CN113691123B - 一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器 - Google Patents
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Abstract
一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,该变换器包括主电路、辅助电路;所述主电路包括Zeta变换器、至少一个外衣单元、一个辅助单元。所述Zeta变换器包含电感L1、L2,功率开关管S1,二极管D1,电容C1、C2。所述辅助电路包括零电流电感Lr、辅助电感Ls、零电压电容Cr、二极管D2、D3、D4。本发明一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,通过辅助电路使得功率开关管实现了零电压关断和零电流开通,降低了电路中功率开关管上的开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器,具体涉及一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器。
背景技术
在现有的开关电源技术中,Zeta外衣电路很好的实现了高电压增益,但在高增益DC/DC变换器中,为了降低变换器成本和提高变换器的功率密度,就需要提高变换器的开关管工作频率,然而目前实现变换器的高频工作仍然有困难。主要原因是随着变换器工作频率的提高,其开关管的开关损耗也会相应的增加,进而导致变换器的工作效率降低,发热量增加。另外,散热器体积和重量也随之增加。开关频率的升高主要产生以下两个问题:
(1)开关损耗问题:在功率开关管开关过程中,功率开关管的电压和电流均不为零,出现交叠面积,该面积就为功率开关管的开关损耗。开关损耗与开关频率之间成线性关系,开关频率的提高之后,开关损耗会有明显的增加。
(2)EMI(Electromagnetic Interference)电磁干扰效应:当变换器工作在高频率时,电压和电流变化较快,波形会出现明显的过冲,开关管会不得不产生较高的du/dt和di/dt,对电源自身和周边的电子设备会有影响,并且会有开关噪音,在开关频率的进一步提高之后,EMI问题会变得更加严峻。
针对现今的高增益DC/DC变换器存在的问题,采用软开关技术,理论上可以将开关损耗降至零,同时能减少EMI问题对电子器件的干扰。
发明内容
本发明提供一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,通过辅助电路使得功率开关管实现了零电压关断和零电流开通,降低了电路中功率开关管上的开关损耗。
本发明采取的技术方案为:
一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,该变换器包括:主电路、辅助电路;
所述主电路包括Zeta变换器、至少一个外衣单元、一个辅助单元;
所述Zeta变换器包含电感L1、L2,功率开关管S1,二极管D1,电容C1、C2;
功率开关管S1漏极连接输入电源的正极,功率开关管S1源极分别电容C1一端、电感L1一端;电感L2另一端连接电容C2一端,电容C2另一端分别连接二极管D1阳极、电感L1另一端、输入电源负极;
所述外衣单元包含电容Cn1、电容Cn2、电感Ln1、二极管Dn1,n为自然数,且n≥1,外衣单元包含五端口:端口①、端口②、端口③、端口④、端口⑤;
电容Cn1一端为端口①,电容Cn1另一端分别连接电感Ln1一端、二极管Dn1阴极,二极管Dn1阳极为端口②,电感Ln1另一端连接电容Cn2一端,电容Cn2另一端为端口③;电感Ln1一端为端口④,电感Ln1另一端为端口⑤;
端口①连接到Zeta变换器中电感L2一端,端口②连接到Zeta变换器中电感L2另一端,端口③连接到输入电源负极;
所述辅助电路包括零电流电感Lr、辅助电感Ls、零电压电容Cr、二极管D2、D3、D4;
零电流电感Lr一端分别连接Zeta变换器中电容C1另一端、二极管D4阴极;
零电流电感Lr另一端连接第一外衣单元中的电容C11的一端、Zeta变换器中二极管D1阴极、电感L2一端;
二极管D2阴极分别连接输入电源阳极、功率开关管S1漏极;
二极管D2阳极连接辅助电感Ls一端;
辅助电感Ls另一端分别连接二极管D3阴极、零电压电容Cr一端;
二极管D3、D4阳极连接输入电源负极;
零电压电容Cr另一端分别连接功率开关管S1源极、电感C1一端、电感L1一端。
n个外衣单元中,
第二外衣单元的端口①连接到第一外衣单元中的端口④,
第二外衣单元的端口②连接到第一外衣单元中的端口⑤,
第二外衣单元的端口③连接到输入电源负极;
第三外衣单元的端口①连接到第二外衣单元中的端口④,
第三外衣单元的端口②连接到第二外衣单元中的端口⑤,
第三外衣单元的端口③连接到输入电源负极;
......依次类推;
第n外衣单元的端口①连接到第n-1外衣单元中的端口④,
第n外衣单元的端口②连接到第n-1外衣单元中的端口⑤,
第n外衣单元的端口③连接到输入电源负极。
所述功率开关管S1栅极连接PWM控制器。
本发明一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,如下有益效果:
1)、在功率开关管S1导通时,由于零电流电感Lr的作用,使得功率开关管S1在零电流条件下导通,消除了功率开关管S1的开通损耗。
2)、在功率开关管S1关断时,由于零电压电容Cr的作用,使得功率开关管S1在零电压条件下关断,消除了功率开关管S1的关断损耗。
附图说明
图1是本发明变换器的原理总图。
图2是本发明含有一个外衣单元的变换器的原理图。
图3是本发明含有一个外衣单元的变换器电路模态一的原理图;
图4是本发明含有一个外衣单元的变换器电路模态二的原理图;
图5是本发明含有一个外衣单元的变换器电路模态三的原理图;
图6是本发明含有一个外衣单元的变换器电路模态四的原理图;
图7是本发明含有一个外衣单元的变换器电路模态五的原理图;
图8是本发明含有一个外衣单元的变换器电路模态六的原理图;
图9是本发明含有一个外衣单元的变换器电路模态七的原理图;
图10是本发明的外衣单元的结构图。
图11是本发明的n=1时的外衣单元的原理图。
图12为功率开关管S1的驱动控制信号、输入电源Uin、输出电压Uo的仿真波形图。图13(1)为功率开关管S1的驱动、开关管上的电流Is、开关管上的电压Us仿真波形图(零电流导通);
图13(2)为功率开关管S1的驱动、开关管上的电流Is、开关管上的电压Us仿真波形图(零电压关断)。
具体实施方式
如图1所示,一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,该变换器包括:主电路、辅助电路;
所述主电路包括Zeta变换器、至少一个外衣单元、一个辅助单元;
所述Zeta变换器包含电感L1、L2,功率开关管S1,二极管D1,电容C1、C2;
功率开关管S1漏极连接输入电源的正极,功率开关管S1源极分别电容C1一端、电感L1一端;电感L2另一端连接电容C2一端,电容C2另一端分别连接二极管D1阳极、电感L1另一端、输入电源负极;
所述外衣单元包含电容Cn1、电容Cn2、电感Ln1、二极管Dn1,n为自然数,且n≥1,外衣单元包含五端口:端口①、端口②、端口③、端口④、端口⑤;
电容Cn1一端为端口①,电容Cn1另一端分别连接电感Ln1一端、二极管Dn1阴极,二极管Dn1阳极为端口②,电感Ln1另一端连接电容Cn2一端,电容Cn2另一端为端口③;电感Ln1一端为端口④,电感Ln1另一端为端口⑤;
端口①连接到Zeta变换器中电感L2一端,端口②连接到Zeta变换器中电感L2另一端,端口③连接到输入电源负极;
所述辅助电路包括零电流电感Lr、辅助电感Ls、零电压电容Cr、二极管D2、D3、D4;
零电流电感Lr一端分别连接Zeta变换器中电容C1另一端、二极管D4阴极;
零电流电感Lr另一端连接第一外衣单元中的电容C11的一端、Zeta变换器中二极管D1阴极、电感L2一端;
二极管D2阴极分别连接输入电源阳极、功率开关管S1漏极;
二极管D2阳极连接辅助电感Ls一端;
辅助电感Ls另一端分别连接二极管D3阴极、零电压电容Cr一端;
二极管D3、D4阳极连接输入电源负极;
零电压电容Cr另一端分别连接功率开关管S1源极、电感C1一端、电感L1一端。
n个外衣单元中,
第二外衣单元的端口①连接到第一外衣单元中的端口④,
第二外衣单元的端口②连接到第一外衣单元中的端口⑤,
第二外衣单元的端口③连接到输入电源负极;
第三外衣单元的端口①连接到第二外衣单元中的端口④,
第三外衣单元的端口②连接到第二外衣单元中的端口⑤,
第三外衣单元的端口③连接到输入电源负极;
......依次类推;
第n外衣单元的端口①连接到第n-1外衣单元中的端口④,
第n外衣单元的端口②连接到第n-1外衣单元中的端口⑤,
第n外衣单元的端口③连接到输入电源负极。
电容Cn2两端分别连接负载RL两端
所述功率开关管S1栅极连接PWM控制器。
实施例:
如图2所示,以包含一个外衣单元为例:
一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,包含一个传统的Zeta变换器、一个外衣单元和一个辅助电路。其中,传统的Zeta变换器包含两个电感L1、L2,一个功率开关管S1,一个二极管D1和两个电容C1、C2。第一个外衣单元包含一个电感L11、两个电容C11、C12和一个二极管D11。辅助电路部分包含一个零电流辅助电感Lr、一个辅助电感Ls、一个零电压辅助电容Cr、以及三个二极管D2、D3、D4。其电路连接关系为:
功率开关管S1漏极连接输入电源的正极,功率开关管S1源极分别连接电容C1一端、电感L1一端,辅助电路中的零电压电容Cr一端;零电压电容Cr另一端分别连接二极管D3阴极、辅助电感Ls一端;辅助电感Ls另一端连接二极管D2阳极;二极管D2阴极分别连接输入电源阳极、功率开关管S1漏极;电容C1另一端分别连接电感Lr一端、二极管D4阴极;电感Lr另一端分别连接二极管D1阴极、电感L2一端、外衣电路中的电容C11左端;电感L2另一端分别连接二极管D11阳极、电容C2一端;外衣电路中二极管D11阴极分别连接电容C11右端、电感L11一端;电感L11另一端连接电容C12一端和负载RL;电容C12另一端分别连接电容C2另一端、二极管D1阳极、二极管D4阳极、二极管D3阳极、电感L1另一端和输入电源负极;
根据功率开关管S1以及二极管导通情况的不同,可以将电路的工作过程分为7个工作模态,具体情况如下:
模态一:
该模式开始时,由于零电流电感Lr、电感L1上的电流大小与方向不能够突变,在ZCS条件下主开关S1导通。在这种模式下,二极管D1、D11导通,电感L1、L11放电,辅助电感Ls充电,电容C1、C11充电,电容C2、C12和Cr放电。二极管D2导通,辅助电感Ls和零电压电容Cr之间开始谐振。因此,Cr电压呈正弦曲线下降,Ls电流呈正弦曲线上升。在该工作过程中主电感L1、Lr线性减小,辅助电感Ls电流呈正弦增张,当二极管电流D1、D11减小到零时,该模态结束。
模态二:
在该模态下,二极管D1、D11截止,主电路中电感L1开始充电,电流线性增加。电容C1、C11开始放电并分别对电感L2、Lr、L11和电容C2、C12充电。辅助电感Ls和零电压电容Cr之间继续谐振,当辅助电路中零电压电容Cr两端的电压达到负的输入电压-Vin时,二极管D3开始在ZVS条件下导通,Cr电压被钳位在这个水平,该模态结束。
模态三:
在模态三状态下,由于在与零电压电容Cr谐振过程中,电感Ls上流过电流会有能量储存。当Cr上电压达到负的输入电压-Vin时,电感Ls会通过二极管D3续流将能量反馈到输入电源。主电路中元器件的工作状态和上一模态相同。当电感Ls电流降为零,二极管D2截止时,该模态结束。
模态四:
在该模态下,辅助电路停止动作。主电路中元器件的工作状态和上一模态相同,负载由L11供电。在功率开关管S1关断时,该模态结束。
模态五:
在模态五时,由于零电压Cr的存在,功率开关管S1在ZVS下被关断。在这种模式下,电感L1电流线性放电Cr,当Vcr达到零时,电感L1电流线性充电Cr。当Vcr达到-Vc1时,二极管D4开始在ZVS条件下导通,Cr电压被钳位在这个水平,该模态结束。
模态六:
当二极管D4导通时,模态六开始,二极管D4开始在ZVS条件下导通,电感L1、L11电流线性下降,为电容C1、C12和负载充电,C11放电,Lr电流降低到零时,该模态结束。
模态七:
当Lr电流降低到零时,模态七开始,在该模态下,二极管D1导通,辅助电路结束工作,电路回到正常模态电感L1、L11电流线性下降,电容C1、C11和负载充电,C2、C12放电。
仿真参数:
开关频率f为50k,输入电源Uin为48V,输出电压Uo为400V,功率开关管S1的占空比为0.735,额定功率Po为300W。
图12为功率开关管S1的驱动控制信号、输入电源Uin、输出电压Uo的仿真波形图。可以看到,上述电路实现了设计所需要的高增益要求。
图13(1)、图13(2)为功率开关管S1的驱动、开关管上的电流Is、功率开关管S1上的电压Us仿真波形图。从仿真波形中可以看出,辅助电路实现了功率开关管零电流导通和零电压关断的功能。
本发明实现了功率开关管的零电压关断和零电流导通,消除了功率开关管S1上的开关损耗,从而可以提高功率开关管S1的开关频率。
Claims (3)
1.一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,其特征在于,该变换器包括:主电路、辅助电路;
所述主电路包括Zeta变换器、至少一个外衣单元、一个辅助单元;
所述Zeta变换器包含电感L1、L2,功率开关管S1,二极管D1,电容C1、C2;
功率开关管S1漏极连接输入电源的正极,功率开关管S1源极分别电容C1一端、电感L1一端;电感L2另一端连接电容C2一端,电容C2另一端分别连接二极管D1阳极、电感L1另一端、输入电源负极;
所述外衣单元包含电容Cn1、电容Cn2、电感Ln1、二极管Dn1,n为自然数,且n≥1,外衣单元包含五端口:端口①、端口②、端口③、端口④、端口⑤;
电容Cn1一端为端口①,电容Cn1另一端分别连接电感Ln1一端、二极管Dn1阴极,二极管Dn1阳极为端口②,电感Ln1另一端连接电容Cn2一端,电容Cn2另一端为端口③;电感Ln1一端为端口④,电感Ln1另一端为端口⑤;
端口①连接到Zeta变换器中电感L2一端,端口②连接到Zeta变换器中电感L2另一端,端口③连接到输入电源负极;
所述辅助电路包括零电流电感Lr、辅助电感Ls、零电压电容Cr、二极管D2、D3、D4;
零电流电感Lr一端分别连接Zeta变换器中电容C1另一端、二极管D4阴极;
零电流电感Lr另一端连接第一外衣单元中的电容C11的一端、Zeta变换器中二极管D1阴极、电感L2一端;
二极管D2阴极分别连接输入电源阳极、功率开关管S1漏极;
二极管D2阳极连接辅助电感Ls一端;
辅助电感Ls另一端分别连接二极管D3阴极、零电压电容Cr一端;
二极管D3、D4阳极连接输入电源负极;
零电压电容Cr另一端分别连接功率开关管S1源极、电感C1一端、电感L1一端;
n个外衣单元中,
第二外衣单元的端口①连接到第一外衣单元中的端口④,
第二外衣单元的端口②连接到第一外衣单元中的端口⑤,
第二外衣单元的端口③连接到输入电源负极;
第三外衣单元的端口①连接到第二外衣单元中的端口④,
第三外衣单元的端口②连接到第二外衣单元中的端口⑤,
第三外衣单元的端口③连接到输入电源负极;
...... 依次类推;
第n外衣单元的端口①连接到第n-1外衣单元中的端口④,
第n外衣单元的端口②连接到第n-1外衣单元中的端口⑤,
第n外衣单元的端口③连接到输入电源负极;
所述电压关断零电流开通高增益Zeta变换器包含一个外衣单元时,电路的工作过程分为7个工作模态:
模态一:
该模态一开始时,由于零电流电感Lr、电感L1上的电流大小与方向不能够突变,在ZCS条件下主开关S1导通;在这种模式下,二极管D1、D11导通,电感L1、L11放电,辅助电感Ls充电,电容C1、C11充电,电容C2、C12和Cr放电;二极管D2导通,辅助电感Ls和零电压电容Cr之间开始谐振;因此,Cr电压呈正弦曲线下降,Ls电流呈正弦曲线上升;在该工作过程中主电感L1、Lr线性减小,辅助电感Ls电流呈正弦增张,当二极管D1、D11电流减小到零时,该模态一结束;
模态二:
在该模态二下,二极管D1、D11截止,主电路中电感L1开始充电,电流线性增加;电容C1、C11开始放电并分别对电感L2、Lr、L11和电容C2、C12充电;辅助电感Ls和零电压电容Cr之间继续谐振,当辅助电路中零电压电容Cr两端的电压达到负的输入电压-Vin时,二极管D3开始在ZVS条件下导通,Cr电压被钳位在这个水平,该模态二结束;
模态三:
在模态三状态下,由于在与零电压电容Cr谐振过程中,电感Ls上流过电流会有能量储存;当Cr上电压达到负的输入电压-Vin时,电感Ls会通过二极管D3续流将能量反馈到输入电源;主电路中元器件的工作状态和上一模态相同;当电感Ls电流降为零,二极管D2截止时,该模态三结束;
模态四:
在该模态四下,辅助电路停止动作;主电路中元器件的工作状态和上一模态相同,负载由L11供电;在功率开关管S1关断时,该模态四结束;
模态五:
在模态五时,由于零电压Cr的存在,功率开关管S1在ZVS下被关断;在这种模态下,电感L1电流线性放电Cr,当Vcr达到零时,电感L1电流线性充电Cr;当Vcr达到-Vc1时,二极管D4开始在ZVS条件下导通,Cr电压被钳位在这个水平,该模态五结束;
模态六:
当二极管D4导通时,模态六开始,二极管D4开始在ZVS条件下导通,电感 L1、L11 电流线性下降,为电容C1、C12和负载充电,C11放电,Lr电流降低到零时,该模态六结束;
模态七:
当Lr电流降低到零时,模态七开始,在该模态下,二极管D1导通,辅助电路结束工作,电路回到正常模态电感 L1、L11 电流线性下降,电容C1、C11和负载充电,C2、C12放电。
2.根据权利要求1所述一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,其特征在于:所述功率开关管S1栅极连接PWM控制器。
3.根据权利要求1所述一种零电压关断零电流开通高增益Zeta变换器,其特征在于:在功率开关管S1导通时,由于零电流电感Lr的作用,使得功率开关管S1在零电流条件下导通,消除了功率开关管S1的开通损耗;在功率开关管S1关断时,由于零电压电容Cr的作用,使得功率开关管S1在零电压条件下关断,消除了功率开关管S1的关断损耗。
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