CN215772920U - 一种高增益反激式变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高增益反激式变换器，属于电力电子技术领域，提出以下方案：一种高增益反激式变换器，包括电压输入源、开关电路、反激变压器和升压输出电路；电压输入源，用于为反激变压器和升压输出电路提供输入电压；开关电路，用于控制反激变压器原边绕组的励磁和去磁；反激变压器，用于对电压输入源的输入电压进行隔离和变压；升压输出电路，用于将反激变压器输出的电压进行升压处理后输出。本实用新型技术方案降低反激式变换器的控制复杂程度，同时提升反激变换器的电压增益。

Description

一种高增益反激式变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种高增益反激式变换器。

背景技术

当前传统的反激变换器存在最大占空比的限制，考虑到反射电压造成原边开关管电压应力的问题，以及磁复位和环路调节的机制，通常将占空比设置在0.5以内。一方面可以降低原边开关管的电压应力，另一方面可避免次谐波震荡和使用斜坡补偿的控制策略。在反激变换器的传递函数表达式中，电压增益由占空比和变压器匝数比决定。

相关技术中，一种新型级联Buck-Boost高增益变换器提出了交错并联的高增益升压变换器拓扑，但该拓扑中采用四个有源开关，控制方法复杂，且输入输出端没有电气隔离。并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器提出了一种谐振式高增益变换器拓扑，原副边通过磁性元件隔离，但依然采用了四个有源开关。也即相关技术中为提高反激式变换器的电压增益，采用的器件繁多，控制策略较为复杂。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种高增益反激式变换器，旨在降低反激式变换器的控制复杂程度，同时提升反激变换器的电压增益。

本实用新型提供的基础方案：

一种高增益反激式变换器，包括电压输入源、开关电路、反激变压器和升压输出电路；

所述电压输入源，用于为所述反激变压器和所述升压输出电路提供输入电压；

所述开关电路，用于控制所述反激变压器原边绕组的励磁和去磁；

所述反激变压器，用于对所述电压输入源的输入电压进行隔离和变压；

所述升压输出电路，用于将所述反激变压器输出的电压进行升压处理后输出。

本实用新型基础方案的原理为：

本方案中，高增益反激式变换器包括电压输入源、开关电路、反激变压器和升压输出电路，电压输入源的输出端分别连接开关电路的输入端和反激变压器的原边绕组，开关电路的输出端连接至反激变压器的原边绕组，反激变压器的副边绕组连接至升压输出电路。本方案高增益反激式变换器从功率变换的电路拓扑上进行改进，在一定的占空比和反激变压器原副边匝数比的条件下，实现了相较于传统反激变换器更高的电压增益。同时本方案只用到一个开关电路，相较于其他升压变换器的拓扑，有源开关器件数量较少，简化控制，降低反激式变换器的控制复杂程度。

进一步，所述升压输出电路包括恒压源、充电支路和放电支路；

所述恒压源的输入端连接至所述反激变压器第二副边绕组的异名端，所述充电支路的输入端连接至所述反激变压器第一副边绕组的同名端，所述恒压源的输出端和所述充电支路的输出端连接，且连接至所述放电支路的输入端，所述放电支路的输出端为所述放电支路的输出端。

通过升压输出电路中恒压源、充电支路和放电支路的设置，自动实现反激变压器磁通的复位，无需额外的附加电路，以此形成高增益的单路输出，提升反激变换器的电压增益。

进一步，所述恒压源具有升压电容，所述升压电容的第一端为所述恒压源的输入端，所述升压电容的第二端为所述恒压源的输出端。

由于恒压源为升压电容，以对反激变压器的输出电压进行储能，以此结合开关电路实现充电和放电。

进一步，所述充电支路具有第一二极管，所述第一二极管的阳极为所述充电支路的输入端，所述第一二极管的阴极为所述充电支路的输出端。

由于充电支路具有第一二极管，以结合恒压源组成充电支路，实现恒压源的充电。

进一步，所述放电支路具有第二二极管，所述第二二极管的阳极为所述放电支路的输入端，所述第二二极管的阴极为所述放电支路的输出端。

由于放电支路具有第二二极管，以结合恒压源组成放电支路，实现恒压源的放电。

进一步，所述高增益反激式变换器还包括输出电容和负载电阻，所述输出电容的第一端与所述第二二极管的阴极连接，所述输出电容的第二端、所述反激变压器第二副边绕组的同名端和所述反激变压器第一副边绕组的异名端公共连接，所述负载电阻连接至所述输出电容的两端。

通过高增益反激式变换器中设置的输出电容和负载电阻，实现高增益反激式变换器的增益输出。

进一步，所述开关电路具有MOS开关管，所述MOS开关管的源极与所述电压输入源的负极连接，所述电压输入源的正极与所述反激变压器原边绕组的同名端连接，所述MOS开关管的漏极与所述反激变压器原边绕组的异名端连接。

所述MOS开关管的源极为所述开关电路的输入端，所述MOS开关管的漏极为所述开关电路的输出端，所述MOS开关管的栅极为所述开关电路的受控端。

由于开关电路采用MOS开关管，导通压降下，栅极易于驱动，损耗小，驱动电路简单。

附图说明

图1为本实用新型高增益反激式变换器一实施例的模块示意图；

图2为本实用新型高增益反激式变换器中一实施例的电路结构示意图；

图3为本实用新型高增益反激式变换器中第一二极管的电流波形示意图；

图4为本实用新型高增益反激式变换器中升压电容的电流波形示意图；

图5为本实用新型高增益反激式变换器中输出电容的电流波形示意图；

图6为本实用新型高增益反激式变换器中升压电容端电压的波形示意图；

图7为本实用新型高增益反激式变换器中输出电压的波形示意图；

图8为传统反激式变换器中输出电压的波形示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：电压输入源10、开关电路20、反激变压器30、升压输出电路40、第一二极管VD1、第二二极管VD2、负载电阻R、升压电容C1和输出电容C2。

在一实施例中，参照如图1所示，一种高增益反激式变换器，包括电压输入源10、开关电路20、反激变压器30和升压输出电路40；

所述电压输入源10，用于为所述反激变压器30和所述升压输出电路40提供输入电压；

所述开关电路20，用于控制所述反激变压器30原边绕组的励磁和去磁；

所述反激变压器30，用于对所述电压输入源10的输入电压进行隔离和变压；

所述升压输出电路40，用于将所述反激变压器30输出的电压进行升压处理后输出。

本实施例中，所述升压输出电路40包括恒压源、充电支路和放电支路；

所述恒压源的输入端连接至所述反激变压器30第二副边绕组的异名端，所述充电支路的输入端连接至所述反激变压器30第一副边绕组的同名端，所述恒压源的输出端和所述充电支路的输出端连接，且连接至所述放电支路的输入端，所述放电支路的输出端为所述放电支路的输出端。

进一步地，参照如图2所示，电压输入源10的正极连接反激变压器30原边绕组的同名端，电压输入源10的负极连接MOS开关管的源极，MOS开关管的漏极连接反激变压器30原边绕组的异名端；反激变压器30第一副边绕组的同名端连接第一二极管VD1的阳极，反激变压器30第一副边绕组的异名端、反激变压器30第二副边绕组的同名端、输出电容C2的第二端和负载电阻R的第二端公共连接，反激变压器30第二副边绕组的异名端与升压电容 C1的第一端连接，第一二极管VD1的阴极、升压电容C1的第二端和第二二极管VD2的阳极公共连接，第二二极管VD2的阴极、输出电容C2的第一端和负载电阻R的第一端公共连接。

上述实施例中，从功率变换的电路拓扑上设计创新，在一定的占空比和反激变压器30 原副边匝数比的条件下，实现了相较于传统反激变换器更高的电压增益；本方案只用到了单个MOS开关管，相较于其他升压变换器的拓扑，有源开关器件数量较少，简化控制。通过反激变压器30副边多绕组、电容和二极管构成升压输出电路40，并自动实现反激变压器30 磁通的复位，无需额外的附加电路。升压输出电路40中，主要由升压电容C1充当恒压源，第一二极管VD1和第二二极管VD2分别充当升压电容C1的充电支路和放电支路，形成高增益的单路输出。

在一实施例中，参照如图3所示，是第一二极管的电流波形和MOS开关管驱动波形对照图，由于二极管单向导通特性，第一二极管在第一模态中处于导通状态，通过正向电流，在第二模态中处于反向截止。参照如图4所示，是升压电容C1的电流波形和MOS开关管驱动波形的对照图，升压电容C1在一个开关周期内，存在充电和放电两种状态，且在MOS开关管导通期间为充电状态，在MOS开关管关断期间为放电状态。参照如图5所示，是输出电容C2的电流波形和MOS开关管驱动波形的对照图，输出电容C2在MOS开关管导通阶段为放电状态，在MOS开关管关断阶段为充电状态。参照如图6所示，是升压电容C1的电压波形与 MOS开关管驱动波形对照，MOS开关管导通期间为充电状态，电荷积累，端电压上升，在MOS 开关管关断期间为放电状态，电荷转移，端电压下降。参照如图7所示，是本方案的高增益反激变换器输出电压Vout稳态波形，参照如图8所示，是对比相同参数下传统反激变换器输出电压波形。在一定的占空比和匝比条件下，实现了相较于传统反激变换器更高的输出电压。

进一步地，一个周期内，将MOS开关管导通的时间区间称为第一模态，将MOS开关管导通的时间区间称为第二模态，忽略二极管正向压降。如图2所示的电路说明如下：

传统的反激变换器和正激变换器稳态工作时，都只具有两个开关模态；传统反激变换器利用耦合电感作隔离变压和储能的功能，而传统正激变换器的变压器原副边能量实时传递，作电气隔离，非储能。传统的单端正激变换器和反激变换器都在结构上较为近似，差异点主要在于变压器原副边的同名端设置。而传统单端正激变换器必须设置磁复位回路，在开关管关断的时间区间内，通过磁复位回路消除励磁,避免变压器磁芯饱和。而对于反激变换器，在开关管关断期间，磁芯中能量通过副边传递到负载，无需复位回路即可自行实现磁通复位。对于正激变换器，常见的磁复位技术有：辅助绕组磁复位电路、RCD磁复位电路、LCD缓冲磁复位电路、有源钳位磁复位电路。因此结构上，传统反激变换器相较于传统正激变换器较为简单。

本实施例中，在反激变换器拓扑副边绕组中嵌入升压电容C1，使其充当恒压源。通过反激变换器第一副边绕组N2、第一二极管VD1为其构建单向充电支路，第二二极管VD2支路为其放电支路。设置反激变换器第一副边绕组N2的同名端及第一二极管VD1极性连接，使其为正激绕组。设置反激变换器第二副边绕组N3的同名端及第二二极管VD2极性连接，使其为反激绕组。需要说明的是，第一二极管VD1和第二二极管VD2均为钳位二极管。

在反激变换器原边绕组N1的MOS开关管导通时间区间内，反激变换器第一副边绕组N2 电压极性上正下负，反激变换器第二副边绕组N3电压极性下正上负，此阶段反激变换器第一副边绕组N2和反激变换器第二副边绕组N3处于串联为升压电容C1充电状态。升压电容 C1的电压为反激变换器第一副边绕组N2的绕组端电压U2与反激变换器第二副边绕组N3的绕组端电压U3之和。同时，反激变换器第一副边绕组N2也通过第一二极管VD1和第二二极管VD2向负载端传递能量。

假设本实施例中，电压输入源10的直流电压可以是Up＝100V，MOS开关管的开关频率 Fsw＝100kHz，占空比D＝50％，反激变压器30的绕组N1：N2：N3变比为10：1：1，励磁电感量200uH，升压电容C1可以为100uF，输出电容C2可以为100uF，负载电阻R为2Ω。反激变换器第一副边绕组N2和反激变换器第二副边绕组N3相对反激变压器30原边绕组N1的匝数比分别为：N2和N3，升压电容C1的电压UC1：则UC1＝U2+U3

第一模态输出端电压Uo：Uo＝U2

在反激变换器原边的MOS开关管关断时间区间内，反激变换器第一副边绕组N2被第一二极管VD1钳位，该支路无能量传递。此时，升压电容C1处于放电状态，输出电容C2处于充电状态。反激变换器第二副边绕组N3此时相对于上一模态，极性对调为上正下负，第二二极管VD2正向导通。因此反激变换器第二副边绕组N3充当了磁复位支路的作用，其电压电流为非关联参考方向。

第二模态输出端电压Uo’：Uo’＝UC1+U3；

推导出输出平均电压UO_AVG：UO_AVG＝[N2+2(1-D)N3]*Up；

电压增益G：G＝N2+2(1-D)N3。

以上的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种高增益反激式变换器，其特征在于，包括电压输入源、开关电路、反激变压器和升压输出电路；

所述电压输入源，用于为所述反激变压器和所述升压输出电路提供输入电压；

所述开关电路，用于控制所述反激变压器原边绕组的励磁和去磁；

所述反激变压器，用于对所述电压输入源的输入电压进行隔离和变压；

所述升压输出电路，用于将所述反激变压器输出的电压进行升压处理后输出。

2.根据权利要求1所述的高增益反激式变换器，其特征在于，所述升压输出电路包括恒压源、充电支路和放电支路；

所述恒压源的输入端连接至所述反激变压器第二副边绕组的异名端，所述充电支路的输入端连接至所述反激变压器第一副边绕组的同名端，所述恒压源的输出端和所述充电支路的输出端连接，且连接至所述放电支路的输入端，所述放电支路的输出端为所述放电支路的输出端。

3.根据权利要求2所述的高增益反激式变换器，其特征在于，所述恒压源具有升压电容，所述升压电容的第一端为所述恒压源的输入端，所述升压电容的第二端为所述恒压源的输出端。

4.根据权利要求2所述的高增益反激式变换器，其特征在于，所述充电支路具有第一二极管，所述第一二极管的阳极为所述充电支路的输入端，所述第一二极管的阴极为所述充电支路的输出端。

5.根据权利要求2所述的高增益反激式变换器，其特征在于，所述放电支路具有第二二极管，所述第二二极管的阳极为所述放电支路的输入端，所述第二二极管的阴极为所述放电支路的输出端。

6.根据权利要求5所述的高增益反激式变换器，其特征在于，所述高增益反激式变换器还包括输出电容和负载电阻，所述输出电容的第一端与所述第二二极管的阴极连接，所述输出电容的第二端、所述反激变压器第二副边绕组的同名端和所述反激变压器第一副边绕组的异名端公共连接，所述负载电阻连接至所述输出电容的两端。

7.根据权利要求1所述的高增益反激式变换器，其特征在于，所述开关电路具有MOS开关管，所述MOS开关管的源极与所述电压输入源的负极连接，所述电压输入源的正极与所述反激变压器原边绕组的同名端连接，所述MOS开关管的漏极与所述反激变压器原边绕组的异名端连接。

8.根据权利要求7所述的高增益反激式变换器，其特征在于，所述MOS开关管的源极为所述开关电路的输入端，所述MOS开关管的漏极为所述开关电路的输出端，所述MOS开关管的栅极为所述开关电路的受控端。

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