CN103944397A - Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法 - Google Patents

Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Boost型隔离DC-DC变换器及其控制方法，该变换器由原边电路、副边电路、理想变压器和二端口无源网络组成，其中原边电路由集成了交错并联Boost电路的全桥单元电路构成，副边电路由整流电路构成，二端口无源网络是由电感、电容组成，为能量传递单元，变压器用来实现隔离和变压；通过在全桥两个桥臂中点连接两个交错并联的Boost输入电感，不仅拓宽了隔离DC-DC变换器的增益范围，而且减小了输入电流纹波；采用定频PWM控制，通过控制上桥臂开关管的占空比D，可以实现对输出电压的调节。本发明具有输入电压范围宽、输入电流纹波小、开关频率固定、易于实现软开关、开关损耗小等优点，特别适合用于可再生能源发电等***中。

Description

Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及可再生发电***中的电力电子变换器技术领域，特别涉及一种Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法。
背景技术
随着经济的发展，环境污染问题和能源紧缺问题日益严重。可再生能源的开发利用是解决这个问题的有效方法之一。可再生能源发电主要有风力、光伏、水利、燃料电池等，但是，受气候条件的影响，可再生能源具有输出电压范围宽的特点。因此，为了能有效的利用新能源，需要一种能在宽输入电压范围内高效工作的DC/DC变换器。
传统的定频控制全桥变换器，虽然控制简单且能实现零电压开关，但输入电压范围宽时需要的滤波电感大，功率密度小；另一方面占空比变化范围大，尤其在高压输入时效率比较低。为了适应宽输入的特点，又有一系列的变换器拓扑及其衍生结构相继被提出。这其中多是基于辅助绕组和多电平的思想。但是这两种方法均需增加额外的辅助元件或开关管，提高了成本，控制复杂并且会产生额外的能量损耗。有些学者还提出了两级变换器级级联形式的拓扑，这种变换器前级一般用Buck或Boost变换器，通过调节前级变换器的占空比使母线电压保持稳定。但是增加的前级变换器不仅增大了整体变换器的体积，Buck或Boost变换器中的开关管是硬开关，损耗也比较大。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法，能够保证在宽范围的电压输入下实现高效的功率变换。
为实现上述目的，本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的。
一种Boost型隔离DC/DC变换器，它是由输入直流电压源Vin、母线电容Cbus、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、二端口无源网络N、第一输出整流二极管Do1、第二输出整流二极管Do2、输出电容Co、输出电阻Ro和理想变压器T组成；
所述理想变压器T包括第一绕组N1、第二绕组N2和第三绕组N3；
所述二端口无源网络N有四个端子，分别为端子a、端子b、端子c和端子d，端子a与端子b在同一侧，端子c和端子d在另一侧；
所述的输入直流电压源Vin的正极分别与第一电感L1的一端和第二电感L2的一端相连，输入直流电压源Vin的负极分别与第二开关管S2的源极、第四开关管S4的源极以及母线电容Cbus的负极相连；第一电感L1的另一端分别与第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极相连，第二电感L2的另一端分别与第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极相连；第一开关管S1的漏极分别与第三开关管S3的漏极、母线电容Cbus的正极相连；
所述二端口无源网络N的端子a与第一开关管S1的源极、第二开关管S2的漏极相连，端子b与第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极相连，端子c与所述理想变压器T第一绕组N1的同名端相连，端子d与所述理想变压器T第一绕组N1的非同名端相连；
第一输出整流二极管Do1与第二输出整流二极管Do2共阴极连接，第一输出整流二极管Do1的阳极连接到所述理想变压器T第二绕组N2的同名端，第二输出整流二极管Do2的阳极连接到所述理想变压器T第三绕组N3的非同名端；输出电容Co与输出电阻Ro并联，它们的正极连接到第一输出整流二极管Do1的阴极，它们的负极分别与所述理想变压器T第二绕组N2的非同名端和第三绕组N3的同名端相连。
在本发明Boost型隔离DC/DC变换器中，所述的二端口无源网络N可以是移相电感L网络；所述的移相电感L网络包含移相电感L，移相电感L的一端与端子a相连，另一端与端子c相连，端子b与端子d直接相连。
在本发明Boost型隔离DC/DC变换器中，所述的二端口无源网络N还可以是LC串联谐振网络；所述的LC串联谐振网络包括谐振电感Lr和串联谐振电容Cr，谐振电感Lr的一端连接端子a，另一端连接端子c，串联谐振电容Cr的一端连接端子b，另一端连接端子d。
在本发明Boost型隔离DC/DC变换器中，所述的的二端口无源网络N还可以是LC并联谐振网络；所述的LC并联谐振网络包括谐振电感Lr和并联谐振电容Cp，谐振电感Lr的一端连接端子a，另一端连接端子c，并联谐振电容Cp的一端连接端子b，另一端连接端子d。
在本发明Boost型隔离DC/DC变换器中，所述的的二端口无源网络N还可以是LCC串并联谐振网络；所述的LCC串并联谐振网络包括谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和并联谐振电容Cp，谐振电感Lr一端连接端子a，另一端连接端子c；串联谐振电容Cr一端连接端子b，另一端连接端子d；并联谐振电容Cp一端连接端子c，另一端连接端子d。
在本发明Boost型隔离DC/DC变换器中，所述的的二端口无源网络N还可以是LLC串联谐振网络；所述的LLC串联谐振网络包括谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和励磁电感Lm，谐振电感Lr一端连接端子a，另一端连接端子c；串联谐振电容Cr一端连接端子b，另一端连接端子d；励磁电感Lm一端连接端子c，另一端连接端子d。
本发明的另一目的是提供一种所述的Boost型隔离DC/DC变换器的控制方法：该方法内容如下：采用定频PWM的控制，变换器的工作频率fs始终等于谐振频率fr；两个Boost电路采用交错并联的控制方式，第一开关管S1与第三开关管S3占空比均为D，其相位差180°；第二开关管S2与第四开关管S4的占空比均为1-D，相位也差180°；当占空比D≤0.5时，谐振槽电压Vtank的占空比为D；当D>0.5时，谐振槽电压Vtank的占空比为1-D；输入电压Vin在比较宽的范围内变化时，通过调节第一开关管S1与第三开关管S3的占空比D，改变变换器整体增益。
由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法具有以下有益效果：
1本发明在比较小的占空比调节范围内，就可实现宽的电压增益范围，输入电压范围宽；
2两个Boost电感交错并联，显著降低了输入电流的纹波和滤波电容值。这种电流型且输入纹波小的DC/DC变换器尤其适合与光伏、燃料电池等可再生能源供电***相连；
3采用定频PWM控制，有利于磁性元器件和滤波电路设计；
4原边所有功率开关管均可以实现ZVS开通，副边的输出整流二极管均可实现ZCS关断，开关损耗小；
5经过Boost变换器后母线电压比较高，在相同功率条件下，降低了原边电流有效值，减小了导通损耗。
附图说明
图1为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的电气原理图；
图2为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的PWM调制方式图；
图3为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例1电路图；
图4为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例2电路图；
图5为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例3电路图；
图6为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例4电路图；
图7为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例5电路图；
图8为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例2在占空比D<0.5时的主要工作波形图；
图9为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例2在D<0.5时的各阶段等效电路图。
图中符号含义：Vin是输入直流电压源，Vbus是母线电压，Vtank是谐振槽输入电压，D是第一开关管S1和第三开关管S3的占空比，Ts是开关周期，Cbus是母线电容，L1、L2分别是第一电感和第二电感，N为二端口无源网络，a、b、c、d是二端口无源网络的四个端子，S1～S4是第一至第四开关管，Lr是谐振电感，Cr是串联谐振电容，Cp是并联谐振电容，Lm是励磁电感，IL1、IL2分别是第一电感L1、第二电感L2的电流，ILr是谐振电流，T是理想变压器，N1、N2、N3分别是理想变压器T的第一、第二、第三绕组，Do1、Do2分别是第一输出整流二极管和第二输出整流二极管，IDo1、IDo2分别流过Do1、Do2的电流，Co是输出滤波电容，Ro是输出电阻，Vo为输出电压，t0～t6为时间。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
一种Boost型隔离DC/DC变换器，其电气原理图如图1所示，其由输入直流电压源Vin、母线电容Cbus、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、二端口无源网络N、第一输出整流二极管Do1、第二输出整流二极管Do2、输出电容Co、输出电阻Ro和理想变压器T组成；
所述理想变压器T包括第一绕组N1、第二绕组N2和第三绕组N3；
所述二端口无源网络N有四个端子，分别为端子a、端子b、端子c和端子d，端子a与端子b在同一侧，端子c和端子d在另一侧；
所述的输入直流电压源Vin的正极分别与第一电感L1的一端和第二电感L2的一端相连，输入直流电压源Vin的负极分别与第二开关管S2的源极、第四开关管S4的源极以及母线电容Cbus的负极相连；第一电感L1的另一端分别与第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极相连，第二电感L2的另一端分别与第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极相连；第一开关管S1的漏极分别与第三开关管S3的漏极、母线电容Cbus的正极相连；
所述二端口无源网络N的端子a与第一开关管S1的源极、第二开关管S2的漏极相连，端子b与第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极相连，端子c与所述理想变压器T第一绕组N1的同名端相连，端子d与所述理想变压器T第一绕组N1的非同名端相连；
第一输出整流二极管Do1与第二输出整流二极管Do2共阴极连接，第一输出整流二极管Do1的阳极连接到所述理想变压器T第二绕组N2的同名端，第二输出整流二极管Do2的阳极连接到所述理想变压器T第三绕组N3的非同名端；输出电容Co与输出电阻Ro并联，它们的正极连接到第一输出整流二极管Do1的阴极，它们的负极分别与所述理想变压器T第二绕组N2的非同名端和第三绕组N3的同名端相连。
本发明所述的Boost型隔离DC/DC变换器的控制方法：如图2所示，采用定频PWM的控制，变换器的工作频率fs始终等于谐振频率fr；两个Boost电路采用交错并联的控制方式，第一开关管S1与第三开关管S3占空比均为D，其相位差180°；第二开关管S2与第四开关管S4的占空比均为1-D，相位也差180°；当占空比D≤0.5时，谐振槽电压Vtank的占空比为D，如图2(a)所示；当D>0.5时，谐振槽电压Vtank的占空比为1-D，如图2(b所示；输入电压Vin在比较宽的范围内变化时，通过调节第一开关管S1、第三开关管S3的占空比D，改变变换器整体增益。
本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例1如图3所示，其包含的二端口无源网络N是移相电感L网络；所述的移相电感L网络包含移相电感L，移相电感L的一端与端子a相连，另一端与端子c相连，端子b与端子d直接相连。
本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例2如图4所示，其包含的二端口无源网络N是LC串联谐振网络；所述的LC串联谐振网络包括谐振电感Lr和串联谐振电容Cr，谐振电感Lr的一端连接端子a，另一端连接端子c，串联谐振电容Cr的一端连接端子b，另一端连接端子d。
本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例3如图5所示，其包含的二端口无源网络N是LC并联谐振网络；所述的LC并联谐振网络包括谐振电感Lr和并联谐振电容Cp，谐振电感Lr的一端连接端子a，另一端连接端子c，并联谐振电容Cp的一端连接端子c，端子b与端子d直接相连。
本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例4如图6所示，其包含的二端口无源网络N是LCC谐振网络；所述的LCC谐振网络包括谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和并联谐振电容Cp，谐振电感Lr一端连接端子a，另一端连接端子c；串联谐振电容Cr一端连接端子b，另一端连接端子d；并联谐振电容Cp一端连接端子c，另一端连接端子d。
本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例5如图7所示，其包含的二端口无源网络N是LLC串联谐振网络；所述的LLC串联谐振网络包括谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和励磁电感Lm，谐振电感Lr一端连接端子a，另一端连接端子c；串联谐振电容Cr一端连接端子b，另一端连接端子d；励磁电感Lm一端连接端子c，另一端连接端子d。
下面对本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例2工作原理做进一步的说明。在分析之前，先作如下假设：①所有功率开关管均为理想器件，不考虑开关时间、导通压降等参数；②所有电感和电容均为理想器件，不考虑其寄生参数。
图8为本发明Boost型隔离DC/DC变换器的实施例2在占空比D<0.5时的主要工作波形。在一个开关周期Ts内，变换器共有六种工作模态。
1、开关模态I（t0～t1）：
如图9(a)所示，在t0时刻之前，第四开关管S4已导通，t0时刻，第一开关管S1导通。t0～t1这一时段内，谐振槽电压Vtank等于母线电压Vbus，变压器N1绕组电压受输出电压箝位，谐振电感Lr和谐振电容Cr进行谐振，谐振电流iLr上升，原边向副边传递能量，第一输出整流二极管Do1导通。与此同时，第一电感L1放电、第二电感L2充电，电流iL1线性下降、iL2线性上升。
2、开关模态II(t1～t2)：
如图9(b)所示，t1时刻第二开关管S2ZVS开通。第一输出整流二极管Do1继续导通，但是由于谐振槽电压Vtank=0，输入电压源不提供能量，原边向副边传输的能量完全由Lr、Cr谐振网络提供，所以iLr迅速下降。由于第二开关管S2、第四开关管S4导通，第一电感L1和第二电感L2均充电，电流iL1、iL2线性上升。3、开关模态III（t2～t3）：
如图9(c)所示，t2时刻，iLr下降到零，第一输出整流二极管Do1实现ZCS关断。此阶段内，Lr、Cr不谐振。第一电感L1和第二电感L2均充电，电流iL1、iL2线性上升。第一输出整流二极管Do1和第二输出整流二极管Do2均处于反向截止状态，原边不再向副边输出能量，由输出电容Co向负载供电。
4、开关模态IV（t3～t4）：
如图9(d)所示，t3时刻，第三开关管S3导通。t3～t4这一时段内，谐振槽电压Vtank等于负母线电压-Vbus，理想变压器T的第一绕组N1电压受输出电压箝位，谐振电感Lr和谐振电容Cr开始谐振，谐振电流从iLr从0开始下降，原边向副边传递能量，第二输出整流二极管Do2导通。与此同时，第一电感L1继续充电、电流iL1线性上升，第二电感L2开始放电、电流iL2线性下降。
5、开关模态V(t4～t5)：
如图9(e)所示，t4时刻，第四开关管S4ZVS开通。第二输出整流二极管Do2继续导通，但是由于谐振槽电压Vtank=0，输入直流电压源Vin不提供能量，原边向副边传输的能量完全由Lr、Cr谐振网络提供，所以iLr迅速上升。由于第二开关管S2、第四开关管S4导通，第一电感L1和第二电感L2均充电，电流iL1、iL2线性上升。
6、开关模态VI（t5～t6）：
如图9(f)所示，t5时刻，iLr上升到零，第二输出整流二极管Do2实现ZCS关断。此阶段内，谐振电感Lr和谐振电容Cr不进行谐振。第一电感L1和第二电感L2均充电，电流iL1和iL2均线性上升。第一输出整流二极管Do1和第二输出整流二极管Do2均反向截止，原边不再向副边输出能量，由输出电容Co向负载供电。

Claims (7)

1.一种Boost型隔离DC/DC变换器，其特征在于：
它是由输入直流电压源Vin、母线电容Cbus、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、二端口无源网络N、第一输出整流二极管Do1、第二输出整流二极管Do2、输出电容Co、输出电阻Ro和理想变压器T组成；
所述理想变压器T包括第一绕组N1、第二绕组N2和第三绕组N3；
所述二端口无源网络N有四个端子，分别为端子a、端子b、端子c和端子d，端子a与端子b在同一侧，端子c和端子d在另一侧；
所述的输入直流电压源Vin的正极分别与第一电感L1的一端和第二电感L2的一端相连，输入直流电压源Vin的负极分别与第二开关管S2的源极、第四开关管S4的源极以及母线电容Cbus的负极相连；第一电感L1的另一端分别与第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极相连，第二电感L2的另一端分别与第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极相连；第一开关管S1的漏极分别与第三开关管S3的漏极、母线电容Cbus的正极相连；
所述二端口无源网络N的端子a与第一开关管S1的源极、第二开关管S2的漏极相连，端子b与第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极相连，端子c与所述理想变压器T第一绕组N1的同名端相连，端子d与所述理想变压器T第一绕组N1的非同名端相连；
第一输出整流二极管Do1与第二输出整流二极管Do2共阴极连接，第一输出整流二极管Do1的阳极连接到所述理想变压器T第二绕组N2的同名端，第二输出整流二极管Do2的阳极连接到所述理想变压器T第三绕组N3的非同名端；输出电容Co与输出电阻Ro并联，它们的正极连接到第一输出整流二极管Do1的阴极，它们的负极分别与所述理想变压器T第二绕组N2的非同名端和第三绕组N3的同名端相连。
2.根据权利要求1所述的Boost型隔离DC/DC变换器，其特征在于：所述的二端口无源网络N是移相电感L网络；所述的移相电感L网络包含移相电感L，移相电感L的一端与端子a相连，另一端与端子c相连，端子b与端子d直接相连。
3.根据权利要求1所述的Boost型隔离DC/DC变换器，其特征在于：所述的二端口无源网络N是LC串联谐振网络；所述的LC串联谐振网络包括谐振电感Lr和串联谐振电容Cr，谐振电感Lr的一端连接端子a，另一端连接端子c，串联谐振电容Cr的一端连接端子b，另一端连接端子d。
4.根据权利要求1所述的Boost型隔离DC/DC变换器，其特征在于：所述的二端口无源网络N是LC并联谐振网络；所述的LC并联谐振网络包括谐振电感Lr和并联谐振电容Cp，谐振电感Lr的一端连接端子a，另一端连接端子c，并联谐振电容Cp的一端连接端子b，另一端连接端子d。
5.根据权利要求1所述的Boost型隔离DC/DC变换器，其特征在于：所述的二端口无源网络N是LCC串并联谐振网络；所述的LCC串并联谐振网络包括谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和并联谐振电容Cp，谐振电感Lr一端连接端子a，另一端连接端子c；串联谐振电容Cr一端连接端子b，另一端连接端子d；并联谐振电容Cp一端连接端子c，另一端连接端子d。
6.根据权利要求1所述的Boost型隔离DC/DC变换器，其特征在于：所述的二端口无源网络N是LLC串联谐振网络；所述的LLC串联谐振网络包括谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和励磁电感Lm，谐振电感Lr一端连接端子a，另一端连接端子c；串联谐振电容Cr一端连接端子b，另一端连接端子d；励磁电感Lm一端连接端子c，另一端连接端子d。
7.根据权利要求1所述Boost型隔离DC/DC变换器的控制方法，其特征在于：该方法内容如下：采用定频PWM的控制，变换器的工作频率fs始终等于谐振频率fr；两个Boost电路采用交错并联的控制方式，第一开关管S1与第三开关管S3占空比均为D，其相位差180°；第二开关管S2与第四开关管S4的占空比均为1-D，相位也差180°；当占空比D≤0.5时，谐振槽电压Vtank的占空比为D；当D>0.5时，谐振槽电压Vtank的占空比为1-D；输入电压Vin在比较宽的范围内变化时，通过调节第一开关管S1与第三开关管S3的占空比D，改变变换器整体增益。
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