一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC‑DC变换器，涉及高增益DC‑DC变换器技术领域。本发明专利技术在半桥准谐振高增益电路拓扑的基础上，结合双向正负倍压整流电路，提出一种高增益DC‑DC变换器。该变换器能进一步提高输出电压增益和降低输出电压纹波；在降低高频变压器匝数的同时，提高系统效率；同时，变换器能实现软开关控制，从而具有电压电流应力小和效率高等优点。

A high gain quasi resonant DC-DC converter based on voltage doubled rectifier

【技术实现步骤摘要】
一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器
本专利技术涉及高增益DC-DC变换器
，具体涉及一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器。
技术介绍
全球气候的变化和能源危机使得分布式新能源发电技术得到快速的发展。高增益DC-DC变换器在分布式电源和电网之间起到重要作用。常见的太阳能发电中输出的电压为24V，经过高增益DC-DC变换器升到380V连接到电力系统的直流母线。因此高增益DC-DC变换器需具备升压变比大、效率高等功能。为实现高增益和高效率变换器，国内外对高增益变换器的研究主要分为隔离型和非隔离型。近年来，在非隔离型高增益DC-DC变换器的研究方面，将准Z源结构代替传统的Boost升压电路，占空比较小时高增益效果显著，开关管电压应力小。但存在电感电容数值较大，不利于开关电源的小型化，且开关为硬开关，高频条件下增加损耗。提出由两个或N个Boost电路级联而成二次型Boost变换器，在已有Boost变换器的基础上进一步优化。该拓扑有效的提高了变换器的电压增益，拓宽了输入电压范围，适用于光伏发电和燃料电池等新能源应用场合。然而，级联变换器个数的增加使得电路的复杂程度提高，元器件数量增多，不利于变换器的小型化和集成化发展，且难于设计闭环控制。提出了一种在Boost升压电路的基础上加入单个准谐振电路以及模块化的开关电容，利用很小的谐振电感改善了变换器的开关管电流应力和输出电压增益，开关管的开通和关断均实现了软开关，大大降低了损耗。在输出电压增益方面却与开关电容的数量成正比，同样存在二极管数量过多导致变换器循环能量增多和效率降低等问题。提出在升压电路中附加无源能量恢复缓冲器。它由两个快速恢复二极管，一个谐振电容器和一个谐振电感器组成。然而，无源缓冲器基本不消耗功率，只是减缓了电压尖峰，却不能完全抑制它。在隔离型DC-DC变换器方面，提出的半桥DC-DC变换器，电感和电容在开关管开通期间发生谐振。开关管为零电流开通和零电压关断，开关管为零电压开通和关断，两个开关管软开关的实现降低了开关损耗，但是需要变频控制，增加了闭环控制器和滤波器的设计难度。提出的升压电流馈送推挽式准谐振变换保留了常规电流馈送推挽式变换器的低输入电流应力和高电压转换比的固有优势。所有的开关管都可以在轻载时实现软开关，提高了系统的整体效率。此外，与有源钳位电流馈送推挽变换器和电流馈送推挽谐振变换器相比，采用更少的元件就可以获得类似的特性，不仅降低成本，又提高了系统可靠性。提出了一种高增益准谐振电流反馈型DC-DC变换器，该变换器拥有准谐振电流馈电结构、零磁化直流偏置、低输入纹波等特点。通过使用有源箝位电路，实现开关管零电压开通，输出二极管零电流关断，从而提高了变换器整体效率。在电路输出端采用倍压整流器来提供更高的电压转换比，从而实现高频变压器的小匝数比。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出了一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，该变换器在半桥准谐振高增益电路拓扑的基础上，结合双向倍压整流电路，保持电路准谐振工作特点基础上，电压、电流应力小和效率高，且能进一步提高输出电压增益和降低输出电压纹波。本专利技术具体采用如下技术方案：一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，包括升压电路、钳位电路、串联谐振回路和双向正负倍压整流电路；升压电路包括并联的第一功率开关管和输入电感，第一功率开关管上并联有第一反并联二极管；钳位电路包括并联的第二功率开关管和第二电容，第二功率开关管上并联有第二反并联二极管；串联谐振回路包括漏感电感和第一电容；双向正负倍压整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一输出电容、第二输出电容、第三输出电容、第四输出电容和负载电阻。优选的，当给第一功率开关管导通控制信号时，控制第二功率开关管关断，第一反并联二极管导通，串联谐振回路中发生电流、电压谐振，在原边线圈绕组中产生交变电流和电压；通过高频变压器在副边线圈绕组侧完成第一阶段升压；同时，副边线圈绕组中第二输出二极管和第三输出二极管，第一输出二极管和第四输出二极管在交流电正半周和服半周轮流同时导通，完成变压器副边线圈绕组侧交流电倍压整流，从而在原边线圈绕组侧升压的基础上实现副边线圈绕组侧升压；最终在电路负载上获得高增益的升压直流电，第一功率开关管随后零电压开通，直流电源给输入电感充电，其余支路电流为零；第三输出电容、第四输出电容维持负载供电电流；当给第二功率开关管导通控制信号时，控制第一功率开关管关断；首先，第二反并联二极管导通，输入电流通过第二反并联二极管给第二电容充电，当电容电压高于电源电压时，第二功率开关管零电压开通，第二电容放电并给串联漏感电感和第一电容充电，为下一阶段的串联谐振储能。优选的，第一功率开关管和第二功率开关管的占空比分别为D和1-D。优选的，第一电容采用谐振电容。优选的，变换器的原边线圈绕组为N1，副边线圈绕组为N2，变换器的变比为n＝N2/N1。优选的，在稳定工作时，变换器开关周期包含六个工作模式；工作模式一：在t0时刻，第二功率开关管断开，漏感电流iLk和输入电感电流iLB之差通过第一功率开关管的第一反并联二极管，第一功率开关管实现零电压开通，第一功率开关管的第一反并联二极管中电流为零；工作模式二：在t1时刻，第一功率开关管中的电流方向发生改变，输入电源通过第一功率开关管给输入电感充电，原边线圈绕组、第一电容和漏感电感构成串联谐振回路，输出端的第二二极管和第三二极管导通，副边线圈绕组电压折算到原边线圈绕组为uo/n，在副边线圈绕组电压折算到原边线圈绕组上的电压和电容第一的共同作用下使得漏感电流iLk逐渐减小到零，该模式下的数学模型为式(1)所示，工作模式三：在t2时刻，漏感电感和第一电容发生谐振，漏感电流iLk方向发生改变，原边电流方向发生改变，变压器副边电流方向也随之改变，使得第二二极管和第三二极管关断，第一二极管和第四二极管导通，输出端倍压整流电路继续给负载充能，第一输出电容和第四输出电容上的电压之和折算到原边依然为uo/n，变压器原边电流、电压计算式如下：uC1(t)＝uC1(t0)coswr(t-t2)(3)其中，UC1为第一电容两端的电压，wr为谐振频率，工作模式四：在t3时刻漏感电流iLk谐振到零，变换器进入断流状态。在这一阶段电源一直对输入电感LB充电，使得输入电感电流iLB一直保持不变。输出端电流为零，二极管D1-D4都处于关断状态，输出电容Co2和Co4直接给负载供电。可求得这一阶段高频变压器漏感电流iLk：iLk(t)＝0(4)变压器原边绕组呈现的电压和电容C1电压之和为UN，应用伏秒平衡原理：d1U1+d3U3＝d2U2(5)式中，U1、U2和U3分别是在模态1、模态2和模态3的变压器原边绕组电压和第一电容电压之和；工作模式五：在t4时刻，第一功率开关管关断，输入电流和变压器电流之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，其特征在于，包括升压电路、钳位电路、串联谐振回路和双向正负倍压整流电路；/n升压电路包括并联的第一功率开关管和输入电感，第一功率开关管上并联有第一反并联二极管；/n钳位电路包括并联的第二功率开关管和第二电容，第二功率开关管上并联有第二反并联二极管；/n串联谐振回路包括漏感电感和第一电容；/n双向正负倍压整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一输出电容、第二输出电容、第三输出电容、第四输出电容和负载电阻。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，其特征在于，包括升压电路、钳位电路、串联谐振回路和双向正负倍压整流电路；
升压电路包括并联的第一功率开关管和输入电感，第一功率开关管上并联有第一反并联二极管；
钳位电路包括并联的第二功率开关管和第二电容，第二功率开关管上并联有第二反并联二极管；
串联谐振回路包括漏感电感和第一电容；
双向正负倍压整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一输出电容、第二输出电容、第三输出电容、第四输出电容和负载电阻。


2.如权利要求1所述的一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，其特征在于，当给第一功率开关管导通控制信号时，控制第二功率开关管关断，第一反并联二极管导通，串联谐振回路中发生电流、电压谐振，在原边线圈绕组中产生交变电流和电压；通过高频变压器在副边线圈绕组侧完成第一阶段升压；同时，副边线圈绕组中第二输出二极管和第三输出二极管，第一输出二极管和第四输出二极管在交流电正半周和服半周轮流同时导通，完成变压器副边线圈绕组侧交流电倍压整流，从而在原边线圈绕组侧升压的基础上实现副边线圈绕组侧升压；最终在电路负载上获得高增益的升压直流电，第一功率开关管随后零电压开通，直流电源给输入电感充电，其余支路电流为零；第三输出电容、第四输出电容维持负载供电电流；
当给第二功率开关管导通控制信号时，控制第一功率开关管关断；首先，第二反并联二极管导通，输入电流通过第二反并联二极管给第二电容充电，当电容电压高于电源电压时，第二功率开关管零电压开通，第二电容放电并给串联漏感电感和第一电容充电，为下一阶段的串联谐振储能。


3.如权利要求1所述的一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，其特征在于，第一功率开关管和第二功率开关管的占空比分别为D和1-D。


4.如权利要求1所述的一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，其特征在于，第一电容采用谐振电容。


5.如权利要求1所述的一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，其特征在于，变换器的原边线圈绕组为N1，副边线圈绕组为N2，变换器的变比为n＝N2/N1。


6.如权利要求1所述的一种基于倍压整流电路的高增益准谐振DC-DC变换器，其特征在于，在稳定工作时，变换器开关周期包含六个工作模式；
工作模式一：在t0时刻，第二功率开关管断开，漏感电流iLk和输入电感电流iLB之差通过第一功率开关管...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟宁帆，张振海，魏建博，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37