電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器的製作方法
2023-05-30 16:50:21 1
專利名稱：電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高增益直流-直流升壓型變換器，該變換器通過線性電感、二極體和電容的組合實現無源箝位軟開關。
背景技術：
目前，公知的直流-直流變換技術中，能實現升壓型傳輸的變換器包括=Boost斬波器、Buck-Boost斬波器、Cuk斬波器等，以及由變壓器實現隔離升壓傳輸的正激、反激、橋式、及推挽型變換器等。無變壓器或耦合電感升壓變換器輸出電壓增益較小，功率開關管的電壓應力較大，功率開關管為硬開關工作，開關損耗大。近年來相繼研究了一些軟開關變換器，主要有 兩種一種是通過附加有源功率開關和無源電感、電容等器件實現功率開關管的軟開關；另一種是通過附加二極體和無源電感、電容等器件實現功率開關管的軟開關。這兩種方法雖然可以實現功率開關管的軟開關，但是外加電路複雜，而且不能降低功率開關管的電壓應力，也不能實現變換器的高增益功能。帶變壓器或耦合電感的變換器實現高增益，就要求變壓器或耦合電感的原副邊具有較高的匝數比，當變壓器或耦合電感的原副邊的工作電壓相差較大時，原邊就工作在低壓、大電流狀態；而副邊則工作在高壓、小電流狀態，這給變壓器或耦合電感的設計增加難度，而且變壓器或耦合電感雜散參數對電路運行影響相對也會較大。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，其功率開關管少，結構簡單，控制方便，無能量損耗的無源箝位軟開關高增益升壓變換器，且避免高匝比變壓器或耦合電感的設計難度和變壓器或耦合電感的雜散參數的影響。為了實現上述目的，本發明採用下述技術方案一種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，包括一個功率開關管，一個箝位二極體，一個箝位電容，一個整流二極體，一個開關電容，一個調節電感和一個耦合電感，一個輸出濾波電容；耦合電感有兩個繞組，稱合電感的第一繞組的一端與輸入電源電壓的正極相連，稱合電感的第一繞組的另一端與功率開關管的漏極、開關電容的一端和箝位二極體的陽極相連，開關電容的另一端和調節電感的一端相連，箝位二極體的陰極與整流二極體的陽極相連，耦合電感的第二繞組的一端與調節電感的另一端及整流二極體的陰極相連，耦合電感的第二繞組的另一端與輸出濾波電容的一端及負載的一端相連，輸入電源電壓的負極與主功率開關管的源極、輸出濾波電容的另一端及負載的另一端相連；
箝位電容可以有三種連接方法
I.箝位電容的一端與箝位二極體的陰極和整流二極體的陽極相連；其另一端與輸入電源電壓的負極相連；2.箝位電容的一端與箝位二極體的陰極和整流二極體的陽極相連；其另一端與輸入電源電壓的正極相連；
3.箝位電容的一端與箝位二極體的陰極和整流二極體的陽極相連；其另一端與耦合電感的第二繞組的另一端相連。所述的調節電感、耦合電感第一繞組和耦合電感第二繞組，可以按照磁集成的原理繞制在同一個磁芯體上。
工作時，利用耦合電感的漏感實現功率開關管的零電流開通以及整流二極體的軟關斷；功率開關管關斷時，由於箝位二極體和箝位電容的存在，實現了功率開關管的軟箝位關斷。同時，每個開關周期箝位電容吸收耦合電感的漏感能量最終轉移到負載，實現了無源箝位變換器的無損運行。由於採用上述技術方案，本發明提供的一種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，具有這樣的有益效果本發明利用了耦合電感的漏感來實現功率開關管的零電流開通，利用箝位二極體和箝位電容組成無源箝位電路實現了功率開關管的軟關斷和漏感能量的無損轉移，利用耦合電感的第二繞組和調節電感及開關電容實現了變換器的高增益輸出，避免變壓器或耦合電感的原副邊具有較高的匝數比，減小變壓器或耦合電感的設計難度和變壓器或耦合電感雜散參數對電路運行影響。本發明具有結構簡單，控制方便等特點，電路中無能量損耗元件，可以提高升壓型變換器效率，且換流過程中，功率開關管關斷時無電壓過衝。本發明可應用於工作電壓等級較低的可再生能源和新能源發電領域，如光伏發電、燃料電池發電等。
圖I是第一種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器電路圖； 圖2是第二種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器電路 圖3是第三種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器電路 圖4是電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器的靜態工作波形圖。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述
本發明的電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，如圖I所示，它包括一個功率開關管S，一個箝位二極體D1，一個箝位電容Cl，一個整流二極體D2，一個開關電容C2, —個調節電感L2和一個稱合電感,一個輸出濾波電容Co,負載Z,稱合電感有兩個繞組Lla、Llb，耦合電感的第一繞組Lla的一端與輸入電壓Vin的正極相連，耦合電感的第一繞組Lla的另一端與功率開關管S的漏極和開關電容C2的一端及箝位二極體Dl的陽極相連，開關電容C2的另一端和調節電感L2的一端相連，箝位二極體Dl的陰極與箝位電容Cl的一端及整流二極體D2的陽極相連，耦合電感的第二繞組Llb的一端與調節電感L2的另一端及整流二極體D2的陰極相連，耦合電感的第二繞組Llb的另一端與輸出濾波電容Co的一端及負載Z的一端相連，輸入直流電壓Vin的負極與主功率開關管S的源極和箝位電容Cl的另一端及輸出濾波電容Co的另一端、負載Z的另一端相連。本發明的電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，其箝位電容的另外兩種連接方式
如圖2所示，箝位電容Cl的另一端換成與輸入電壓Vin的正極及耦合電感的第一繞組Lla的一端相連；
如圖3所示，箝位電容Cl的另一端換成與耦合電感的第二繞組Llb的另一端和輸出濾波電容Co的一端及負載Z的一端相連。電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器存在七種工作過程(圖I至圖3所示變換器工作過程相同)，主要包含以下過程功率開關管S開通過程；功率開關管S開通後耦合電感第二繞組Llb的換流過程；功率開關管S關斷與箝位二極體Dl開通的換流過程；整流二極體D2開通過程；箝位二極體Dl關斷過程；工作過程分析如下，靜態工作波形參見圖4
功率開關管S開通過程
功率開關管S開通時，耦合電感漏感電流為零，耦合電感第二繞組Llb電流不為零，根據磁性元件存儲能量原則，功率開關管S電流以一定斜率上升，實現了功率開關管S的零電流開通。功率開關管S開通後耦合電感第二繞組Llb的換流過程
換流前，耦合電感第二繞組Llb處於向負載轉移能量的穩定狀態，功率開關管S開通後，整流二極體D2的電流以一定的斜率線性下降，當整流二極體D2的電流下降到零時，耦合電感第二繞組Llb開始通過調節電感L2向開關電容C2充電，以提高升壓型變換器增益。功率開關管S關斷與箝位二極體Dl開通的換流過程
換流前，電路處於功率開關管S導通，箝位二極體Dl關斷的穩定狀態。當功率開關管S關斷時，功率開關管S電壓迅速上升、箝位二極體Dl兩端電壓迅速下降到零，箝位二極體Dl開通，由於箝位電容Cl的作用，功率開關管S兩端電壓被箝位在一定電壓值，實現了開關管S的軟箝位關斷。整流二極體D2開通過程
箝位二極體Dl開通後，箝位電容Cl的電壓從一定值以一定斜率線性上升，整流二極體D2兩端的電壓線性下降到零，整流二極體D2開通。電路進入功率開關管S關斷，箝位二極體Dl導通，整流二極體D2導通的穩定狀態。箝位二極體Dl關斷過程
整流二極體D2導通後，耦合電感的能量向負載轉移，箝位二極體Dl上的電流以一定的斜率線性下降，當箝位二極體Dl的電流下降到零時，箝位二極體Dl自然關斷。電路進入功率開關管S關斷，箝位二極體Dl關斷，整流二極體D2導通，箝位電容Cl上的能量向負載轉 移的穩定工作狀態。
權利要求
1.一種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，包括一個功率開關管，一個箝位二極體，一個箝位電容，一個整流二極體，一個開關電容，一個調節電感和一個耦合電感，一個輸出濾波電容，其特徵在於耦合電感有兩個繞組，耦合電感的第一繞組的一端與輸入電源電壓的正極相連，稱合電感的第一繞組的另一端與功率開關管的漏極、開關電容的一端和箝位二極體的陽極相連，開關電容的另一端和調節電感的一端相連，箝位二極體的陰極與整流二極體的陽極相連，耦合電感的第二繞組的一端與調節電感的另一端及整流二極體的陰極相連，耦合電感的第二繞組的另一端與輸出濾波電容的一端及負載的一端相連，輸入電源電壓的負極與主功率開關管的源極、輸出濾波電容的另一端及負載的另一端相連；箝位電容的一端與箝位二極體的陰極和整流二極體的陽極相連；其另一端與輸入電源電壓的負極相連。
2.一種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，包括一個功率開關管，一個箝位二極體，一個箝位電容，一個整流二極體，一個開關電容，一個調節電感和一個耦合電感，一個輸出濾波電容，其特徵在於耦合電感有兩個繞組，耦合電感的第一繞組的一端與輸入電源電壓的正極相連，稱合電感的第一繞組的另一端與功率開關管的漏極、開關電容的一端和箝位二極體的陽極相連，開關電容的另一端和調節電感的一端相連，箝位 二極體的陰極與整流二極體的陽極相連，耦合電感的第二繞組的一端與調節電感的另一端及整流二極體的陰極相連，耦合電感的第二繞組的另一端與輸出濾波電容的一端及負載的一端相連，輸入電源電壓的負極與主功率開關管的源極、輸出濾波電容的另一端及負載的另一端相連；箝位電容的一端與箝位二極體的陰極和整流二極體的陽極相連；其另一端與輸入電源電壓的正極相連。
3.—種電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，包括一個功率開關管，一個箝位二極體，一個箝位電容，一個整流二極體，一個開關電容，一個調節電感和一個耦合電感，一個輸出濾波電容，其特徵在於耦合電感有兩個繞組，耦合電感的第一繞組的一端與輸入電源電壓的正極相連，稱合電感的第一繞組的另一端與功率開關管的漏極、開關電容的一端和箝位二極體的陽極相連，開關電容的另一端和調節電感的一端相連，箝位二極體的陰極與整流二極體的陽極相連，耦合電感的第二繞組的一端與調節電感的另一端及整流二極體的陰極相連，耦合電感的第二繞組的另一端與輸出濾波電容的一端及負載的一端相連，輸入電源電壓的負極與主功率開關管的源極、輸出濾波電容的另一端及負載的另一端相連；箝位電容的一端與箝位二極體的陰極和整流二極體的陽極相連；其另一端與耦合電感的第二繞組的另一端相連。
4.根據權利要求I一3所述的電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，其特徵是所述的調節電感、耦合電感第一繞組和耦合電感第二繞組，可以按照磁集成的原理繞制在同一個磁芯體上。
全文摘要
本發明公開的電感調節開關電容式無源箝位軟開關高增益升壓型變換器，包括一個功率開關管，一個箝位二極體，一個整流二極體，一個耦合電感，一個調節電感，該變換器基本功能利用了耦合電感的漏感來實現功率開關管的零電流開通，利用箝位二極體和箝位電容組成的無源箝位電路實現了功率開關管的軟關斷和漏感能量的無損轉移，利用耦合電感的第二繞組和開關電容實現了變換器的高增益輸出，利用電感調節輸出電壓範圍避免耦合電感匝比過高，利用磁性元件雙向工作減小磁性元件體積，變換器結構簡單，控制方便，電路中無能量損耗元件，可提高效率。該發明主要應用為工作電壓等級較低的可再生能源和新能源發電領域，如光伏發電、燃料電池發電等。
文檔編號H02M3/10GK102832809SQ201210277648
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月7日 優先權日2012年8月7日
發明者王立喬, 彭勇鋼 申請人:燕山大學