CN112953240A - 一种基于耦合电感的高增益储能降压转换器 - Google Patents

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Abstract

一种基于耦合电感的高增益储能降压转换器，包括一个耦合电感N、四个开关S1、S2、S3及S3、三个能量传递电容C1、C2及C3、一个输出电感L和一个输出电容C0。借助耦合电感器和开关电容技术，本发明不需要极端占空比即可实现高电压增益。利用控制器输出带有死区的PWM信号控制开关管，可以实现零电压开关。本发明可以实现较低的开关应力，能使用额定电压低的开关管来降低传导损耗。此外，本发明具有零磁化电流、输出电流连续、耦合电感的漏感能量可以回收利用、转换效率高等优点。

Description

一种基于耦合电感的高增益储能降压转换器
技术领域
本发明属于开关电源设计技术领域，设计了一种基于耦合电感的高增益储能降压转换器。借助耦合电感器和开关电容技术，所设计的转换器不需要极端占空比即可实现高电压增益。
技术背景
分布式发电具有安装灵活、供电方便、建设周期短和环保等特点，在集中式发电和大电网基础上，大力发展分布式发电技术，使分布式电源供电与大电网供电相互补充、协调是今后电力发展的必然趋势。然而，由于光照强度和风力资源均随时间发生周期性或非周期性变化，光伏电池板和风力发电设备的输出功率也随之发生变化，因此分布式发电在时间上具有间歇性或不连续性。为使负载端得到连续稳定的供电，目前绝大多数的分布式发电***中均加入了储能单元。分布式发电***中的储能单元由电能转换器和储能设备构成，在供电***中能起到削峰填谷，稳定输出和提高电能质量的作用。储能环节解决了能源生产和消费的不同步性问题，使能源在时间和空间上具有可平移性，实现了能源共享的目标。DC/DC变换器是实现储能***的能量双向流动的重要部件，因而有必要对其进行研究。
发明内容
为了克服传统Buck变换器实现高降压会出现极端占空比情况的局限性，本发明利用耦合电感来解决这一问题，通过提高匝数比来增加电压增益从而避免出现极端占空比的情况。本发明的耦合电感中没有直流励磁电感电流，能提高耦合电感的铁芯利用率，并且降低耦合电感的铁损，四个开关管都实现了零电压开启，避免了米勒效应的出现，降低了开关损耗。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于耦合电感的高增益储能降压转换器，包括一个耦合电感N、四个开关S1、S2、S3及S3、三个能量传递电容C1、C2及C3、一个输出电感L和一个输出电容C0；开关S1的一端和电压输入相连，开关S1的另一端和电容C1相连；开关S2的一端和地相连，开关S2的另一端接在开关S1和电容C1之间；耦合电感初级侧N1同名端和电容C1相连，耦合电感初级侧N1非同名端和耦合电感次级侧N2的同名端相连并且连接电容C3；开关S3一端和电容C3、输出电感L相连，开关S3另一端和耦合电感次级侧N2非同名端相连；电容C2一端接地，电容C2另一端连在耦合电感次级侧N2非同名端与开关S3之间；开关S4一端接地，开关S4另一端连在开关S3与输出电感L之间，输出电感L与输出电容C0、负载R相连，所述输出电容C0和负载R并联。
进一步，所述四个开关S1、S2、S3及S3均与二极管D并联。
使用耦合电感，用于提高匝数比来增加电压增益从而避免出现极端占空比的情况；输入电压和耦合电感一次侧之间有一个电容，用于进一步增加电压增益；四个开关管实现零电压开关ZVS；耦合电感的漏感能量回收利用；通过在次级绕组上加一个隔离电容，用于使耦合电感的直流励磁电感电流为零，选取体积更小的磁芯，减小磁芯损耗。
采用本发明提供的技术方案，具有以下有益效果：
1、耦合电感的匝数比会影响电压增益，本发明可以通过提高匝数比来增加电压增益从而避免出现极端占空比的情况。
2、本发明的开关管上的电压应力低，可以选用额定电压较小的MOSFET来减少开关损耗。
3、本发明的转换器输入电压和耦合电感一次侧之间有一个电容，它能降低耦合电感的输入电压从而进一步增加电压增益。
4、耦合电感的漏感能量回收利用，增加效率。
5、本发明通过在次级绕组上加一个隔离电容，可以使耦合电感的直流励磁电感电流为零，这样可以选取体积更小的磁芯，减小磁芯损耗，提高功率密度。
附图说明
图1是基本拓扑图。
图2是等效电路图。
图3是一个开关周期内的电路图，图3(a)～图3(i)是9个开关模态的电路图。
图4是本发明的波形图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1～图4，一种基于耦合电感的高增益储能降压转换器，包括一个耦合电感N、四个开关S1、S2、S3及S3、三个能量传递电容C1、C2及C3、一个输出电感L和一个输出电容C0。
具体的包括开关S1，S2，S3，S4，电容C1，C2，C3，CO，耦合电感初级侧N1，耦合电感次级侧N2，输出电感L和负载R，开关S1的一端和电压输入相连，开关S1的另一端和电容C1相连；开关S2的一端和地相连，开关S2的另一端接在开关S1和电容C1之间；耦合电感初级侧N1同名端和电容C1相连，耦合电感初级侧N1非同名端和耦合电感次级侧N2的同名端相连并且连接电容C3；开关S3一端和电容C3、输出电感L相连，开关S3另一端和耦合电感次级侧N2非同名端相连；电容C2一端接地，电容C2另一端连在耦合电感次级侧N2非同名端与开关S3之间；开关S4一端接地，开关S4另一端连在开关S3与输出电感L之间，输出电感L与输出电容C0、负载R相连，所述输出电容C0和负载R并联。
其中Vin是输入电压，VO是输出电压，Lm是励磁电感，iLm是励磁电感电流，LK是漏感，iLk是漏感电流，iL是电感电流，Coss1，Coss2，Coss3，Coss4分别是开关S1，S2，S3，S4的寄生输出电容，Vds1，Vds2，Vds3，Vds4分别是开关S1，S2，S3，S4的漏极电压。
参照图3(a)～图3(i)，工作过程分为9个开关模态，分别为开关模态1至开关模态9，具体描述如下：
开关模态1[t0-t1]：开关管S1S3打开，S2S4闭合，如图3(a)所示。因为正向的电容C3电压加在励磁电感Lm上，所以励磁电感电流iLm线性增加。而根据基尔霍夫电压定律，可知输出电感L上的电压是电容C2上的电压和输出电压之和，并且是正向，所以电感L的电流iL线性增加。
开关模态2[t1-t2]：这是死区时间，如图3(b)所示。在t1时刻S1S3关闭，开关的寄生输出电容Coss1和Coss3开始充电，Coss2和Coss4开始放电。
开关模态3[t2-t3]：当Vds2和Vds4的电压下降到0时，S2和S4的体二极管导通，如图3(c)所示。漏感和输出电感开始消磁。电容C1与C3之间的电压差加在漏感LK上，所以漏感电流iLk线性减小，耦合电感开始消磁。电感L加上反向输出电压-VO，所以电感电流iL线性减少。
开关模态4[t3-t4]：S2和S4以零电压开关(ZVS)的状态打开，如图3(d)所示。
开关模态5[t4-t5]：在t4时刻，S2和S4关闭，如图3(e)所示。Coss1放电Coss2充电，S4正向偏置。
开关模态6[t5-t6]：当开关的寄生输出电容Coss1完成放电，Coss2完成充电时，S1的体二极管导通，S2关闭，如图3(f)所示。S4继续保持正向偏置，S3不发生偏置，当S1导通时这个模式结束。
开关模态7[t6-t7]：S1以零电压开关(ZVS)的状态打开，如图3(g)所示。S2和S3关闭，S4前向偏置，此时有一个比较大的正向电压加在漏感上，因此漏感电流迅速上升。
开关模态8[t7-t8]：在t7时刻，iS4电流为0，开关的寄生输出电容Coss3放电，Coss4充电，如图3(h)所示。
开关模态9[t8-t9]：当Vds3的电压下降到0时，S3的体二极管导通，如图3(i)所示。S3开始前向偏置，当S3导通时这个模式结束，新的一轮开始。
由上述分析可得增益表达式为：
Figure BDA0002965160210000061
其中D为功率开关管的导通占空比，n是耦合电感的匝数比。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种基于耦合电感的高增益储能降压转换器，其特征在于，所述转换器包括一个耦合电感N、四个开关S1、S2、S3及S3、三个能量传递电容C1、C2及C3、一个输出电感L和一个输出电容C0；开关S1的一端和电压输入相连，开关S1的另一端和电容C1相连；开关S2的一端和地相连，开关S2的另一端接在开关S1和电容C1之间；耦合电感初级侧N1同名端和电容C1相连，耦合电感初级侧N1非同名端和耦合电感次级侧N2的同名端相连并且连接电容C3；开关S3一端和电容C3、输出电感L相连，开关S3另一端和耦合电感次级侧N2非同名端相连；电容C2一端接地，电容C2另一端连在耦合电感次级侧N2非同名端与开关S3之间；开关S4一端接地，开关S4另一端连在开关S3与输出电感L之间，输出电感L与输出电容C0、负载R相连，所述输出电容C0和负载R并联。
2.如权利要求1所述的基于耦合电感的高增益储能降压转换器，其特征在于，所述四个开关S1、S2、S3及S3均与二极管D并联。
3.如权利要求1或2所述的基于耦合电感的高增益储能降压转换器，其特征在于，使用耦合电感，用于提高匝数比来增加电压增益从而避免出现极端占空比的情况；输入电压和耦合电感一次侧之间有一个电容，用于进一步增加电压增益；四个开关管实现零电压开关ZVS；耦合电感的漏感能量回收利用；通过在次级绕组上加一个隔离电容，用于使耦合电感的直流励磁电感电流为零，选取体积更小的磁芯，减小磁芯损耗。
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