耦合电感实现高增益倍压升压型变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括两个开关管，两个箝位二极管，一个续流二极管，一个输出二极管，一个箝位电容，一个倍压电容，一个输出电容和两个分别带有两个绕组的耦合电感，本发明专利技术利用两个耦合电感提高变换器的增益并降低变换器中开关管和二极管的电压应力，利用耦合电感的漏感实现开关管的零电流开通和二极管的软关断，箝位二极管和箝位电容组成的箝位电路吸收漏感造成的开关管关断电压尖峰和实现能量的无损转移，利用倍压电路进一步提高变换器的增益并降低开关管及输出二极管的电压应力，利用交错并联控制降低输入电流的纹波。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直流-直流变换器及应用，具体说是耦合电感实现高增益倍压升压型变换器。
技术介绍
在可再生能源发电系统中，由于许多可再生能源发出的电能都是电压较低的直流 电，而并网发电系统需要电压较高的直流母线，因此需要直流-直流变换器把低电压直流 电转换为适合并网的高电压直流电。低输入电流纹波、高增益、高效率的非隔离型变换器在 可再生能源并网发电领域里有着重要的作用。 常规的升压型(Boost)交错并联直流-直流变换器的输出电压增益较小，功率开 关管的电压应力较大，功率开关管为硬开关工作，开关损耗较大，续流二极管的反向恢复电 流较大，反向恢复损耗较大。近年来，相继研究了一些软开关电路，通过附加有源功率开关 管和无源电感、电容等器件或是通过附加二极管和无源电感、电容等器件来实现功率开关 管的软开关。软开关电路虽然可以实现功率开关管的软开关，但是不能降低功率开关管的 电压应力，也没有拓展变换器的增益。有一种用开关电容的方法实现变换器增益的拓展，但 该方法有瞬间电流冲击，而且要实现很高的输出电压时所需开关电容数量多，结构复杂；还 有一种用三绕组耦合电感的方法实现变换器增益的拓展，但该方法的耦合电感结构复杂， 不利于工业化生产。
技术实现思路
本专利技术提供一种低输入电流纹波，结构简单且无能量损耗的耦合电感实现高增益 倍压升压型变换器。 —种耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括Boost升压电路单元、倍压电 路单元和输出电路单元， 变换器中的Boost升压电路单元由两个绕组、两个开关管、两个箝位二极管和一 个箝位电容构成，其中 第一绕组的第一端与第二绕组的第一端及电源的正极相连，第一绕组的第二端与第一开关管的漏极相连，第二绕组的第二端与第二开关管的漏极相连，第一开关管的源极和第二开关管的源极及电源的负极相连，第一箝位二极管的阳极与第一开关管的漏极相连，第二箝位二极管的阳极与第二开关管的漏极相连，第一箝位二极管的阴极和第二箝位二极管的阴极及箝位电容的第一端相连，箝位电容的第二端与电源的负极相连； 变换器中的倍压电路单元包括， a)第一串联支路，由第三绕组和第四绕组及倍压电容串联构成，其中第一绕组和 第三绕组同为一个耦合电感中的两个绕组，第二绕组和第四绕组同为另一个耦合电感中的 两个绕组，以第一绕组的第一端和第二绕组的第一端为参照端，第三绕组和第四绕组中的 参照端的同名端或异名端相连； 所述的第一串联支路，第三绕组、第四绕组和倍压电容的位置关系可以互换。 b)与第一串联支路并联的续流二极管，所述的续流二极管的阳极与箝位电容的第 一端相连； 变换器的输出电路单元中，输出二极管的阳极与续流二极管的阴极相连，输出二极管的阴极与输出电容的第一端相连，输出电容的第二端与电源的负极相连。 所述的变换器中的箝位电容的第二端还可以与电源正极相连。 所述的变换器中的箝位电容的第二端还可以与输出电容的第一端相连。 所述的变换器，其第一箝位二极管、第二箝位二极管、续流二极管和输出二极管中的一个或多个改成同步整流管，均能正常工作。 本专利技术变换器工作时，利用耦合电感的变压器效应实现了变换器增益的拓展，降 低了第一开关管、第二开关管、第一箝位二极管和第二箝位二极管的电压应力，使高性能的 开关管器件的应用成为可能，从而减小开关管的导通损耗和开关损耗，而相比于高电压应 力的二极管，电压应力较低的二极管不仅导通压降更小，而且反向恢复特性更好，进一步减 小了变换器的损耗。倍压电路单元的引入进一步提高了电路的增益并降低了器件的电压应 力；利用耦合电感的漏感实现了第一开关管和第二开关管的零电流开通；同时利用耦合电 感的漏感还实现了续流二极管和输出二极管的软关断；利用第一箝位二极管、第二箝位二 极管和箝位电容吸收漏感的能量，使第一开关管和第二开关管关断时无电压尖峰，并且吸 收的漏感能量最终传递到负载，实现无损吸收；利用交错控制降低了输入电流的纹波并提 高系统的功率等级。 本专利技术中无需额外的功率开关和电感元件，附件元件少，结构简单，控制方便，电 路中无能量损耗元件，可提高升压型交错并联电路的效率，且换流过程中，功率开关管关断 时无电压过冲，续流二极管开通时无电流过冲。耦合电感在对应的开关管开通和关断时都 传递能量，提高了耦合电感的利用率，降低了耦合电感的体积。附图说明 图1是本专利技术耦合电感实现高增益倍压升压型变换器的电路图； 图2是图1中变换器第二种连接方式的电路图； 图3是图1中变换器第三种连接方式的电路图。具体实施例方式参见图l，本专利技术的耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括Boost升压电路 单元、倍压电路单元和输出电路单元三部分。 变换器中的Boost升压电路单元中，第一绕组1^的第一端与第二绕组1^的第一端 及电源Vin的正极相连，第一绕组1^的第二端与第一开关管S工的漏极相连，第二绕组1^的 第二端与第二开关管S2的漏极相连，第一开关管&的源极和第二开关管S2的源极及电源 Vin的负极相连，第一箝位二极管Dq的阳极与第一开关管S工的漏极相连，第二箝位二极管 Dc2的阳极与第二开关管S2的漏极相连，第一箝位二极管DCl的阴极和第二箝位二极管Dc2 的阴极及箝位电容Cc的第一端相连，箝位电容Cc的第二端与电源Vin的负极相连； 变换器中的倍压电路单元包括， a)第一串联支路，由第三绕组L3和第四绕组L4及倍压电容Cm串联构成，其中第 一绕组和第三绕组L3同为一个耦合电感中的两个绕组，第二绕组L2和第四绕组L4同为 另一个耦合电感中的两个绕组，以第一绕组的第一端和第二绕组L2的第一端为参照端， 第三绕组L3和第四绕组L4中的参照端的异名端相连；图中由o 标记了第一绕组和第 三绕组L3的同名端，由* 标记了第二绕组L2和第四绕组L4的同名端。 b)与第一串联支路并联的续流二极管Dr，所述的续流二极管Dr的阳极与箝位电 容Cc的第一端相连； 变换器中的输出电路单元中，输出二极管Do的阳极与续流二极管Dr的阴极相连， 输出二极管Do的阴极与输出电容Co的第一端相连，输出电容Co的第二端与电源Vin的负 极相连。 输出电容Co的电压为Vout，能量最终传递给负载Ro。 参见图2，变换器存在第二种连接方式，与图1中电路不同之处在于，箝位电容Cc 的第二端与电源Vin正极相连。 参见图3，变换器存在第三种连接方式，与图1中电路不同之处在于，箝位电容Cc 的第二端还可以与输出电容Co的第一端相连。 耦合电感实现高增益倍压升压型变换器在一个开关周期内有八种工作过程，图 1 图3中的变换器的工作过程大体相同，即第一开关管S工关断与第一箝位二极管DCl开 通之间的换流；输出二极管Do导通过程；第一箝位二极管DCl关断过程；输出二极管Do关 断与第一开关管S工开通之间的换流过程；第二开关管S2关断与第二箝位二极管Dc2开通之 间的换流；续流二极管Dr导通过程；第二箝位二极管Dc2关断过程；续流二极管Dr关断与 第二开关管S2开通之间的换流过程。 第一开关管S工关断与第一箝位二极管DCl开通之间的换流 换流前，电路处于第一开关管Sp第二开关管S2导通，第一箝位二极管Dq、第二箝 位二极管Dc2关断，续流二极管Dr关断，输出二极管Do本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括Ｂｏｏｓｔ升压电路单元、倍压电路单元和输出电路单元，其特征在于，所述的Ｂｏｏｓｔ升压电路单元由两个绕组、两个开关管、两个箝位二极管和一个箝位电容构成，其中：第一绕组（Ｌ↓［１］）的第一端与第二绕组（Ｌ↓［２］）的第一端及电源（Ｖｉｎ）的正极相连，第一绕组（Ｌ↓［１］）的第二端与第一开关管（Ｓ↓［１］）的漏极相连，第二绕组（Ｌ↓［２］）的第二端与第二开关管（Ｓ↓［２］）的漏极相连，第一开关管（Ｓ↓［１］）的源极和第二开关管（Ｓ↓［２］）的源极及电源（Ｖｉｎ）的负极相连，第一箝位二极管（Ｄｃ↓［１］）的阳极与第一开关管（Ｓ↓［１］）的漏极相连，第二箝位二极管（Ｄｃ↓［２］）的阳极与第二开关管（Ｓ↓［２］）的漏极相连，第一箝位二极管（Ｄｃ↓［１］）的阴极和第二箝位二极管（Ｄｃ↓［２］）的阴极及箝位电容（Ｃｃ）的第一端相连，箝位电容（Ｃｃ）的第二端与电源（Ｖｉｎ）的负极相连；所述的倍压电路单元包括，ａ）第一串联支路，由第三绕组（Ｌ↓［３］）和第四绕组（Ｌ↓［４］）及倍压电容（Ｃｍ）串联构成，其中第一绕组（Ｌ↓［１］）和第三绕组（Ｌ↓［３］）同为一个耦合电感中的两个绕组，第二绕组（Ｌ↓［２］）和第四绕组（Ｌ↓［４］）同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一绕组（Ｌ↓［１］）的第一端和第二绕组（Ｌ↓［２］）的第一端为参照端，第三绕组（Ｌ↓［３］）和第四绕组（Ｌ↓［４］）中的参照端的同名端或异名端相连；ｂ）与第一串联支路并联的续流二极管（Ｄｒ），所述的续流二极管（Ｄｒ）的阳极与箝位电容（Ｃｃ）的第一端相连；所述的输出电路单元中，输出二极管（Ｄｏ）的阳极与续流二极管（Ｄｒ）的阴极相连，输出二极管（Ｄｏ）的阴极与输出电容（Ｃｏ）的第一端相连，输出电容（Ｃｏ）的第二端与电源（Ｖｉｎ）的负极相连。...

【技术特征摘要】
一种耦合电感实现高增益倍压升压型变换器，包括Boost升压电路单元、倍压电路单元和输出电路单元，其特征在于，所述的Boost升压电路单元由两个绕组、两个开关管、两个箝位二极管和一个箝位电容构成，其中第一绕组(L1)的第一端与第二绕组(L2)的第一端及电源(Vin)的正极相连，第一绕组(L1)的第二端与第一开关管(S1)的漏极相连，第二绕组(L2)的第二端与第二开关管(S2)的漏极相连，第一开关管(S1)的源极和第二开关管(S2)的源极及电源(Vin)的负极相连，第一箝位二极管(Dc1)的阳极与第一开关管(S1)的漏极相连，第二箝位二极管(Dc2)的阳极与第二开关管(S2)的漏极相连，第一箝位二极管(Dc1)的阴极和第二箝位二极管(Dc2)的阴极及箝位电容(Cc)的第一端相连，箝位电容(Cc)的第二端与电源(Vin)的负极相连；所述的倍压电路单元包括，a)第一串联支路，由第三绕组(L3)和第四绕组(L4)及倍压电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：何湘宁，李武华，赵一，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]