CN203911753U - 零电压关断交错并联式dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

零电压关断交错并联式DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、输出二极管D₀、滤波电容C₀，所述第一电感L₁一端、第二电感L₂一端均连接电源U_in的正极，第一电感L₁另一端连接第一功率开关管S₁的漏极，第二电感L₂另一端连接第二功率开关管S₂的漏极，第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的源极连接电源U_in的负极。本实用新型一种零电压关断交错并联式DC/DC变换器。开关管均实现零电压关断，可以有效降低开关管的开关损耗，工作效率高。

Description

零电压关断交错并联式DC/DC变换器

技术领域

本实用新型一种DC/DC变换器，特别是一种零电压关断交错并联式DC/DC变换器。

背景技术

现有技术中，基本的升压型（Boost）交错并联变换器包括：两个电感、两个功率开关管管、两个输出二极管。其中，第一个电感的输入端与第二个电感的输入端一起连接输入电源的正极、输出端接第一个输出二极管的阳极，第一个二极管的阴极与第二个二极管的阴极一起接变换器输出端的正极；在第一电感和第一个二极管的阳极之间接第一功率开关管的漏极，第一功率开关管源极接变换器的负极；第二个电感的输出端接第二个输出二极管的阳极，在第二电感和第二个二极管的阳极之间接第二功率开关管的漏极，第二功率开关管源极接变换器的负极。这种基本升压型交错并联变换器输出电压增益较小，且功率开关管管和二极管的电压应力均为输出电压，所以损耗也较大。此外开关管和二极管均工作在硬开关模式下，开关损耗和二极管的反向恢复损耗较大。近年来，相继出现了一些同时具有高增益升压和软开关能力的电路拓扑，主要有借助于耦合电感和有源箝位的方式，这种方式一方面增加了原变换器增益，另一方面也实现了软开关工作，但由于需要考虑到多相均流的问题，电路控制方案较复杂，器件较多也造成成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，为解决现有变换器在高升压场合中应用时，能量转换效率降低、开关器件过多、开关管和二极管电压应力大等问题。本实用新型提供一种零电压关断交错并联式DC/DC变换器。开关管均实现零电压关断，可以有效降低开关管的开关损耗，工作效率高。

本实用新型采取的技术方案为：零电压关断交错并联式DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、输出二极管D₀、滤波电容C₀， 

所述第一电感L₁一端、第二电感L₂一端均连接电源U_in的正极，第一电感L₁另一端连接第一功率开关管S₁的漏极，第二电感L₂另一端连接第二功率开关管S₂的漏极，第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的源极连接电源U_in的负极。所述第一电感L₁另一端、第二电感L₂另一端分别连接多个倍压单元串联构成的增益电路，所述增益电路连接辅助单元，辅助单元连接输出二极管D₀的阳极、滤波电容C₀一端，输出二极管D₀的阴极连接滤波电容C₀一端，滤波电容C₀另一端连接电源U_in的负极。

所述增益电路包括第n个倍压单元、第n-1个倍压单元、第n-2个倍压单元、……第1个倍压单元，第一电感L1另一端连接第n个倍压单元的第一接口，第二电感L2另一端连接第n个倍压单元的第二接口，第n个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第n-1个倍压单元的第一个接口和第二个接口，第n-1个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第n-2个倍压单元的第一个接口和第二个接口，依次类推直到第2个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第1个倍压单元的第一个接口和第二个接口。

所述辅助单元包括辅助电容C_a1、第一二极管D_a1、第二二极管D_a2，辅助电容C_a1一端连接增益电路，辅助电容C_a1另一端连接第一二极管D_a1的阴极、第二二极管D_a2的阳极，第一二极管D_a1的阳极连接增益电路、输出二极管D₀的阳极，第二二极管D_a2的阴极连接输出二极管D₀的阴极、滤波电容C₀一端。通过辅助单元可以实现所有开关管的零电压关断。

所述第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的栅极分别连接各自控制器，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的驱动相位之间相差180°。

每一个倍压单元包括二极管D、电容C，电容C一端连接二极管阴极，每一个倍压单元包括四个接口。

本实用新型一种零电压关断交错并联式DC/DC变换器，有益效果如下：

1）、可以利用倍压单元实现变换器的高增益输出，可以利用倍压单元数量对输入输出增益比进行调节；一个倍压单元可以提高1倍的基础增益，也就是说含有n个倍压单元的电路，其增益比就是基本升压变换器的(n+1)倍。

2）、与现有方案相比，本本实用新型电路简单，不存在耦合电感、EMI小，不存在变压器，开关器件的电压应力较低。

3）、所有开关管均实现了零电压关断，可以有效降低开关管的开关损耗，对于采用IGBT的应用场合尤其有效，变换器工作效率较高。

附图说明

图1为包括一个倍压单元的零电压关断交错并联式DC/DC变换器电路图。

图2为包括n个倍压单元的零电压关断交错并联式DC/DC变换器电路图。

图3为倍压单元电路图。

具体实施方式

如图1~图3所示，零电压关断交错并联式DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、输出二极管D₀、滤波电容C₀，所述第一电感L₁一端、第二电感L₂一端均连接电源U_in的正极，第一电感L₁另一端连接第一功率开关管S₁的漏极，第二电感L₂另一端连接第二功率开关管S₂的漏极，第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的源极连接电源U_in的负极。所述第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的栅极分别连接各自控制器，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的驱动相位之间相差180°。

所述第一电感L₁另一端、第二电感L₂另一端分别连接多个倍压单元串联构成的增益电路，所述增益电路连接辅助单元，辅助单元连接输出二极管D₀的阳极、滤波电容C₀一端，输出二极管D₀的阴极连接滤波电容C₀一端，滤波电容C₀另一端连接电源U_in的负极。所述增益电路包括第n个倍压单元、第n-1个倍压单元、第n-2个倍压单元、……第1个倍压单元，第一电感L1另一端连接第n个倍压单元的第一接口，第二电感L2另一端连接第n个倍压单元的第二接口，第n个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第n-1个倍压单元的第一个接口和第二个接口，第n-1个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第n-2个倍压单元的第一个接口和第二个接口，依次类推直到第2个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第1个倍压单元的第一个接口和第二个接口。n为自然数，取值范围为                                                。所述辅助单元包括辅助电容C_a1、第一二极管D_a1、第二二极管D_a2，辅助电容C_a1一端连接增益电路，辅助电容C_a1另一端连接第一二极管D_a1的阴极、第二二极管D_a2的阳极，第一二极管D_a1的阳极连接增益电路、输出二极管D₀的阳极，第二二极管D_a2的阴极连接输出二极管D₀的阴极、滤波电容C₀一端。

所述每一个倍压单元包括二极管D、电容C，电容C一端连接二极管阴极，每一个倍压单元包括四个接口，如图3所示，接口①、接口②、接口③、接口④。

根据变换器开关切换状态的不同，可以分为四种工作过程，分别是：第一功率开关管S₁开通到关断的过程，第一功率开关管S₁关断到开通的过程；第二功率开关管S₂开通到关断的过程，第二功率开关管S₂关断到开通的过程。具体如下：

1）、第一功率开关管S₁开通到关断的过程：在第一功率开关管S₁关断之前，第一功率开关管S₁与第二功率开关管S₂均处于导通状态，输出二极管D₀、二极管D₁、第一二极管D_a1、第二二极管D_a2均处于关断状态，辅助电容C_a1端电压为u _o/2，倍压单元上电容C₁端电压为u _o/2。当第一功率开关管S₁关断时，第一电感L₁通过倍压单元上电容C₁、第一二极管D_a1以及第二功率开关管S₂向辅助电容C_a1充电，第一功率开关管S₁端电压上升速度在辅助电容C_a1的作用下被限制，其上升速度与辅助电容C_a1端电压上升速度一致，因此第一功率开关管S₁实现了零电压关断，该过程持续到辅助电容C_a1端电压上升至输出电压u _o结束。之后辅助第一二极管D_a1关断，输出二极管D₀导通，第一电感L₁通过倍压单元上电容C₁、输出二极管D₀向滤波电容C₀及负载供电。

2）、第一功率开关管S₁关断到开通的过程：在第一功率开关管S₁导通之前，第二功率开关管S₂处于导通状态，输出二极管D₀处于导通状态，二极管D₁、第一二极管D_a1、第二二极管D_a2均处于关断状态，辅助电容C_a1端电压为u _o，倍压单元上电容C₁端电压为u _o/2。当第一功率开关管S₁导通时，输出二极管D₀关断，倍压单元上电容C₁停止放电，输入电源通过第一功率开关管S₁向第一电感L₁充电。  

3）、第二功率开关管S₂开通到关断的过程：在第二功率开关管S₂关断之前，第一功率开关管S₁与第二功率开关管S₂均处于导通状态，输出二极管D₀、二极管D₁、第一二极管D_a1、第二二极管D_a2均处于关断状态，辅助电容C_a1端电压为u _o，倍压单元上电容C₁端电压为u _o/2。当第二功率开关管S₂关断时，电感L₂及辅助电容C_a1通过二极管D_a2向输出滤波电容C₀及负载供电，第二功率开关管S₂端电压上升速度在辅助电容C_a1的作用下被限制，其上升速度与电容C_a1端电压下降速度一致，因此第二功率开关管S₂同样实现了零电压关断，该过程持续到辅助电容C_a1端电压下降至u _o/2结束。之后辅助二极管D_a2关断，二极管D₁导通，第二电感L₂通过第一功率开关管S₁向倍压单元上的电容C₁充电。

4）、第二功率开关管S₂关断到开通的过程：在第二功率开关管S₂导通之前，第一功率开关管S₁处于导通状态，二极管D₁处于导通状态，二极管D₀、D_a1、D_a2均处于关断状态，辅助电容C_a1端电压为u _o/2，倍压单元上电容C₁端电压为u _o/2。当第二功率开关管S₂导通时，二极管D₁关断，倍压单元上电容C₁停止充电，输入电源通过第二功率开关管S₂向第二电感L₂充电。

第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂根据***中所需直流母线电压的不同，而选择不同电压应力的开关器件。值得注意的是，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的电压应力均只有高压直流母线的二分之一。第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的开启与关闭受到控制器的控制，上述的2倍高增益升压电路，由控制器控制第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的占空比每相之间相位相差180°。其各相占空比大小根据输入输出关系决定。

本实用新型一种零电压关断交错并联式DC/DC变换器，相比于基本的交错并联Boost升压变换器具有2倍的增益比，且所有开关管均实现了零电压关断。该变换器输入端连接电压供电模块，如：光伏电池、燃料电池等，输出电压为可控的高压直流电。综上所述，该电路拓扑结构简单，升压能力强，开关损耗低，适合应用于一些输入输出电压差较大的场合。

Claims (6)

1.零电压关断交错并联式DC/DC变换器，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、输出二极管D₀、滤波电容C₀，其特征在于，

所述第一电感L₁一端、第二电感L₂一端均连接电源U_in的正极，第一电感L₁另一端连接第一功率开关管S₁的漏极，第二电感L₂另一端连接第二功率开关管S₂的漏极，第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的源极连接电源U_in的负极；

所述第一电感L₁另一端、第二电感L₂另一端分别连接多个倍压单元串联构成的增益电路，所述增益电路连接辅助单元，辅助单元连接输出二极管D₀的阳极、滤波电容C₀一端，输出二极管D₀的阴极连接滤波电容C₀一端，滤波电容C₀另一端连接电源U_in的负极。

2.根据权利要求1所述零电压关断交错并联式DC/DC变换器，其特征在于，所述增益电路包括第n个倍压单元、第n-1个倍压单元、第n-2个倍压单元、……第1个倍压单元，第一电感L1另一端连接第n个倍压单元的第一接口，第二电感L2另一端连接第n个倍压单元的第二接口，第n个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第n-1个倍压单元的第一个接口和第二个接口，第n-1个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第n-2个倍压单元的第一个接口和第二个接口，依次类推直到第2个倍压单元的第三个接口和第四个接口分布接第1个倍压单元的第一个接口和第二个接口。

3.根据权利要求1所述零电压关断交错并联式DC/DC变换器，其特征在于，所述辅助单元包括辅助电容C_a1、第一二极管D_a1、第二二极管D_a2，辅助电容C_a1一端连接增益电路，辅助电容C_a1另一端连接第一二极管D_a1的阴极、第二二极管D_a2的阳极，第一二极管D_a1的阳极连接增益电路、输出二极管D₀的阳极，第二二极管D_a2的阴极连接输出二极管D₀的阴极、滤波电容C₀一端。

4.根据权利要求1所述零电压关断交错并联式DC/DC变换器，其特征在于，所述第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的栅极分别连接各自控制器，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的驱动相位之间相差180°。

5.根据权利要求2所述零电压关断交错并联式DC/DC变换器，其特征在于，每一个倍压单元包括二极管D、电容C，电容C一端连接二极管阴极，每一个倍压单元包括四个接口。

6.根据权利要求1所述零电压关断交错并联式DC/DC变换器，其特征在于，所述电源U_in为光伏电池或者燃料电池。