专利名称：隔离升压推挽式软开关dc/dc变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电气技术领域的变换器，具体涉及一种隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器，可应用于太阳能发电系统、燃料电池发电系统等低电压、大电流系统中直流到直流的变换场合。
背景技术：
在太阳能发电系统、燃料电池发电系统等低电压、大电流供电系统中，DC/DC变换器是实现能量装换、传递电压电流及功率控制的关键执行部件。考虑到燃料电池等低电压、大电流应用的特殊性，对变换器的设计有如下特殊此要求低成本、低污染、高效率、高功率密度，所以变换器的主电路拓扑为满足上述要求，必须简单、实用、可靠。
常规的升压DC/DC变换电路有很多形式，典型应用的电路有双正激电路，推挽电路等。目前应用在燃料电池发电系统主要的拓扑是移相控制全桥零电压电路开关如图1所示。图1中Q1～Q4为半导体主开关(MOSFET或IGBT)；D1～D4为开关Q1～Q4的内部寄生二极管.C1～C4为主开关Q1～Q4寄生电容或外接电容，Lr为谐振电感(包括变压器漏感)。每个桥臂的两个功率开关成180°互补导通。两个桥臂的导通角相差一个相位即移相角。通过调节移相角的大小来调节输出电压。主要波形见图2所示。图2中Q1、Q3为一个桥臂，Q2、Q4为另一桥臂。利用两桥臂之间的移相角来调节输出电压的大小。同时利用谐振电感(Lr)和桥臂电容(C1～C4)之间的谐振实现开关的零电压开通和关断。这种电路的优点是开关电压应力低，占空比调节范围宽。这种变换电路的不足在于控制电路复杂和低压变换回路有两开关串联，增大了导通损耗，使得变换器效率下降。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足而提出一种适用于低电压、大电流场合的高效率的隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器。本发明能够降低半导体开关损耗和开关噪音，从而获得更高电路变流效率和降低EMI噪音。
本发明是通过以下技术方案来实现提出一种用于低压大电流的软开关拓扑结构，借助半导体功率开关及其控制逻辑，再适当连接储能元件，高效率实现直流到直流的升压的电能转换。
本发明所述的隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器采用电路来实现的，包括电压源Vin，储能电感Lin，主开关S1和S2，并联在主开关上的外接电容C1和C2，辅助开关S1a和S2a，并联在辅助开关上的外接电容C1a和C2a，谐振电容CG，升压用的变压器Tr，整流二极管DR1、DR2，输出滤波电容Cf和负载电阻RLd。电路的连接关系为电压源Vin与储能电感Lin串联连接，储能电感Lin的一端连接电压源Vin的正端，一端连接变压器Tr原边的中心抽头。主开关S1源极连接电压源Vin的负端，主开关S1的漏极连接变压器Tr原边的一端。同样主开关S2源极连接电压源Vin的负端，主开关S2的漏极连接变压器Tr原边的另一端。辅助开关S1a的源极连接主开关S1的漏极，辅助开关S2a的源极连接主开关S2的漏极。两个辅助开关S1a和S2a的漏极相连并与谐振电容CG的一端相连接。谐振电容CG的一端和辅助开关S1a、S2a连接，另一端和电压源Vin的负端连接。整流二极管DR1、DR2的阳极和变压器副边的两端连接，阴极连接在一起构成输出的正端，变压器副边的中心抽头构成输出的负端，输出滤波电容Cf和负载电阻RLd一端连接输出的正端，另一端连接输出的负端。
本发明控制逻辑，即开关的时间顺序为①两个主开关S1和S2同时导通Td/2时间后主开关S2关断；②经过一个短暂死区时间，辅助开关S2a和主开关S1同时导通T(1-d)/2时间后，辅助开关S2a关断；③经过又一个短暂死区时间，主开关S1和S2的同时导通Td/2时间的后，主开关S1关断；④再经过一个短暂死区时间，辅助开关S1a导通和主开关S2同时导通T(1-d)/2时间后，辅助开关S1a关断；⑤最后经过一个短暂死区时间后，主开关S1和S2同时导通，回到第一个过程，如此周而复始。
与现有技术相比，本发明的优点开关频率高从而减小了无源元件如电感、电容以及变压器等的体积；所有的功率开关都实现了零电压开通和关断，变压器的漏电感和寄生电容、开关管的寄生电容都参与谐振过程，提高了开关管和变压器的效率。由于是升压电路，降低了输入到变压器的电流，降低了变压器的损耗。由于在主回路中各支路只使用一个开关，减少了开关电阻和导通损耗，提高了整个变换器的效率，该电路适合于低电压、大电流场合，具体可以应用在燃料电池发电和太阳能发电系统的直流升压。
图1是现有技术中的移相控制零电压全桥变换电路的原理图；图2是现有技术图1电路工作时各部分电压、电流时序示意图；图3是本发明工作原理示意图；图4是本发明电路工作时各部分电压、电流时序示意图；图5是本发明电路的控制原理示意图。
具体实施例方式
本发明隔离升压式推挽软开关DC/DC变换器适用于太阳能发电系统、燃料电池发电系统等低电压、大电流电路应用场合，如图3所示，实现本发明的电路中包括电压源Vin，储能电感Lin，半导体主开关S1和S2，并联在主开关上的外接电容C1和C2，辅助开关S1a和S2a，并联在辅助开关上的外接电容C1a和C2a，谐振电容CG，升压用的变压器Tr，整流二极管DR1、DR2，输出滤波电容Cf和负载电阻RLd。电压源Vin与储能电感Lin串联连接，储能电感Lin的一端连接电压源Vin的正端，一端连接变压器Tr原边的中心抽头。主开关S1源极连接电压源Vin的负端，主开关S1的漏极连接变压器Tr原边的一端。同样主开关S2源极连接电压源Vin的负端，主开关S2的漏极连接变压器Tr原边的另一端。辅助开关S1a的源极连接主开关S1的漏极，辅助开关S2a的源极连接主开关S2的漏极。两个辅助开关S1a和S2a的漏极相连并与谐振电容CG的一端相连接。谐振电容CG的一端和辅助开关S1a、S2a连接，另一端和电压源Vin的负端连接。整流二极管DR1、DR2的阳极和变压器副边的两端连接，阴极连接在一起构成输出的正端，变压器副边的中心抽头构成输出的负端，输出滤波电容Cf和负载电阻RLd一端连接输出的正端，另一端连接输出的负端。
如图4所示，电路的控制逻辑为①两个主开关S1和S2同时导通Td/2时间后主开关S2关断；②经过一个短暂死区时间，辅助开关S2a和主开关S1同时导通T(1-d)/2时间后，辅助开关S2a关断；③经过又一个短暂死区时间，主开关S1和S2的同时导通Td/2时间的后，主开关S1关断；④再经过一个短暂死区时间，辅助开关S1a导通和主开关S2同时导通T(1-d)/2时间后，辅助开关S1a关断；⑤最后经过一个短暂死区时间后，主开关S1和S2同时导通，回到第一个过程，如此周而复始。
图3所用主辅开关都是场效应晶体管(MOSFET)或IGBT，其各部分工作时序见图4。t0～t1期间，主开关S1和S2同时导通；流过变压器原边的电流大小相等方向相反，因此整流二极管截止；两个主开关中电流为1/2iin，时间间隔为Td/2；在这一阶段，输入电感Lin储存能量。
在t1时刻，由于C2的存在，使得S2实现了零电压关断；充电电流和放电电流的总和恒定为1/2iin，其换流的时间Δt=2(Csa2+Cs2)UGiin,]]>它由C2和C2a决定。
t2～t3期间，而后C2a上的电压降为零，二极管D2a导通，储存在漏电感L2d中的能量给箝位电容CG充电，这一阶段的时间间隔为T(1-d)/4。充电电流随着箝位电容的增加而下降。辅助开关S2a必须在D2a导通期间导通，从而辅助开关S2a实现了零电压开通。
t3～t4期间，随着CG上的充电电流的减小，当充电电流减小至零时将会反向，这一阶段的时间间隔为T(1-d)/4。在t4时刻，辅助开关S2a关断，借助C2a其关断过程为零电压关断，当S2a关断时，漏感Ld2以谐振的方式使电容C2放电和C2a充电。充放电的电流为常数。这一阶段的时间间隔会很短，当主开关S2上的电压降为零时就结束。
t5～t6期间，当电容C2a达到箝位电容上的电压VG时，二极管D2开始导通，iLd2下降。主开关S2必须在二极管D2导通期间导通。
t6～t7(t0)期间，S2上的电流反向，当流过变压器原边的电流相等时，二极管截止，从而又回到了第一个阶段，如此周而复始。
控制电路的原理框图见图5所示501是集成电路芯片，502是隔离驱动放大电路，503是变压器原边电路，504是输出整流滤波器，505是电压传感器，506是比较器，507是电压控制器，508是电流传感器，509是比较器，510是电流控制器。
集成电路芯片UC3895(501)输出的两个相位相差180°的方波经过各自的反相器后成为四路半导体开关的驱动信号，该信号经过隔离驱动放大(502)后分别用于驱动主开关S1、S2和辅助开关S1a、S2a。电压传感器(505)将直流输出电压转换为0～5V的直流电压，该电压和电压给定值相比较后送入到电压控制器(507)中，电压控制器的输出作为电流控制器的给定。电流传感器将输入电流转换为0～5V的直流电压，该电压和电流给定比较后送入到电流控制器(510)，电流控制器的输出控制输出脉冲宽度的大小，从而调节输出电压的大小。
权利要求
1.一种隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器，其特征在于，包括电压源Vin，储能电感Lin，主开关S1和S2，并联在主开关上的外接电容C1和C2，辅助开关S1a和S2a，并联在辅助开关上的外接电容C1a和C2a，谐振电容CG，升压用的变压器Tr，整流二极管DR1、DR2，输出滤波电容Cf和负载电阻RLd，其中电压源Vin与储能电感Lin串联连接，储能电感Lin的一端连接电压源Vin的正端，一端连接变压器Tr原边的中心抽头，主开关S1源极连接电压源Vin的负端，主开关S1的漏极连接变压器Tr原边的一端，同样主开关S2源极连接电压源Vin的负端，主开关S2的漏极连接变压器Tr原边的另一端，辅助开关S1a的源极连接主开关S1的漏极，辅助开关S2a的源极连接主开关S2的漏极，两个辅助开关S1a和S2a的漏极相连并与谐振电容CG的一端相连接，谐振电容CG的一端和辅助开关S1a、S2a连接，另一端和电压源Vin的负端连接，整流二极管DR1、DR2的阳极和变压器Tr副边的两端连接，阴极连接在一起构成输出的正端，变压器Tr副边的中心抽头构成输出的负端，输出滤波电容Cf和负载电阻RLd一端连接输出的正端，另一端连接输出的负端。
2.根据权利要求1所述的隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器，其特征是，所述隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器，其控制逻辑为①两个主开关S1和S2同时导通Td/2时间后主开关S2关断；②经过一个短暂死区时间，辅助开关S2a和主开关S1同时导通T(1-d)/2时间后，辅助开关S2a关断；③经过又一个短暂死区时间，主开关S1和S2的同时导通Td/2时间的后，主开关S1关断；④再经过一个短暂死区时间，辅助开关S1a导通和主开关S2同时导通T(1-d)/2时间后，辅助开关S1a关断；⑤最后经过一个短暂死区时间后，主开关S1和S2同时导通，回到第一个过程，如此周而复始。
3.根据权利要求1所述的隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器，其特征是，所述主开关S1和S2，辅助开关S1a和S2a，均采用场效应晶体管MOSFET或IGBT。
全文摘要
一种隔离升压推挽式软开关DC/DC变换器，包括电压源Vin，储能电感Lin，主开关S1和S2，并联在主开关上的外接电容C1和C2，辅助开关S1a和S2a，并联在辅助开关上的外接电容C1a和C2a，谐振电容C
文档编号H02M3/07GK1913309SQ20061003013
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月17日 优先权日2006年8月17日
发明者项安, 佐土原正志, 善家充彦, 宫野利雄 申请人:上海交通大学, 安川电机株式会社