一种高增益软开关Boost变换器

一种高增益软开关boost变换器
技术领域
1.本发明涉及一种直流
‑
直流变换器，具体涉及一种高增益软开关boost变换器。


背景技术：

2.在现有的开关电源技术中，boost外衣电路很好的实现了高电压增益，但在高增益dc/dc变换器中，为了降低变换器成本和提高变换器的功率密度，就需要提高变换器的开关管工作频率。然而，目前实现变换器的高频工作仍然有困难。主要原因是随着变换器工作频率的提高，其开关管的开关损耗也会相应的增加，进而导致变换器的工作效率降低，发热量增加。另外，散热器体积和重量也随之增加。开关频率的升高主要产生以下两个问题：
3.(1)开关损耗问题：在功率开关管开关过程中，功率开关管的电压和电流均不为零，出现交叠面积，该面积就为功率开关管的开关损耗。开关损耗与开关频率之间成线性关系，开关频率的提高之后，开关损耗会有明显的增加。
4.(2)emi(electromagnetic interference)电磁干扰效应：当变换器工作在高频率时，电压和电流变化较快，波形会出现明显的过冲，开关管会不得不产生较高的du/dt和di/dt，对电源自身和周边的电子设备会有影响，并且会有开关噪音，在开关频率的进一步提高之后，emi问题会变得更加严峻。
5.针对现今的高增益dc/dc变换器存在的问题，采用软开关技术，理论上可以将开关损耗降至零，同时能减少emi问题对电子器件的干扰。


技术实现要素：

6.本发明提供一种高增益软开关boost变换器，通过辅助电路使得功率开关管实现了零电压关断和零电流开通，降低了电路中功率开关管上的开关损耗。
7.本发明采取的技术方案为：
8.一种高增益软开关boost变换器，该变换器包括：主电路、辅助电路；
9.所述主电路包括boost变换器、至少一个外衣单元；
10.所述boost变换器包含主电感l1、功率开关管s1、二极管d1、电容c1；
11.主电感l1一端连接输入电源正极，主电感l1另一端分别连接功率开关管s1漏极、二极管d1阳极，功率开关管s1源极连接输入电源负极，二极管d1阴极连接电容c1一端，电容c1另一端连接输入电源负极；
12.所述外衣单元包含电容cn1、电容cn2、电感ln1、二极管dn1，n为自然数，且n≥1，外衣单元包含五端口：端口
①
、端口
②
、端口
③
、端口
④
、端口
⑤
；
13.电容cn1一端连接端口
①
，电容cn1另一端分别连接电感ln1一端、二极管dn1阳极，电感ln1另一端为端口
②
，二极管dn1阴极连接电容cn2一端，电容cn2另一端连接端口
③
；二极管dn1阳极为端口
④
，二极管dn1阴极为端口
⑤
；
14.端口
①
连接到boost变换器中二极管d1阳极，端口
②
连接到boost变换器中二极管d1的阴极，端口
③
连接到输入电源负极；
15.所述辅助电路包括零电流电感lr、辅助电感ls、零电压电容cs、二极管d2、d3、d4；
16.零电流电感lr一端分别连接n＝1时的外衣单元中的电容c11的一端、boost变换器中二极管d1阳极、主电感l1另一端；
17.零电流电感lr另一端连接boost变换器中功率开关管s1漏极；
18.二极管d2阴极分别连接输入电源阳极、电感l1一端；
19.二极管d2阳极分别连接零电压电容cs一端、二极管d3阴极；
20.二极管d3阳极连接辅助电感ls一端；
21.辅助电感ls另一端分别连接输入电源负极，功率开关管s1源极；
22.零电压电容cs另一端分别连接功率开关管s1源极、电感lr另一端、二极管d4阳极。
23.二极管d4阴极分别连接二极管d1阴极、电容c1一端。
24.n个外衣单元中，
25.第二外衣单元的端口
①
连接到第一外衣单元中的端口
④
，
26.第二外衣单元的端口
②
连接到第一外衣单元中的端口
⑤
，
27.第二外衣单元的端口
③
连接到输入电源负极；
28.第三外衣单元的端口
①
连接到第二外衣单元中的端口
④
，
29.第三外衣单元的端口
②
连接到第二外衣单元中的端口
⑤
，
30.第三外衣单元的端口
③
连接到输入电源负极；
31.......以此类推；
32.第n外衣单元的端口
①
连接到第n
‑
1外衣单元中的端口
④
，
33.第n外衣单元的端口
②
连接到第n
‑
1外衣单元中的端口
⑤
，
34.第n外衣单元的端口
③
连接到输入电源负极；
35.电容cn2两端分别连接负载rl两端。
36.所述功率开关管s1栅极连接pwm控制器。
37.本发明一种高增益软开关boost变换器，技术效果如下：
38.1)、在功率开关管s1导通时，由于零电流电感lr的作用，使得功率开关管s1在零电流条件下导通，消除了功率开关管s1的开通损耗。
39.2)、在功率开关管s1关断时，由于零电压电容cs的作用，使得功率开关管s1在零电压条件下关断，消除了功率开关管s1的关断损耗。
附图说明
40.图1是本发明变换器的原理总图。
41.图2是本发明含有两个外衣单元的变换器的原理图。
42.图3是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态一的原理图；
43.图4是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态二的原理图；
44.图5是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态三的原理图；
45.图6是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态四的原理图；
46.图7是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态五的原理图；
47.图8是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态六的原理图；
48.图9是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态七的原理图；
49.图10是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态八的原理图；
50.图11是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态九的原理图；
51.图12是本发明的外衣单元的结构图；
52.图13是本发明的第一外衣单元的原理图。
53.图14为功率开关管s1的驱动控制信号、输入电源uin、输出电压uo的仿真波形图。图15(1)为功率开关管s1的驱动、开关管上的电流is、开关管上的电压us仿真波形图(零电流导通)；
54.图15(2)为功率开关管s1的驱动、开关管上的电流is、开关管上的电压us仿真波形图(零电压关断)。
具体实施方式
55.一种高增益软开关boost变换器，该变换器包括：主电路、辅助电路；
56.所述主电路包括boost变换器、至少一个外衣单元；
57.所述boost变换器包含主电感l1、功率开关管s1、二极管d1、电容c1；
58.主电感l1一端连接输入电源正极，主电感l1另一端分别连接功率开关管s1漏极、二极管d1阳极，功率开关管s1源极连接输入电源负极，二极管d1阴极连接电容c1一端，电容c1另一端连接输入电源负极；
59.所述外衣单元包含电容cn1、电容cn2、电感ln1、二极管dn1，n为自然数，且n≥1，外衣单元包含五端口：端口
①
、端口
②
、端口
③
、端口
④
、端口
⑤
；
60.电容cn1一端连接端口
①
，电容cn1另一端分别连接电感ln1一端、二极管dn1阳极，电感ln1另一端为端口
②
，二极管dn1阴极连接电容cn2一端，电容cn2另一端连接端口
③
；二极管dn1阳极为端口
④
，二极管dn1阴极为端口
⑤
；
61.端口
①
连接到boost变换器中二极管d1阳极，端口
②
连接到boost变换器中二极管d1的阴极，端口
③
连接到输入电源负极；
62.所述辅助电路包括零电流电感lr、辅助电感ls、零电压电容cs、二极管d2、d3、d4；
63.零电流电感lr一端分别连接n＝1时的外衣单元中的电容c11的一端、boost变换器中二极管d1阳极、主电感l1另一端；
64.零电流电感lr另一端连接boost变换器中功率开关管s1漏极；
65.二极管d2阴极分别连接输入电源阳极、电感l1一端；
66.二极管d2阳极分别连接零电压电容cs一端、二极管d3阴极；
67.二极管d3阳极连接辅助电感ls一端；
68.辅助电感ls另一端分别连接输入电源负极，功率开关管s1源极；
69.零电压电容cs另一端分别连接功率开关管s1源极、电感lr另一端、二极管d4阳极。
70.二极管d4阴极分别连接二极管d1阴极、电容c1一端。
71.n个外衣单元中，
72.第二外衣单元的端口
①
连接到第一外衣单元中的端口
④
，
73.第二外衣单元的端口
②
连接到第一外衣单元中的端口
⑤
，
74.第二外衣单元的端口
③
连接到输入电源负极；
75.第三外衣单元的端口
①
连接到第二外衣单元中的端口
④
，
76.第三外衣单元的端口
②
连接到第二外衣单元中的端口
⑤
，
77.第三外衣单元的端口
③
连接到输入电源负极；
78.......以此类推；
79.第n外衣单元的端口
①
连接到第n
‑
1外衣单元中的端口
④
，
80.第n外衣单元的端口
②
连接到第n
‑
1外衣单元中的端口
⑤
，
81.第n外衣单元的端口
③
连接到输入电源负极；
82.电容cn2两端分别连接负载rl两端。
83.所述功率开关管s1栅极连接pwm控制器。
84.实施例：
85.如图2所示，以包含两个外衣单元为例：
86.一种高增益软开关boost变换器，包含一个传统的boost变换器、两个外衣单元和一个辅助电路。其中，传统的boost变换器包含一个主电感l1、一个功率开关管s1、一个二极管d1和一个电容c1。第一个外衣单元包含一个电感l11、两个电容c11、c12和一个二极管d11。第二个外衣单元包含一个电感l21、两个电容c21、c22和一个二极管d21。。辅助电路部分包含一个零电流辅助电感lr、一个辅助电感ls、一个零电压辅助电容cr、以及三个二极管d2、d3、d4。其电路连接关系为：
87.传统的boost变换器部分的电感l1一端连接输入电源的正极，另一端分别连接电感lr一端、二极管d1的阳极、电容c11左端；电感lr另一端分别连接功率开关管s1的源极、电容cs右端、二极管d4的阳极；电容cs左端分别连接到二极管d3的阴极、二极管d2的阳极；二极管d3的阳极连接电感ls上端；二极管d3的阴极连接输入电源的正极；二极管d1的阴极分别连接外衣电路中电感l11下端、电容c1上端；电容c1下端分别与开关s1的源极、电感ls下端和输入电源负极。
88.外衣单元如图10所示，是一个由两个电容c11和c12、一个电感l11、一个二极管d11组成的五端口的单元。电容c11的左端连接到端口
①
，右端与电感l11的上端以及二极管d11的阳极连接。电感l11的下端连接到端口
②
。二极管d11的阴极与第二个电容c12的上端连接。电容c12的下端连接到端口
③
。二极管d11的阳极为端口
④
，阴极为端口
⑤
。第一个外衣单元的端口
①
连接到boost变换器中二极管d1的阳极，端口
②
连接到二极管d1的阴极，端口
③
连接到输入电源的负极。第二个外衣单元的端口
①
连接到第一个外衣单元中二极管的阳极，端口
②
连接到第一个外衣单元中二极管的阴极，端口
③
连接到输入电源负极。第三个外衣单元的连接与第二个外衣单元的连接一致。
89.根据功率开关管s1以及二极管导通情况的不同，可以将电路的工作过程分为9个工作模态，具体情况如下：
90.模态一：
91.该模式开始时，由于零电流电感lr、电感l1上的电流大小与方向不能够突变，在zcs条件下主开关s1导通。在这种模式下，二极管d1、d3、d11、d21导通，电感l1、l11、l21放电，辅助电感ls充电，电容c11、c21、cr放电，电容c1、c12、c22充电。二极管d3导通，辅助电感ls和零电压电容cs之间开始谐振。因此，cs电压呈正弦曲线下降，ls电流呈正弦曲线上升。在该工作过程中主电感l1线性减小，零电流电感lr线性增加，辅助电感ls电流呈正弦增张，当二极管d1、d11、d21电流降低到零时，该模态结束。
92.模态二：
93.在该模态下，二极管d1、d11、d21截止，主电路中电感l1开始充电，电流线性增加。电容c1、c12、c22开始放电并，和电容c2、c11、c12充电。电感l11、lr、l21电流线性增大。辅助电感ls和零电压电容cs之间继续谐振，当辅助电路中零电压电容cs两端的电压达到负的输入电压
‑
vin时,二极管d2开始在zvs条件下导通，cr电压被钳位在这个水平，该模态结束。
94.模态三：
95.在该模态下，由于电感ls在与零电压电容cs谐振过程中，电感ls上流过电流会有能量储存。当电容cs上电压达到负的输入电压
‑
vin时，电感ls会通过二极管d2续流将能量反馈到输入电源。主电路中元器件的工作状态和上一模态相同。当电感ls电流降为零，二极管d2截止时，该模态结束。
96.模态四：
97.在该模态下，辅助电路停止动作。主电路中元器件的工作状态和上一模态相同，负载由c22继续供电。在功率开关管s1关断时，该模态结束。
98.模态五：
99.在模态五时，由于零电压cs的存在，功率开关管s1在zvs下被关断。在这种模式下，主电路中元器件的工作状态和上一模态相同，负载由c22继续供电。电感l1电流线性放电cs，当vcs达到零时,电感l1电流线性充电cs。当vcs达到vc1
‑
vin时，二极管d4开始在zvs条件下导通，cr电压被钳位在这个水平，该模态结束。
100.模态六：
101.当二极管d4导通时，模态六开始，二极管d4开始在zvs条件下导通，电感l1的电流通过lr、d4、c1、d4和uin。l11的电感电流流过c11、lr、d4。l21的电感电流分成两路，首先流过c21、c11、lr、d4和c1，然后流过d21、输出级(c22//rl)和c12。c1、c12、c22充电，c11、c21充电，所有感应器电流均下降。当电容c21电流降低到零时，该模态结束。
102.模态七：
103.当电容c21电流降低到零时，模态七开始，在该模态下，电容c21电流反向增大，l11的电感电流分成两路，首先流过c11、lr和d4。再流过c21、d21和输出级(c22//rl)。其余电感电流状态与上一模态相同，c1、c21和c22充电，c11、c12放电，所有感应器电流均下降。当电容c11电流降低到零时，该模态结束。
104.模态八：
105.当电容c11电流降低到零时，模态八开始，在该模态下，电容c11电流反向增大，l1的电感电流分成两路，首先流过lr、d4和c1。再流过c11、c21和输出级(c22//rl)。l11的电感电流流过c21、d21、输出级(c22//rl)和c1。其余电感电流状态与上一模态相同，c1、c11、c21和c22充电，c12放电，所有感应器电流均下降。当当电感lr电流降低到零时，该模态结束。
106.模态九：
107.当电感lr电流降低到零时，模态九开始，在该模态下，电容c1、c12、c22开始充电，电容c11、c21开始放电。电感l1上的电流开始线性减小。当功率开关管s1导通的时候，该模态结束。
108.仿真参数：
109.开关频率f为50k，输入电源u
in
为20v，输出电压u
o
为200v，功率开关管s1的占空比
为0.75，额定功率po为200w。
110.图14为功率开关管s1的驱动控制信号、输入电源uin、输出电压uo的仿真波形图。可以看到，上述电路实现了设计所需要的高增益要求。
111.图15(1)、图15(2)为功率开关管s1的驱动、开关管上的电流is、功率开关管s1上的电压us仿真波形图。从仿真波形中可以看出，辅助电路实现了功率开关管零电流导通和零电压关断的功能。
112.本发明实现了功率开关管的零电压关断和零电流导通，消除了功率开关管s1上的开关损耗，从而可以提高功率开关管s1的开关频率。