一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器，包括兩個功率開關管、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、兩個箝位二極管、兩個箝位電容和兩個三繞組耦合電感。利用兩個三繞組耦合電感的漏感來實現功率開關管的零電流開通，并控制二極管中電流下降速率，從而解決二極管在關斷時的反向恢復問題。利用箝位二極管和箝位電容組成無源電路實現了功率開關管的軟關斷和漏感能量的無損轉移，其中箝位二極管不串聯在功率回路中，可減少二極管的導通損耗，箝位電容交錯放置，實現了兩個交錯支路的電流均衡。利用兩個三繞組耦合電感的第二、三繞組實現了變換器的高增益輸出，整個變換器功率損耗小，結構簡潔。
【專利說明】一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及DC-DC變換【技術領域】，尤其涉及一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器。
【背景技術】
[0002]隨著能源的日益緊張，發展新能源技術逐步成為關注的熱點。燃料電池、光伏太陽能、生物質能等綠色能源具有能量密度高，安全、清潔、無噪聲，無環境污染等特點而受到青睞。但由于其發電模塊輸出電壓低，而公共直流母線電壓常設定在200V或是400V，所以需要在這些發電模塊與公共直流母線之間插入一高增益高效率低輸入電流紋波的高性能DC-DC變換器。
[0003]常規的交錯并聯升壓型DC-DC變換器，包含兩個功率開關管，兩個電感，兩個續流二極管，第一功率開關管的漏極與第一續流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。這種交錯并聯升壓型DC-DC變換器輸出電壓的增益較小，續流二極管的反向恢復電流較大，反向恢復損耗較大，功率開關管的電壓應力較大，功率開關管為硬開關工作，開關損耗大，兩個支路在占空比不等情況下，輸出電壓不等，從而兩個支路不均流。近年來，為提高變換器的電壓增益，逐步發展出兩種升壓方式，一種是采用串聯開關電容的方式，該方法需要串聯多個開關電容實現高增益，且充電回路中存在電流尖峰，電磁干擾大，更重要的是輸出電壓不易調節；另一種方式是采用耦合電感升壓，該方式下輸出二極管電壓應力較高，影響了變換器的效率，且需要增添額外的吸收電路，電路復雜。為解決軟開關問題，相繼研究了一些軟開關電路，主要有兩種: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；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。這兩種方法雖然可以實現功率管開關管的軟開關，但外加電路復雜，且不能降低功率開關管的電壓應力。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的主要技術問題是提供一種功率開關管零電流開通、高增益輸出和低電壓應力，并且實現功率開關管的軟關斷以及支路電流均流的升壓型變化器。
[0005]本發明的技術解決方案是:一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器，包含電源、兩個功率管，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三繞組耦合電感；
[0006]其特征在于第一三繞組耦合電感的原邊繞組的一端與第二三繞組耦合電感的原邊繞組的一端及電源的正端相連，所述第一三繞組耦合電感的另一端則與第一功率管的漏極、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二箝位電容的一端及第二續流二極管的的陽極相連，第一開關電容的另一端與第一三繞組耦合電感的第一副邊繞組的一端相連，第一三繞組耦合電感的第一副邊繞組的另一端與第二三繞組耦合電感的第二副邊繞組的一端相連，第二三繞組耦合電感的第二副邊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；第二三繞組耦合電感原邊繞組的另一端與第二功率開關管的漏極及第二箝位二極管的陽極和第二開關電容的的一端相連，第二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，第二開關電容的另一端與第二三繞組耦合電感的第一副邊繞組的一端相連，第二三繞組耦合電感的第一副邊繞組的另一端與第一三繞組耦合電感的第二副邊繞組的一端相連，第一三繞組耦合電感第二副邊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，第二輸出二極管的陰極與第一輸出二極管的陰極及輸出電容的一端相連，輸出電容的另一端與電源的負端、第一功率開關管的源極、第二功率開關管的源極、第一箝位電容以及第二箝位電容共同連接在一起。
[0007]工作時，利用第一三繞組耦合電感和第二三繞組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、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，分別實現了第二功率開關管和第一功率開關管的軟箝位關斷。利用第一三繞組耦合電感的副邊繞組和第二三繞組耦合電感的副邊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，每個開關周期的第二箝位電容、第一箝位電容收集第一三繞組耦合電感、第二三繞組耦合電感的漏感能量，并最終轉移到負載，實現無源箝位電路的無損運行。由于第一箝位電容、第二箝位電容交錯放置在第二支路(含第一功率開關管支路)、第一支路(含第二功率開關管支路)，保證了兩條支路電路在占空比不等的情況下電壓增益相等，從而實現了均流。
[0008]本發明提供的一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器，利用了第一三繞組耦合電感和第二三繞組耦合電感的漏感來實現功率開關管的零電流開通，并有效控制二極管中電流下降速率，從而解決了開關管反向恢復的問題。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，箝位二極管沒有串聯在包含功率開關管的回路上，可以減少導通損耗，無源箝位電路的交錯排列在兩個支路中，有效實現了兩個支路的均流。利用第一個耦合電感和第二三繞組耦合電感的兩個副邊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，無需額外的功率管開關和電感元件，附件元件少，結構簡單，控制方便，電路中無能量損耗元件，可提高升壓型變化器的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器電路圖。
[0010]圖2為一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器等效電路。
[0011]圖3為一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器的各開關模態等效電路圖。
[0012]圖4為一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器關鍵波形圖。【具體實施方式】[0013]下面通過結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0014]參見圖1，本發明提供的一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器，包含兩個功率管S1、S2，兩個箝位二極管Da、Dffi，兩個箝位電容Ca、Q2，兩個續流二極管Dfl、Df2，兩個開關電容Cfl、Cf2，兩個輸出二極管Dtj2, —個輸出電容C。和兩個三繞組耦合電感，其特征是第一三繞組耦合電感的原邊繞組Llp的一端與第二三繞組耦合電感的原邊繞組L2p的一端及電源Vin的正端相連，第一三繞組耦合電感的原邊繞組Llp的另一端則與第一功率管S1的漏極、第一箝位二極管Da的陽極和第一開關電容Cfl的一端相連；第一箝位二極管Dcl的陰極與第二箝位電容Ck的一端及第二續流二極管的Df2的陽極相連，第一開關電容Cfl的另一端與第一三繞組耦合電感的第一副邊繞組Llsl的一端相連，第一三繞組耦合電感的第一副邊繞組Llsl的另一端與第二三繞組耦合電感的第二副邊繞組L2s2的一端相連，第二三繞組耦合電感的第二副邊繞組L2s2的另一端與第一續流二極管Dfl的陰極及第一輸出二極管Dtjl的陽極相連；第二三繞組耦合電感原邊繞組L2p的另一端與第二功率開關管&的漏極及第二箝位二極管Dk的陽極和第二開關電容的Cf2的一端相連，第二箝位二極管De2的陰極與第一箝位電容(^的一端及第一續流二極管Dfl的陽極相連，第二開關電容Cf2的另一端與第二三繞組耦合電感的第一副邊繞組L2sl的一端相連，第二三繞組耦合電感的第一副邊繞組L2sl的另一端與第一三繞組耦合電感的第二副邊繞組Lls2的一端相連，第一三繞組耦合電感第二副邊繞組Lls2的另一端與第二續流二極管Df2的陰極及第二輸出二極管Dtj2的陽極相連，第二輸出二極管Dtj2的陰極與第一輸出二極管Dtjl的陰極及輸出電容C。的一端相連，輸出電容C。的另一端與電源Vin的負端、第一功率開關管S1的源極、第二功率開關管S2的源極、第一箝位電容Ca以及第二箝位電容Q2共同連接在一起。
[0015]上述的第一三繞組耦合電感的原邊Llp與電源Vin正端的連接端和第一三繞組耦合電感副邊第二繞組Llsl與第一開關電容Cfl的連接端以及第一三繞組耦合電感第二副邊繞組Lls2與第二續流二極管Df2陰極的連接端為第一三繞組耦合電感的同名端；第二三繞組耦合電感的原邊繞組L2p與電源Vin正端的連接端和第二三繞組耦合電感的第一副邊繞組L2sl與第二開關電容Cf2的連接端以及第二三繞組耦合電感的第二副邊繞組L2s2與第一續流二極管Dfl陰極的連接端為第二三繞組耦合電感的同名端。
[0016]所述一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器等效電路如圖2所示意，第一、二耦合電感副邊的漏感歸算到原邊，分別用Lkl、Lk2表示，變換器有十二個工作模態，如圖3所示。由于電路的對稱性，僅以前六個換流過程為例分析如下:
[0017]模態UtJ1]:功率開關管SpS2處于開通狀態，輸出二極管是反向偏置，箝位二極管Dc^ Dc2以及續流二極管Dfl、Df2處于關斷狀態，兩個三繞組耦合電感Llp，L2p及各自漏感Lkl，Lk2處于被輸入電壓的線性充電。
[0018]模態2 [t山]:在&時刻，S1關斷，第一三繞組耦合電感原邊電流對S1并聯的漏源電容線性充電。第一箝位二極管Da的反向電壓降低而S1的漏源電壓升高。
[0019]模態3[t2t3]:在〖2時刻，第一箝位管Da反向壓降降至零并開始導通，第一三繞組耦合電感的原邊電流對第二箝位電容Ck充電，第一功率管S1依然關斷，且其漏源電壓被第二箝位電容Q2箝置，第一三繞組耦合電感漏感Lkl中的能量轉移到第二箝位電容Q2中。
[0020]模態4[t3t4]:在&時刻，第一輸出二極管Dtjl開始導通，第一開關電容Cfl中的能量開始向負載轉移。同時第二續流二極管Df2導通，第二箝位電容Ck中的能量轉移到第二開關電容Cf2中。
[0021]模態5[t4t5]:在t4時刻，第一箝位二極管Da關斷，由于關斷電流下降速率受到第一三繞組耦合電感漏感Lkl的控制，其關斷反向恢復問題不存在，此時流入第二箝位電容Cc2的電流為零，第一開關電容Cfl中的能量繼續轉移負載。
[0022]模態6[t5t6]:在t5時刻，S1開通，由于第二三繞組耦合電感漏感Lkl的存在，S1零電流開通。
[0023]圖4為該變換器工作時的關鍵波形圖。
[0024]參見圖2，均流的實現過程為:設第一、二功率開關管Sp S2導通占空分別比為DpD2，兩個耦合電感的兩個副邊繞組對各自原邊繞組的匝數比都為N，則第一支路I的電壓增益為:
【權利要求】
1.一種帶耦合電感和開關電容的無源箝位并聯型升壓變換器，包括電源、兩個功率管(S1、S2)，兩個箝位二極管(Dc1、Dc2)，兩個箝位電容(Ca、Cc2)，兩個續流二極管(Df1、Df2)，兩個開關電容(Cf1、Cf2)，兩個輸出二極管(Dtjl、D02)，一個輸出電容(C。)和兩個三繞組耦合電感；其特征在于第一三繞組耦合電感的原邊繞組(Llp)的一端與第二三繞組耦合電感的原邊繞組(L2p)的一端及電源(Vin)的正端相連，所述第一三繞組耦合電感的另一端則與第一功率管(S1)的漏極、第一箝位二極管(Da)的陽極和第一開關電容(Cfl)的一端相連；第一箝位二極管(Dcl)的陰極與第二箝位電容(Ck)的一端及第二續流二極管的(Df2)的陽極相連，第一開關電容(Cfl)的另一端與第一三繞組耦合電感的第一副邊繞組(Llsl)的一端相連，第一三繞組耦合電感的第一副邊繞組(Llsl)的另一端與第二三繞組耦合電感的第二副邊繞組(L2s2)的一端相連，第二三繞組耦合電感的第二副邊繞組(L2s2)的另一端與第一續流二極管(Dfl)的陰極及第一輸出二極管(Dtjl)的陽極相連；第二三繞組耦合電感原邊繞組(L2p)的另一端與第二功率開關管(S2)的漏極及第二箝位二極管(Dk)的陽極和第二開關電容的(Cf2)的一端相連，第二箝位二極管(De2)的陰極與第一箝位電容(Ca)的一端及第一續流二極管(Dfl)的陽極相連，第二開關電容(Cf2)的另一端與第二三繞組耦合電感的第一副邊繞組(L2sl)的一端相連，第二三繞組耦合電感的第一副邊繞組(L2sl)的另一端與第一三繞組耦合電感的第二副邊繞組(Lls2)的一端相連，第一三繞組耦合電感第二副邊繞組(Lls2)的另一端與第二續流二極管(Df2)的陰極及第二輸出二極管(Dtj2)的陽極相連，第二輸出二極管(D02)的陰極與第一輸出二極管(Dtjl)的陰極及輸出電容(C。)的一端相連，輸出電容(C。)的另一端與電源(Vin)的負端、第一功率開關管(S1)的源極、第二功率開關管(S2)的源極、第一箝位電容(Ca)以及第二箝位電容(Ce2)共同連接在一起。
【文檔編號】H02M3/07GK103618446SQ201310688048
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月16日 優先權日:2013年12月16日
【發明者】何良宗, 李彤, 周偉, 曾濤 申請人:廈門大學