CN2652035Y - 软开关升压变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种软开关升压变换器，它由升压储能电抗器(L1)、电抗器(LS)、电容器(CS1，CS2，C)、二极管(D1－D4)及半导体开关(SA，SB)组成。这种软开关升压变换器谐振电感和谐振电容的吸收作用，减小了半导体开关的关断损耗，也减小了EMI噪音，提高了电路的效率。

Description

软开关升压变换器

技术领域

本实用新型涉及一种直流电源变换装置，特别是指一种软开关升压变换器。

背景技术

直流升压变换器是一种常用的直流电源变换装置，它用于将一个低压电压源变换成一个高压电压源。为减小变换器体积，直流升压变换器升压开关常采用高频开关方式工作。由于续流二极管截止时反向恢复电流较大，该电流一方面增加了升压开关及续流二极管的开关损耗，另一方面造成较大的EMI干扰。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种软开关升压变换器，以抑制升压变换电路的续流二极管反向恢复电流，同时吸收升压开关关断时两端的过电压尖峰，提高变换器效率，降低变换器EMI干扰。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：它由升压储能电抗器L1、电抗器LS、电容器(CS1，CS2，C)、二极管(D1-D4)及半导体开关(SA，SB)组成，所述升压储能电抗器L1的一端接直流输入电源正端，另一端与电抗器LS、二极管D1的阳极相接；半导体开关(SA，SB)并接，其源极并接端接直流输入电源负端，漏极并接端与二极管D1的阳极相接，半导体开关(SA，SB)的控制端分别接脉冲宽度调制脉冲；二极管(D1，D2，D3)按极性依次串接后与由电抗器LS、二极管D4组成的串接支路并联，二极管(D3，D4)的阴极并接端接直流输出电源正端；电容CS1一端接在电抗器LS、二极管D4之间，另一端接在二极管D2与二极管D3之间；电容CS2的一端接在二极管D1与二极管D2之间，另一端与直流输入电源负端、输出直流电源负端相接；输出直流电容C并接于输出直流电源两端。

上述软开关升压变换器中半导体开关(SA，SB)为IGBT器件，并采用脉冲宽度调制，驱动脉冲相位相差180度，使得总的升压开关工作频率为每只半导体开关工作频率的两倍。

下面结合附图对本实用新型的结构和工作原理作进一步的说明。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图。

图2a-h为本实用新型中软升压开关电路各阶段的等效电路图。

具体实施方式

参见图1，图中，L1为升压储能电抗器，SA和SB为两只可关断半导体功率开关IGBT器件，LS、D1、D2、D3、D4、CS1、CS2构成反向恢复电流抑制及过电压吸收电路，C为输出直流电容器。

本软开关升压变换器中，若输入直流电压为V_I，电容C上电压为V_O，

则V_O和V_I有如下关系： $V_O=\frac{V_I}{1-D}$

下面介绍软开关升压电路的工作原理：

在S_A或S_B开通时，D₄的反向恢复电流di/dt被吸收电感L_S限制，使S_A或S_B开通及D₄关断损耗减小。在S_A或S_B关断时，S_A或S_B的关断电压上升速度因吸收电容C_S2的存在而减小，从而减小了S_A或S_B的关断损耗，也减小了EMI噪音。D₄也得到零电压的开通和关断过程。吸收电路的储能最终通过C_S1向C放电而释放，没有造成能量损耗。

软开关升压电路的具体工作过程中，假定：输入电压恒定；输出电容足够大，输出电压恒定且无纹波；输入储能电感L₁远比吸收电感L_S大；把SA和SB等效成一个开关S1。

基于以上假设，软开关升压电路的工作周期可分为下列8个阶段，各阶段的等效电路如图2(a)-(h)所示。

阶段1：t₀时刻，S₁开通。此后的瞬间，D₄并不立即关断，要经历一个反向恢复的过程。吸收电感限制了反向恢复电流的di/dt，减少了EMI，同时降低了D₄的关断损耗和S₁的开通损耗(S₁不需经受太大的来自二极管支路的反向恢复电流)。

阶段2：t₁时刻，D₄断开。由于C_S1上的电压为零，C_S2上的电压使二极管D₂自然导通。吸收电感L_S、吸收电容C_S1通过谐振回路C_S2-D₂-C_S1-L_S-S₁充电。由于D₄上电压等于电容C、C_S2和C_S1电压之和，其上升速度受到抑制，从而实现了D₄的ZVS关断。开关S₁电流等于L₁充电电流和L_S电流之和。t₂时刻，V_CS2等于0，谐振过程停止，D₁导通。

阶段3：t₂时刻，C_S2上的电压等于0，二极管D₁自然导通，C_S2电压保持为0。L_S中的电流通过谐振回路L_S-D₁-D₂-C_S1对C_S1充电。由于D₁、D₂的存在，L_S和C_S1的谐振是单方向的。在t₃时刻，I_LS等于0，谐振过程结束。L_S中的储能在这个阶段全部转移到C_S1中，此时C_S1电压达到最大。

阶段4：t₃时刻，L_S上的电流降为零，二极管D₁和D₂自然截止。此后直到t₄，电容C_S1上的电压保持不变，L_S中电流保持为0。电路的工作状态与普通的升压电路S₁开通后的状态相同。

阶段5：t₄时刻，开关S₁断开。L₁中的正向电流I_F均通过D₁使C_S2充电。D₂和D₃因为被电容C的电压反偏置而不导通。开关S₁漏源极电压等于V_CS2，C_S2的逐步充电使得S₁上电压dv/dt较小。

阶段6：t₅时刻，吸收电容C_S2上电压上升为V_O，使得二极管D₂和D₃自然导通。L_S上电压等于V_CS1，使L_S中电流上升并使C_S1放电。

阶段7：t₆时刻，L_S上的电流上升到L₁的正向电流I_F(t₆)，D₁和D₂截止。此后，I_F(t)通过D₃使C_S1继续放电。V_CS1较小的dv/dt使得D₄获得ZVS开通过程。

阶段8：t₇时刻，电容C_S1上的电压减小到0，D₃截止，二极管D₄自然导通。吸收电路能量的恢复过程随C_S1中的全部能量转移到C中而结束。此后电路的工作状态和普通的升压电路S₁关断后的状态相同。

由上面的分析可知，谐振电感的电流、谐振电容与缓冲电容的电压，在一个工作周期中均能减小到0，能量吸收释放，周而复始，并不会消耗，也不能积累。换言之，谐振吸收单元本身是不消耗和积累能量的。同时，谐振电感和谐振电容的作用，减小了S_A或S_B的关断损耗，也减小了EMI噪音，从而提高电路的效率。

Claims (3)

1、一种软开关升压变换器，其特征在于：它由升压储能电抗器(L1)、电抗器(LS)、电容器(CS1，CS2，C)、二极管(D1DD4)及半导体开关(SA，SB)组成，所述升压储能电抗器(L1)的一端接直流输入电源正端，另一端与电抗器(LS)、二极管(D1)的阳极相接；半导体开关(SA，SB)并接，其源极并接端接直流输入电源负端，漏极并接端与二极管(D1)的阳极相接，半导体开关(SA，SB)的控制端分别接脉冲宽度调制脉冲；二极管(D1，D2，D3)按极性依次串接后与由电抗器(LS)、二极管(D4)组成的串接支路并联，二极管(D3，D4)的阴极并接端接直流输出电源正端；电容(CS1)一端接在电抗器(LS)、二极管(D4)之间，另一端接在二极管(D2)与二极管(D3)之间；电容(CS2)的一端接在二极管(D1)与二极管(D2)之间，另一端与直流输入电源负端、输出直流电源负端相接；输出直流电容(C)并接于输出直流电源两端。

2、根据权利要求1所述的软开关升压变换器，其特征在于：所述的半导体开关(SA，SB)为IGBT器件。

3、根据权利要求1或2所述的软开关升压变换器，其特征在于：所述的半导体开关(SA，SB)采用脉冲宽度调制，且驱动脉冲相位相差180度，使得总的升压开关工作频率为每只半导体开关工作频率的两倍。

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