第二二极管D2的阴极和输出二极管D0的阳极相连接，输出二极管D0的阴极和输出滤波电容C0的第一端与负载相连接。
2.根据权利要求1所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，所述的输入电压源Vin的负极与输入滤波电容Cin的第二端、功率开关S的源极、钳位电容Cc的第二端、输出滤波电容C0的第二端和负载均连接。
3.根据权利要求1所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，所述的输入电压源Vin值为20V。
4.根据权利要求1所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，所述的功率开关S为耐压100V、型号为IRFB4110、导通电阻为RDS(on)=3.7mΩ的MOSFET开关管。
5.根据权利要求1所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，所述的第一二极管D1为导通压降VF(Max)=0.71V、型号为MUR415的整流二极管；第二二极管D2和输出二极管D0均为导通压降VF(Max)=0.71V、型号为MUR420的整流二极管；钳位二极管Dc为导通压降VF(Max)=0.65V、型号为MBR1090的整流二极管。
6.根据权利要求1所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，所述的输入电感Lin磁芯型号为T184-52，电感值为85uH；励磁电感LM电感值为200uH。
7.根据权利要求1所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，所述的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、输入滤波电容Cin、输出滤波电容C0、钳位电容Cc其类型分别为MKS、MKS、MKS、MKP、MKP、MPX，其容量分别为15uF、10uF、4.7uF、5.6uF、5.6uF、2.2uF，耐压值分别为100V、100V、160V、275V、275V、100V。
8.根据权利要求1所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，所述的三绕组耦合电感磁芯型号为EE42/21/20、变比n21:n31=0.61:0.63。
9.根据权利要求1所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，还包括电压传感器、DSP芯片和PWM控制器；
所述电压传感器的测量端连接负载两端，输出端依次连接DSP芯片和PWM控制器，PWM控制器上设置一个输出端，连接功率开关S的栅极，其开关频率为60kHz，占空比不大于0.7。
10.根据权利要求1或8所述的一种高效升压DC-DC变换器，其特征在于，所述的三绕组耦合电感，具有匝数比N1，N2和N3三相绕组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |