CN103066837A - 高增益倍压结构有源无损箝位变换器 - Google Patents

高增益倍压结构有源无损箝位变换器，包括一个主开关管，一个箝位开关管，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，一个输出电容和一个带有两个绕组的耦合电感，本发明利用耦合电感来拓展变换器的电压增益和降低功率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压开通和抑制二极管的反向恢复电流，箝位开关管和箝位电容组成的箝位电路有效吸收了主开关管关断时的电压尖峰和实现了能量的无损转移，利用倍压电路进一步提高了变换器的增益，并进一步降低功率开关管及输出二极管的电压应力，电路结构简单，控制方便，适用于小功率，高增益和高效率的光伏并网发电变换场合。

高增益倍压结构有源无损箝位变换器

技术领域

本发明涉及一种直流—直流变换器及应用，具体说是高增益倍压结构有源无损箝位变换器。

背景技术

在太阳能发电系统中，由于单块太阳能电池的输出电压较低，而逆变并网发电所需的电压较高，因此需要一级直流—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。在分布式太阳能发电方案中，单块太阳能电池的功率容量较小，但对效率的要求较高。因此如何实现高增益、高效率且结构简单的单相单级变换器，对于推动光伏产业的发展具有重要意义。

常规的单相单管升压型（Boost）直流－直流变换器的电压增益仅由占空比决定，电压增益有限，难以满足高增益的变换要求。功率开关管的电压应力较大，难以采用低压高性能的开关管来降低导通损耗。而且，变换器工作在硬开关状态，开关损耗较大。为了实现Boost变换器的软开关动作，近年来，相继研究了一些通过附加有源功率开关或无源器件的软开关方案，这些电路虽然实现了软开关动作，但是不能降低开关管的电压应力，也不能实现系统的高增益变换。为了提升变换器的电压增益，一种方案是采用开关电容的方案，但这种方案所需开关管数量较多，增加了系统成本；另外的方案是采用复杂的三绕组耦合电感方案，这种方案的缺点是耦合电感结构复杂，不利于工业加工，难以保证电路的一致性。

发明内容

本发明要克服常规的单相单管直流－直流变换器的电压增益不高、导通损耗和开关功耗大的缺点，提供一种结构简单，控制方便且无能量损耗的高增益倍压结构有源无损箝位变换器。

本发明所述的高增益倍压结构有源无损箝位变换器，耦合电感第一绕组的第一端与电源的正极相连，第一绕组的第二端与主开关管的漏极及箝位开关管的源极相连，箝位开关管的漏极与箝位电容的第一端及续流二极管的阳极相连，主开关管的源极和电源的负极及箝位电容的第二端相连；

耦合电感第二绕组的第一端与电源的正极相连，耦合电感第二绕组第二端与倍压电容的第一端相连，倍压电容的第二端与续流二极管的阴极相连，耦合电感第二绕组和耦合电感第一绕组同为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耦合电感的同名端；

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箝位电容的第一端相连。

所述的变换器，其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。

本发明变换器工作时，利用耦合电感的变压器效应拓展了变换器电压增益，降低了功率开关管和二极管的电压应力，降低了功率器件的导通损耗。倍压电路单元的引入进一步提高了电路的电压增益和降低了器件的电压应力；利用耦合电感的漏感实现了功率开关管的零电压开通；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；利用箝位开关管和箝位电容吸收漏感的能量，使主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；其电路结构简单，控制方便，适用于小功率，高增益和高效率的分布式光伏并网发电场合。

本发明的优点是：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是本发明的电路图；

具体实施方式

参见图1，本发明的高增益倍压结构有源无损箝位变换器中，耦合电感第一绕组L₁的第一端与电源Vin的正极相连，第一绕组L₁的第二端与主开关管S的漏极及箝位开关管Sc的源极相连，箝位开关管Sc的漏极与箝位电容Cc的第一端及续流二极管Dr的阳极相连，主开关管S的源极和电源Vin的负极及箝位电容Cc的第二端相连；

耦合电感第二绕组L₂的第一端与电源Vin的正极相连，耦合电感第二绕组L₂第二端与倍压电容Cm的第一端相连，倍压电容Cm的第二端与续流二极管Dr的阴极相连，耦合电感第二绕组L₂和耦合电感第一绕组L₁同为一个耦合电感中的两个绕组，图中由“*”标记了第一绕组L₁和第二绕组L₂的同名端；

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的第二端与箝位电容Cc的第一端相连。

输出电容Co的电压为Vout，能量最终传递给负载Ro。

高增益倍压结构有源无损箝位变换器在一个开关周期内有六种工作过程，即主开关管S关断与箝位开关管Sc的体二极管开通之间的换流；续流二极管Dr关断和输出二极管Do导通之间的换流；箝位开关管Sc导通过程；箝位开关管Sc关断与主开关管S的体二极管开通之间的换流；输出二极管Do关断与主开关管S开通之间的换流过程；续流二极管Dr导通过程。

主开关管S关断与箝位开关管Sc的体二极管开通之间的换流：

换流前，电路处于主开关管S和续流二极管Dr导通，箝位开关管Sc和输出二极管Do关断的稳定工作状态。当主开关管S关断时，由于主开关管S漏极和源极之间存在电容，因此主开关管S实现零电压关断，随后主开关管S上电压迅速上升，箝位开关管Sc两端的电压迅速下降至零，箝位开关管Sc的体二极管开通，由于箝位电容Cc的作用，主开关管S两端的电压被箝位为一定电压值，实现了主开关管S的箝位关断。

续流二极管Dr关断和输出二极管Do导通之间的换流：

箝位开关管Sc的体二极管开通后，箝位电容Cc上的电压从一定值开始上升，耦合电感的漏感能量转移到箝位电容Cc上，续流二极管Dr的电流以一定斜率线性下降到零，续流二极管Dr关断。而输出二极管Do两端的电压线性下降到零，输出二极管Do开通，能量开始转移到输出端。电路进入到主开关管S和续流二极管Dr关断，箝位开关管Sc的体二极管和输出二极管Do导通的稳定工作状态。

箝位开关管Sc开通过程：

输出二极管Do导通后，箝位开关管Sc的体二极管也已经导通，箝位开关管Sc两端的电压下降到零，此时箝位开关管Sc的门极信号给出，箝位开关管Sc实现了零电压开通。耦合电感的漏感与箝位电容Cc谐振，能量在两者之间交互传递。能量从倍压电容Cm中通过耦合电感第二绕组转移到负载Ro。电路进入主开关管S和续流二极管Dr关断，箝位开关管Sc和输出二极管Do导通的稳定工作状态。

箝位开关管Sc关断与主开关管S的体二极管开通之间的换流过程：

箝位开关管Sc关断，由于箝位开关管Sc漏极和源极之间存在寄生电容，箝位开关管Sc实现零电压关断。箝位开关管Sc关断后，耦合电感的漏感开始抽取主开关S漏极和源极之间电容上的能量。当电容上的能量抽尽，主开关S的体二极管导通。

主开关管S开通与输出二极管Do关断之间的换流过程：

主开关管S的门极信号给出，由于主开关S的体二极管已经导通，因此主开关管S实现了零电压开通，主开关管S的电流以一定斜率线性上升，输出二极管Do的电流以一定的斜率线性下降，当输出二极管Do的电流下降到零时，输出二极管Do关断，实现了输出二极管Do关断与主开关管S开通之间的换流，减小了输出二极管Do的反向恢复损耗。

续流二极管Dr导通过程：

主开关管S开通和输出二极管Do关断后，耦合电感工作在正激变压器状态，续流二极管Dr两端的电压线性下降到零，续流二极管Dr开通，能量开始转移到倍压电容Cm。电路进入主开关管S和续流二极管Dr导通，箝位开关管Sc和输出二极管Do关断的稳定工作状态。