CN109698621A - 高增益无谐振软启动电源*** - Google Patents

高增益无谐振软启动电源*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高增益无谐振软启动电源***，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极连接耦合电感的原边绕组L1的一端，耦合电感的原边绕组L1的另一端分别连接电容C2的一端、续流二极管D2的阳极和开关管S的漏极，续流二极管D2的阴极分别连接续流二极管D1的阳极和电容C1的一端，续流二极管D1的阴极分别连接电容C2的另一端和耦合电感副边绕组L2的一端，耦合电感的副边绕组L2的另一端分别连接电容C1的另一端和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端和开关管S的源极分别连接输入电源Vin的负极。本发明提高了效率和增益比。

Description

高增益无谐振软启动电源***
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器，特别是涉及高增益无谐振软启动电源***。
背景技术
环境污染问题以及能源枯竭问题已经迫在眉睫，清洁型的可再生能源的发展已经受到了全世界的广泛关注，世界各地的专家学者都在致力于研究和开发新能源的应用，其中太阳能和风能已经得到了较为广泛的应用。不过对于这些***，如何并网运行、满足电网中的高电压需要仍然是最重要的问题，具有高电压增益特性的DC-DC变换器在新能源发电并网过程发挥着不可或缺的作用。传统的BOOST变换器理论上可以通过提高占空比来提高电压增益。但是实际应用中，由于寄生参数的限制，无法实现较为极端的高占空比。若采用级联型的拓扑结构，器件数量增加所带来的效率低、成本高的问题又会凸显。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够提高效率和增益比的高增益无谐振软启动电源***。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的高增益无谐振软启动电源***，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极连接耦合电感的原边绕组L1的一端，耦合电感的原边绕组L1的另一端分别连接电容C2的一端、续流二极管D2的阳极和开关管S的漏极，续流二极管D2的阴极分别连接续流二极管D1的阳极和电容C1的一端，续流二极管D1的阴极分别连接电容C2的另一端和耦合电感副边绕组L2的一端，耦合电感的副边绕组L2的另一端分别连接电容C1的另一端和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端和开关管S的源极分别连接输入电源Vin的负极。
进一步，还包括电容C4和续流二极管D4；电容C4的一端连接耦合电感副边绕组L2的另一端，电容C4的另一端连接输出整流二极管Do的阳极；续流二极管D4的阳极连接耦合电感副边绕组L2的一端，续流二极管D4的阴极连接输出整流二极管Do的阳极。电容C4和续流二极管D4构成自举电路结构，通过储存耦合电感副边绕组的能量可以进一步增加电路的电压增益。D7构成漏感钳位电路，可以有效抑制耦合电感的漏感能量，提高电路的效率。
进一步，还包括钳位电容Cb2和钳位二极管Db；钳位电容Cb2的一端连接续流二极管D2的阳极，钳位电容Cb2的另一端连接输入电源Vin的负极；钳位二极管Db的阳极连接耦合电感的原边绕组L1的另一端，钳位二极管Db的阴极连接续流二极管D2的阳极。钳位电容Cb2和钳位二极管Db构成漏感钳位电路，可以有效抑制耦合电感的漏感能量，提高电路的效率。
进一步，还包括电容C3和续流二极管D3；电容C3的一端连接耦合电感副边绕组L2的另一端，电容C3的另一端连接输出整流二极管Do的阳极；续流二极管D3的阳极连接耦合电感副边绕组L2的一端，续流二极管D3的阴极连接输出整流二极管Do的阳极。电容C3和续流二极管D3与原电路构成新的升压结构，使电路的升压能力得到进一步提高。
进一步，还包括钳位电容Cb1；钳位电容Cb1的一端连接输入电源Vin的正极，钳位电容Cb1的另一端连接续流二极管D2的阳极。钳位电容Cb1与输入电源一起构成漏感钳位电路，利用电源电压的稳定性，进一步改善了钳位效果。
有益效果：本发明公开了一种高增益无谐振软启动电源***，与现有技术相比，具有以下的有益效果：
1)本发明融合了两电容漏感钳位电路结构，利用无源无损钳位电路，使耦合电感漏感的能量有释放的回路，避免了漏感能量引起的电路谐振问题，钳位二极管与开关管可以实现软开关，进一步提升了电路的效率；
2)本发明融合了多自举不对称倍压电路结构，与传统的升压变换器相比，升压性能得到提高；与传统的单自举单元结构的升压单元相比较，随着占空比的增加，该转换器具有优越的升压电压性能；
3)本发明在实现高电压增益的基础上降低了半导体器件的电压应力，因此可以应用低额定电压、低通态电阻的半导体器件，提高电路的效率；同时半导体器件的反向恢复问题也得到很好地缓解。
附图说明
图1为本发明第一种具体实施方式中变换器的电路图；
图2为本发明第二种具体实施方式中变换器的电路图；
图3为本发明第三种具体实施方式中变换器的电路图；
图4为本发明第四种具体实施方式中变换器的电路图；
图5为本发明第五种具体实施方式中变换器的电路图；
图6为本发明第五种具体实施方式中变换器的等效电路图；
图7为本发明第五种具体实施方式中变换器的第一种开关模态的等效图；
图8为本发明第五种具体实施方式中变换器的第二种开关模态的等效图；
图9为本发明第五种具体实施方式中变换器的第三种开关模态的等效图；
图10为本发明第五种具体实施方式中变换器的第四种开关模态的等效图；
图11为本发明第五种具体实施方式中变换器的第五种开关模态的等效图；
图12为本发明第五种具体实施方式中变换器的第六种开关模态的等效图；
图13为本发明第五种具体实施方式中变换器的第七种开关模态的等效图；
图14为本发明第五种具体实施方式中变换器的开关管S的栅源电压VGS、输出电压Vo和输出二极管VDo的波形图；
图15为本发明第五种具体实施方式中变换器的开关管S的栅源电压VGS、耦合电感原边绕组L1两端的电压VL1和耦合电感原边绕组L1两端的电流iL1的波形图；
图16为本发明第五种具体实施方式中变换器的开关管S的栅源电压VGS、耦合电感原边绕组L2两端的电压VL2和耦合电感原边绕组L2的电流iL2的波形图；
图17为本发明第五种具体实施方式中变换器的开关管S的栅源电压VGS、续流二极管D2的电流iD2和续流二极管D1的电流iD1的波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
第一种具体实施方式公开了一种高增益无谐振软启动电源***，如图1所示，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极连接耦合电感的原边绕组L1的一端，耦合电感的原边绕组L1的另一端分别连接电容C2的一端、续流二极管D2的阳极和开关管S的漏极，续流二极管D2的阴极分别连接续流二极管D1的阳极和电容C1的一端，续流二极管D1的阴极分别连接电容C2的另一端和耦合电感副边绕组L2的一端，耦合电感的副边绕组L2的另一端分别连接电容C1的另一端和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端和开关管S的源极分别连接输入电源Vin的负极。
第二种具体实施方式在第一种具体实施方式的基础上增加了电容C4和续流二极管D4，如图2所示，电容C4的一端连接耦合电感副边绕组L2的另一端，电容C4的另一端连接输出整流二极管Do的阳极；续流二极管D4的阳极连接耦合电感副边绕组L2的一端，续流二极管D4的阴极连接输出整流二极管Do的阳极。
第三种具体实施方式在第一种具体实施方式的基础上增加了钳位电容Cb2和钳位二极管Db，如图3所示，钳位电容Cb2的一端连接续流二极管D2的阳极，钳位电容Cb2的另一端连接输入电源Vin的负极；钳位二极管Db的阳极连接耦合电感的原边绕组L1的另一端，钳位二极管Db的阴极连接续流二极管D2的阳极。
第四种具体实施方式在第三种具体实施方式的基础上增加了电容C3和续流二极管D3，如图4所示，电容C3的一端连接耦合电感副边绕组L2的另一端，电容C3的另一端连接输出整流二极管Do的阳极；续流二极管D3的阳极连接耦合电感副边绕组L2的一端，续流二极管D3的阴极连接输出整流二极管Do的阳极。
第五种具体实施方式在第四种具体实施方式的基础上增加了括钳位电容Cb1，如图5所示，钳位电容Cb1的一端连接输入电源Vin的正极，钳位电容Cb1的另一端连接续流二极管D2的阳极。
其中，开关管S为MOSFET或者IGBT。
本发明第五种具体实施方式中变换器的等效电路图如图6所示，耦合电感原边绕组L1的等效电路为漏感LK和励磁电感LM，原边理想变压器匝数为N1，副边理想变压器匝数为N2。输入电源Vin的电流为iin，输入电源Vin的电压为Vin，耦合电感原边绕组L1的励磁电感LM的电流为iLM，耦合电感原边绕组L1的励磁电感LM两侧的电压为VLM，耦合电感原边绕组L1的漏感LK的电流为iLK，耦合电感原边绕组L1的漏感LK两侧的电压为VLK，耦合电感副边绕组L2的电流为iL2，耦合电感副边绕组L2两侧的电压为VL2，输出整流二极管Do的电流为iDo，输出整流二极管Do两端的电压为VDo，流过开关管S的电流为iS，开关管S两端的电压为VS，二极管D1的电流为iD1，二极管D1两端的电压为VD1，二极管D2的电流为iD2，二极管D2两端的电压为VD2，二极管D3的电流为iD3，二极管D3两端的电压为VD3，钳位二极管Db的电流为iDb，钳位二极管Db两端的电压为VDb，电容C1的电流为iC1，电容C1两端的电压为VC1，电容C2的电流为iC2，电容C2两端的电压为VC2，电容C3的电流为iC3，电容C3两端的电压为VC3，电容Cb1的电流为iCb1，电容Cb1两端的电压为VCb1，输出电容Co的电流为iCo，输出电容Co两端的电压为VCo，负载电阻R的电流为io。
第五种具体实施方式中DC-DC变换器的工作过程分为7个开关模态，分别为第一种开关模态至第六种开关模态，电阻R为负载，具体描述如下：
第一种开关模态，等效电路图7所示，开关S导通，二极管D1和输出二极管Do正向偏置导通，钳位二极管Db、二极管D2和二极管D3反向偏置。电流流动路径如图7所示。输入电源Vin给耦合电感的原边绕组L1充电，耦合电感的副边绕组L2续流，同时将能量释放到负载R和输出电容Co。
第二种开关模态，等效电路图8所示，开关S继续导通，二极管D2正向偏置导通，二极管D1、二极管D3、钳位二极管Db和输出二极管Do反向偏置。电流流动路径如图8所示。输入电源Vin继续给耦合电感的原边绕组L1充电，耦合电感的副边绕组L2的电流反向，耦合电感的副边绕组L2给电容C1充电。输出电容Co释放能量到负载R。
第三种开关模态，等效电路图9所示，开关S继续导通，二极管D2和二极管D3导通，同时，二极管D1、钳位二极管Db和输出二极管Do关断。电流流动路径如图9所示。输入电源Vin继续给耦合电感的原边绕组L1充电，耦合电感的副边绕组L2给电容C2充电，同时，耦合电感的副边绕组L2通过二极管D3给电容C3充电。输出电容Co释放能量到负载R。
第四种开关模态，等效电路图10所示，开关S关断，二极管D1和输出二极管Do反向偏置，二极管D2、二极管D3和钳位二极管Db正向偏置。电流流动路径如图10所示。输入电源Vin和耦合电感的原边绕组L1给钳位电容Cb1和Cb2充电，耦合电感的副边绕组L2的电流由二极管D3和二极管D2构成的回路续流，耦合电感漏感的能量通过钳位二极管Db、钳位电容Cb1和Cb2构成的回路释放。输出电容Co释放能量到负载R。
第五种开关模态，等效电路图11所示，开关S继续关断，二极管D1、二极管D2和二极管D3反向偏置，电流流动路径如图11所示。钳位二极管Db和输出二极管Do正向偏置。输入电源Vin、耦合电感原边绕组L1、耦合电感的副边绕组L2、电容C2和电容C3同时向输出电容Co和负载R提供能量。耦合电感漏感的能量继续通过钳位二极管Db、钳位电容Cb1和Cb2构成的回路释放。
第六种开关模态，等效电路图12所示，开关S继续关断，二极管D2和二极管D3反向偏置，电流流动路径如图12所示。二极管D1、钳位二极管Db和输出二极管Do正向偏置。输入电源Vin、耦合电感原边绕组L1、耦合电感的副边绕组L2、电容C2和电容C3同时向输出电容Co和负载R提供能量，同时，耦合电感的副边绕组L2给电容充电C1。耦合电感漏感的能量继续通过钳位二极管Db、钳位电容Cb1和Cb2构成的回路释放。
第七种开关模态，等效电路图13所示，开关S继续关断，二极管D2、二极管D3和钳位二极管Db反向偏置，电流流动路径如图13所示。二极管D1和输出二极管Do正向偏置。输入电源Vin、耦合电感原边绕组L1、耦合电感的副边绕组L2、电容C2和电容C3同时向输出电容Co和负载R提供能量，同时，耦合电感的副边绕组L2给电容充电C1。耦合电感的漏感能量释放完毕，钳位二极管Db自然关断。
变换器按照第一种开关模态至第七种开关模态工作时，电路中开关管S栅源电压、耦合电感原边绕组L1两端电压、流过耦合电感原边绕组L1的电流、输出电压Vo、输出整流二极管Do的电压、耦合电感原边绕组L2两端的电压、耦合电感原边绕组L2的电流、二极管D1的电流、二极管D2的电流的波形具体描述如下：
在图14中，输入电压Vin＝40V，输出电压Vo＝400V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为5伏/单元格，输出电压的纵坐标为100伏/单元格，输出整流二极管Do的电压的纵坐标为100伏/单元格。
在图15中，输入电压Vin＝40V，输出电压Vo＝400V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为5伏/单元格,耦合电感原边绕组L1两端电压的纵坐标为50伏/单元格，流过耦合电感原边绕组L1的电流的纵坐标为5安/单元格。
在图16中，输入电压Vin＝40V，输出电压Vo＝400V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为5伏/单元格，耦合电感原边绕组L2两端电压的纵坐标为50伏/单元格，流过耦合电感原边绕组L2的电流的纵坐标为5安/单元格。
在图17中，输入电压Vin＝40V，输出电压Vo＝400V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为5伏/单元格，二极管D2的电流的纵坐标为5安/单元格，二极管D1的电压的纵坐标为5安/单元格。

Claims (5)

1.高增益无谐振软启动电源***，其特征在于：包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极连接耦合电感的原边绕组L1的一端，耦合电感的原边绕组L1的另一端分别连接电容C2的一端、续流二极管D2的阳极和开关管S的漏极，续流二极管D2的阴极分别连接续流二极管D1的阳极和电容C1的一端，续流二极管D1的阴极分别连接电容C2的另一端和耦合电感副边绕组L2的一端，耦合电感的副边绕组L2的另一端分别连接电容C1的另一端和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端和开关管S的源极分别连接输入电源Vin的负极。
2.根据权利要求1所述的高增益无谐振软启动电源***，其特征在于：还包括电容C4和续流二极管D4；电容C4的一端连接耦合电感副边绕组L2的另一端，电容C4的另一端连接输出整流二极管Do的阳极；续流二极管D4的阳极连接耦合电感副边绕组L2的一端，续流二极管D4的阴极连接输出整流二极管Do的阳极。
3.根据权利要求1所述的高增益无谐振软启动电源***，其特征在于：还包括钳位电容Cb2和钳位二极管Db；钳位电容Cb2的一端连接续流二极管D2的阳极，钳位电容Cb2的另一端连接输入电源Vin的负极；钳位二极管Db的阳极连接耦合电感的原边绕组L1的另一端，钳位二极管Db的阴极连接续流二极管D2的阳极。
4.根据权利要求3所述的高增益无谐振软启动电源***，其特征在于：还包括电容C3和续流二极管D3；电容C3的一端连接耦合电感副边绕组L2的另一端，电容C3的另一端连接输出整流二极管Do的阳极；续流二极管D3的阳极连接耦合电感副边绕组L2的一端，续流二极管D3的阴极连接输出整流二极管Do的阳极。
5.根据权利要求4所述的高增益无谐振软启动电源***，其特征在于：还包括钳位电容Cb1；钳位电容Cb1的一端连接输入电源Vin的正极，钳位电容Cb1的另一端连接续流二极管D2的阳极。
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