基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器制造技术

一种基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC‑DC变换器，属于软开关DC‑DC变换器技术领域。本发明专利技术针对现有软开关DC‑DC变换器为了实现高升压比采用的手段，会使开关管产生较大关断电压尖峰，从而影响变换器效率的问题。它基于开关电容和耦合电感，提出高电压增益DC‑DC变换器拓扑，它利用开关电容并联充电串联放电，再结合耦合电感，实现高升压比，减小了开关管和二极管的电压应力；同时避免了开关电容变换器结构复杂，器件较多的弊端。本发明专利技术所述变换器有利于系统效率的提高。

High Voltage Gain Soft Switching DC-DC Converter Based on Switched Capacitor and Coupled Inductor

【技术实现步骤摘要】
基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器
本专利技术涉及基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，属于软开关DC-DC变换器

技术介绍
化石燃料由于其不可再生性而无法满足日益增长的能源需求，并且，过度使用化石燃料还会带来巨大的环境污染。由此，对清洁可再生能源的研究就显得尤为重要。目前，光伏、燃料电池、风力发电等清洁可再生式能源越来越受到人们的重视。其中光伏和燃料电池的输出电压比较低，无法直接与并网逆变器相连，需要通过DC-DC变换器升压后再与DC-AC逆变器相连，然后输入到交流电网。也就是说，光伏和燃料电池的电能需要通过两级功率变换结构才能输入到电网中，这就对DC-DC变换器的高效、高增益提出了更高的要求。现有的DC-DC变换器存在以下问题：1、在隔离DC-DC变换器中，通过调节变压器的变比实现高升压比，但高的变压器变比会导致变压器的体积和漏感增大，而大的漏感又使原边的开关管出现关断电压尖峰，并会导致输出二极管的应力高，因此会严重影响变换器的效率。2、在非隔离DC-DC变换器中，例如传统的Boost变换器，其理论上可以通过增加开关管的占空比实现高升压比，但较大占空比会带来导通损耗大、开关管应力大，输出二极管反向恢复等一系列问题；对于开关电容变换器来说，可以通过大量的电容级联实现高升压比，但这样又会大大增加器件的数量，进而增加了成本和体积。还有利用耦合电感实现高升压比的方案，例如通过调节耦合电感的变比实现高升压比，但这样会造成耦合电感的漏感大，给开关管带来较大的关断电压尖峰和损耗，进而影响整个变换器的效率。因此，针对以上不足，需要提供一种结构相对简单的软开关DC-DC变换器，使其能在实现高升压比的前提下，减小开关管和二极管的电压应力。
技术实现思路
针对现有软开关DC-DC变换器为了实现高升压比采用的手段，会使开关管产生较大关断电压尖峰，从而影响变换器效率的问题，本专利技术提供一种基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器。本专利技术的一种基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，包括电压源Vg、三绕组耦合电感器、开关管Q1、开关管Q2、开关电容C2、开关电容C3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、输出电容器C01和输出电容器C02；所述三绕组耦合电感器包括原边线圈Np、励磁电感Lm、原边漏感Lk、副边线圈Ns和副边线圈Nt；电压源Vg的正极与开关管Q1的漏极之间顺次串联原边线圈Np和原边漏感Lk，开关管Q1的源极连接电压源Vg的负极,励磁电感Lm与原边线圈Np并联；开关管Q1的漏极与二极管D3的阳极之间连接副边线圈Ns和开关电容C3，二极管D3的阴极连接开关管Q1的源极；开关管Q1的漏极连接开关管Q2的源极，开关管Q2的漏极与电压源Vg的正极之间连接开关电容C2；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接输出电容器C02的一端，输出电容器C02的另一端连接二极管D3的阳极；所述输出电容器C02的一端连接输出电容器C01的一端，输出电容器C01的另一端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极与所述输出电容器C01的一端之间连接副边线圈Nt；所述输出电容器C01的另一端与所述输出电容器C02的另一端之间用于连接负载；原边线圈Np与电压源Vg正极的连接端、副边线圈Ns与开关管Q1漏极的连接端及副边线圈Nt与输出电容器C01一端的连接端作为同名端。根据本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，所述开关管Q1的驱动信号Vg1和开关管Q2的驱动信号Vg2包括使开关管Q1和开关管Q2互补导通的周期各为100us的电压信号；相邻驱动信号Vg1和驱动信号Vg2之间存在死区。根据本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，在驱动信号Vg1和驱动信号Vg2的控制下，其中一个开关管关闭时，三绕组耦合电感器的原边漏感Lk和另一个开关管寄生电容在所述死区时段内产生谐振，当所述另一个开关管的漏源极电压降为零，体二极管导通时，另一个开关管的驱动信号变为高，此时另一个开关管导通。根据本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，所述原边漏感Lk满足以下关系式：式中Coss为开关管寄生电容，Vds.Q1(t6)为t6时刻开关管Q1的漏源极电压，ilk(t6)为t6时刻原边漏感的漏感电流，t6为开关管Q2的关断时刻。根据本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，所述死区的范围为100ns-300ns。所述三绕组耦合电感器的原边线圈Np、副边线圈Ns和副边线圈Nt的变比为1：ns：nt；耦合系数k等于Lm/(Lm+Lk)。根据本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，所述1：ns：nt＝1:2:8。根据本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，所述驱动信号通过驱动芯片2ED020I12-FI实现。根据本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，所述开关管的型号为IPP111N15N3G。根据本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，所述二极管的型号为IDH03SG60C；所述三绕组耦合电感器的磁芯型号为ETD39。本专利技术的有益效果：本专利技术基于开关电容和耦合电感，提出高电压增益DC-DC变换器拓扑，它利用开关电容并联充电串联放电，再结合耦合电感，实现高升压比，减小了开关管和二极管的电压应力；同时避免了开关电容变换器结构复杂，器件较多的弊端。本专利技术利用耦合电感的漏感和开关管的寄生电容发生谐振，使两个开关管都能实现零电压开关(ZVS)，从而大大减小了开关管的开关损耗，对ZVS实现的原理和条件进一步分析设计，可大大提高变换器的效率。本专利技术中开关电容和其中的一个开关管还可以作为另一个开关管的主动箝位电路，来吸收开关管的关断电压尖峰，从而有利于系统效率的提高。附图说明图1是本专利技术所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器的等效电路示意图；图1中，VD1表示二极管D1的端电压，iD1表示二极管D1的电流，VD2表示二极管D2的端电压，iD2表示二极管D2的电流，iQ2表示开关管Q2的电流，VD3表示二极管D3的端电压；图2是在两个开关管驱动信号的驱动下，所述变换器在一个开关周期内对应于9个开关模态的主要变量波形图；图3是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态1的等效电路图；图4是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态2的等效电路图；图5是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态3的等效电路图；图6是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态4的等效电路图；图7是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态5的等效电路图；图8是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态6的等效电路图；图9是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态7的等效电路图；图10是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态8的等效电路图；图11是所述变换器在一个开关周期内，9个开关模态中模态9的等效电路图；图12是所述变换器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC‑DC变换器，其特征在于，它包括电压源Vg、三绕组耦合电感器、开关管Q1、开关管Q2、开关电容C2、开关电容C3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、输出电容器C01和输出电容器C02；所述三绕组耦合电感器包括原边线圈Np、励磁电感Lm、原边漏感Lk、副边线圈Ns和副边线圈Nt；电压源Vg的正极与开关管Q1的漏极之间顺次串联原边线圈Np和原边漏感Lk，开关管Q1的源极连接电压源Vg的负极,励磁电感Lm与原边线圈Np并联；开关管Q1的漏极与二极管D3的阳极之间连接副边线圈Ns和开关电容C3，二极管D3的阴极连接开关管Q1的源极；开关管Q1的漏极连接开关管Q2的源极，开关管Q2的漏极与电压源Vg的正极之间连接开关电容C2；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接输出电容器C02的一端，输出电容器C02的另一端连接二极管D3的阳极；所述输出电容器C02的一端连接输出电容器C01的一端，输出电容器C01的另一端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极与所述输出电容器C01的一端之间连接副边线圈Nt；所述输出电容器C01的另一端与所述输出电容器C02的另一端之间用于连接负载；原边线圈Np与电压源Vg正极的连接端、副边线圈Ns与开关管Q1漏极的连接端及副边线圈Nt与输出电容器C01一端的连接端作为同名端。...

【技术特征摘要】
1.一种基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，它包括电压源Vg、三绕组耦合电感器、开关管Q1、开关管Q2、开关电容C2、开关电容C3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、输出电容器C01和输出电容器C02；所述三绕组耦合电感器包括原边线圈Np、励磁电感Lm、原边漏感Lk、副边线圈Ns和副边线圈Nt；电压源Vg的正极与开关管Q1的漏极之间顺次串联原边线圈Np和原边漏感Lk，开关管Q1的源极连接电压源Vg的负极,励磁电感Lm与原边线圈Np并联；开关管Q1的漏极与二极管D3的阳极之间连接副边线圈Ns和开关电容C3，二极管D3的阴极连接开关管Q1的源极；开关管Q1的漏极连接开关管Q2的源极，开关管Q2的漏极与电压源Vg的正极之间连接开关电容C2；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接输出电容器C02的一端，输出电容器C02的另一端连接二极管D3的阳极；所述输出电容器C02的一端连接输出电容器C01的一端，输出电容器C01的另一端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极与所述输出电容器C01的一端之间连接副边线圈Nt；所述输出电容器C01的另一端与所述输出电容器C02的另一端之间用于连接负载；原边线圈Np与电压源Vg正极的连接端、副边线圈Ns与开关管Q1漏极的连接端及副边线圈Nt与输出电容器C01一端的连接端作为同名端。2.根据权利要求1所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述开关管Q1的驱动信号Vg1和开关管Q2的驱动信号Vg2包括使开关管Q1和开关管Q2互补导通的周期各为100us的电压信号；相邻驱动信号Vg1和驱动信号Vg2之间存在死区。3.根据权利要求2所述的基于开关电容和耦合电感的高电压增益软开关DC-...

【专利技术属性】
技术研发人员：张相军，徐殿国，管乐诗，孙磊，王懿杰，刘博禹，韩寿恒，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23