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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