专利名称：耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错并联变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直流一直流变换器。具体说是耦合电感加开关电容实现无 源箝位升压型交错并联变换器。
背景技术：
常规的升压型(Boost)交错并联直流一直流变换器，包括两个电感，两个续 流二极管，两个功率开关管，第一功率开关管的漏极与第一二极管的阳极及第 一电感的一端相连，第二功率开关管的漏极与第二二极管的阳极及第二电感的 一端相连，第一电感的另一端与第二电感的另一端相连。这种升压型交错并联 直流一直流变换器输出电压增益较小，功率开关管的电压应力较大，功率开关 管为硬开关工作，开关损耗较大，续流二极管的反向恢复电流较大，反向恢复 损耗较大。近年来，相继研究了一些软开关电路，主要有两种 一种是通过附 加有源功率开关和无源电感、电容等器件实现功率开关管的软开关；另一种是 通过附加二极管和无源电感、电容等器件实现功率开关管的软开关。这两种方 法的虽然可以实现功率开关管的软开关，但是外加电路复杂，而且不能降低功 率开关管的电压应力，也不能实现变换器的高增益功能。为了提高变换器的电 压增益， 一种方式是采用串联开关电容单元方式，该方法需要串联多个开关电 容单元才能实现高增益变换，电路较复杂；另一种方式是采用三绕组耦合电感 方式，该方式下的输出二极管电压应力较高，影响了变换器的效率。
发明内容
本发明的目的是提供输出电压增益高，输入电流纹波小，输出电流纹波小， 功率开关管数量少，结构简单，且无能量损耗的耦合电感加开关电容实现无源 箝位升压型交错并联变换器。
本发明的技术解决方案是耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错 并联变换器，包括两个功率开关管，两个箝位二极管，两个箝位电容，两个续 流二极管，两个开关电容，两个输出二极管， 一个输出电容和两个耦合电感，第 一耦合电感有三个绕组，第二耦合电感有三个绕组，第一耦合电感的第一绕组 的一端与第二耦合电感的第一绕组的一端及电源的正端相连，第一耦合电感的 第一绕组的另一端与第一功率开关管的源极及第一箝位二极管的阳极和第一开 关电容的一端相连，第一箝位二极管的阴极与第一箝位电容的一端及第一续流 二极管的阳极相连，第一开关电容的另一端与第一耦合电感的第二绕组的一端相连，第一耦合电感的第二绕组的另一端与第二耦合电感的第三绕组的一端相 连，第二耦合电感的第三绕组的另一端与第一续流二极管的阴极及第一输出二 极管的阳极相连，第二耦合电感的第一绕组的另一端与第二功率开关管的源极 及第二箝位二极管的阳极和第二开关电容的一端相连，第二箝位二极管的阴极 与第二箝位电容的一端及第二续流二极管的阳极相连，第二开关电容的另一端 与第二耦合电感的第二绕组的一端相连，第二耦合电感的第二绕组的另一端与
第一耦合电感的第三绕组的一端相连，第一耦合电感的第三绕组的另一端与第 二续流二极管的阴极及第二输出二极管的阳极相连，第一输出二极管的阴极与 第二输出二极管的阴极及第一输出电容的一端相连，第一功率开关管的漏极和
第二功率开关管的漏极与电源的负端及第一输出电容的另一端相连，第一箝位 电容和第二箝位电容的另一端共同与第一功率开关管和第二功率开关管的漏极 相连，或者第一箝位电容和第二箝位电容的另一端共同与第一耦合电感的第一 绕组及第二耦合电感的第一绕组的接点相连，或者第一箝位电容和第二箝位电 容的另一端共同与第一续流二极管及第二续流二极管的阴极共接。上述第一耦 合电感的第一绕组与电源正端的连接端和第一耦合电感的第二绕组与第一开关 电容的连接端以及第一耦合电感的第三绕组与第二输出二极管阳极的连接端为 第一耦合电感的同名端；第二耦合电感的第一绕组与电源正端的连接端和第二
耦合电感的第二绕组与第二开关电容的连接端以及第二耦合电感的第三绕组与 第一输出二极管阳极的连接端为第一耦合电感的同名端。
工作时，利用两个耦合电感的漏感实现第一功率开关管、第二功率开关管
的零电流开通以及第一、第二两个续流二极管的软关断；第一功率开关管和第 二功率开关管关断时，由于第一箝位二极管、第一箝位电容和第二箝位二极管、 第二箝位电容的存在，实现了第一功率开关管和第二功率开关管的软箝位关断。 利用第一耦合电感的第二、第三绕和第二耦合电感的第二、第三绕组实现变换 器的高增益输出，利用第一开关电容、第二开关电容进一步提高变换器的电压 增益和降低功率器件的电压应力，同时，每个开关周期第一箝位电容、第二箝 位电容收集第一耦合电感、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。
本发明的耦合电感加开关电容实现无源箝位高增益升压型交错并联变换 器，利用了两个耦合电感的漏感来实现功率开关管的零电流开通，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，可减小导通损耗，利用两个耦合电感的第二、第三绕组实现了变换器的高增益输出，利用两个开关电容进一步 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 提高升压型交错并联电路的效率，且换流过程中，功率开关管关断时无电压过 冲，续流二极管开通时无电流过冲。
图1是一种耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错并联变换器的电 路图2是第二种耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错并联变换器的 电路图3是第三种耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错并联变换器的 电路具体实施例方式
参见图1，本发明的耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错并联变换 器，包括两个功率开关管Sl、 S2，两个箝位二极管Dcl、 Dc2，两个箝位电容 Ccl、 Cc2，两个续流二极管Drl、 Dr2，两个开关电容Cdl、 Cd2，两个输出二极 管Dol、Do2， 一个输出电容Co和两个耦合电感，第一耦合电感有三个绕组Lla、 Llb、 Llc，第二耦合电感有三个绕组L2a、 L2b、 L2c，第一耦合电感的第一绕 组Lla的一端与第二耦合电感的第一绕组L2a的一端及电源Vin的正端相连， 第一耦合电感的第一绕组Lla的另一端与第一功率开关管Sl的源极及第一箝位 二极管Dcl的阳极和第一开关电容Cdl的一端相连，第一箝位二极管Dcl的阴 极与第一箝位电容Ccl的一端及第一续流二极管(Drl)的阳极相连，第一开关电 容Cdl的另一端与第一耦合电感的第二绕组Llb的一端相连，第一耦合电感的 第二绕组Lib的另一端与第二耦合电感的第三绕组L2c的一端相连，第二耦合 电感的第三绕组L2c的另一端与第一续流二极管Drl的阴极及第一输出二极管 Dol的阳极相连，第二耦合电感的第一绕组L2a的另一端与第二功率开关管S2 的源极及第二箝位二极管Dc2的阳极和第二开关电容Cd2的一端相连，第二箝 位二极管Dc2的阴极与第二箝位电容Cc2的一端及第二续流二极管Dr2的阳极 相连，第二开关电容Cd2的另一端与第二耦合电感的第二绕组L2b的一端相连， 第二耦合电感的第二绕组L2b的另一端与第一耦合电感的第三绕组Llc的一端 相连，第一耦合电感的第三绕组Llc的另一端与第二续流二极管Dr2的阴极及 第二输出二极管Do2的阳极相连，第一输出二极管Dol的阴极与第二输出二极管Do2的阴极及第一输出电容Co的一端相连，第一功率开关管SI的漏极和第 二功率开关管S2的漏极与电源Vin的负端及第一输出电容Co的另一端相连， 图i所示具体实例中，第一箝位电容Ccl和第二箝位电容Cc2的另一端共同与 第一功率开关管SI和第二功率开关管S2的漏极相连。
或者也可以如图2所示，第一箝位电容Ccl和第二箝位电容Cc2的另一端 共同与第一耦合电感的第一绕组Lla及第二耦合电感的第一绕组L2a的接点相 连。
或者也可以如图3所示，第一箝位电容Ccl和第二箝位电容Cc2的另一端 共同与第一续流二极管Dol及第二续流二极管Do2的阴极共接。
上述第一耦合电感的第一绕组Lla与电源Vin正端的连接端和第一耦合电 感的第二绕组Lib与第一开关电容Cdl的连接端以及第一耦合电感的第三绕组 Lie与第二输出二极管Do2阳极的连接端为第一耦合电感的同名端；第二耦合 电感的第一绕组L2a与电源Vin正端的连接端和第二耦合电感的第二绕组L2b 与第二开关电容Cd2的连接端以及第二耦合电感的第三绕组L2c与第一输出二 极管Dol阳极的连接端为第一耦合电感的同名端。
耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错并联变换器存在八种工作过 程(图1 图3所示变换器的工作过程相同)，即第一功率开关管SI关断与第一 箝位二极管Dcl开通之间的换流；第一输出二极管Dol导通过程；第一箝位二 极管Del关断过程；第一输出二极管Dol关断与第一功率开关管SI开通之间 的换流过程；第二功率开关管S2关断与第二箝位二极管Dc2开通之间的换流； 第二输出二极管Do2导通过程；第二箝位二极管Dc2关断过程；第二输出二极 管Do2关断与第二功率开关管S2开通之间的换流过程。由于电路的对称性，仅 以前四个换流过程为例分析如下
第一功率开关管SI关断与第一箝位二极管Del开通之间的换流
换流前，电路处于第一功率开关管S1、第二功率开关管S2导通，第一箝位 二极管Dcl、第二箝位二极管Dc2关断，第一续流二极管Drl、第二续流二极管 Dr2关断，第一输出二极管Dol、第二输出二极管Do2关断的稳定工作状态。 当第一功率开关管Sl关断时，第一功率开关管SI上电压迅速上升、第一箝位 二极管Dcl两端的电压迅速下降至零，第一箝位二极管Del开通，由于第一箝 位电容Ccl的作用，第一功率开关管S1两端的电压被箝位为一定电压值，实现 了第一功率开关管S1的软箝位关断。
第一输出二极管Dol导通过程第一箝位二极管Del开通后，第一箝位电容Ccl上的电压从一定值以一定 斜率线性上升，第一输出二极管Dol两端的电压线性下降到零，第一输出二极 管Dol开通。由于耦合电感的变压器效应，第二续流二极管Dr2导通，存储在 第二箝位电容Cc2上的能量经由第二续流二极管Dr2、第一耦合电感的第三绕组 Llc和第二耦合电感的第二绕组L2b逐步转移到第二开关电容Cd2上。电路进 入第"功率开关管Sl关断，第一箝位二极管Dc导通，第二续流二极管Dr2导 通和第一输出二极管Dol导通的稳定工作状态。
第一箝位二极管Del关断过程
第一输出二极管Dol导通后，第一耦合电感的能量向负载转移，第一箝位 二极管Dcl上的电流以一定的斜率线性下降，当第一箝位二极管Dcl上的电流 下降到零时，第一箝位二极管Dcl自然关断。存储在第二箝位电容Cc2上的能 量继续经由第二续流二极管Dr2、第一耦合电感的第三绕组Llc和第二耦合电感 的第二绕组L2b逐步转移到第二开关电容Cd2上。电路进入第一功率开关管Sl 关断，第一箝位二极管Del关断，第二续流二极管Dr2导通和第一输出二极管 Dol导通的稳定工作状态。
第一输出二极管Dol关断与第一功率开关管Sl开通之间的换流过程 第一功率开关管Sl的门极信号给出，第一功率开关管Sl的电流从零以一 定斜率线性上升，实现了第一功率开关管Sl的零电流开通，第一输出二极管 Dol的电流以一定的斜率线性下降，当第一输出二极管Dol的电流下降到零时， 第一输出二极管Dol关断，实现了第一输出二极管Dol关断与第一功率开关管 Sl开通之间的换流，减小了第一输出二极管Dol的反向恢复电流，减小了第一 输出二极管Dol导致的反向恢复损耗。
权利要求
1. 耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错并联变换器，包括两个功率开关管(S1、S2)，两个箝位二极管(Dc1、Dc2)，两个箝位电容(Cc1、Cc2)，两个续流二极管(Dr1、Dr2)，两个开关电容(Cd1、Cd2)，两个输出二极管(Do1、Do2)，一个输出电容(Co)和两个耦合电感，其特征是第一耦合电感有三个绕组(L1a、L1b、L1c)，第二耦合电感有三个绕组(L2a、L2b、L2c)，第一耦合电感的第一绕组(L1a)的一端与第二耦合电感的第一绕组(L2a)的一端及电源(Vin)的正端相连，第一耦合电感的第一绕组(L1a)的另一端与第一功率开关管(S1)的源极及第一箝位二极管(Dc1)的阳极和第一开关电容(Cd1)的一端相连，第一箝位二极管(Dc1)的阴极与第一箝位电容(Cc1)的一端及第一续流二极管(Dr1)的阳极相连，第一开关电容(Cd1)的另一端与第一耦合电感的第二绕组(L1b)的一端相连，第一耦合电感的第二绕组(L1b)的另一端与第二耦合电感的第三绕组(L2c)的一端相连，第二耦合电感的第三绕组(L2c)的另一端与第一续流二极管(Dr1)的阴极及第一输出二极管(Do1)的阳极相连，第二耦合电感的第一绕组(L2a)的另一端与第二功率开关管(S2)的源极及第二箝位二极管(Dc2)的阳极和第二开关电容(Cd2)的一端相连，第二箝位二极管(Dc2)的阴极与第二箝位电容(Cc2)的一端及第二续流二极管(Dr2)的阳极相连，第二开关电容(Cd2)的另一端与第二耦合电感的第二绕组(L2b)的一端相连，第二耦合电感的第二绕组(L2b)的另一端与第一耦合电感的第三绕组(L1c)的一端相连，第一耦合电感的第三绕组(L1c)的另一端与第二续流二极管(Dr2)的阴极及第二输出二极管(Do2)的阳极相连，第一输出二极管(Do1)的阴极与第二输出二极管(Do2)的阴极及第一输出电容(Co)的一端相连，第一功率开关管(S1)的漏极和第二功率开关管(S2)的漏极与电源(Vin)的负端及第一输出电容(Co)的另一端相连，第一箝位电容(Cc1)和第二箝位电容(Cc2)的另一端共同与第一功率开关管(S1)和第二功率开关管(S2)的漏极相连，或者第一箝位电容(Cc1)和第二箝位电容(Cc2)的另一端共同与第一耦合电感的第一绕组(L1a)及第二耦合电感的第一绕组(L2a)的接点相连，或者第一箝位电容(Cc1)和第二箝位电容(Cc2)的另一端共同与第一续流二极管(Do1)及第二续流二极管(Do2)的阴极共接。上述第一耦合电感的第一绕组(L1a)与电源(Vin)正端的连接端和第一耦合电感的第二绕组(L1b)与第一开关电容(Cd1)的连接端以及第一耦合电感的第三绕组(L1c)与第二输出二极管(Do2)阳极的连接端为第一耦合电感的同名端；第二耦合电感的第一绕组(L2a)与电源(Vin)正端的连接端和第二耦合电感的第二绕组(L2b)与第二开关电容(Cd2)的连接端以及第二耦合电感的第三绕组(L2c)与第一输出二极管(Do1)阳极的连接端为第一耦合电感的同名端。
全文摘要
本发明公开的耦合电感加开关电容实现无源箝位升压型交错并联变换器，包括两个功率开关管，两个箝位二极管，两个箝位电容，两个续流二极管，两个开关电容，两个输出二极管，一个输出电容和两个耦合电感，两个耦合电感分别有三个绕组，本发明利用了两个耦合电感的漏感来实现功率开关管的零电流开通，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，可减小导通损耗，利用两个耦合电感的第二、第三绕组实现了变换器的高增益输出，利用两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，无需额外的功率开关和电感元件，电路中无能量损耗元件，结构简单。
文档编号H02M3/10GK101510726SQ200910097138
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月23日 优先权日2009年3月23日
发明者何湘宁, 李武华 申请人:浙江大学