專利名稱：耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯并聯變換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直流一直流變換器。具體說是耦合電感加開關電容實現無 源箝位升壓型交錯并聯變換器。
背景技術：
常規的升壓型(Boost)交錯并聯直流一直流變換器，包括兩個電感，兩個續 流二極管，兩個功率開關管，第一功率開關管的漏極與第一二極管的陽極及第 一電感的一端相連，第二功率開關管的漏極與第二二極管的陽極及第二電感的 一端相連，第一電感的另一端與第二電感的另一端相連。這種升壓型交錯并聯 直流一直流變換器輸出電壓增益較小，功率開關管的電壓應力較大，功率開關 管為硬開關工作，開關損耗較大，續流二極管的反向恢復電流較大，反向恢復 損耗較大。近年來，相繼研究了一些軟開關電路，主要有兩種 一種是通過附 加有源功率開關和無源電感、電容等器件實現功率開關管的軟開關；另一種是 通過附加二極管和無源電感、電容等器件實現功率開關管的軟開關。這兩種方 法的雖然可以實現功率開關管的軟開關，但是外加電路復雜，而且不能降低功 率開關管的電壓應力，也不能實現變換器的高增益功能。為了提高變換器的電 壓增益， 一種方式是采用串聯開關電容單元方式，該方法需要串聯多個開關電 容單元才能實現高增益變換，電路較復雜；另一種方式是采用三繞組耦合電感 方式，該方式下的輸出二極管電壓應力較高，影響了變換器的效率。
發明內容
本發明的目的是提供輸出電壓增益高，輸入電流紋波小，輸出電流紋波小， 功率開關管數量少，結構簡單，且無能量損耗的耦合電感加開關電容實現無源 箝位升壓型交錯并聯變換器。
本發明的技術解決方案是耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯 并聯變換器，包括兩個功率開關管，兩個箝位二極管，兩個箝位電容，兩個續 流二極管，兩個開關電容，兩個輸出二極管， 一個輸出電容和兩個耦合電感，第 一耦合電感有三個繞組，第二耦合電感有三個繞組，第一耦合電感的第一繞組 的一端與第二耦合電感的第一繞組的一端及電源的正端相連，第一耦合電感的 第一繞組的另一端與第一功率開關管的源極及第一箝位二極管的陽極和第一開 關電容的一端相連，第一箝位二極管的陰極與第一箝位電容的一端及第一續流 二極管的陽極相連，第一開關電容的另一端與第一耦合電感的第二繞組的一端相連，第一耦合電感的第二繞組的另一端與第二耦合電感的第三繞組的一端相 連，第二耦合電感的第三繞組的另一端與第一續流二極管的陰極及第一輸出二 極管的陽極相連，第二耦合電感的第一繞組的另一端與第二功率開關管的源極 及第二箝位二極管的陽極和第二開關電容的一端相連，第二箝位二極管的陰極 與第二箝位電容的一端及第二續流二極管的陽極相連，第二開關電容的另一端 與第二耦合電感的第二繞組的一端相連，第二耦合電感的第二繞組的另一端與
第一耦合電感的第三繞組的一端相連，第一耦合電感的第三繞組的另一端與第 二續流二極管的陰極及第二輸出二極管的陽極相連，第一輸出二極管的陰極與 第二輸出二極管的陰極及第一輸出電容的一端相連，第一功率開關管的漏極和
第二功率開關管的漏極與電源的負端及第一輸出電容的另一端相連，第一箝位 電容和第二箝位電容的另一端共同與第一功率開關管和第二功率開關管的漏極 相連，或者第一箝位電容和第二箝位電容的另一端共同與第一耦合電感的第一 繞組及第二耦合電感的第一繞組的接點相連，或者第一箝位電容和第二箝位電 容的另一端共同與第一續流二極管及第二續流二極管的陰極共接。上述第一耦 合電感的第一繞組與電源正端的連接端和第一耦合電感的第二繞組與第一開關 電容的連接端以及第一耦合電感的第三繞組與第二輸出二極管陽極的連接端為 第一耦合電感的同名端；第二耦合電感的第一繞組與電源正端的連接端和第二
耦合電感的第二繞組與第二開關電容的連接端以及第二耦合電感的第三繞組與 第一輸出二極管陽極的連接端為第一耦合電感的同名端。
工作時，利用兩個耦合電感的漏感實現第一功率開關管、第二功率開關管
的零電流開通以及第一、第二兩個續流二極管的軟關斷；第一功率開關管和第 二功率開關管關斷時，由于第一箝位二極管、第一箝位電容和第二箝位二極管、 第二箝位電容的存在，實現了第一功率開關管和第二功率開關管的軟箝位關斷。 利用第一耦合電感的第二、第三繞和第二耦合電感的第二、第三繞組實現變換 器的高增益輸出，利用第一開關電容、第二開關電容進一步提高變換器的電壓 增益和降低功率器件的電壓應力，同時，每個開關周期第一箝位電容、第二箝 位電容收集第一耦合電感、第二耦合電感的漏感能量，并最終轉移到負載，實 現了無源箝位電路的無損運行。
本發明的耦合電感加開關電容實現無源箝位高增益升壓型交錯并聯變換 器，利用了兩個耦合電感的漏感來實現功率開關管的零電流開通，利用箝位二 極管和箝位電容組成的無源箝位電路實現了功率開關管的軟關斷和漏感能量的 無損轉移，，箝位二極管不串聯在功率回路上，可減小導通損耗，利用兩個耦合電感的第二、第三繞組實現了變換器的高增益輸出，利用兩個開關電容進一步 提高了變換器的電壓增益和降低了功率器件的電壓應力，無需額外的功率開關 和電感元件，附件元件少，結構簡單，控制方便，電路中無能量損耗元件，可 提高升壓型交錯并聯電路的效率，且換流過程中，功率開關管關斷時無電壓過 沖，續流二極管開通時無電流過沖。
圖1是一種耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯并聯變換器的電 路圖2是第二種耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯并聯變換器的 電路圖3是第三種耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯并聯變換器的 電路具體實施例方式
參見圖1，本發明的耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯并聯變換 器，包括兩個功率開關管Sl、 S2，兩個箝位二極管Dcl、 Dc2，兩個箝位電容 Ccl、 Cc2，兩個續流二極管Drl、 Dr2，兩個開關電容Cdl、 Cd2，兩個輸出二極 管Dol、Do2， 一個輸出電容Co和兩個耦合電感，第一耦合電感有三個繞組Lla、 Llb、 Llc，第二耦合電感有三個繞組L2a、 L2b、 L2c，第一耦合電感的第一繞 組Lla的一端與第二耦合電感的第一繞組L2a的一端及電源Vin的正端相連， 第一耦合電感的第一繞組Lla的另一端與第一功率開關管Sl的源極及第一箝位 二極管Dcl的陽極和第一開關電容Cdl的一端相連，第一箝位二極管Dcl的陰 極與第一箝位電容Ccl的一端及第一續流二極管(Drl)的陽極相連，第一開關電 容Cdl的另一端與第一耦合電感的第二繞組Llb的一端相連，第一耦合電感的 第二繞組Lib的另一端與第二耦合電感的第三繞組L2c的一端相連，第二耦合 電感的第三繞組L2c的另一端與第一續流二極管Drl的陰極及第一輸出二極管 Dol的陽極相連，第二耦合電感的第一繞組L2a的另一端與第二功率開關管S2 的源極及第二箝位二極管Dc2的陽極和第二開關電容Cd2的一端相連，第二箝 位二極管Dc2的陰極與第二箝位電容Cc2的一端及第二續流二極管Dr2的陽極 相連，第二開關電容Cd2的另一端與第二耦合電感的第二繞組L2b的一端相連， 第二耦合電感的第二繞組L2b的另一端與第一耦合電感的第三繞組Llc的一端 相連，第一耦合電感的第三繞組Llc的另一端與第二續流二極管Dr2的陰極及 第二輸出二極管Do2的陽極相連，第一輸出二極管Dol的陰極與第二輸出二極管Do2的陰極及第一輸出電容Co的一端相連，第一功率開關管SI的漏極和第 二功率開關管S2的漏極與電源Vin的負端及第一輸出電容Co的另一端相連， 圖i所示具體實例中，第一箝位電容Ccl和第二箝位電容Cc2的另一端共同與 第一功率開關管SI和第二功率開關管S2的漏極相連。
或者也可以如圖2所示，第一箝位電容Ccl和第二箝位電容Cc2的另一端 共同與第一耦合電感的第一繞組Lla及第二耦合電感的第一繞組L2a的接點相 連。
或者也可以如圖3所示，第一箝位電容Ccl和第二箝位電容Cc2的另一端 共同與第一續流二極管Dol及第二續流二極管Do2的陰極共接。
上述第一耦合電感的第一繞組Lla與電源Vin正端的連接端和第一耦合電 感的第二繞組Lib與第一開關電容Cdl的連接端以及第一耦合電感的第三繞組 Lie與第二輸出二極管Do2陽極的連接端為第一耦合電感的同名端；第二耦合 電感的第一繞組L2a與電源Vin正端的連接端和第二耦合電感的第二繞組L2b 與第二開關電容Cd2的連接端以及第二耦合電感的第三繞組L2c與第一輸出二 極管Dol陽極的連接端為第一耦合電感的同名端。
耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯并聯變換器存在八種工作過 程(圖1 圖3所示變換器的工作過程相同)，即第一功率開關管SI關斷與第一 箝位二極管Dcl開通之間的換流；第一輸出二極管Dol導通過程；第一箝位二 極管Del關斷過程；第一輸出二極管Dol關斷與第一功率開關管SI開通之間 的換流過程；第二功率開關管S2關斷與第二箝位二極管Dc2開通之間的換流； 第二輸出二極管Do2導通過程；第二箝位二極管Dc2關斷過程；第二輸出二極 管Do2關斷與第二功率開關管S2開通之間的換流過程。由于電路的對稱性，僅 以前四個換流過程為例分析如下
第一功率開關管SI關斷與第一箝位二極管Del開通之間的換流
換流前，電路處于第一功率開關管S1、第二功率開關管S2導通，第一箝位 二極管Dcl、第二箝位二極管Dc2關斷，第一續流二極管Drl、第二續流二極管 Dr2關斷，第一輸出二極管Dol、第二輸出二極管Do2關斷的穩定工作狀態。 當第一功率開關管Sl關斷時，第一功率開關管SI上電壓迅速上升、第一箝位 二極管Dcl兩端的電壓迅速下降至零，第一箝位二極管Del開通，由于第一箝 位電容Ccl的作用，第一功率開關管S1兩端的電壓被箝位為一定電壓值，實現 了第一功率開關管S1的軟箝位關斷。
第一輸出二極管Dol導通過程第一箝位二極管Del開通后，第一箝位電容Ccl上的電壓從一定值以一定 斜率線性上升，第一輸出二極管Dol兩端的電壓線性下降到零，第一輸出二極 管Dol開通。由于耦合電感的變壓器效應，第二續流二極管Dr2導通，存儲在 第二箝位電容Cc2上的能量經由第二續流二極管Dr2、第一耦合電感的第三繞組 Llc和第二耦合電感的第二繞組L2b逐步轉移到第二開關電容Cd2上。電路進 入第"功率開關管Sl關斷，第一箝位二極管Dc導通，第二續流二極管Dr2導 通和第一輸出二極管Dol導通的穩定工作狀態。
第一箝位二極管Del關斷過程
第一輸出二極管Dol導通后，第一耦合電感的能量向負載轉移，第一箝位 二極管Dcl上的電流以一定的斜率線性下降，當第一箝位二極管Dcl上的電流 下降到零時，第一箝位二極管Dcl自然關斷。存儲在第二箝位電容Cc2上的能 量繼續經由第二續流二極管Dr2、第一耦合電感的第三繞組Llc和第二耦合電感 的第二繞組L2b逐步轉移到第二開關電容Cd2上。電路進入第一功率開關管Sl 關斷，第一箝位二極管Del關斷，第二續流二極管Dr2導通和第一輸出二極管 Dol導通的穩定工作狀態。
第一輸出二極管Dol關斷與第一功率開關管Sl開通之間的換流過程 第一功率開關管Sl的門極信號給出，第一功率開關管Sl的電流從零以一 定斜率線性上升，實現了第一功率開關管Sl的零電流開通，第一輸出二極管 Dol的電流以一定的斜率線性下降，當第一輸出二極管Dol的電流下降到零時， 第一輸出二極管Dol關斷，實現了第一輸出二極管Dol關斷與第一功率開關管 Sl開通之間的換流，減小了第一輸出二極管Dol的反向恢復電流，減小了第一 輸出二極管Dol導致的反向恢復損耗。
權利要求
1. 耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯并聯變換器，包括兩個功率開關管(S1、S2)，兩個箝位二極管(Dc1、Dc2)，兩個箝位電容(Cc1、Cc2)，兩個續流二極管(Dr1、Dr2)，兩個開關電容(Cd1、Cd2)，兩個輸出二極管(Do1、Do2)，一個輸出電容(Co)和兩個耦合電感，其特征是第一耦合電感有三個繞組(L1a、L1b、L1c)，第二耦合電感有三個繞組(L2a、L2b、L2c)，第一耦合電感的第一繞組(L1a)的一端與第二耦合電感的第一繞組(L2a)的一端及電源(Vin)的正端相連，第一耦合電感的第一繞組(L1a)的另一端與第一功率開關管(S1)的源極及第一箝位二極管(Dc1)的陽極和第一開關電容(Cd1)的一端相連，第一箝位二極管(Dc1)的陰極與第一箝位電容(Cc1)的一端及第一續流二極管(Dr1)的陽極相連，第一開關電容(Cd1)的另一端與第一耦合電感的第二繞組(L1b)的一端相連，第一耦合電感的第二繞組(L1b)的另一端與第二耦合電感的第三繞組(L2c)的一端相連，第二耦合電感的第三繞組(L2c)的另一端與第一續流二極管(Dr1)的陰極及第一輸出二極管(Do1)的陽極相連，第二耦合電感的第一繞組(L2a)的另一端與第二功率開關管(S2)的源極及第二箝位二極管(Dc2)的陽極和第二開關電容(Cd2)的一端相連，第二箝位二極管(Dc2)的陰極與第二箝位電容(Cc2)的一端及第二續流二極管(Dr2)的陽極相連，第二開關電容(Cd2)的另一端與第二耦合電感的第二繞組(L2b)的一端相連，第二耦合電感的第二繞組(L2b)的另一端與第一耦合電感的第三繞組(L1c)的一端相連，第一耦合電感的第三繞組(L1c)的另一端與第二續流二極管(Dr2)的陰極及第二輸出二極管(Do2)的陽極相連，第一輸出二極管(Do1)的陰極與第二輸出二極管(Do2)的陰極及第一輸出電容(Co)的一端相連，第一功率開關管(S1)的漏極和第二功率開關管(S2)的漏極與電源(Vin)的負端及第一輸出電容(Co)的另一端相連，第一箝位電容(Cc1)和第二箝位電容(Cc2)的另一端共同與第一功率開關管(S1)和第二功率開關管(S2)的漏極相連，或者第一箝位電容(Cc1)和第二箝位電容(Cc2)的另一端共同與第一耦合電感的第一繞組(L1a)及第二耦合電感的第一繞組(L2a)的接點相連，或者第一箝位電容(Cc1)和第二箝位電容(Cc2)的另一端共同與第一續流二極管(Do1)及第二續流二極管(Do2)的陰極共接。上述第一耦合電感的第一繞組(L1a)與電源(Vin)正端的連接端和第一耦合電感的第二繞組(L1b)與第一開關電容(Cd1)的連接端以及第一耦合電感的第三繞組(L1c)與第二輸出二極管(Do2)陽極的連接端為第一耦合電感的同名端；第二耦合電感的第一繞組(L2a)與電源(Vin)正端的連接端和第二耦合電感的第二繞組(L2b)與第二開關電容(Cd2)的連接端以及第二耦合電感的第三繞組(L2c)與第一輸出二極管(Do1)陽極的連接端為第一耦合電感的同名端。
全文摘要
本發明公開的耦合電感加開關電容實現無源箝位升壓型交錯并聯變換器，包括兩個功率開關管，兩個箝位二極管，兩個箝位電容，兩個續流二極管，兩個開關電容，兩個輸出二極管，一個輸出電容和兩個耦合電感，兩個耦合電感分別有三個繞組，本發明利用了兩個耦合電感的漏感來實現功率開關管的零電流開通，利用箝位二極管和箝位電容組成的無源箝位電路實現了功率開關管的軟關斷和漏感能量的無損轉移，箝位二極管不串聯在功率回路上，可減小導通損耗，利用兩個耦合電感的第二、第三繞組實現了變換器的高增益輸出，利用兩個開關電容進一步提高了變換器的電壓增益和降低了功率器件的電壓應力，無需額外的功率開關和電感元件，電路中無能量損耗元件，結構簡單。
文檔編號H02M3/10GK101510726SQ200910097138
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月23日 優先權日2009年3月23日
發明者何湘寧, 李武華 申請人:浙江大學