基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器制造技术

本发明专利技术公开了基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器，包括有连接输入端的电源V

【技术实现步骤摘要】
基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器


[0001]本专利技术涉及电力电子
，具体的，涉及基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器。

技术介绍

[0002]随着社会经济科学技术的不断发展，对能源的需求日益增加，传统能源的储备越来越少，同时也会导致环境污染、温室效应等一系列问题。能源危机和环境问题的日益突出使得以光伏、燃料电池等为代表的新能源发展迫在眉睫。然而，这些新能源并网发电系统的输出电压通常较低，30
‑
60V左右，无法达到逆变器所需的较高的母线电压，为尽可能降低光伏串联的数量，增加系统可靠性，高升压比直流变换器成为了新型可再生能源并网发电系统中不可或缺的部分，其转换效率、稳定性和快速响应性能是系统整体良好运行的关键。
[0003]传统Boost升压变换器结构简单，但实际应用时易受寄生参数的影响，占空比达到极限，开关管Q的关断电流较大，且二极管存在严重的反向恢复问题；而隔离型升压变换器由于变压器体积和成本的原因应用也受到了限制。因此，新型高升压比变换器拓扑的提出十分必要；随着变换器工作频率的升高对功率器件的要求也随之提高，传统Si半导体器件的物理特性已达到极限不再适用；同时对于高频高压的应用场合，开关管Q的较高电压应力和硬开关问题也限制了功率器件的选择，且不利于提高系统的工作效率。
[0004]中国专利：公告号：CN111010031B，公告日：2021年4月27日，本专利技术涉及一种改进型高增益Boost
‑
Sepic变换器。包括低压直流电源V
in
、功率开关管S1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D
o
、第五功率二极管D
S1
、独立电感L1、独立电感L2、独立电感L3、中间电容C1、中间电容C2、输出电容C3、输出电容C4、输出电阻R
o
；本专利技术在工作时只需对一个开关管进行操控，降低了控制电路的复杂性，具有连续的输入电流、电流纹波容易控制、输入输出共地以及提高了输出电压时间响应特性的特点，具有高的电压增益，减小了功率开关管S1和功率二极管D3和D
o
的电压应力。该方案不能实现软开关特性，开关管的开关损耗大。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提出基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器，通过设置两级升压单元提高了变换器的升压能力和效率，设计谐振网络实现变换器的开关管的软开关特性，降低了开关管的开通损耗和开关管的电压应力。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术提供的一种技术方案是，基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器，包括有连接输入端的电源V
g
、电感L2、开关管Q、电容C
s
、二极管D0，电容C0以及电阻R；还包括有电感L1、电感L3、二极管D1、二极管D2以及电容C1组成的第一升压单元；还包括有二极管D
M
以及电容C
M
组成的第二升压单元；还包括有电容C
Q
，电容C
Q
与电感L1、电感L2、电感L3组成谐振网络；
电源V
g
的正极端分别与电感L1的第一端以及二极管D1的阳极端电连接，电感L1的第二端分别与电容C1的第一端以及二极管D2的阳极端电连接，二极管D1的阴极端分别与电容C1的第二端以及电感L2的第一端电连接，电感L2的第二端分别与二极管D1的阴极端、电容C
s
的第一端、二极管D
M
的阳极端、电容C
Q
的第一端以及开关管Q的漏极电连接，电容C
s
的第二端分别与电感L3的第一端以及二极管D0的阳极端电连接；二极管D
M
的阴极端分别与电感L3的第二端以及电容C
M
的第一端电连接，二极管D0的阴极端分别与电容C0的第一端以及电阻R的第一端电连接，电源V
g
的正极端分别与开关管Q的源极、电容C
Q
的第二端、电容C0的第二端以及电阻R的第二端电连接；所述SEPIC变换器在二极管D1、二极管D2、二极管D
M
、二极管D0以及开关管Q的不同通断状态的组合下，具备五种工作模态，模态一：表征SEPIC变换器向负载传递能量阶段；模态二：表征并联电容谐振阶段；模态三：二极管续流阶段；模态四：开关管Q开通阶段；模态五：并联电容充电阶段。
[0007]本方案中，由于高频环境下功率器件的开关损耗随之增加，选用第三代新型宽禁带半导体器件氮化镓(GaN)作为开关管，其具备寄生参数小、耐电压等级高、体积尺寸小等优点，更适合于高压高频的应用场合，同时结合软开关技术，可实现开关管的ZVS(软开关特性)，减小开关损耗，降低了开关管的电压应力，提高效率。高频变换器的另一优势在于减小了电感、电容等无源元件的体积，平面磁结构的使用、去除电解电容等都进一步实现了系统小型化；同时结合磁集成技术，将变换器中多个磁性元件集成到一副磁芯上，可进一步减小变换器的体积，提高功率密度；本方案在传统SEPIC变换器的基础上设计了两级升压单元和一个谐振网络，得到一种新型拓扑结构，可同时实现高升压能力和开关管Q的软开关特性；第一升压单元为具有泵升电容的开关电感结构，由电感L1、电感L3、二极管D1、二极管D2以及电容C1组成，第二升压单元为由二极管DM和电容C
M
组成的升压单元；电容C
Q
为开关管Q内部寄生电容与外部并联电容之和。此外，电感L2工作在断续状态，与电容C
Q
发生谐振，通过合适的参数设计，使得开关管Q的电压应力在驱动信号到来之前降为零，实现零电压开通。开关管Q电压应力为电容C
M
两端电压，较传统SEPIC变换器相比有所降低。同时，电感L1，L3的大小也会影响变换器的工作模态，为使两个电感的工作模态一致便于分析，将电感L1与L3设置为相同感值，且二者在整个开关周期内电流方向不发生改变，因此需工作在连续状态。电容C
s
，C
M
和C1足够大，其两端电压可视为恒定；电容Co是输出稳压电容。
[0008]作为优选，所述模态一的电路控制逻辑如下：在t0时刻，开关管Q两端的并联电容C
Q
两端电压等于电容C
M
电压，电容C
Q
充电结束；二极管D
M
和D
o
导通，D1，D2截止；电感L1和电感L3通过二极管D
M
给电容C
M
充电，同时将能量通过二极管D
o
传递给电容C
o
和负载R；电感L2工作在断续状态，其存储的能量通过二极管D
o
释放给负载R，当流过二极管D
M
和二极管D
o
的电流线性减小至零，记录结束时刻t1，模态一结束。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器，其特征在于：包括有连接输入端的电源V
g
、电感L2、开关管Q、电容C
s
、二极管D0，电容C0以及电阻R；还包括有电感L1、电感L3、二极管D1、二极管D2以及电容C1组成的第一升压单元；还包括有二极管D
M
以及电容C
M
组成的第二升压单元；还包括有电容C
Q
，电容C
Q
与电感L1、电感L2、电感L3组成谐振网络；电源V
g
的正极端分别与电感L1的第一端以及二极管D1的阳极端电连接，电感L1的第二端分别与电容C1的第一端以及二极管D2的阳极端电连接，二极管D1的阴极端分别与电容C1的第二端以及电感L2的第一端电连接，电感L2的第二端分别与二极管D1的阴极端、电容C
s
的第一端、二极管D
M
的阳极端、电容C
Q
的第一端以及开关管Q的漏极电连接，电容C
s
的第二端分别与电感L3的第一端以及二极管D0的阳极端电连接；二极管D
M
的阴极端分别与电感L3的第二端以及电容C
M
的第一端电连接，二极管D0的阴极端分别与电容C0的第一端以及电阻R的第一端电连接，电源V
g
的正极端分别与开关管Q的源极、电容C
Q
的第二端、电容C0的第二端以及电阻R的第二端电连接；所述SEPIC变换器在二极管D1、二极管D2、二极管D
M
、二极管D0以及开关管Q的不同通断状态的组合下，具备五种工作模态，模态一：表征SEPIC变换器向负载传递能量阶段；模态二：表征并联电容谐振阶段；模态三：二极管续流阶段；模态四：开关管Q开通阶段；模态五：并联电容充电阶段。2.根据权利要求1所述的基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器，其特征在于：所述模态一的电路控制逻辑如下：在t0时刻，开关管Q两端的并联电容C
Q
两端电压等于电容C
M
电压，电容C
Q
充电结束；二极管D
M
和D
o
导通，D1，D2截止；电感L1和电感L3通过二极管D
M
给电容C
M
充电，同时将能量通过二极管D
o
传递给电容C
o
和负载R；电感L2工作在断续状态，其存储的能量通过二极管D
o
释放给负载R，当流过二极管D
M
和二极管D
o
的电流线性减小至零，记录结束时刻t1，模态一结束。3.根据权利要求1所述的基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器，其特征在于：所述模态二的电路控制逻辑如下：在t1时刻，二极管D
M
和D
o
关断，并联电容C
Q
与电感L1、电感L2、电感L3谐振，谐振过程中各电感与电容C
Q
两端电压和电流呈非线性变化；当并联电容C
Q
两端电压谐振至零时，即开关管Q两端电压应力为0，模态二结束，从而实现开关管Q的ZVS，记录结束时刻t2。4.根据权利要求1所述的基于开关电感的改进型高频高升压比SEPIC变换器，其特征在于：所述模态三的电路控制逻辑如下：在t2时刻，根据电感电流不可突变的特性，二极管D1和二极管D2开通；此时电感L1和L3...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴靖，郑伟彦，蒋燕萍，王志明，蒋涛，苏斌，胡锡幸，边巧燕，
申请(专利权)人：浙江大有实业有限公司杭州科技发展分公司，
类型：发明
国别省市：