应用于分布式并网发电前端的dc-dc变换器的制造方法
【专利摘要】应用于分布式并网发电前端的DC?DC变换器，涉及DC?DC变换器。设有电源、输出电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一箝位二极管、第一箝位电容、第二箝位二极管、第一反馈二极管、第一开关电容、第二反馈二极管、第二开关电容、第三反馈二极管、第三开关电容、第四反馈二极管、第四开关电容、第一耦合电感和第二耦合电感；第一耦合电感和第二耦合电感为三绕组耦合电感，三绕组耦合电感包括一个原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组。采用耦合电感和开关电容提升电压增益，主开关管电压应力降低。利用交错式操作方式使输入电流纹波和输出电压纹波减少。在耦合电感的漏感作用下，开关管实现零电流开通、二极管的反向恢复问题被削弱。
【专利说明】
应用于分布式并网发电前端的DC-DC变换器
技术领域
[0001 ]本发明涉及DC-DC变换器，尤其涉及一种应用于分布式并网发电前端的DC-DC变换 器。
【背景技术】
[0002] 随着能源和环保问题的日益加剧，光伏电池、燃料电池等新能源并网发电技术得 到广泛关注。而光伏电池、燃料电池的输出电压等级较低，不能满足现有用电设备的供电要 求，也无法进行并网传输，所以需要在这些发电模块与公共直流母线之间插入一个高增益 高效率低输入电流纹波的高性能DC-DC变换器。
[0003] 为了有效提高直流变换器的电压增益，许多学者提出了多种具有高升压功能的变 换器拓扑结构。反激变换器电路简单，通过调整反激变压器的匝比可实现高电压增益，但在 低压输入高压输出应用场合，变压器原边匝数很少，导致变压器漏感所占激磁电感的比例 明显增大，漏感不仅导致变换效率降低，同时会引起开关管关断电压尖峰过高。近年来，交 错并联Boost变换器及其在燃料电池和光伏发电系统中得到了许多学者的广泛关注，采用 交错并联方式可以减小输入、输出电流纹波，改善变换器的动态响应。但是，开关管的电压 应力仍然等于输出电压，变换器的电压增益也没有得到提高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种功率开关管零电流开通、高增益输出和低电压应力的 应用于分布式并网发电前端的DC-DC变换器。
[0005] 本发明设有电源、输出电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一箝位二极管、 第一箝位电容、第二箝位二极管、第一反馈二极管、第一开关电容、第二反馈二极管、第二开 关电容、第三反馈二极管、第三开关电容、第四反馈二极管、第四开关电容、第一耦合电感和 第二耦合电感;所述第一耦合电感和第二耦合电感为三绕组耦合电感，所述三绕组耦合电 感包括一个原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组。
[0006] 所述第一耦合电感的原边绕组的同名端与第二耦合电感原边绕组的同名端及电 源的正极相连，所述第一耦合电感的原边绕组的非同名端与第一功率开关管的漏极和所述 第一开关电容的一端相连;所述第一开关电容的另一端与第一耦合电感的第一副边绕组的 同名端和第三反馈二极管的阳极相连;所述第一耦合电感的第一副边绕组的非同名端与第 二耦合电感的第二副边绕组的非同名端相连;所述第二耦合电感的第二副边绕组的同名端 与第一反馈二极管的阴极及第三开关电容的一端相连;所述第一反馈二极管的另一端与第 一箝位电容的一端相连;所述第三开关电容的另一端与第三反馈二极管的阴极及第一输出 二极管的阳极相连。
[0007] 所述第二耦合电感的原边绕组的非同名端与第二功率开关管的漏极和所述第二 开关电容的一端相连;所述第二开关电容的另一端与第二耦合电感的第一副边绕组的同名 端和第四反馈二极管的阳极相连;所述第二耦合电感的第一副边绕组的非同名端与第一耦 合电感的第二副边绕组的非同名端相连;所述第一耦合电感的第二副边绕组的同名端与第 二续流二极管的阴极及第四开关电容的一端相连;所述第二反馈二极管的另一端与第一箝 位电容的一端相连;所述第四开关电容的另一端与第四反馈二极管的阴极及第二输出二极 管的阳极相连。
[0008] 所述第一输出二极管的阴极和所述第二输出二极管的阴极及输出电容的一端相 连，所述输出电容的另一端与电源的负极、第一功率开关管的漏极、第二功率开关管的漏 极、第一箝位电容的另一端共同连接在一起。
[0009] 作为优选，还包括第三反馈二极管、第三开关电容、第四反馈二极管、第四开关电 容。所述第三反馈二极管的阳极与第一开关电容的一端及所述第一耦合电感的第一副边绕 组的同名端相连;所述第三反馈二极管的阴极与第三开关电容的一端及第一输出二极管的 阳极相连;所述第三开关电容的另一端与所述第一反馈二极管的阴极与及所述第二耦合电 感的第二副边绕组的同名端相连;所述第一无源箝位电路包括第一箝位二极管、第一箝位 电容;所述第二无源箝位电路包括第二箝位二极管、第一箝位电容。
[0010] 所述第四反馈二极管的阳极与第二开关电容的一端及所述第二耦合电感的第一 副边绕组的同名端相连;所述第四反馈二极管的阴极与第四开关电容的一端及第二输出二 极管的阳极相连;所述第三开关电容的另一端与所述第二反馈二极管的阴极与及所述第一 耦合电感的第二副边绕组的同名端相连。
[0011] 工作时，由于第一耦合电感和第二耦合电感漏感的作用，功率开关管实现了零电 流导通，箝位二极管、反馈二极管、输出二极管的电流下降率由漏感控制，减少了二极管的 反向恢复损耗。利用第一耦合电感的副边绕组和第二耦合电感的副边绕组实现变换器的高 增益输出，利用第一开关电容、第二开关电容、第三开关电容、第四开关电容进一步提高了 变换器的电压增益、并且降低了开关器件的电压应力，同时，每个开关周期的第一箝位电容 通过第一箝位二极管和第二箝位二极管回收第一耦合电感、第二耦合电感的漏感能量，并 最终转移到负载，实现了无源箝位电路的无损运行。
[0012] 本发明提出了一种带耦合电感和开关电容的高增益DC-DC变换器。该变换器电压 增益高、功率等级高、输入电流纹波小、主开关管的电压应力小。开关管实现了零电流开通、 二极管的反向恢复损耗小。由于耦合电感的交叉耦合，变换器具有部分的均流能力。
[0013] 本发明利用第一耦合电感和第二耦合电感的漏感来实现功率开关管的零电流开 通，并有效控制二极管中电流下降速率，从而解决了开关管反向恢复的问题。利用箝位二极 管和箝位电容组成的无源箝位电路实现了功率开关管子的软关断和漏感能量的无损转移， 箝位二极管不串联在功率回路上，可以减少导通损耗。利用第一个耦合电感和第二耦合电 感的两个副边绕组实现了变换器的高增益输出，利用四个开关电容进一步提高了变换器的 电压增益和降低了功率器件的电压应力，无需额外的功率管开关和电感元件，附件元件少， 结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，可提高升压型变化器的效率。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明实施例的电路组成原理图。
[0015] 图2为本发明实施例的等效电路图。
[0016] 图3为本发明实施例的开关模态l[to 等效电路图。
[0017]图4为本发明实施例的开关模态2[ti t2]等效电路图。
[0018] 图5为本发明实施例的开关模态3[t2 t3]等效电路图。
[0019] 图6为本发明实施例的开关模态4[t3 t4]等效电路图。
[0020] 图7为本发明实施例的开关模态5[t4 t5]等效电路图。
[0021] 图8为本发明实施例的开关模态6[t5 t6]等效电路图。
[0022] 图9为本发明实施例的开关模态7[t6 t7]等效电路图。
[0023]图10为本发明实施例的关键波形图。
【具体实施方式】
[0024] 下面通过结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0025] 参见图1，本发明实施例包含两个功率管(Si、&)，两个箝位二极管(DC1、DC2)，一个 箝位电容(Cci)，两个续流二极管(Dfl、Df2)，四个开关电容<^1、〇￡2心3义4)，两个输出二极管 (0。1、0。2)，一个输出电容(C。)和两个三绕组親合电感，第一親合电感的原边绕组(Lip)的一 端与第二耦合电感的原边绕组(L 2p)的一端及电源(Vin)的正端相连，另一端则与第一功率 管(Si)的漏极、第一箝位二极管(Dei)的阳极和第一开关电容(Cfi)的一端相连;第一箝位二 极管(Dca)的阴极与第一箝位电容(C C1)的一端及第二续流二极管的(Df2)的阳极相连，第一 开关电容(Cfl)的另一端与第一三绕组耦合电感的第一副边绕组(L lsl)的一端及第三反馈二 极管(Df3)的阳极相连，第一三绕组耦合电感的第一副边绕组(L lsl)的另一端与第二耦合电 感的第二副边绕组(L2s2)的一端相连，第二三绕组耦合电感的第二副边绕组(L2s2)的另一端 与第一反馈二极管(Df 1)的阴极及第三开关电容(Cf 3 )的一端相连;第三开关电容(Cf 3 )的另 一端与第三反馈二极管(Df3)的阴极及第一输出二极管(Dcll)的阳极相连。第二三绕组耦合 电感原边绕组(L 2p)的另一端与第二功率开关管(&)的漏极及第二箝位二极管(DC2)的阳极 和第二开关电容的（Cf2)的一端相连，第二箝位二极管(0。2)的阴极与第一箝位电容(Cci)的 一端及第一续流二极管(D fl)的阳极相连，第二开关电容(Cf2)的另一端与第二三绕组耦合 电感的第一副边绕组(L 2sl)的一端及第四开关电容(CC4)的阳极相连，第二三绕组耦合电感 的第一副边绕组(L 2sl)的另一端与第一三绕组耦合电感的第二副边绕组(Lls2)的一端相连， 第一三绕组耦合电感第二副边绕组(L ls2)的另一端与第二续流二极管(Df2)的阴极及第四开 关电容(Cf4) 一端相连，第四开关电容(Cf4)的另一端与第二输出二极管(D〇2)的阳极极与第 四反馈二极管(Df4)的阴极相连。第一输出二极管(Dca)的阴极与第二输出二极管(D〇 2)的阴 极及输出电容(C。)的一端相连，输出电容(C。)的另一端与电源(Vin)的负端、第一功率开关 管(SO的源极、第二功率开关管(&)的源极、第一箝位电容(C C1)共同连接在一起。
[0026] 上述的第一耦合电感的原边(LiP)与电源(Vin)正端的连接端和第一耦合电感副边 第二绕组(L lsl)与第一开关电容(Cfl)的连接端以及第一耦合电感第二副边绕组(Lls2)与第 二续流二极管（D f2)阴极的连接端为第一耦合电感的同名端；第二耦合电感的原边绕组 (L2p)与电源(Vin)正端的连接端和第二耦合电感的第一副边绕组(L 2sl)与第二开关电容 (Cf2)的连接端以及第二耦合电感的第二副边绕组(L2s2)与第一续流二极管(D fl)阴极的连 接端为第二耦合电感的同名端。
[0027]所述一种高增益DC-DC变换器等效电路如图2所示意，第一、二耦合电感副边的漏 感归算到原边，分别用Lka、Lkb表示，变换器有十四个工作模态，如图3所示。由于电路的对称 性，仅以前七个换流过程为例分析如下：
[0028] 模态 1 [ toti ]:功率开关管Si、S2处于开通状态，二极管D〇i、D〇2、Dci、Dc2、Df 1、Df2、Df3、 Df4处于关断状态，两个三绕组耦合电感Llp，L2p及各自漏感Lka，L kb线性充电。
[0029] 模态2[加2]:在11时刻，Si关断，第一耦合电感原边电流对Si并联的漏源电容线性 充电。第一箝位二极管Dq的反向电压降低而Si的漏源电压升高。
[0030] 模态3[城3]:在。时刻，第一箝位管DC1反向压降降至零并开始导通，第一耦合电感 的原边电流对第一箝位电容(Cq)充电，第一功率管5 1依然关断，且其漏源电压被第一箝位 电容Cq箝置，第一三绕组耦合电感漏感1^中的能量转移到第一箝位电容C C1中。
[0031 ]模态4[t3t4]:在t3时亥I」，第一输出二极管D〇i开始导通，第一开关电容Cfi中的能量 开始向负载转移。同时第二续流二极管Df2导通，第一箝位电容CC1中的能量转移到第二开关 电容Cf2中。
[0032]模态5[t4t5]:在t4时刻，第一箝位二极管D C1关断，由于关断电流下降速率受耦合电 感漏感的控制，其关断反向恢复问题不存在，同时第三反馈二极管导通，第三开关电容开始 通过耦合电感充电。第一开关电容Cfl中的能量继续转移负载。
[0033] 模态6[t5t6]:在以时刻，Si开通，由于第二耦合电感漏感L kl的存在，Si零电流开通。 在U时刻，第一输出二极管关断，由于关断电流下降速率受耦合电感漏感的控制，其关断反 向恢复问题不存在。
[0034]模态7[t6t7]:此时流过第二反馈二极管和第四反馈二极管的电流线性下降，到t7 时刻，电流下降到零，由于关断电流下降速率受耦合电感漏感的控制，其关断反向恢复问题 不存在。
[0035] 图10为该变换器工作时的关键波形图。
[0036] 参见图3~9,均流的实现过程为：设第一、二功率开关管5152导通占空分别比为 D^Ds，两个耦合电感的两个副边绕组对各自原边绕组的匝数比都为N，
[0037]则第一支路的电压增益为：
[0038]
[0039]第二支路的电压增益为：
[0042] 可见在占空比不均衡的情况下，两支路能够部分均流。在N=1的情况下，能够完全 均流。
[0040]
[0041]
[0043]本发明采用耦合电感和开关电容来提升电压增益，同时，主开关管的电压应力大 大降低。由于该变换器拓扑具有交叉耦合结构，变换器具备部分的均流能力。利用交错式操 作方式使得输入电流纹波和输出电压纹波都大大减少。此外，在耦合电感的漏感的作用下， 开关管实现零电流开通、二极管的反向恢复问题被削弱。
【主权项】
1. 应用于分布式并网发电前端的DC-DC变换器，其特征在于设有电源、输出电容、第一 功率开关管、第二功率开关管、第一箝位二极管、第一箝位电容、第二箝位二极管、第一反馈 二极管、第一开关电容、第二反馈二极管、第二开关电容、第三反馈二极管、第三开关电容、 第四反馈二极管、第四开关电容、第一耦合电感和第二耦合电感;所述第一耦合电感和第二 耦合电感为三绕组耦合电感，所述三绕组耦合电感包括一个原边绕组、第一副边绕组和第 二副边绕组； 所述第一耦合电感的原边绕组的同名端与第二耦合电感原边绕组的同名端及电源的 正极相连，所述第一耦合电感的原边绕组的非同名端与第一功率开关管的漏极和第一开关 电容的一端相连;所述第一开关电容的另一端与第一耦合电感的第一副边绕组的同名端和 第三反馈二极管的阳极相连;所述第一耦合电感的第一副边绕组的非同名端与第二耦合电 感的第二副边绕组的非同名端相连;所述第二耦合电感的第二副边绕组的同名端与第一反 馈二极管的阴极及第三开关电容的一端相连;所述第一反馈二极管的另一端与第一箝位电 容的一端相连;所述第三开关电容的另一端与第三反馈二极管的阴极及第一输出二极管的 阳极相连； 所述第二耦合电感的原边绕组的非同名端与第二功率开关管的漏极和第二开关电容 的一端相连;所述第二开关电容的另一端与第二耦合电感的第一副边绕组的同名端和第四 反馈二极管的阳极相连;所述第二耦合电感的第一副边绕组的非同名端与第一耦合电感的 第二副边绕组的非同名端相连;所述第一耦合电感的第二副边绕组的同名端与第二续流二 极管的阴极及第四开关电容的一端相连;所述第二反馈二极管的另一端与第一箝位电容的 一端相连;所述第四开关电容的另一端与第四反馈二极管的阴极及第二输出二极管的阳极 相连； 所述第一输出二极管的阴极和第二输出二极管的阴极及输出电容的一端相连，所述输 出电容的另一端与电源的负极、第一功率开关管的漏极、第二功率开关管的漏极、第一箝位 电容的另一端共同连接在一起。2. 如权利要求1所述应用于分布式并网发电前端的DC-DC变换器，其特征在于还包括第 三反馈二极管、第三开关电容、第四反馈二极管、第四开关电容;所述第三反馈二极管的阳 极与第一开关电容的一端及第一耦合电感的第一副边绕组的同名端相连;所述第三反馈二 极管的阴极与第三开关电容的一端及第一输出二极管的阳极相连;所述第三开关电容的另 一端与第一反馈二极管的阴极与及第二耦合电感的第二副边绕组的同名端相连;所述第一 无源箝位电路包括第一箝位二极管、第一箝位电容;所述第二无源箝位电路包括第二箝位 二极管、第一箝位电容;所述第四反馈二极管的阳极与第二开关电容的一端及第二耦合电 感的第一副边绕组的同名端相连;所述第四反馈二极管的阴极与第四开关电容的一端及第 二输出二极管的阳极相连;所述第三开关电容的另一端与第二反馈二极管的阴极与及第一 耦合电感的第二副边绕组的同名端相连。
【文档编号】H02M3/158GK105896978SQ201610213261
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】何良宗, 廖育贤, 张建寰, 陈文芗, 曾涛, 黄澜涛, 薛文东, 李钷
【申请人】厦门大学