一種耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路的製作方法
2023-07-08 06:19:01
一種耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路，該電路包括升壓電感，該升壓電感採用兩個相互耦合的電感替代了傳統交錯並聯Boost拓撲中的普通升壓電感。與現有技術相比，本發明通過開關管實現了零電壓開通(佔空比大於0.5)與零電流開通(佔空比小於0.5)，減小了開關損耗，提高了電路總體效率；軟開關效果利用耦合電感漏感實現，沒有添加額外輔助元件，不會對變換器功率密度造成影響。
【專利說明】一種耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種軟開關電路，尤其是涉及大功率非隔離DC/DC應用場合的耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路。
【背景技術】
[0002]在航空航天、電動汽車、光伏發電等諸多領域中，大功率DC/DC變換器是必不可少的部件。如何有效地選取和調節其參數，提升功率密度，提高轉換效率，改善電磁幹擾(EMI)情況，不僅關係到變換器本身的正常工作，而且也關係到系統整體性能的優化、能源利用效率的提高以及控制部分的穩定可靠運行。
[0003]提高開關頻率是提升DC/DC變換器功率密度的重要手段。但是由於功率器件的非理想特性，開關頻率越高，工作在硬開關狀態下的功率器件開關損耗也越大，從而導致變換器效率下降。而且，較大的電壓與電流變化率會給電路帶來嚴重的EMI影響。
[0004]針對高頻化帶來的一系列問題，軟開關技術是重要的解決方法。它可以通過改善功率器件電流電壓波形，有效降低開關損耗，提高高頻工作下變換器效率；還可以降低開關應力，減小EMI影響。但是為實現軟開關效果而額外添加的輔助網絡往往會造成變換器整體體積的增加，從而影響軟開關變換器在對空間要求嚴苛的高功率密度場合的應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能夠降低開關損耗同時不影響功率密度的耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路。
[0006]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0007]—種耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路，該電路包括升壓電感，該升壓電感採用兩個相互耦合的電感替代了傳統交錯並聯Boost拓撲中的普通升壓電感。
[0008]該軟開關電路具體包括第一升壓電感、第二升壓電感，第一續流二極體、第二續流二極體，第一功率開關管、第二功率開關管，第一輔助二極體、第二輔助二極體，第一輔助電容、第二輔助電容。其中第一輔助二極體、第二輔助二極體分別並聯於兩個功率開關管兩端；第一輔助電容、第二輔助電容分別並聯於兩個功率開關管兩端；輸入直流電源一端接第一升壓電感和第二升壓電感，另一端接第一功率開關管、第二功率開關管的源極；第一續流二極體、第二續流二極體的共陰極接到濾波電容一端，第一功率開關管、第二功率開關管的源極接到濾波電容另一端；負載並接於濾波電容兩端。
[0009]第一與第二升壓電感緊密耦合且繞向相同。當電路佔空比大於0.5時，利用耦合電感的漏感與第一或第二輔助電容的諧振，在功率開關管開通前將第一或第二輔助電容完全放電，從而實現功率開關管的零電壓開通；當電路佔空比小於0.5時，利用耦合電感漏感上電流不能突變的特性，實現功率開關管的零電流開通。
[0010]第一輔助二極體、第二輔助二極體可以是所述第一功率開關管、第二功率開關管的體二極體。
[0011]第一輔助電容、第二輔助電容可以是所述第一功率開關管、第二功率開關管的輸出電容。
[0012]第一續流二極體和第二續流二極體是Si快恢復二極體、Si肖特基二極體、或者SiC肖特基二極體。
[0013]與現有技術相比，本發明合理設計耦合係數，利用耦合電感漏感實現傳統交錯並聯Boost拓撲的軟開通工作，較之硬開關電路減小了開關損耗，提高了電路轉換效率；較之添加輔助電感的軟開關電路，減少了額外器件，最大程度上避免了變換器整體體積的增加與功率密度的降低，在大功率等級高功率密度應用場合具有較大應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]附圖1是本發明的電路原理圖；
[0015]附圖2是本發明的等效電路原理圖；
[0016]附圖3是本發明在半個工作周期內的五種工作模態(佔空比小於0 5)；
[0017]附圖4是本發明在半個工作周期內的五種工作模態(佔空比大於0 5)。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0019]實施例
[0020]參見附圖1，本發明電路採用耦合電感替代了傳統交錯並聯Boost拓撲中的普通升壓電感。所述耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路包括兩個升壓電感L1、L2，兩個續流二極體D2，兩個功率開關管S。S2，兩個輔助二極體DS1、Ds2，兩個輔助電容CS1、Cs20第一續流二極體D1共陽極接第一功率開關管S1的漏極，第二續流二極體D2共陽極接第二功率開關管S2的漏極；第一輔助二極體Ds1、第二輔助二極體Ds2分別並聯於兩個功率開關管SpS2兩端；第一輔助電容Cs1、第二輔助電容Cs2分別並聯於兩個功率開關管S1、S2兩端；輸入直流電源Vin —端接第一升壓電感L1和第二升壓電感L2,另一端接第一功率開關管S1、第二功率開關管S2的源極；第一續流二極體D1、第二續流二極體D2的共陰極接到濾波電容C。一端，第一功率開關管S1、第二功率開關管S2的源極接到濾波電容C。另一端；負載R並接於濾波電容C。兩端。
[0021 ] 第一升壓電感L1和第二升壓電感L2緊密耦合且繞向相同，可以解耦為三個非耦合電感。參見附圖2，三個非耦合電感包括第一互感Lm、第一漏感Llkl與第二漏感Llk2。
[0022]按功率開關管佔空比D不同，本發明電路存在兩種工作情況:D 0.5。
[0023]D < 0.5時，由於電路結構的對稱性，僅以半個工作周期五種模態為例，分析如下:
[0024]模態1，如圖3(a):該模態之前，電路處於第一功率開關管S1、第二功率開關管S2、第一續流二極體D1關斷，第二續流二極體D2續流的工作狀態，存在兩個電流迴路:電源Vin —第一互感Lm —第二漏感Llk2 —第二續流二極體D2 —濾波電容C。與輸出負載R，第一漏感Llkl —第二漏感Llk2 —第二續流二極體D2 —濾波電容C。與輸出負載R —第一輔助二極體Dsi。模態I初始時，開通第一功率開關管S1,由於第一漏感Llkl、第二漏感Llk2的存在，第一功率開關管S1實現了零電流開通，第一漏感Llkl、第二漏感Llk2、第一輔助二極體Dsi上電流開始下降。該模態期間，除上述兩個電流迴路外另有一個迴路:電源Vin—第一互感Lm —第一漏感Llkl —第一功率開關管Sp
[0025]模態2，如圖3(b):模態2初始時，第一輔助二極體DS1上電流下降至零，第一漏感Llkl上電流開始反向上升，第二漏感Llk2上電流繼續減小，第一功率開關管Si上電流繼續增力口。此模態內存在兩個電流迴路:電源Vin—第一互感1^—第一漏感Llkl —第一功率開關管S」電源Vin —第一互感Lm —第二漏感Llk2 —第二續流二極體D2 —濾波電容C。與輸出負載R。模態2結束時，第二漏感Llk2上電流下降至零。
[0026]模態3，如圖3(c):之後第二續流二極體D2自然關斷，第二輔助電容CS2開始與第二漏感Llk2、第一漏感Llkl諧振。該模態內存在兩個電流迴路:電源Vin —第一互感Lm —第一漏感Llkl —第一功率開關管S1;第二輔助電容CS2 —第二漏感Llk2 —第一漏感Llkl —第一功率開關管Sp模態3結束時，第二輔助電容CS2完全放電。
[0027]模態4，如圖3(d):第二輔助電容CS2放電結束後，第二輔助二極體DS2導通續流，該模態內存在兩個電流迴路:電源Vin —第一互感Lm —第一漏感Llkl —第一功率開關管S」第二漏感Llk2 —第一漏感Llkl —第一功率開關管Si —第二輔助二極體DS2。
[0028]模態5，如圖3(e):模態5初始時，關斷第一功率開關管S」電路進入第一功率開關管&、第二功率開關管S2均關斷，第一續流二極體Di導通的工作狀態。該模態內存在兩個電流迴路:電源Vin —第一互感Lm —第一漏感Llkl —第一續流二極體Di —濾波電容C。與輸出負載R，第二漏感Llk2 —第一漏感Llkl —第一續流二極體Di —濾波電容C。與輸出負載R —第二輔助二極體DS2。模態5結束時，開通第二功率開關管S2，進入另外半個開關周期。
[0029]D > 0.5時，由於電路結構的對稱性，僅以半個工作周期五種模態為例，分析如下:
[0030]模態1，如圖4(a):該模態之前，電路處於第一功率開關管Si關斷，第二功率開關管s2導通狀態，存在兩個電流迴路:電源Vin —第一互感Lm —第二漏感Llk2 —第二功率開關管S2，第一漏感Llkl —第二漏感Llk2 —第二功率開關管S2 —第一輔助二極體DS1。模態1初始時，開通第一功率開關管S」由於第一輔助二極體DS1導通，第一功率開關管Si實現了零電壓開通。由於第一漏感Llkl、第二漏感Llk2的存在，電流迴路並沒有變化。
[0031]模態2，如圖4(b):模態2初始時，關斷第二功率開關管&，電路存在三個電流迴路:電源Vin —第一互感Lm —第二漏感Llk2 —第二續流二極體D2 —濾波電容C。與輸出負載R，第一漏感Llkl —第二漏感Llk2 —第二續流二極體D2 —濾波電容C。與輸出負載R —第一輔助二極體DS1,電源Vin —第一互感Lm —第一漏感Llkl —第一功率開關管Sp流過第一功率開關管Si的電流上升，第一漏感Llkl、第二漏感Llk2上電流下降。模態2結束時，第一漏感Llkl上電流下降至零，第一輔助二極體DS1自然關斷。
[0032]模態3，如圖4(c):之後第一漏感Llkl上電流反向上升，流過第一功率開關管Si的電流繼續上升，第二漏感Llk2上電流繼續下降。模態3結束時，第二漏感Llk2上電流下降至零。
[0033]模態4，如圖4(d):第二漏感Llk2上電流下降至零後，第二續流二極體D2自然關斷，此後第二漏感Llk2上電流反向上升，第二輔助電容CS2與第一漏感Llkl、第二漏感Llk2諧振放電，電路存在兩個電流迴路:電源Vin —第一互感Lm —第一漏感Llkl —第一功率開關管S」第二輔助電容CS2 —第二漏感Llk2 —第一漏感Llkl —第一功率開關管Sp模態4結束時，第二輔助電容CS2放電結束。
[0034]模態5，如圖4(e):第二輔助電容CS2放電結束後，第二輔助二極體DS2開始導通續流，電路存在兩個電流迴路:電源vin —第一互感Lm —第一漏感Llkl —第一功率開關管si;第二漏感Llk2 —第一漏感Llkl —第一功率開關管Si —第二輔助二極體DS2。模態5結束時，開通第二功率開關管S2，開始另外半個開關周期工作。
【權利要求】
1.一種耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路，該電路包括升壓電感，其特徵在於，所述的升壓電感為兩個相互耦合的電感。
2.根據權利要求1所述的耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路，其特徵在於，所述的電路具體包括第一升壓電感(U)、第二升壓電感(L2)，第一續流二極體(隊)、第二續流二極體Φ2)，第一功率開關管(Sj、第二功率開關管(S2)，第一輔助二極體(DS1)、第二輔助二極體(DS2),第一輔助電容(CS1)、第二輔助電容(CS2);其中，電路中第一續流二極體(DJ共陽極接第一功率開關管(SJ的漏極，第二續流二極體(D2)共陽極接第二功率開關管(S2)的漏極；第一輔助二極體(DS1)、第二輔助二極體(DS2)分別並聯於兩個功率開關管(SpS2)兩端；第一輔助電容(CS1)、第二輔助電容(CS2)分別並聯於兩個功率開關管⑶、S2)兩端；第一升壓電感(U)和第二升壓電感(l2)相互稱合,輸入直流電源(vin) —端接第一升壓電感(U)和第二升壓電感(L2)，另一端接第一功率開關管(Si)、第二功率開關管(s2)的源極；第一續流二極體(Di)、第二續流二極體(D2)的共陰極接到濾波電容(C。)一端，第一功率開關管餌)、第二功率開關管(S2)的源極接到濾波電容(C。)另一端；負載(R)並接於濾波電容(C。)兩端。
3.根據權利要求2所述的耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路，其特徵在於，第一升壓電感(U)、第二升壓電感(L2)緊密耦合且繞向相同。
4.根據權利要求2所述的耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路，其特徵在於，第一輔助二極體(DS1)、第二輔助二極體(DS2)可以是所述第一功率開關管(SJ、第二功率開關管(S2)的體二極體。
5.根據權利要求2所述的耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路，其特徵在於，第一輔助電容(CS1)、第二輔助電容(CS2)可以是所述第一功率開關管(Si)、第二功率開關管(s2)的輸出電容。
6.根據權利要求2所述的耦合電感式交錯並聯Boost軟開關電路，其特徵在於，第一續流二極體和第二續流二極體(D2)是Si快恢復二極體、Si肖特基二極體、或者SiC肖特基二極體。
【文檔編號】H02M3/10GK104348356SQ201310312142
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月23日 優先權日:2013年7月23日
【發明者】韋莉, 劉帥, 張逸成, 楊曉盛, 詹地夫, 姚勇濤, 沈玉琢, 張佳佳, 顧帥, 葉尚斌 申請人:同濟大學