专利名称：一种软开关升压型dc-dc变换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种软开关升压型直流-直流变换器及其控制方法，属于电能变换领域。
背景技术：
升压型直流-直流变换器采用高频斩波技术，将较低的直流电压提升到较高的直流电压，在燃料电池、光伏发电系统中获得了广泛应用。但是传统电路采用硬开关的工作方式，在功率开关器件以及功率二极管的导通和关断过程中，产生较大的开关损耗，由于开关频率很高，造成系统效率下降，不利于降低损耗、体积和成本。近几年提出的软开关技术，即通过附加有源或无源缓冲电路，使主电路的功率开关器件和功率二极管在零电压、零电流时导通或者关断，进而降低开关损耗，提高系统效率。一种现有方案的原理如图1所示，是在主电路上附加一辅助电路来实现主开关的零电压开通。这种方案不能实现辅助电路中的功率开关器件的软开关，而且在主功率回路串联谐振电感，造成损耗加大，谐振电感的容量也要和主回路的滤波电感相一致，因此造成其效率低、成本和体积均有所增加。专利“直流变换器功率开关管的软开关方法和软开关直流变换器(授权公告号CN1123962C)”公开了一种软开关方案(如图2所示)，其原理是在直流变换器的基础上增加辅助功率开关管、谐振电容、谐振电感，三者与主功率开关管S构成谐振回路，在主、辅功率开关管上分别反向并联一个二极管，且在主功率开关管上并联一个充放电电容。利用上述谐振回路的谐振特性、谐振电感电流不能突变的特性以及充放电电容电压不能突变的特性，并通过脉宽调制电路控制主、辅助功率开关管周期性地开通和关断， 实现开关管的零电压电流开、零电压关。辅助功率开关管的零电流开、零电压关，以及整流二极管的零电压关，进而有效提高了系统效率。但是这种方案同样存在功率回路中串联谐振电感的问题，同时其需要的辅助器件较多，上述因素造成其在体积和成本方面的劣势。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种软开关升压型DC-DC变换器及其控制方法，解决现有直流-直流变换器存在的主开关器件的开关损耗大、附加的软开关电路体积大、成本高的问题。本发明上述第一个目的，一种软开关升压型DC-DC变换器，其特征在于所述变换器的结构组成包括电容Ci、C2、C3,滤波电感Li、L2,开关器件Si、S2, 二极管Dp D2、D3,直流电压检测电路，驱动电路以及控制器；其连接结构为变换器输入端的滤波电容C1与直流电源正、负极相并联；滤波电感！^的一端与直流电源正极、C1的一端以及开关器件&的功率输出端相连；滤波电感L1的另一端与二极管D1的正极、二极管D3的正极以及开关器件S1的功率输入端相连；二极管D1 的负极与变换器的输出端正极以及滤波电容C3的一端相连；二极管D3的负极与电容C2的一端、电感L2的一端相连；电感L2的另一端与二极管&的正极相连，二极管&的负极与开关器件&的功率输入端相连；变换器输入端的直流电源负极与输出端的电源负极和电容C2 的另一端、开关器件S1的功率输出端以及电容C3的另一端相连；直流电压检测电路的输入端连接电容C3的两端，且直流电压检测电路的输出端连接控制器的模拟量输入接口，控制器的输出端连接驱动电路，驱动电路的一个输出端连接开关器件S1的信号端，另一个输出端连接开关器件&的信号端。进一步地，上述开关器件S1A2为全控性功率器件，二极管Dp D2、D3为快恢复型功
率二极管。本发明上述第二个目的，一种软开关升压型DC-DC变换器的控制方法，其特征在于设置采样周期，并在每个采样周期中，执行如下步骤步骤I、首先开通开关器件& ；步骤II、设定时间、，在&的导通时间等于、时，开通开关器件S1 ；步骤III、在控制器中，设置变换器的输出电压参考值，采集直流电压检测电路的输出信号，经过AD转换，获得与变换器输出电压成比例的数字量信号，再用变换器的输出电压参考值减去与变换器输出电压成比例的数字量信号，其结果经过比例-积分调制后， 再乘以采样周期值，获得开关器件S1的开通时间；步骤IV、在开关器件S1的开通时间与步骤III的结果相同时，关断开关器件S1和
S2 ；并且，在后续的每一个采样周期到来时，重复步骤I至步骤IV。本发明软开关升压型DC-DC变换器的应用实施，其突出效果为通过在原有的直流直流变换器中引入软开关电路，实现了主开关器件在开关过程的零电压、零电流运行，有效减小了功率损耗，降低了发热，提高了系统效率，可以提高运行功率、提高其集成度，同时本方案无需在主功率回路串联谐振器件或附加开关电路，相应引入的附加损耗也小。以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
图1是现有技术一种变换器的原理图；图2是现有技术另一种变换器的原理图；图3是本发明变换器的原理图；图4是直流电压检测电路的原理示意图；图5是驱动电路的原理示意图；图6是控制器的原理示意图；图7是本发明变换器在一个采样周期中实现控制的流程示意图；图8是本发明变换器在一个采样周期内的工作波形示意图。
具体实施例方式下面结合图3至图8所示的变换器原理图、一个采样周期中实现控制的流程示意图以及一个采样周期内的工作波形示意图，进一步说明本发明的一种软开关升压型DC-DC
4变换器及其控制方法。图3是本发明实施例的结构示意图，其组成包括滤波电容CpCyC3, 滤波电感L”L2，开关器件S”S2，二极管Di、D2、D3，直流电压检测电路，驱动电路以及控制器；变换器输入端的滤波电容C1，与输入端的直流电源正、负极相并联；滤波电感L1的一端与变换器输入端的直流电源正极、C1的一端以及开关器件&的功率输出端相连，滤波电感L1的另一端与二极管D1的正极、二极管D3的正极以及开关器件S1的功率输入端相连； 二极管D1的负极与变换器的输出端以及滤波电容C3的一端相连；二极管D3的负极与电容 C2的一端、电感L1的一端相连；电感L2的另一端与二极管A的正极相连，二极管A的负极与开关器件&的功率输入端相连；变换器输入端的直流电源负极与输出端的电源负极和电容(2的另一端、开关器件S1的功率输出端以及电容仏的另一端相连；直流电压检测电路的输入端连接电容C3的两端，用于检测变换器的输出电压，直流电压检测电路的输出端连接控制器的模拟量输入接口，控制器的输出端连接驱动电路，驱动电路的一个输出端Gs,连接开关器件S1的信号端，另一个输出端Gs2连接开关器件&的信号端，分别用于控制开关器件 S1和&的导通与关断。其中，电感L1是功率回路的滤波电感，和二极管D1、开关器件S1、电容C3构成直流升压变换器。电感L2是辅助缓冲电路的滤波电感，和电容C2、二极管D2、开关器件&构成缓冲回路。二极管D3用于防止开关器件S1导通时电容C2的正负极短路。其中开关器件S” S2为全控性功率器件，二极管D” D2、D3为快恢复型功率二极管。此外，其中直流电压检测电路由电阻RDCl和电阻RDC2串联组成，如图4所示。 RDCl的一端与直流电压输出端的正极(即变换器输出端的电源正极)相连，另一端与RDC2 的一端和控制器的输入端相连，RDC2的另一端与直流电压输出端的负极(即变换器输出端的电源负极)相连。该直流电压检测电路是利用电阻串联分压的原理，将直流电压转换为与其成正比的弱电信号。驱动电路包括电路1和电路2，如图5所示，电路1用于驱动开关管Si，电路2用于驱动开关管S2 ；电路1采用驱动芯片1，其型号为IR2110，驱动芯片1的输入端(12脚) 与控制器的第一输出端相连，驱动芯片1的输出端(1脚)与开关管Sl的信号端相连；电路 2采用驱动芯片2，其型号为IR2110，驱动芯片2的输入端(12脚)与控制器的第二输出端相连，驱动芯片2的输出端(1脚)与开关管S2的信号端相连。控制器包括单片机1和外围电路，其原理图如图6所示。型号可选之一为PIC公司的单片机30F2010。外围电路包括时钟电路和复位电路。时钟电路用于为单片机提供时钟信号，包括晶振Xl和电容CX1，CX2。电容CXl的一端和CX2的一端以及控制器的电源地相连，电容CXl的另一端与晶振Xl的一端以及单片机1的第一时钟输入端相连，电容CX2的另一端与晶振Xl的另一端以及单片机1的第二时钟输入端相连。复位电路用于为单片机 1在上电时提供复位信号，包括电阻RSl和电容CS1，电阻RSl的一端与控制器的电源正极相连，电阻RSl的另一端与电容CSl的一端以及单片机1的复位信号输入端相连，电容CSl 的另一端与控制器的电源地相连。 上述软开关升压型直流-直流变换器的控制方法，其控制流程如图7所示，设置采样周期，在每个采样周期中，包括如下步骤I、首先开通开关器件II、设定时间、，在&的导通时间等于、时，开通开关器件S1 ；
III、在控制器中，设置变换器的输出电压参考值，采集直流电压检测电路的输出信号，经过AD转换，获得与变换器输出电压成比例的数字量信号，再用变换器的输出电压参考值减去与变换器输出电压成比例的数字量信号，其结果经过比例-积分调节后，再乘以采样周期值，获得开关器件S1的开通时间；IV、在开关器件S1的开通时间与步骤三的结果相同时，关断开关器件S1和& ；在后续的每个采样周期到来时，重复步骤I至步骤IV。下面具体分析在一个采样周期内的工作过程。分为四个过程，图8给出了本发明所提出方案的工作波形原理图。第一个过程，在每个采样周期开始时刻，首先开通开关器件 S2，对应的驱动信号&变为高电平，由于此时电容C2两端的电压高于输入电源电压，电容C2 将经过电感L2、二极管D2、开关器件&向输入侧的电容C1反向充电，随着时间延长，反向电流i2逐渐减小直至到零，此段时间对应为、；第二个过程，开通开关器件S1,对应的驱动信号&变为高电平，输入侧的直流电源、电感L1和开关器件S1构成回路，产生电流ilt)流过开关器件S1的电流I1由于电感L1的存在，由零逐渐增加，实现开关器件S1的零电流开通，对应的S1的导通时间为直流电压闭环调节器输出的时间t。n;第三个过程，流过电感L1和开关器件S1的电流I1持续增加；第四个过程，在S1的导通时间等于t。n时，关断开关器件S1，对应的驱动信号变为低电平，流过电感L1的电流一部分经过二极管D3为电容C2充电，开关器件S1两端的电压％逐渐升高，可近似开做零电压关断，有效降低了关断过程的电压变化应力，降低了关断损耗，此段时间对应为t2。最后一个过程为电容C3的充电过程，对应的时间为本采样周期的剩余时间t。ff，流过电感L1的电流另一部分经过二极管D1为输出侧的电容仏充电，实现升压控制，同时，关断开关器件&，对应的驱动信号^^变为低电平，由于此时流过开关器件&的电流为零，因此实现了开关器件&的零电流关断。由图可知，在主功率开关器件的开关过程中，实现了零电压、零电流工作，进而提高了系统效率。而且本方案无需在主回路中串联谐振器件，所有辅助软开关电路的器件的容量都可以选的较低，这样大大降低了辅助软开关电路的损耗、体积和成本，进而提高了系统效率，并有利于系统的高集成化和高功率密度设计，使其适应于更加严格的应用场合。
权利要求
1.一种软开关升压型DC-DC变换器，其特征在于所述变换器的结构组成包括电容C” C2、C3，滤波电感Li、L2，开关器件Si、S2，二极管Dp D2、D3，直流电压检测电路，驱动电路以及控制器；其连接结构为变换器输入端的滤波电容C1与直流电源正、负极相并联；滤波电感L1 的一端与直流电源正极、C1的一端以及开关器件&的功率输出端相连；滤波电感L1的另一端与二极管D1的正极、二极管D3的正极以及开关器件S1的功率输入端相连；二极管D1的负极与变换器的输出端正极以及滤波电容C3的一端相连；二极管D3的负极与电容C2的一端、电感L2的一端相连；电感L2的另一端与二极管&的正极相连，二极管&的负极与开关器件&的功率输入端相连；变换器输入端的直流电源负极与输出端的电源负极和电容C2的另一端、开关器件S1的功率输出端以及电容C3的另一端相连；直流电压检测电路的输入端连接电容C3的两端，且直流电压检测电路的输出端连接控制器的模拟量输入接口，控制器的输出端连接驱动电路，驱动电路的一个输出端gA连接开关器件S1的信号端，另一个输出端^^2连接开关器件&的信号端。
2.根据权利要求1所述的一种软开关升压型DC-DC变换器，其特征在于开关器件S” S2为全控性功率器件，二极管Di、D2、D3为快恢复型功率二极管。
3.一种软开关升压型DC-DC变换器的控制方法，其特征在于设置采样周期，并在每个采样周期中，执行如下步骤步骤I、首先开通开关器件步骤II、设定时间、，在&的导通时间等于、时，开通开关器件S1 ；步骤III、在控制器中，设置变换器的输出电压参考值，采集直流电压检测电路的输出信号，经过AD转换，获得与变换器输出电压成比例的数字量信号，再用变换器的输出电压参考值减去与变换器输出电压成比例的数字量信号，其结果经过比例-积分调制后，再乘以采样周期值，获得开关器件S1的开通时间；步骤IV、在开关器件S1的开通时间与步骤III的结果相同时，关断开关器件S1和& ；并且，在后续的每一个采样周期到来时，重复步骤I至步骤IV。
全文摘要
本发明揭示了一种软开关升压型DC-DC变换器及其控制方法，其组成包括滤波电容C1、C2、C3，滤波电感L1、L2，开关器件S1、S2，二极管D1、D2、D3，直流电压检测电路、驱动电路以及控制器；其中电感L2和电容C2、二极管D2、开关器件S2构成缓冲回路。并在每个采样周期首先开通开关器件S1，利用辅助缓冲回路实现主功率回路开关器件S1的软开关。本发明变换器的应用实施，无需在主功率回路额外放置辅助元件，有效降低了系统损耗、体积和成本。
文档编号H02M3/155GK102170226SQ20111009872
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者卜树坡, 吴冬燕, 曹建东, 章雯, 钱涛 申请人:苏州工业职业技术学院