CN106787724A - 一种开关零电压关断双路输入高增益dc/dc变换器 - Google Patents

一种开关零电压关断双路输入高增益dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器，包含两个直流输入电源，两个电感，两个功率开关，以及两个零电压关断软开关辅助电路和倍增模块。第一电感的输入端接第一直流输入电源的正极，第二电感的输入端接第二直流输入电源的正极，输出端分别接第一功率开关和第二功率开关的漏极，第一功率开关和第二功率开关的源极接输入电源的负极；两个功率开关的栅极分别接各自的控制器；两个零电压关断软开关辅助电路都是由一个电容和两个二极管组成；第一电感和第二电感的输出端分别接零电压关断软开关辅助电路网络中相应的结点；两个倍增模块是由两个二极管和两个电容构成的具有四个端口的单元。本发明电路拓扑简单，控制容易实现，可以将新能源发电装置和燃料电池同时接入一个拓扑之中。

Description

一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC/DC变换器，具体是一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器。
背景技术
在现有技术中，基本的两相升压型(Boost)交错并联变换器，参见附图1，包括一个直流输入电源，两个电感，两个功率开关管和两个输出二极管。其中，第一个电感的输入端与第二个电感的输入端一起连接输入电源的正极，第一个电感的输出端接第一个输出二极管的阳极，第一个二极管的阴极与第二个二极管的阴极一起接输出端电容的上端；在第一电感和第一个二极管的阳极之间接第一功率开关的漏极，第一功率开关源极接变换器的负极；第二个电感的输出端接第二个输出二极管的阳极，在第二电感和第二个二极管的阳极之间接第二功率开关的漏极，第二功率开关源极接变换器的负极。
这种变换器输入输出电压增益较小，功率开关管和二极管的电压应力均为输出电压，电压应力高，损耗较大。单路直流输入电源，在现有的光伏发电和风力发电等其他新能源发电相结合的场合下，已经满足不了要求了，不利于提高了能源的综合利用率，增加了经济成本；同时开关管在导通和关断过程中有显著的开关损耗，导致工作效率不高，且在一些输入输出电压差较大的场合，其输入输出升压能力难以满足要求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器，通过运用双路直流电源输入方式，使得光伏发电、风力发电等其他新能源发电得以相结合，提高了能源的综合利用率，降低了经济成本，大大提高了能源的综合利用率。
本发明采取的技术方案为：
一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器，包括两个直流输入电源Vin1和Vin2，两个功率电感L1、L2，两个功率开关S1、S2，两个零电压关断软开关辅助电路，倍增模块；
第一电感L1和第二电感L2的输入端同时接双端口输入电源Vin1和Vin2的正极，第一电感L1和第二电感L2的输出端分别接第一功率开关S1和第二功率开关S2的漏极，第一功率开关S1和第二功率开关S2的源极接双端口输入电源Vin1和Vin2的负极；两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器；
功率开关S1对应的零电压关断软开关辅助电路，由二极管D1和D2和电容C1组成。连接关系为：二极管D1和D2串联，电容C1的上端与二极管D1、D2串联的节点相连，第一电感L1的输出端接二极管D1的阳极，第二电感L2输出端接电容C1的下端，二极管D2的阴极接二极管D1a的阴极；
功率开关S2对应的零电压关断软开关辅助电路，由二极管D3和D4和电容C2组成。连接关系为：二极管D3和D4串联，电容C2的下端与二极管D3、D4串联的节点相连，电容C2的上端与第二电感L2的输出端连接，二极管D3的阴极接直流输入电源的负极，二极管D4的阳极接二极管D1b的阳极；
第一倍增模块，由二极管D1a、D1b和电容C1a、C1b组成。连接关系为：二极管D1a的阳极与第二电感L2的输出端连接，二极管D1a的阴极与电容C1a的上端连接；电容C1a与C1b串联在一起，二者的节点与第一电感L1的输出端相连；电容C1b的下端与二极管D4和D1b的阳极连接，二极管D1b的阴极与二极管D3的阴极接在一起，同时接在直流电源负极；
第二倍增模块，由二极管D2a、D2b和电容C2a、C2b组成。连接关系为：二极管D2a的阳极与电容C1a上端连接，二极管D2a的阴极与电容C2a的上端连接；电容C2a与C2b串联在一起，二者的节点与第二电感L2的输出端相连；电容C2b的下端与二极管D2b的阳极连接。负载电阻R的上端，连接电容C2a的上端，电容C2b的下端；
之后的倍增模块依次接入；同时第一电感L1输出端与所有奇数个倍增模块的上下两个串联电容之间的节点相连；第二电感L2的输出端与所有偶数倍增模块的上下两个电容之间的节点相连。
所述零电压关断软开关辅助电路，为一个三端口单元，电容连接在两个串联的二极管中间节点上。
该变换器控制方式为交错控制策略。
本发明一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器，有益效果如下：
1、本发明将两种不同的新能源发电***可以有效的接入到一个电路拓扑之中，减少了经济成本的同时提高了能源使用效率。
2、本发明加入倍增模块组成高增益升压网络，实现了2n倍于基本Boost升压变换器的输入输出电压增益，同时倍增模块可以根据需要增减数量，拓宽了该变换器的应用场合。
3、本电路中加入零电压关断软开关辅助电路，使得功率开关S1、S2均实现了软开关功能，减少了开关损耗，提高了工作效率。
4、电路中开关器件的电压应力大幅降低。
5、与现有的高增益升压变换器相比，不含有变压器和耦合电感，电路拓扑简单，易于实现。
附图说明
图1是现有的两相升压型(Boost)交错并联变换器电路原理图。
图2即为本发明具体实施方式中含2组倍增模块的电路原理图。
图3是本发明中所采用的零电压关断软开关辅助电路电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，以含有2个倍增模块为例的一种含有软开关的双端口输入高增益DC/DC变换器，由两路输入电源Vin1和Vin2、DC/DC升压电路和软开关辅助电路组成；包含两个直流输入电源Vin1和Vin2，两个功率电感L1、L2，两个功率开关S1、S2，六个二极管D1、D2、D3、D4、D1a、D1b、D2a、D2b和五个电容C1、C2、C1a、C1b、C2a、C2b。
第一电感L1和第二电感L2的输入端分别接双端口输入电源Vin1和Vin2的正极，第一电感L1和第二电感L2的输出端分别接第一功率开关S1和第二功率开关S2的漏极，第一功率开关S1和第二功率开关S2的源极接双端口输入电源Vin1和Vin2的负极；两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器。
S1对应的零电压关断软开关辅助电路，由二极管D1和D2和电容C1组成。连接关系为：二极管D1和D2串联，电容C1的上端与二极管D1、D2串联的节点相连，第一电感L1的输出端接二极管D1的阳极，第二电感L2输出端接电容C1的下端，二极管D2的阴极接二极管D1a的阴极；S2对应的零电压关断软开关辅助电路，由二极管D3和D4和电容C2组成。连接关系为：二极管D3和D4串联，电容C2的下端与二极管D3、D4串联的节点相连，电容C2的上端与第二电感L2的输出端连接，二极管D3的阴极接直流输入电源的负极，二极管D4的阳极接二极管D1b的阳极。
第一倍增模块，由二极管D1a、D1b和电容C1a、C1b组成。连接关系为：二极管D1a的阳极与第二电感L2的输出端连接，二极管D1a的阴极与电容C1a的上端连接；电容C1a与C1b串联在一起，二者的节点与第一电感L1的输出端相连；电容C1b的下端与二极管D4和D1b的阳极连接，二极管D1b的阴极与二极管D3的阴极接在一起，同时接在直流电源负极。
第二倍增模块，由二极管D2a、D2b和电容C2a、C2b组成。连接关系为：二极管D2a的阳极与电容C1a上端连接，二极管D2a的阴极与电容C2a的上端连接；电容C2a与C2b串联在一起，二者的节点与第二电感L2的输出端相连；电容C2b的下端与二极管D2b的阳极连接。负载电阻R的上端，连接电容C2a的上端，电容C2b的下端。
之后的倍增模块依次接入；同时第一电感L1输出端与所有奇数个倍增模块的上下两个串联电容之间的节点相连；第二电感L2的输出端与所有偶数倍增模块的上下两个电容之间的节点相连。
所述倍增模块是由两个二极管和两个电容构成的具有四个端口的单元，上侧二极管的阳极作为第一端口，上侧二极管阴极与电容的节点作为第二端口，下侧电容与下侧二极管阳极的节点作为第三端口，下侧二极管阴极作为第四端口。
所述的一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器相比于传统的Boost升压变换器具有4倍的增益比。
根据功率开关状态的不同，可以将电路分为6种工作模态：
1.模态1：功率开关S1、S2均导通，此时两路直流输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；电容C2a、C2b均在向输出端放电；二极管D1、D2、D3、D4、D1a、D1b、D2a、D2b均关断。
2.模态2：控制器控制功率开关S1关断，S2导通，此时二极管D1导通，直流电源Vin1、电感L1的电流通过二极管D1给电容C1充电，后经S2流回电源负极；这时电容C1电压上升，当Uc1=Uc1b时充电完成，二极管D1关断；该过程中开关S1实现零电压关断；在C1充电的同时，电感L1的另一部分电流，流过电容C1b，二极管D4，电容C2，此过程电容C1b充电，电容C2放电，直到Uc2=0时为止，此时二极管D4关断。整个模态：低压输入电源Vin1、电感L1、电容C2、C2a、C2b均处于放电状态，C1b处于充电状态；此时功率开关S2保持导通状态，直流电源Vin2通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D2、D3、D1a、D2a、D1b、D2b均关断。
3.模态3：同模态2功率开关S1关断，S2导通，当模态2中的电容C1充电完成时，二极管D1关断，C2放电完成时，二极管D4关断，此时电感L1的电流在经过C1a、C1b之间的节点时分流，一部分通过电容C1a、二极管D2a、电容C2a及开关S2流回电源负极，电容C1a放电，电容C2a充电；第二部分电流流过电容C2a分流，流过负载电阻R，电容C2b，此过程电容C2b放电；经过C1a、C1b之间的节点时的第三部分电流通过电容C1b、二极管D1b流回电源负极，此时电容C1b处于充电状态；整个模态：两路输入直流电源、电感L1、电容C1a、C2b处于放电状态，电容C1b、C2a均处于充电状态；此时功率开关S2保持导通状态，低压电源通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D1、D2、D3、D4、D1a、D2b均关断。
4.模态4：同模态1，功率开关S1、S2均导通，此时两路直流输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；电容C2a、C2b均在向输出端放电；二极管D1、D2、D3、D4、D1a、D1b、D2a、D2b均关断。
5.模态5：控制器控制功率开关S1导通，S2关断，此时输入电源Vin2和电感L2的电流一部分，通过电容C2、二极管D3，流回电源负极；这时电容C2电压上升，当Uc2=Uc1a时，二极管D3关断；该过程中开关S2实现零电压关断；另一部分电流通过电容C1、二极管D2、电容C1a及开关S1流回电源负极，电容C1放电，电容C1a充电，当电容C1的电压Uc1下降至0时，二极管D2关断，电容C1放电完成；整个模态：低压输入电源、电感L2、电容C1、C2a、C2b放电，电容C2、C1a处于充电状态，此时功率开关S1保持导通状态，直流输入电源Vin1通过功率开关S1向电感L1充电；二极管D1、D4、D1a、D2a、D1b、D2b均关断。
6.模态6：当模态5的中的C1放电完成时，二极管D2关断，此时二极管D1a导通，电感L2的电流在经过D1a阳极下端的结点时分流，第一部分通过二极管D1a、电容C1a及开关S1流回电源负极，电容C1a充电；第二部分电流通过电容C2b，二极管D2b、电容C1b以及开关S1流回电源负极；第三部分电流流过负载电阻R，电容C2b，此过程电容C2b放电；整个模态：电容C1a、C2b充电，电容C1b 、C2a处于放电状态，二极管D1、D2、D3、D4、D1b、D2a均关断。
综上所述，该拓扑解决了变换器工作效率不高升压能力不够等问题，采用多路输入可以实现新能源接入利用率的最大化，且开关管的电压应力也得到了降低，并且升压增益可调，可灵活应用于对升压能力要求高的场合。
本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器，其特征在于：
包括两个直流输入电源Vin1和Vin2，两个功率电感L1、L2，两个功率开关S1、S2，两个零电压关断软开关辅助电路，倍增模块；
第一电感L1和第二电感L2的输入端同时接双端口输入电源Vin1和Vin2的正极，第一电感L1和第二电感L2的输出端分别接第一功率开关S1和第二功率开关S2的漏极，第一功率开关S1和第二功率开关S2的源极接双端口输入电源Vin1和Vin2的负极；两个功率开关S1、S2的栅极分别接各自的控制器；
功率开关S1对应的零电压关断软开关辅助电路，由二极管D1和D2和电容C1组成，连接关系为：二极管D1和D2串联，电容C1的上端与二极管D1、D2串联的节点相连，第一电感L1的输出端接二极管D1的阳极，第二电感L2输出端接电容C1的下端，二极管D2的阴极接二极管D1a的阴极；
功率开关S2对应的零电压关断软开关辅助电路，由二极管D3和D4和电容C2组成，连接关系为：二极管D3和D4串联，电容C2的下端与二极管D3、D4串联的节点相连，电容C2的上端与第二电感L2的输出端连接，二极管D3的阴极接直流输入电源的负极，二极管D4的阳极接二极管D1b的阳极；
第一倍增模块，由二极管D1a、D1b和电容C1a、C1b组成，连接关系为：二极管D1a的阳极与第二电感L2的输出端连接，二极管D1a的阴极与电容C1a的上端连接；电容C1a与C1b串联在一起，二者的节点与第一电感L1的输出端相连；电容C1b的下端与二极管D4和D1b的阳极连接，二极管D1b的阴极与二极管D3的阴极接在一起，同时接在直流电源负极；
第二倍增模块，由二极管D2a、D2b和电容C2a、C2b组成，连接关系为：二极管D2a的阳极与电容C1a上端连接，二极管D2a的阴极与电容C2a的上端连接；电容C2a与C2b串联在一起，二者的节点与第二电感L2的输出端相连；电容C2b的下端与二极管D2b的阳极连接；
负载电阻R的上端，连接电容C2a的上端，电容C2b的下端；
之后的倍增模块依次接入；同时第一电感L1输出端与所有奇数个倍增模块的上下两个串联电容之间的节点相连；第二电感L2的输出端与所有偶数倍增模块的上下两个电容之间的节点相连。
2.根据权利要求1所述一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器，其特征在于：
所述零电压关断软开关辅助电路，为一个三端口单元，电容连接在两个串联的二极管中间节点上。
3.一种开关零电压关断双路输入高增益DC/DC变换器控制方法，其特征在于：
根据功率开关状态的不同，可以将电路分为6种工作模态：
模态1：功率开关S1、S2均导通，此时两路直流输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；电容C2a、C2b均在向输出端放电；二极管D1、D2、D3、D4、D1a、D1b、D2a、D2b均关断；
模态2：控制器控制功率开关S1关断，S2导通，此时二极管D1导通，直流电源Vin1、电感L1的电流通过二极管D1给电容C1充电，后经S2流回电源负极；这时电容C1电压上升，当Uc1=Uc1b时充电完成，二极管D1关断；该过程中开关S1实现零电压关断；在C1充电的同时，电感L1的另一部分电流，流过电容C1b，二极管D4，电容C2，此过程电容C1b充电，电容C2放电，直到Uc2=0时为止，此时二极管D4关断；
整个模态：低压输入电源Vin1、电感L1、电容C2、C2a、C2b均处于放电状态，C1b处于充电状态；此时功率开关S2保持导通状态，直流电源Vin2通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D2、D3、D1a、D2a、D1b、D2b均关断；
模态3：同模态2功率开关S1关断，S2导通，当模态2中的电容C1充电完成时，二极管D1关断，C2放电完成时，二极管D4关断，此时电感L1的电流在经过C1a、C1b之间的节点时分流，一部分通过电容C1a、二极管D2a、电容C2a及开关S2流回电源负极，电容C1a放电，电容C2a充电；第二部分电流流过电容C2a分流，流过负载电阻R，电容C2b，此过程电容C2b放电；经过C1a、C1b之间的节点时的第三部分电流通过电容C1b、二极管D1b流回电源负极，此时电容C1b处于充电状态；整个模态：两路输入直流电源、电感L1、电容C1a、C2b处于放电状态，电容C1b、C2a均处于充电状态；此时功率开关S2保持导通状态，低压电源通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D1、D2、D3、D4、D1a、D2b均关断；
模态4：同模态1，功率开关S1、S2均导通，此时两路直流输入电源通过功率开关S1和功率开关S2分别向电感L1和电感L2充电；电容C2a、C2b均在向输出端放电；二极管D1、D2、D3、D4、D1a、D1b、D2a、D2b均关断；
模态5：控制器控制功率开关S1导通，S2关断，此时输入电源Vin2和电感L2的电流一部分，通过电容C2、二极管D3，流回电源负极；这时电容C2电压上升，当Uc2=Uc1a时，二极管D3关断；该过程中开关S2实现零电压关断；另一部分电流通过电容C1、二极管D2、电容C1a及开关S1流回电源负极，电容C1放电，电容C1a充电，当电容C1的电压Uc1下降至0时，二极管D2关断，电容C1放电完成；整个模态：低压输入电源、电感L2、电容C1、C2a、C2b放电，电容C2、C1a处于充电状态，此时功率开关S1保持导通状态，直流输入电源Vin1通过功率开关S1向电感L1充电；二极管D1、D4、D1a、D2a、D1b、D2b均关断；
模态6：当模态5的中的C1放电完成时，二极管D2关断，此时二极管D1a导通，电感L2的电流在经过D1a阳极下端的结点时分流，第一部分通过二极管D1a、电容C1a及开关S1流回电源负极，电容C1a充电；第二部分电流通过电容C2b，二极管D2b、电容C1b以及开关S1流回电源负极；第三部分电流流过负载电阻R，电容C2b，此过程电容C2b放电；整个模态：电容C1a、C2b充电，电容C1b 、C2a处于放电状态，二极管D1、D2、D3、D4、D1b、D2a均关断。
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Assignor: CHINA THREE GORGES University

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