CN104113208B

CN104113208B - 一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器

Info

Publication number: CN104113208B
Application number: CN201410314139.3A
Authority: CN
Inventors: 邾玢鑫; 杨玉良; 黄悦华; 谭超; 陈晨
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: Wuhan Xinyuan Automatic Control Engineering Co.,Ltd.
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: CN104113208A

Abstract

一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器，包括电感L₁、电感L₂、……电感L_n，所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输入端连接输入电源V_in的正极；所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输出端分别连接二极管D₁、二极管D₂、……二极管D_n的阳极；所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输出端分别连接功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n的集电极；二极管D₁、二极管D₂、……二极管D_n的阴极均连接滤波电容C₀一端；所述功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n的发射极、滤波电容C₀另一端均连接入电源V_in的负极；本发明可以有效降低功率开关管关断损耗的辅助电路，要求结构简单；不改变原变换器性能，控制及驱动电路实现难度，成本低且无能量损耗。

Description

一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器

技术领域

本发明涉及一种交错并联Boost变换器，特别是一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器。

背景技术

传统的基本Boost变换器，其电路结构包括一个电感，一个功率开关管，一个输出二极管。其中电感的输入端连接输入电源的正极，输出端接二极管的阳极，二极管的阴极接变换器输出端的正极；在电感和二极管的阳极之间接功率开关的漏极，功率开关源极接变换器的负极。这种基本Boost变换器在应用于大功率场合，开关管的关断损耗由于IGBT的电流拖尾效应而变的很高，关断损耗在整个变换器的损耗中也占据了相当大的比例。导致变换器所需的散热器体积较大，开关管的工作频率也受到了限制，整个开关电源的功率密度较低。这对于一些对电源体积和重量要求较高的应用场合来说极为不利，如电动汽车、飞机中。针对变换器开关损耗而开展的研究早已开始，主要是借助于辅助电路来实现功率开关管的软开关工作状态。但目前多数方案所针对的研究对象，均为使用MOS管的应用场合，主要关注的是降低开关管的开通损耗而非关断损耗，这在以使用IGBT为主的大功率应用场合难以直接应用，同时多数方案均含有有源开关管，使得变换器的控制和驱动电路实现难度较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器，可以有效降低功率开关管关断损耗的辅助电路，要求结构简单；不改变原变换器性能，控制及驱动电路实现难度，成本低且无能量损耗。

本发明采取的技术方案为：一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器，包括电感L₁、电感L₂、……电感L_n，所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输入端连接输入电源V_in的正极；所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输出端分别连接二极管D₁、二极管D₂、……二极管D_n的阳极；所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输出端分别连接功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n的集电极；二极管D₁、二极管D₂、……二极管D_n的阴极均连接滤波电容C₀一端；所述功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n的发射极、滤波电容C₀另一端均连接入电源V_in的负极；二极管D₂阳极连接辅助电容C_a1一端，辅助电容C_a1另一端连接辅助二极管D _a1阳极，辅助二极管D _a1阴极连接二极管D₂阴极；辅助二极管D _a2阴极连接辅助二极管D _a1阳极，辅助二极管D _a2阳极连接二极管D₁阳极；该交错并联Boost变换器中每两相之间均含有一个无损缓冲电路；

依次类推：二极管D_n阳极连接辅助电容C_an-1一端，辅助电容C_an-1另一端连接辅助二极管D _a（2n-3）阳极，辅助二极管D _a（2n-3）阴极连接二极管D_n阴极；辅助二极管D _a（2n-2）阴极连接辅助二极管D_a（2n-3）阳极，辅助二极管D _a（2n-2）阳极连接二极管D_n-1阳极；

所述功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n的栅极均连接各自独立的控制器；

所述功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n为IGBT管或者MOSFET 管。

本发明一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器，有益效果如下：

1）、该辅助电路可以有效降低功率开关管的关断损耗，且不影响原变换器的性能、控制和驱动电路的设计及实现方式。

2）、可以直接应用于多相交错并联Boost变换器中，同时降低所有功率开关管的关断损耗。

3）、与现有的解决方案相比，本发明电路拓扑简单，不改变原变换器的工作性能和参数设计，不增加有源开关管，且特别适合于采用IGBT作为功率开关的大功率应用场合。

附图说明

图1是本发明实施方式中2相交错并联Boost变换器中的电路原理图。

图2是本发明n相交错并联型Boost电路的实施原理图。

具体实施方式

如图2所示，一种包括零电压关断辅助电路的交错并联Boost变换器，每一个无损缓冲电路均含有1个辅助电容和2个辅助二极管，n相交错并联Boost变换器需要n-1个无损缓冲电路，因此包含n-1个辅助电容和2n-2个辅助电容；其中电路的具体连接情况如下：

原交错并联Boost变换器的连接情况不变，电感L₁、L₂、…、L_n的输入端接输入电源V_in的正极，电感L₁、L₂、…、L_n的输出端接各自Boost单元二极管的阳极和所述功率开关管的集电极，功率开关若采用MOS管则为漏极，二极管D₁、D₂、…、D_n的阴极接输出滤波电容C ₀的一端，该结点即为输出端V_out的正极；各相功率开关管的发射极，若采用MOS管则为源极和滤波电容C ₀的另一端均与输入电源V_in的负极相连。

交错并联Boost变换器中每两相之间均含有一个所提无损缓冲电路，其具体连接方式如下：第一个辅助单元居于第一相与第二相之间，其中辅助电容C_a1的一端与电感L₂的输出端、二极管D₂的阳极及功率开关管S₂的源极相连，功率开关若采用MOS管则为漏极，辅助电容C_a1的另一端与辅助二极管D_a1的阳极及辅助二极管D_a2的阴极相连，辅助二极管D_a1的阴极与二极管D₁、D₂、…、D_n的阴极及滤波电容的C ₀一端相连，辅助二极管D_a2的阳极与电感L₁的输出端、二极管D₁的阳极及功率开关管S₁的源极相连，功率开关若采用MOS管则为漏极；第二个辅助单元居于第二相与第三相之间，其中辅助电容C_a2的一端与电感L₃的输出端、二极管D₃的阳极及功率开关管S₃的源极相连，功率开关若采用MOS管则为漏极，辅助电容C_a2的另一端与辅助二极管D_a3的阳极及辅助二极管D_a4的阴极相连，辅助二极管D_a3的阴极与二极管D₁、D₂、…、D_n的阴极及滤波电容C ₀的一端相连，辅助二极管D_a4的阳极与电感L₂的输出端、二极管D₂的阳极及功率开关管S₂的源极相连，功率开关若采用MOS管则为漏极。依次类推，第n-1个辅助单元居于第n-1相与第n相之间，其中辅助电容C_a(n-1)的一端与电感L_n的输出端、二极管D_n的阳极及功率开关管S_n的源极相连，功率开关若采用MOS管则为漏极，辅助电容C_a(n-1)的右端与辅助二极管D_a（2n-3）的阳极及辅助二极管D_a（2n-2）的阴极相连，辅助二极管D_a（2n-3）的阴极与二极管D₁、D₂、…、D_n的阴极及滤波电容C ₀的一端相连，辅助二极管D_a（2n-2）的阳极与电感L_n-1的输出端、二极管D_n-1的阳极及功率开关管S_n-1的源极相连，功率开关若采用MOS管则为漏极。所述功率开关管的栅极分别接各自的控制器。

实施例：

如图1所示，一种具有零电压关断能力的2相交错并联Boost升压变换器，由2相交错并联基本Boost变换器和1个所提无损缓冲电路组成；该变换器与普通的2相交错Boost变换器相比具有零电压关断能力，可以大幅降低由功率开关管关断时电流拖尾效应而引起的损耗。所述直流-直流变换器包含两个功率开关S₁、S₂，两个输出二极管D₁、D₂，一个辅助电容C_a1，两个辅助二极管D_a1、D_a2，两个电感L₁、L₂，一个输出滤波电容C₀；

电感L₁、L₂的输入端接输入电源的正极，输出端接各自Boost单元二极管的阳极和功率开关管的集电极，二极管D₁、D₂的阴极接输出滤波电容C₀的一端，该结点即为输出端V_out的正极；功率开关管S₁、S₂的发射极和滤波电容C₀的下端均与输入电源V_in的负极相连；

辅助单元居于第一相与第二相之间，其中辅助电容C_a1的一端与电感L₂的输出端、二极管D₂的阳极及功率开关管S₂的源极相连，辅助电容C_a1的另一端与辅助二极管D_a1的阳极及辅助二极管D_a2的阴极相连，辅助二极管D_a1的阴极与二极管D₁、D₂的阴极及输出滤波电容C₀的一端相连，辅助二极管D_a2的阳极与电感L₁的输出端、二极管D₁的阳极及功率开关管S₁的源极相连；

据开关管状态的不同，可以将电路分为2种工作状态：

1）、控制器控制功率开关S₁关断，在功率开关管S₁关断时，由于辅助电容C_a1上的电压为0，所以功率开关管S₁的端电压被箝位在0，当开关管关断后，电感电流必须首先经过辅助二极管D_a2，功率开关管S₁向辅助电容C_a1充电，直到辅助电容C_a1上的电压上升至输出电压u _o之后二极管D1导通，显然在此过程之中功率开关管S₁实现了零电压关断，由于辅助电容C_a1的值较小，该过程持续时间不长，所以不会对变换器的性能产生大的影响。

2）、控制器控制功率开关管S₂关断，在功率开关管S₂关断时，由于辅助电容C_a1的电压箝位在输出电压u _o上，所以功率开关管S₂的端电压被箝位在0，当开关管关断后，电感电流必须首先经过辅助电容C_a1，辅助二极管Da1向滤波电容C₀和负载供电，直到辅助电容C_a1上的能量完全放完之后二极管D₂导通，显然在此过程之中功率开关管S₂实现了零电压关断，且辅助电容C_a1上的能量完全输送到了输出端，实现了无损缓冲。

值得注意的是，上述过程必须保证功率开关管在S₁关断时，功率开关管S₂处于导通状态。在占空比大于0.5时，仅需采取常用的交错并联控制策略就可以满足要求，但在占空比小于0.5时，则需根据开关具体工作频率，设置功率开关管S₂的开通时间略延迟于开关管S₁的开通时间，以保证在功率开关管S₁关断时，功率开关管S₂处于导通状态。

在本发明的具体实施方式中，功率开关根据***中所需直流母线电压的不同，而选择不同电压应力的开关器件。本发明使用的功率开关可以为IGBT，也可以为MOSFET或其它可控的开关管。

综上所述，该电路拓扑结构简单，可以有效降低功率开关管的关断损耗，适合应用于一些功率较大的场合。

Claims

1.一种包括无损缓冲电路的交错并联Boost变换器，包括电感L₁、电感L₂、……电感L_n，所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输入端连接输入电源V_in的正极；

所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输出端分别连接二极管D₁、二极管D₂、……二极管D_n的阳极；所述电感L₁、电感L₂、……电感L_n的输出端分别连接功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n的集电极；二极管D₁、二极管D₂、……二极管D_n的阴极均连接滤波电容C₀一端；所述功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n的发射极、滤波电容C₀另一端均连接入电源V_in的负极；

其特征在于，二极管D₂阳极连接辅助电容C_a1一端，辅助电容C_a1另一端连接辅助二极管D_a1阳极，辅助二极管D _a1阴极连接二极管D₂阴极；辅助二极管D _a2阴极连接辅助二极管D _a1阳极，辅助二极管D _a2阳极连接二极管D₁阳极；

依次类推：二极管D_n阳极连接辅助电容C_an-1一端，辅助电容C_an-1另一端连接辅助二极管D _a（2n-3）阳极，辅助二极管D _a（2n-3）阴极连接二极管D_n阴极；辅助二极管D _a（2n-2）阴极连接辅助二极管D_a（2n-3）阳极，辅助二极管D _a（2n-2）阳极连接二极管D_n-1阳极；所述功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n的栅极均连接各自独立的控制器；功率开关管S₁、功率开关管S₂、……功率开关管S_n为IGBT管或者MOSFET 管；

据开关管状态的不同，将具有零电压关断能力的2相交错并联Boost升压变换器分为2种工作状态：

1）、控制器控制功率开关S₁关断，在功率开关管S₁关断时，由于辅助电容C_a1上的电压为0，所以功率开关管S₁的端电压被箝位在0，当开关管关断后，电感电流必须首先经过辅助二极管D_a2，功率开关管S₁向辅助电容C_a1充电，直到辅助电容C_a1上的电压上升至输出电压u _o之后二极管D1导通，在此过程之中功率开关管S₁实现了零电压关断；

2）、控制器控制功率开关管S₂关断，在功率开关管S₂关断时，由于辅助电容C_a1的电压箝位在输出电压u _o上，所以功率开关管S₂的端电压被箝位在0，当开关管关断后，电感电流首先经过辅助电容C_a1，辅助二极管Da1向滤波电容C₀和负载供电，直到辅助电容C_a1上的能量完全放完之后二极管D₂导通，在此过程之中功率开关管S₂实现了零电压关断，且辅助电容C_a1上的能量完全输送到了输出端，实现了无损缓冲。