CN209676129U - 一种基于松耦合变压器的谐振高增益dc-dc装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于松耦合变压器的谐振高增益DC‑DC装置，由高频逆变电路、谐振器电路和整流与滤波电路构成；直流电源经高频逆变电路逆变成高频方波电源后接入谐振器电路，谐振器电路是由松耦合变压器和分别设置在松耦合变压器的原边和副边的谐振补偿电容构成的谐振网络；高频方波电源经松耦合变压器的原副边磁场耦合实现能量传输，设置谐振器电路工作在谐振状态，并且高频逆变电路的开关频率与谐振器电路的自谐振频率相同，以整流及滤波电路为接收侧，经松耦合变压器传输到接收侧的高频方波源，在经过整流及滤波电路后转变为直流电压源，实现谐振高增益DC‑DC转换；其电路拓扑简单，一级变换即可实现高增益DC‑DC变换，损耗低、功率密度大、工作效率高。
Description
技术领域
本实用新型属于电力电子技术领域，涉及隔离式高增益DC-DC电压变换器，更具体地说是一种基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置。
背景技术
随着全球环境的日益恶化和能源日趋紧张，清洁可再生的新能源的重要性愈加凸显，电力电子技术是新能源变换的核心技术，在电力电子技术中，DC-DC变换器占据着重要的位置。由于光伏电池、燃料电池等输出电压较低，单体电池的电压甚至只有3V左右，如何实现高增益升压变换是可再生能源利用过程中需要解决重要问题。
对于理想Boost变换器而言，当占空比接近于1的时候，增益接近于无穷大，而在实际电路中，过高的占空比会导致变换器效率变低并且会带来开关通断时较大的尖峰电压，而过高的dv/dt会导致EMI变大等一系列问题，此外在实际电路中由于寄生参数的影响，当升压比达到6-8的时候，电压就无法继续上升。对于这种现象国内外学者提出诸多解决方案。主流的解决方案可以分为两大类，升压DC-DC变换器分类如图5所示。
第一类是通过变换器的级联和拓扑的组合来提高升压比，诸如boost与boost级联(如图 6所示)、boost和flyback级联(如图7所示)、boost和桥式DC级联、倍压器交错升压变换器等方案；这种方法存在的问题主要有两点，第一点是组合之后的变换器效率等于前级变换器效率乘以后级变换器效率，这样多级式的结构会降低变换器总的效率；第二点是变换器级联时阻抗匹配的问题。一般在变换器级联时，前级变换器称之为源变换器，后级的变换器称之为负载变换器，源变换器和负载变换器分别独立工作时是稳定的，但是它们组成的级联***可能不稳定，这主要是由于负载变换器的负阻抗特性与源变比器的输出阻抗不匹配引起的，对于源变换器而言，负载变换器一般表现为恒功率特性，当输入电压上升时，输入电流将会减小，此时负载变换器的输入阻抗就相当于是一个负阻抗。变换器工作于级联模式会降低***的稳定性，增加***的控制环路的设计难度。
第二类是利用变压器隔离的DC变换器，诸如反激变换器(如图8所示)、正激变换器、桥式DC变换器等，可以直接通过改变变压器的匝比，来提高变换器的升压比，从而得到一个较高的电压增益。这种高变比变压器存在的主要问题是，低压侧呈现低压大电流特性而高压侧呈现高压低电流特性，这对开关器件的应力有较高的要求；此外过高的匝数比会导致***在满载情况下效率变低，而且变压器绕制时过多的匝数产生级间寄生参数对高频工作的变换器也会产生较大影响，过多的匝数还会对变压器的制作增加难度。
现有的高增益DC变换器普遍存在着效率较低，控制环路设计复杂，工作稳定性低，变压器设计难度大等问题。
实用新型内容
本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置，以优化现有技术中电路结构存在着的变换器效率较低，控制环路设计复杂，工作稳定性低，变压器设计难度大的问题。
本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：
本实用新型基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置的特点是：由高频逆变电路、谐振器电路和整流与滤波电路依次连接构成；直流电源经过高频逆变电路逆变成高频方波电源后接入谐振器电路，所述谐振器电路是由松耦合变压器和分别设置在松耦合变压器的原边和副边的谐振补偿电容构成的谐振网络；所述高频方波电源经松耦合变压器的原副边磁场耦合实现能量传输，设置所述谐振器电路工作在谐振状态，并且所述高频逆变电路的开关频率与谐振器电路的自谐振频率相同，以所述整流及滤波电路为二次侧，经松耦合变压器传输到接收侧的高频方波源，在经过所述整流及滤波电路后转变为直流电压源，实现谐振高增益DC-DC 转换。
本实用新型基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置的特点也在于：
所述高频逆变电路是将开关管Q1的源级和开关管Q3的漏级连接于逆变电路A输出端形成第一支路，开关管Q2的源极和开关管Q4的漏极连接于逆变电路B输出端形成第二支路，由所述第一支路和第二支路相互并联构成高频逆变电路，所述高频逆变电路的输入端连接在直流电源的两端，所述高频逆变电路的输出端与谐振器电路相连接；
所述谐振器电路是将松耦合变压器T1的原边同名端与谐振补偿电容C1的一端相连接，所述谐振补偿电容C1的另一端与高频逆变电路A输出端相连，松耦合变压器T1的原边异名端与所述高频逆变电路的B输出端相连；所述松耦合变压器T1的副边同名端与谐振补偿电容C2的一端相连接，所述谐振补偿电容C2的另一端与整流电路的a输入端相连接，所述所述松耦合变压器T1的副边异名端与所述整流电路的b输入端相连；
所述松耦合变压器T1的原边电感L1与谐振补偿电容C1的谐振频率与高频逆变电路的开关频率相同，使所述原边电感L1与谐振补偿电容C1发生串联谐振,产生的励磁电流最大，磁场的强度和密度也是最大；所述松耦合变压器T1的二次侧和一次侧为对称结构，即所述谐振补偿电容C1的值与谐振补偿电容C2的值相同，原边电感L1与副边电感L2的值相同，使所述松耦合变压器T1的二次侧也处于谐振状态；
所述高频整流及滤波电路是由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和滤波电容Co构成，其中，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极共同与滤波电容Co的一端相连接，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极与滤波电容Co的另一端相连接，并连接至输出端低压侧；二极管D1的阳极和二极管D3的阴极连接于a输入端，二极管D2的阳极与二极管D4的阴极连接于b输入端。
本实用新型基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置的特点也在于：采用一次侧控制或二次侧控制的控制方式，用于控制负载端的电压大小；所述一次侧控制是指通过一次侧移相的方法调节输出电压的大小，即控制一次侧高频逆变的移相角实现输出电压控制；所述二次侧控制是指通过在所述二极管D3和D4的两端一一对应并联开关管Q5和Q6，利用开关管Q5和Q6同时通断的时间控制输出电压。
本实用新型基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置的特点也在于：在松耦合变压器的原边和副边之间添加绝缘介质，解决变压器的绝缘问题。
与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：
1、本实用新型电路拓扑简单，只需要一级变换即可实现高增益，控制环路设计简单，避免了变换器级联时的阻抗匹配问题；
2、本实用新型中变换器工作在谐振状态，开关损耗低，有利于减小散热器的体积，同时也提升了功率密度，变换器的工作效率高；
3、本实用新型电路中由于谐振器电路输出端呈现电流源特性，输出电压并不取决于松耦合变压器的匝数比，这也解决了紧耦合变压器隔离式高增益DC变换器当匝数比很大时绕线的级间寄生参数所带来的问题与变压器制作难度增大的问题。
4、本实用新型电路中由于松耦合变压器原副边气息较大，可以在中间添加绝缘介质，可以解决变压器的绝缘问题。
附图说明
图1为本实用新型装置原理图；
图2为本实用新型装置中高频逆变电路理论输出电压电流波形；
图3为本实用新型装置中松耦合变压器结构示意图；
图4为本实用新型装置中接收端功率控制原理图；
图5为现有技术中常见升压DC-DC拓扑分类图；
图6为现有技术中boost级联式高增益DC电路原理图；
图7为现有技术中boost与flyback组合式高增益DC电路原理图；
图8为现有技术中反激变换器原理图。
具体实施方式
参见图1，本实施例中基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置是由高频逆变电路、谐振器电路和整流与滤波电路依次连接构成；直流电源经过高频逆变电路逆变成高频方波电源后接入谐振器电路，谐振器电路是由松耦合变压器和分别设置在松耦合变压器的原边和副边的谐振补偿电容构成的谐振网络；高频方波电源经松耦合变压器的原副边磁场耦合实现能量传输，设置谐振器电路工作在谐振状态，并且高频逆变电路的开关频率与谐振器电路的自谐振频率相同，以整流及滤波电路为二次侧，经松耦合变压器传输到接收侧的高频方波源，在经过整流及滤波电路后转变为直流电压源，实现谐振高增益DC-DC转换。
具体实施中，如图1所示：
高频逆变电路是将开关管Q1的源级和开关管Q3的漏级连接于逆变电路A输出端形成第一支路，开关管Q2的源极和开关管Q4的漏极连接于逆变电路B输出端形成第二支路，由第一支路和第二支路相互并联构成高频逆变电路，高频逆变电路的输入端连接在直流电源的两端，高频逆变电路的输出端与谐振器电路相连接。
谐振器电路是将松耦合变压器T1的原边同名端与谐振补偿电容C1的一端相连接，谐振补偿电容C1的另一端与高频逆变电路A输出端相连，松耦合变压器T1的原边异名端与高频逆变电路的B输出端相连；松耦合变压器T1的副边同名端与谐振补偿电容C2的一端相连接，谐振补偿电容C2的另一端与整流电路的a输入端相连接，松耦合变压器T1的副边异名端与整流电路的b输入端相连。
松耦合变压器T1的原边电感L1与谐振补偿电容C1的谐振频率与高频逆变电路的开关频率相同，使原边电感L1与谐振补偿电容C1发生串联谐振,产生的励磁电流最大，磁场的强度和密度也是最大；松耦合变压器T1的二次侧和一次侧为对称结构，即谐振补偿电容C1的值与谐振补偿电容C2的值相同，原边电感L1与副边电感L2的值相同，使松耦合变压器T1的二次侧也处于谐振状态；
高频整流及滤波电路是由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和滤波电容Co构成，其中，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极共同与滤波电容Co的一端相连接，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极与滤波电容Co的另一端相连接，并连接至输出端低压侧；二极管D1的阳极和二极管D3的阴极连接于a输入端，二极管D2的阳极与二极管D4的阴极连接于b输入端。
本实施例中高频逆变电路的理论输出电压电流波形如图2所示，高频逆变电路工作过程：直流电源经过全桥逆变电路时，开关管Q1和开关管Q4同时通断、开关管Q2和开关管Q3同时通断，开关管Q1、Q4与开关管Q2、Q3相差180度交替导通，将直流电源转换成正负半周对称的方波电源，由于变换器工作在谐振状态，高频逆变电路的输出电压与电流是同相的。
谐振器电路中松耦合变压器如图3示意，具体实施中，由于松耦合变压器的原副边气息较大，可以在原边1和副边2之间添加绝缘介质3，有效解决变压器的绝缘问题。
谐振器电路工作过程：松耦合变压器起到能量的耦合传输的作用，高频方波电源接入到松耦合变压器时，高频变换的电场会激发出变化的磁场，变化的磁场在会在松耦合变压器的副边感应出电动势，能量通过原副边之间磁场的耦合实现传输，如果谐振器电路工作在谐振状态下则产生的励磁电流最大，磁场强度和磁通密度也是最大，为了使变换器工作在谐振状态，设置谐振补偿网络，并设置变换器工作的开关频率与谐振器电路自谐振频率相同，当谐振器电路输入频率与自身谐振频率相同的方波电源时，电路将处于谐振状态,由于谐振网络的输出呈现电流源特性，所以当负载端的阻值足够大时可以实现很高的电压增益。当电路处于重载时，此时对于电压源而言是处于限流保护状态，变换器以限流保护的方式工作，而当负载功率小于额定功率时，能够达到很高的电压增益，通过控制传递到负载端的电流大小实现对输出功率的调节。
控制传递到负载端的电流大小主要有两种方式，分别是一次侧控制和二次侧控制，一次侧控制是通过移相的方法来调节输出电压的大小，对于本实用新型电路而言高频逆变输出的电压决定了谐振器电路的输出电流，进而控制输出电压稳定在额定值范围内，因此可以通过控制一次侧高频逆变的移相角实现输出电压控制；二次侧控制是通过在二极管D3和D4的两端一一对应并联开关管Q5和Q6，利用开关管Q5和Q6同时通断的时间控制输出电压，控制原理如图4所示。
本实用新型中变换器升压比并不由松耦合变压器的匝比决定，因此理论上可以实现很高增益的DC-DC变换。
Claims (4)
1.一种基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置，其特征是：由高频逆变电路、谐振器电路和整流与滤波电路依次连接构成；直流电源经过高频逆变电路逆变成高频方波电源后接入谐振器电路，所述谐振器电路是由松耦合变压器和分别设置在松耦合变压器的原边和副边的谐振补偿电容构成的谐振网络；所述高频方波电源经松耦合变压器的原副边磁场耦合实现能量传输，设置所述谐振器电路工作在谐振状态，并且所述高频逆变电路的开关频率与谐振器电路的自谐振频率相同，以所述整流及滤波电路为二次侧，经松耦合变压器传输到接收侧的高频方波源，在经过所述整流及滤波电路后转变为直流电压源，实现谐振高增益DC-DC转换。
2.根据权利要求1所述的基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置，其特征是：
所述高频逆变电路是将开关管Q1的源级和开关管Q3的漏级连接于逆变电路A输出端形成第一支路，开关管Q2的源极和开关管Q4的漏极连接于逆变电路B输出端形成第二支路，由所述第一支路和第二支路相互并联构成高频逆变电路，所述高频逆变电路的输入端连接在直流电源的两端，所述高频逆变电路的输出端与谐振器电路相连接；
所述谐振器电路是将松耦合变压器T1的原边同名端与谐振补偿电容C1的一端相连接，所述谐振补偿电容C1的另一端与高频逆变电路A输出端相连，松耦合变压器T1的原边异名端与所述高频逆变电路的B输出端相连；所述松耦合变压器T1的副边同名端与谐振补偿电容C2的一端相连接，所述谐振补偿电容C2的另一端与整流电路的a输入端相连接，所述松耦合变压器T1的副边异名端与所述整流电路的b输入端相连；
所述松耦合变压器T1的原边电感L1与谐振补偿电容C1的谐振频率与高频逆变电路的开关频率相同，使所述原边电感L1与谐振补偿电容C1发生串联谐振,产生的励磁电流最大，磁场的强度和密度也是最大；所述松耦合变压器T1的二次侧和一次侧为对称结构，即所述谐振补偿电容C1的值与谐振补偿电容C2的值相同，原边电感L1与副边电感L2的值相同，使所述松耦合变压器T1的二次侧也处于谐振状态；
所述整流与滤波电路是由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和滤波电容Co构成，其中，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极共同与滤波电容Co的一端相连接，二极管D3的阳极和二极管D4的阳极与滤波电容Co的另一端相连接，并连接至输出端低压侧；二极管D1的阳极和二极管D3的阴极连接于a输入端，二极管D2的阳极与二极管D4的阴极连接于b输入端。
3.根据权利要求2所述的基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置，其特征是：采用一次侧控制或二次侧控制的控制方式，用于控制负载端的电压大小；所述一次侧控制是指通过一次侧移相的方法调节输出电压的大小，即控制一次侧高频逆变的移相角实现输出电压控制；所述二次侧控制是指通过在所述二极管D3和D4的两端一一对应并联开关管Q5和Q6，利用开关管Q5和Q6同时通断的时间控制输出电压。
4.根据权利要求1或2所述的基于松耦合变压器的谐振高增益DC-DC装置，其特征是：在松耦合变压器的原边(1)和副边(2)之间添加绝缘介质(3)，解决变压器的绝缘问题。
Priority Applications (1)
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| CN201920679979.8U Active CN209676129U (zh) | 2019-05-10 | 2019-05-10 | 一种基于松耦合变压器的谐振高增益dc-dc装置 |
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|---|---|
| CN (1) | CN209676129U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109962625A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-07-02 | 安徽水利水电职业技术学院 | 一种基于松耦合变压器的谐振高增益dc-dc装置 |
| CN113113910A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-13 | 大连理工大学 | 一种利用高频耦合谐振和分布参数的电能传输*** |
| CN114244147A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-03-25 | 四川大学 | 一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置及方法 |
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2019
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