CN111669057A - 直流升压变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直流变换器技术领域，具体涉及了一种直流升压变换器及其控制方法，旨在解决传统直流升压变换器存在的损耗大、工作范围窄的问题。本发明包括：输入电源接口、耦合电感单元、半桥单元、母线支撑电容、预充电二极管、隔离变压器、整流及滤波电路、电源输出接口。其中，输入电源接口可输入光伏或燃料电池等宽电压范围电源；耦合电感单元包括A相耦合电感和B相耦合电感；半桥单元包括第一桥臂和第二桥臂；整流及滤波电路包括二极管D₁‑D₄、电容C_o。本发明原边两个升压电路并联互补分担功率损耗，电流纹波频率为主开关管开关频率的两倍，不但能采用结构简单的变压器提供较高升压比，又能通过谐振软开关降低变换器开关应力，提高了变换器的性能。

Description

直流升压变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于直流变换器技术领域，具体涉及了一种直流升压变换器及其控制方法。

背景技术

光伏并网发电是太阳能利用的重要途径之一，随着大功率电力电子半导体器件的发展，直流输电成本的逐步降低，柔性直流输电技术得到了快速发展，光伏直流并网由于拥有多端柔性直流***的灵活、可靠和经济等特点，更加适用于分布式发电与电力市场等领域，成为未来光伏发电的一种重要利用形式。

光伏电池具有输出特性软、电压等级低和电压波动范围大等特点，因此需要经过具有高电压增益、宽输入电压范围的DC/DC功率变换后升压成为稳定的直流高压以满足直流并网或负载的需求。

隔离型升压变换器及其控制技术作为上述发电***的关键技术之一，成为近年来的研究热点。传统的隔离型全桥Boost变换器具有高升压比和输入范围宽等优点，但是需要配置对控制时序要求较高的有源钳位电路以吸收变压器漏感的能量，在大功率应用下，变压器漏感和钳位电路的寄生电感会增大电路中开关管的电压应力，而且此拓扑存在启动过程复杂等问题。双电感半桥隔离型Boost变换器使用两个半桥型Boost变换器交错并联，降低了开关管电流应力并可减小输入电流纹波，但其工作在硬开关状态，主开关管电压应力较高，且较大的开关损耗限制了变换器的效率，不适合用于大功率应用中。Boost推挽正激变换器将Boost推挽结构与正激拓扑相结合，具有器件数量少、磁芯利用率高和电压输出特性好等优点，然而，其开关管电压应力是全桥电路的2倍，不适用于输入电压较高的应用中，且直流偏磁问题会导致高频变压器励磁电流过大甚至损坏开关管。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即传统直流升压变换器存在的损耗大、工作范围窄的问题，本发明提供了一种直流升压变换器，该变换器包括输入电源接口、耦合电感单元、半桥单元、母线支撑电容、预充电二极管、隔离变压器、整流及滤波电路和输出电源接口；

所述输入电源接口正极连接至所述耦合电感单元第一连接端T_L1以及所述预充电二极管阳极，所述输入电源接口负极连接至所述半桥单元第二连接端B以及所述母线支撑电容负极；

所述耦合电感单元第二连接端T_L2连接至所述母线支撑电容正极、所述预充电二极管阴极以及所述半桥单元第一连接端A；所述耦合电感单元第三连接端T_L3连接至所述半桥单元第三连接端C以及所述隔离变压器第一输入端；所述耦合电感单元第四连接端T_L4连接至所述半桥单元第四连接端D以及所述隔离变压器第二输入端；

所述隔离变压器第一输出端连接至所述整流及滤波电路第一输入端，第二输出端连接至所述整流及滤波电路第二输入端；

所述整流及滤波电路第一输出端连接至所述输出电源接口正极，第二输出端连接至所述输出电源接口负极。

在一些优选的实施例中，所述耦合电感单元包括A相耦合电感L_a和L_a’、B相耦合电感L_b和L_b’、A相续流二极管D_a和B相续流二极管D_b；

所述A相耦合电感L_a和L_a’的同名端、B相耦合电感L_b和L_b’的同名端连接到一起作为所述耦合电感单元的第一连接端T_L1；

所述A相耦合电感L_a’的非同名端连接至所述A相续流二极管D_a的阳极，所述B相耦合电感L_b’的非同名端连接至所述B相续流二极管D_b的阳极，所述A相续流二极管D_a与B相续流二极管D_b的阴极连接到一起作为所述耦合电感单元的第二连接端T_L2；

所述A相耦合电感L_a的非同名端作为所述耦合电感单元的第三连接端T_L3；

所述B相耦合电感L_b的非同名端作为所述耦合电感单元的第四连接端T_L4。

在一些优选的实施例中，所述半桥单元包括第一桥臂和第二桥臂；

所述第一桥臂包括上管S₁、下管S₂；

所述第二桥臂包括上管S₃、下管S₄；

所述开关管S_x分别包括器件的寄生二极管D_sx和寄生电容C_sx；其中，x＝1,2,3,4；

所述上管S₁的漏极和所述上管S₃的漏极连接到一起作为所述半桥单元的第一连接端A；

所述下管S₂的源极和所述下管S₄的源极连接到一起作为所述半桥单元的第二连接端B；

所述上管S₁的源极与所述下管S₂的漏极连接到一起作为所述半桥单元的第三连接端C；

所述上管S₃的源极与所述下管S₄的漏极连接到一起作为所述半桥单元的第四连接端D。

在一些优选的实施例中，所述隔离变压器包括原边绕组、副边绕组和变压器原边漏感L_r；

所述变压器原边漏感L_r寄生在所述隔离变压器中；

所述原边绕组的第一连接端和第二连接端分别作为所述隔离变压器的第一输入端和第二输入端；

所述副边绕组的第一连接端和第二连接端分别作为所述隔离变压器的第一输出端和第二输出端。

在一些优选的实施例中，所述整流及滤波电路包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄和滤波电容C_o；

所述二极管D₁的阳极与所述二极管D₂的阴极相连作为所述整流及滤波电路的第一输入端；

所述二极管D₃的阳极与所述二极管D₄的阴极相连作为所述整流及滤波电路的第二输入端；

所述二极管D₁的阴极、二极管D₃的阴极、滤波电容C_o的正极连接到一起作为所述整流及滤波电路的第一输出端；

所述二极管D₂的阳极、二极管D₄的阳极、滤波电容C_o的负极连接到一起作为所述整流及滤波电路的第二输出端。

在一些优选的实施例中，所述A相耦合电感与B相耦合电感为同向耦合。

在一些优选的实施例中，所述A相耦合电感L_a和L_a’、A相续流二极管D_a与第一桥臂组成A相升压电路；

所述B相耦合电感L_b和L_b’、B相续流二极管D_b与第二桥臂组成B相升压电路。

本发明的另一方面，提出了一种直流升压变换器控制方法，基于上述的直流升压变换器，该方法包括：

步骤S10，设置上管S₁和下管S₂的占空比互补，上管S₃和下管S₄的占空比互补，且上管S₁与下管S₄的占空比相同，下管S₂与上管S₃的占空比相同；设置第一桥臂和第二桥臂的驱动信号之间相隔移相角φ；

步骤S20，通过耦合电感在开关过程中的能量传递作用，实现S₁、S₂、S₃和S₄在整个开关周期内的软开关；

步骤S30，所述开关周期内调制不同时刻的S₁、S₂、S₃和S₄的开关状态，结合对开关管占空比和桥臂移相角φ的调节，实现对输出电压的控制。

本发明的有益效果：

(1)本发明直流升压变换器，通过耦合电感的能量传递作用，实现所有开关器件的软开关，大大降低了开关管的开关损耗，有利于在提高开关频率、减小***体积的同时，实现较高的能量转换效率。

(2)本发明直流升压变换器，通过对占空比和移相角两个控制自由度的调节，实现输出电压的稳定控制，并克服电流环流导致效率低的缺点，提高变换器效率。

(3)本发明直流升压变换器，通过对占空比和移相角两个控制自由度的调节，可实现宽范围的输入电压，并能实现宽电压范围内开关器件的软开关，提高变换器的综合适应性。

(4)本发明直流升压变换器，原边两个升压电路交错并联工作，使得输入输出电流的纹波频率为开关频率的两倍，可显著降低输入输出滤波器的大小，实现高功率密度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明直流升压变换器的电路结构示意图；

图2是本发明直流升压变换器一种实施例的D≤0.5时的工作波形图；

图3是本发明直流升压变换器一种实施例的D>0.5时的工作波形图；

图4是本发明直流升压变换器一种实施例的电路在状态1的等效电路结构示意图；

图5是本发明直流升压变换器一种实施例的电路在状态2的等效电路结构示意图；

图6是本发明直流升压变换器一种实施例的电路在状态3的等效电路结构示意图；

图7是本发明直流升压变换器一种实施例的电路在状态4的等效电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种直流升压变换器，该变换器原边两个升压电路并联互补工作，分担功率损耗，输入输出电流的纹波频率为主开关管开关频率的两倍。基于其结构特点，该变换器既能采用结构较简单的隔离升压变压器提供较高的升压比，又能通过谐振软开关有效降低变换器的开关应力，可有效提高变换器的性能。

该变换器既适用于常规DC/DC变换器的应用范围，又适用于光伏、燃料电池发电等新能源发电***。

本发明的一种直流升压变换器，该变换器包括输入电源接口、耦合电感单元、半桥单元、母线支撑电容、预充电二极管、隔离变压器、整流及滤波电路和输出电源接口；

所述输入电源接口正极连接至所述耦合电感单元第一连接端T_L1以及所述预充电二极管阳极，所述输入电源接口负极连接至所述半桥单元第二连接端B以及所述母线支撑电容负极；

所述耦合电感单元第二连接端T_L2连接至所述母线支撑电容正极、所述预充电二极管阴极以及所述半桥单元第一连接端A；所述耦合电感单元第三连接端T_L3连接至所述半桥单元第三连接端C以及所述隔离变压器第一输入端；所述耦合电感单元第四连接端T_L4连接至所述半桥单元第四连接端D以及所述隔离变压器第二输入端；

所述隔离变压器第一输出端连接至所述整流及滤波电路第一输入端，第二输出端连接至所述整流及滤波电路第二输入端；

所述整流及滤波电路第一输出端连接至所述输出电源接口正极，第二输出端连接至所述输出电源接口负极。

为了更清晰地对本发明直流升压变换器进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。

本发明一种实施例的直流升压变换器，包括输入电源接口1、耦合电感单元2、半桥单元3、母线支撑电容4(即C_c)、预充电二极管5(即D_s)、隔离变压器6、整流及滤波电路7和输出电源接口8(可连接负载R_L)，各部分详细描述如下：

输入电源接口1可以输入光伏或燃料电池等宽电压范围电源。

耦合电感单元2包括A相耦合电感L_a和L_a’、B相耦合电感L_b和L_b’、A相续流二极管D_a和B相续流二极管D_b。

半桥单元3第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂包括上管S₁、下管S₂，第二桥臂包括上管S₃、下管S₄。

隔离变压器6包括原边绕组、副边绕组和变压器原边漏感L_r。

整流及滤波电路7包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄和滤波电容C_o。

输出电源接口8用于输出变换器变换后的电源，可以连接负载R_L，也可以进行直流并网。

输入电源接口1的正极、预充电二极管5(即D_s)的阳极与A相耦合电感L_a和L_a’的同名端、B相耦合电感L_b和L_b’的同名端连接，即与耦合电感单元的第一连接端T_L1连接；

输入电源接口1的负极、母线支撑电容4(即C_c)的负极与下管S₂源极、下管S₄的源极连接，即与半桥单元第二连接端B连接；

母线支撑电容4(即C_c)的正极、预充电二极管5(即D_s)的阴极与A相续流二极管D_a的阴极、B相续流二极管D_b的阴极以及上管S₁漏极、上管S₃的漏极连接，即与耦合电感单元第二连接端T_L2以及半桥单元第一连接端A连接；

A相耦合电感L_a的非同名端、隔离变压器第一输入端与上管S₁的源极、下管S₂的漏极连接，即与半桥单元第三连接端C连接；

B相耦合电感L_b的非同名端、隔离变压器第二输入端与上管S₃的源极、下管S₄的漏极连接，即与半桥单元第四连接端D连接；

A相耦合电感L_a’的非同名端、A相续流二极管D_a的阳极相连，B相耦合电感L_b’的非同名端与B相续流二极管D_b的阳极相连；

二极管D₁的阳极、二极管D₂的阴极与隔离变压器副边绕组第一连接端连接；

二极管D₃的阳极、二极管D₄的阴极与隔离变压器副边绕组第二连接端连接；

二极管D₁的阴极、二极管D₃的阴极、滤波电容C_o的正极与输出电源接口8的正极(或者负载R_L的正极)连接；

二极管D₂的阳极、二极管D₄的阳极、滤波电容C_o的负极与输出电源接口8的负极(或者负载R_L的负极)连接。

本发明第二实施例的直流升压变换器控制方法，基于上述的直流升压变换器，该方法包括：

步骤S10，设置上管S₁和下管S₂的占空比互补，上管S₃和下管S₄的占空比互补，且上管S₁与下管S₄的占空比相同，下管S₂与上管S₃的占空比相同；设置第一桥臂和第二桥臂的驱动信号之间相隔移相角φ；

步骤S20，通过耦合电感在开关过程中的能量传递作用，实现S₁、S₂、S₃和S₄在整个开关周期内的软开关；

步骤S30，所述开关周期内调制不同时刻的S₁、S₂、S₃和S₄的开关状态，结合对开关管占空比和桥臂移相角φ的调节，实现对输出电压的控制。

如图2和图3所示，分别为本发明直流升压变换器一种实施例的D≤0.5和D>0.5时的工作波形图，本发明直流升压变换器的工作过程分为8个主要状态，由于状态1至状态4和状态5至状态8在原理上相同，只是工作过程从S₁、S₂转移到了S₃、S₄，为简便起见，下面仅针对状态1至状态4做详细说明。

为使分析简便，做如下假设：

(1)所有开关管(上管、下管)和二极管均为理想器件；

(2)所有耦合电感、电容和电阻均为理想器件；

(3)输出滤波电容和母线支撑电容足够大，在一个开关周期内可看作为恒压源。

如图4所示，为本发明直流升压变换器一种实施例的电路在状态1的等效电路结构示意图：

在t₀时刻，S₂关断，S₁处于关断状态，L_a上的电流为反向流动，同时对C_S1和C_S2进行充放电，由于C_S2两端电压不能突变，S₂为零电压关断(ZVS)；当S₂两端电压下降为0V时，S₁的体二极管导通，输入电压V_in通过S₁施加到电感L_a上，L_a上的电流开始反向减小，同时耦合绕组电感L_a’电流也开始减小。

由于S₃-S₄支路的驱动信号与S₁-S₂支路的占空比相同，且相位差为φ，在这一阶段，S₄处于导通状态而S₃处于关断状态，母线支撑电容上的电压V_Bulk通过S₄和D_S1施加到隔离变压器T上，变压器开始向副边传送功率。

如图5所示，本发明直流升压变换器一种实施例的电路在状态2的等效电路结构示意图：

在t₁时刻，S₁开通，由于D_S1的续流作用，S₁为ZVS开通，这一阶段，L_a在V_in的作用下电流反向下降为0然后开始正向升高，同时耦合绕组的电感L_a’上的电流继续下降，在t₂时刻L_a’上电流下降为0，D_a反向截止。在此阶段，S₄仍处于导通状态而S₃仍处于关断状态，隔离变压器T仍向副边传送功率。

如图6所示，本发明直流升压变换器一种实施例的电路在状态3的等效电路结构示意图：

在t₂时刻，L_a’的电流降低为0，D_a截止，S₁处于开通状态，V_in通过S₁施加到L_a上，由于电感的耦合作用，

k为耦合电感的耦合系数，对于正向耦合k>0，所以L_a上的电流上升斜率变小。

如图7所示，本发明直流升压变换器一种实施例的电路在状态4的等效电路结构示意图：

在t₃时刻，S₁关断，L_a的电流对C_S1和C_S2进行充放电，由于电容上的电压不能突变，S₁为ZVS关断，当C_S1上的电压上升到V_Bulk时，S₂的体二极管开通，L_a的电流经过D_S2进行续流，同时电流开始下降。由于S₁关断，同时S₄处于开通状态，所以隔离变压器T两端的电压降为0V，并停止向副边传递功率。

状态5(t₄～t₅)、状态6(t₅～t₆)、状态7(t₆～t₇)和状态8(t₇～t₈)下S₃-S₄支路的工作状态与状态1、状态2、状态3和状态4下S₁-S₂支路的工作过程相同，在t₈时刻，S₁关断，重复开始状态1的工作过程，至此完成了一个开关周期。

由以上分析可知，通过耦合电感的能量传递作用，S₁、S₂、S₃和S₄在整个开关周期内可以实现ZVS软开关。同时，通过调节移相角φ，可实现在宽负载和电压范围内所有开关管的软开关。本发明直流升压变换器在高频下可极大降低开关损耗，提高直流升压变换器的效率。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的直流升压变换器及其控制方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直流升压变换器，其特征在于，该变换器包括输入电源接口、耦合电感单元、半桥单元、母线支撑电容、预充电二极管、隔离变压器、整流及滤波电路和输出电源接口；

所述输入电源接口正极连接至所述耦合电感单元第一连接端T_L1以及所述预充电二极管阳极，负极连接至所述半桥单元第二连接端B以及所述母线支撑电容负极；

所述耦合电感单元第二连接端T_L2连接至所述母线支撑电容正极、所述预充电二极管阴极以及所述半桥单元第一连接端A；所述耦合电感单元第三连接端T_L3连接至所述半桥单元第三连接端C以及所述隔离变压器第一输入端；所述耦合电感单元第四连接端T_L4连接至所述半桥单元第四连接端D以及所述隔离变压器第二输入端；

所述隔离变压器第一输出端连接至所述整流及滤波电路第一输入端，第二输出端连接至所述整流及滤波电路第二输入端；

所述整流及滤波电路第一输出端连接至所述输出电源接口正极，第二输出端连接至所述输出电源接口负极。

2.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述耦合电感单元包括A相耦合电感L_a和L_a’、B相耦合电感L_b和L_b’、A相续流二极管D_a和B相续流二极管D_b；

所述A相耦合电感L_a和L_a’的同名端、B相耦合电感L_b和L_b’的同名端连接到一起作为所述耦合电感单元的第一连接端T_L1；

所述A相耦合电感L_a’的非同名端连接至所述A相续流二极管D_a的阳极，所述B相耦合电感L_b’的非同名端连接至所述B相续流二极管D_b的阳极，所述A相续流二极管D_a与B相续流二极管D_b的阴极连接到一起作为所述耦合电感单元的第二连接端T_L2；

所述A相耦合电感L_a的非同名端作为所述耦合电感单元的第三连接端T_L3；

所述B相耦合电感L_b的非同名端作为所述耦合电感单元的第四连接端T_L4。

3.根据权利要求2所述的直流升压变换器，其特征在于，所述半桥单元包括第一桥臂和第二桥臂；

所述第一桥臂包括上管S₁、下管S₂；

所述第二桥臂包括上管S₃、下管S₄；

所述开关管S_x分别包括器件的寄生二极管D_sx和寄生电容C_sx；其中，x＝1,2,3,4；

所述上管S₁的漏极和所述上管S₃的漏极连接到一起作为所述半桥单元的第一连接端A；

所述下管S₂的源极和所述下管S₄的源极连接到一起作为所述半桥单元的第二连接端B；

所述上管S₁的源极和所述下管S₂的漏极连接到一起作为所述半桥单元的第三连接端C；

所述上管S₃的源极和所述下管S₄的漏极连接到一起作为所述半桥单元的第四连接端D。

4.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述隔离变压器包括原边绕组、副边绕组和变压器原边漏感L_r；

所述变压器原边漏感L_r寄生在所述隔离变压器中；

所述原边绕组的第一连接端和第二连接端分别作为所述隔离变压器的第一输入端和第二输入端；

所述副边绕组的第一连接端和第二连接端分别作为所述隔离变压器的第一输出端和第二输出端。

5.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述整流及滤波电路包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄和滤波电容C_o；

所述二极管D₁的阳极与所述二极管D₂的阴极相连作为所述整流及滤波电路的第一输入端；

所述二极管D₃的阳极与所述二极管D₄的阴极相连作为所述整流及滤波电路的第二输入端；

所述二极管D₁的阴极、二极管D₃的阴极、滤波电容C_o的正极连接到一起作为所述整流及滤波电路的第一输出端；

所述二极管D₂的阳极、二极管D₄的阳极、滤波电容C_o的负极连接到一起作为所述整流及滤波电路的第二输出端。

6.根据权利要求2所述的直流升压变换器，其特征在于，所述A相耦合电感与B相耦合电感为同向耦合。

7.根据权利要求3所述的直流升压变换器，其特征在于，

所述A相耦合电感L_a和L_a’、A相续流二极管D_a与第一桥臂组成A相升压电路；

所述B相耦合电感L_b和L_b’、B相续流二极管D_b与第二桥臂组成B相升压电路。

8.一种直流升压变换器控制方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的直流升压变换器，该方法包括：

步骤S10，设置上管S₁和下管S₂的占空比互补，上管S₃和下管S₄的占空比互补，且上管S₁与下管S₄的占空比相同，下管S₂与上管S₃的占空比相同；设置第一桥臂和第二桥臂的驱动信号之间相隔移相角φ；

步骤S20，通过耦合电感在开关过程中的能量传递作用，实现S₁、S₂、S₃和S₄在整个开关周期内的软开关；

步骤S30，所述开关周期内调制不同时刻的S₁、S₂、S₃和S₄的开关状态，结合对开关管占空比和桥臂移相角φ的调节，实现对输出电压的控制。

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