CN210327383U - 基于耦合电感的软开关直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于耦合电感的软开关直流变换器,包括主电路和谐振缓冲子电路;电感L1的一端用于接电源DCin正极,另一端接电容Cr一端、电感L2a和L2b的异名端、二极管D1的阴极、电容Cr1一端和二极管Dm阳极;电感L2b的同名端接二极管D2阳极,二极管D2阴极接电容Cr另一端和二极管D3阳极;二极管D3阴极接二极管Dm阴极、电容C1一端和负载R一端;电感L2a的同名端接开关S1的一端和二极管D1阳极、二极管Ds的阴极;开关S1的另一端接二极管Ds的阳极、电容Cr1另一端、电容C1另一端和负载R另一端,以及用于接电源DCin负极;开关S1的控制端接控制信号。本实用新型显著减少开关的通断损耗和电流电压冲击。
Description
技术领域
本实用新型涉及适用于开关电源的直流变换器电路,尤其是一种基于耦合电感的软开关直流变换器。
背景技术
目前,由PWM(脉宽调制)方式调控的Boost变换器广泛的应用于航空航天,汽车船舶等各个工业领域。随着这类变换器轻量化而不断提升其开关频率,效率逐渐下降。在开关变换瞬间,电磁噪音也越明显。软开关技术可以很好的解决上述两大问题。近些年所提出的软开关结构一定程度的解决了上述矛盾,效果并不理想。一部分变换器引入辅助开关实现软开通或软关断,但存在诸如不能完全实现软开关,电压电流应力大,拓扑结构和控制逻辑复杂等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本实用新型提供一种基于耦合电感的软开关直流变换器,主电路可以完成ZCS(Zero Current Switching)开通和ZVS(Zero VoltageSwitching)关断,显著减少开关的通断损耗和电流电压冲击。本实用新型采用的技术方案是:
一种基于耦合电感的软开关直流变换器,包括主电路和谐振缓冲子电路;
主电路包括电感L1、开关S1、二极管Ds、Dm、电容C1;
谐振缓冲子电路包括相耦合的电感L2a、L2b,以及电容Cr、Cr1、二极管D1、D2、D3;
电感L1的一端用于接电源DCin正极,另一端接电容Cr一端、电感L2a和L2b的异名端、二极管D1的阴极、电容Cr1一端和二极管Dm阳极;电感L2b的同名端接二极管D2阳极,二极管D2阴极接电容Cr另一端和二极管D3阳极;二极管D3阴极接二极管Dm阴极、电容C1一端和负载R一端;
电感L2a的同名端接开关S1的一端和二极管D1阳极、二极管Ds的阴极;
开关S1的另一端接二极管Ds的阳极、电容Cr1另一端、电容C1另一端和负载R另一端,以及用于接电源DCin负极;开关S1的控制端接控制信号。
进一步地,开关S1采用NMOS管,NMOS管的栅极作为S1的控制端,漏极作为S1的一端,源极作为S1的另一端。
本实用新型的优点:
①结构简单,易实现轻量化。
②不需要有源辅助器件,负载适应能力强,可靠性高。
③该变换器的半导体器件都实现了软开关动作,可有效减少电路损耗。
④同时该变换器可以将多余的谐振能量补偿负载,从而提高效率。
附图说明
图1为本实用新型的电路拓扑图。
图2为本实用新型的每一模态的等效电路图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示,本实用新型提出的一种基于耦合电感的软开关直流变换器,是一种软开关boost变换器,包括主电路和谐振缓冲子电路;
主电路包括电感L1、开关S1、二极管Ds、Dm、电容C1;
谐振缓冲子电路包括相耦合的电感L2a、L2b,以及电容Cr、Cr1、二极管D1、D2、D3;用以实现boost变换器工作在软开关状态下;
电感L1的一端用于接电源DCin正极,另一端接电容Cr一端、电感L2a和L2b的异名端、二极管D1的阴极、电容Cr1一端和二极管Dm阳极;电感L2b的同名端接二极管D2阳极,二极管D2阴极接电容Cr另一端和二极管D3阳极;二极管D3阴极接二极管Dm阴极、电容C1一端和负载R一端;
电感L2a的同名端接开关S1的一端和二极管D1阳极、二极管Ds的阴极;
开关S1的另一端接二极管Ds的阳极、电容Cr1另一端、电容C1另一端和负载R另一端,以及用于接电源DCin负极;开关S1的控制端接控制信号。
开关S1可采用NMOS管,NMOS管的栅极作为S1的控制端,漏极作为S1的一端,源极作为S1的另一端。
选择适当的电参数和相适应的工作频率,该boost变换器就能以图2所示的7个模态为周期,实现软开关过程。
该boost变换器的拓扑结构在工作时,图2所示,在开关S1的一个通断周期内,存在7个工作模态。
下面以图2所示,说明各个模态的工作状态,图2中浅色的器件处于导通状态;
模态1(t0 ≤ t < t1 ):A
在模态1到来之前,开关S1处于关断状态,二极管Dm导通向负载供能。t0时刻进入模态1,此刻开关S1被给予开通信号而导通,耦合电感L2b向Cr充电, L2a对Cr1放电。由于L2a的谐振作用,与L2a串联的S1中的电流无法越变,从而实现零电流开启(ZCS)。
模态2 (t1 ≤ t < t2 ):B
在模态2中,Cr和Cr1分别被充放电完毕,由于此时二极管Dm已经关断,L2a的漏感电流将快速衰减。
模态3 (t2 ≤ t < t3 ):C
该模态是Boost电路开关开启状态的常规模态,即谐振缓冲子电路不参与工作。在这一模态中,电源通过开关S1,和主电感L1构成回路,负载R由稳压电容C1单独保持电压并供电。
模态4 (t3 ≤ t < t4 ):D
当开关S1关闭时,L2a中的漏感电流将通过D1释放,该释放回路使得Cr1等效并联于S1两端。另一方面,电源和L1对电容Cr1充电。Cr1的存在,确保该电容两端电压无法越变,因此S1关断时电压被Cr1钳位,实现近似ZVS。当在本模态末,Cr1被充电至输出电压,Dm则实现软导通(ZVS)。
模态5(t4 ≤ t < t5 ):E
在上一模态中由于S1关断,L2a中产生的磁能无法在该支路以电流方式释放,而通过耦合作用传递到L2b中,并在L2b中通过电流方式释放,能量一部分直接流入负载,L2a中的漏感电流(并未参与电感耦合而形成的电流)通过D1快速衰减。
模态6(t5 ≤ t < t6 ):F
L2b中的剩余的小部分能量将会继续流向负载,直至衰减为零。
模态7(t6 ≤ t < t7 ):G
该模态是传统boost电路的另一常规模态,同样谐振缓冲子电路并未参与工作。此时,开关管S1处于关闭状态,电源和电感L1通过Dm共同为负载与稳压电容供电,由于电感L1的感应电压,负载与稳压电容获得高于电源的电压而完成升压(boost)。当下一个开通信号到来时,下一个便周期开始。
上述电路拓扑结构和可行性已经由仿真软件PSpice和matlab验证,仿真结果与理论分析吻合。
最后所应说明的是,以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制,尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种基于耦合电感的软开关直流变换器,其特征在于,包括主电路和谐振缓冲子电路;
主电路包括电感L1、开关S1、二极管Ds、Dm、电容C1;
谐振缓冲子电路包括相耦合的电感L2a、L2b,以及电容Cr、Cr1、二极管D1、D2、D3;
电感L1的一端用于接电源DCin正极,另一端接电容Cr一端、电感L2a和L2b的异名端、二极管D1的阴极、电容Cr1一端和二极管Dm阳极;电感L2b的同名端接二极管D2阳极,二极管D2阴极接电容Cr另一端和二极管D3阳极;二极管D3阴极接二极管Dm阴极、电容C1一端和负载R一端;
电感L2a的同名端接开关S1的一端和二极管D1阳极、二极管Ds的阴极;
开关S1的另一端接二极管Ds的阳极、电容Cr1另一端、电容C1另一端和负载R另一端,以及用于接电源DCin负极;开关S1的控制端接控制信号。
2.如权利要求1所述的基于耦合电感的软开关直流变换器,其特征在于,
开关S1采用NMOS管,NMOS管的栅极作为S1的控制端,漏极作为S1的一端,源极作为S1的另一端。
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CN201921722134.9U CN210327383U (zh) | 2019-10-15 | 2019-10-15 | 基于耦合电感的软开关直流变换器 |
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Cited By (1)
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CN110572030A (zh) * | 2019-10-15 | 2019-12-13 | 无锡威孚高科技集团股份有限公司 | 基于耦合电感的软开关直流变换器 |
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2019
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CN110572030A (zh) * | 2019-10-15 | 2019-12-13 | 无锡威孚高科技集团股份有限公司 | 基于耦合电感的软开关直流变换器 |
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