專利名稱：采用LCD無損吸收電路和具有耦合繞組的升壓電感的隔離Boost變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的采用LCD無損吸收電路和具有耦合繞組的升壓電感的隔離Boost的變換器屬電力電子功率變換技術(shù)。
背景技術(shù)：
針對低電壓大電流輸入場合，目前推挽正激電路是一種比較理想的拓?fù)?。推挽正激電路克服了推挽和正激電路的缺點，具有可抑制偏磁和輸入電流脈動減小的優(yōu)點，但該電路仍然存在以下問題①輸入電流脈動對供電電源(如蓄電池、燃料電池、光伏電池等)的影響大，若在供電電源端采用平波電容器，則電容器損耗大；②變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜；③每個開關(guān)管的占空比小于50％，電流有效值較大。
與推挽正激變換器相比，隔離型的Boost變換器(如附圖1所示)有著明顯的優(yōu)勢①輸入電流連續(xù)，簡化了輸入濾波器的設(shè)計，同時減小了輸入平波電容器上的損耗；②變壓器的副邊繞組匝數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡單；③重載工作時，每個開關(guān)管的占空比大于50％，電流有效值減小。
但在實際應(yīng)用中，由于變壓器原邊漏感的存在，開關(guān)管關(guān)斷時，漏源電壓尖峰很大，同時啟動時沖擊電流很大。
為了解決隔離型Boost變換器存在著的上述問題，在實際電路中通常采用附圖2所示的電路。
附圖2陰影部分是由Rs、Cs、Ds1和Ds2構(gòu)成的吸收電路。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，吸收電路可以吸收變壓器原邊較高的電壓尖峰，從而保護(hù)開關(guān)管。當(dāng)兩開關(guān)管同時關(guān)斷時，升壓電感L1、L2中電流可以分別流過Ds1、Ds2，經(jīng)Rs形成回路，因此該電路允許兩開關(guān)管同時關(guān)斷。啟動時，一周期內(nèi)儲存在電感中的多余能量可以消耗于吸收電路上，保證電路的正常工作。
上述解決方案電路簡潔，實現(xiàn)比較簡單，但由于吸收電路中的Cs電壓的存在，與之相并聯(lián)的Rs一直消耗能量，因此對于整機(jī)的效率存在的較大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)隔離型Boost變換器的軟開關(guān)，減小功率器件的電壓電流應(yīng)力，提高變換器的效率和工作可靠性。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是①采用LCD無損吸收電路，可以實現(xiàn)功率管的零電壓關(guān)斷；②將升壓電感設(shè)計成反激變壓器型式，在功率管占空比小于0.5時，將升壓電感中能量回饋到電源，從而降低了功率管的電壓應(yīng)力；③反激變壓器型式的升壓電感可以有效限制沖擊電流，實現(xiàn)軟啟動。
本發(fā)明的組成是電源正負(fù)極兩端分別連于由兩個升壓電感各自串聯(lián)功率開關(guān)管所構(gòu)成的兩路對稱的串聯(lián)電路，兩個升壓電感負(fù)端分別連于主變壓器原邊繞組兩端，主變壓器副邊繞組的輸出連于整流濾波電路，其特點是兩個緩沖電容分別并聯(lián)在由功率開關(guān)管、諧振電感和續(xù)流二極管的串聯(lián)電路上形成兩個回路后再各自經(jīng)隔離二極管連于電源正極構(gòu)成兩路對稱的LCD無損吸收電路；在升壓電感上繞有耦合繞組，該耦合繞組串聯(lián)續(xù)流二極管后并接于輸入電源兩端。
本發(fā)明的隔離型Boost變換器電路，兩個功率管的開關(guān)信號錯開二分之一開關(guān)周期，設(shè)計占空比大于50％。兩路對稱的LCD無損吸收電路用于實現(xiàn)功率管的零電壓關(guān)斷。由于啟動時可能出現(xiàn)功率管的實際占空比小于50％，升壓電感設(shè)計為反激變壓器型式，用于在兩個功率管均不導(dǎo)通時將升壓電感儲存的能量反饋到輸入電源，從而避免啟動時的輸入沖擊電流過大。為了提高變換器的效率，穩(wěn)態(tài)工作時，一個開關(guān)周期內(nèi)，升壓電感(變壓器)原邊中能量應(yīng)完全提供給負(fù)載，而副邊(耦合繞組)不會把能量回饋到輸入電源，因此設(shè)計反激變壓器的匝比要保證正常工作時變壓器副邊電壓小于輸入電源電壓，由于續(xù)流二極管的作用，此時反激變壓器副邊不參與工作。
本發(fā)明的電路方案具有很高的實用價值，適用于以電池作為能源的直流變換器場合，如燃料電池應(yīng)用、光伏電源、電動汽車、航空靜止變流器、通信逆變電源等應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1是隔離型的Boost變換器示意圖。
圖2是采用RCD吸收電路的隔離型Boost變換器示意圖。
圖3是采用LCD無損吸收電路和具有耦合繞組的升壓電感的隔離Boost變換器主電路原理圖。
圖4是本發(fā)明的工作原理波形圖。
圖5是本發(fā)明的開關(guān)狀態(tài)的等效電路圖。
上述圖中的主要符號名稱L1、L2——反激變壓器型式的升壓電感，Q1、Q2——功率開關(guān)管，T——主變壓器，Lr1、Lr2——諧振電感，Cr1、Cr2——緩沖電容，Dr1、Dr2、Df1、Df2——續(xù)流二極管，Ds1、Ds2——隔離二極管，D1～D4——整流二極管，Cf——濾波電容，R——負(fù)載，Vin——電源。
具體實施例方式
由圖3可知，本發(fā)明主電路的組成是電源Vin正負(fù)極兩端分別連于由升壓電感L1串聯(lián)功率開關(guān)管Q1的串聯(lián)電路和由升壓電感L2串聯(lián)功率開關(guān)管Q2的串聯(lián)電路；兩個升壓電感L1與L2的負(fù)端分別連于主變壓器原邊繞組正負(fù)端，主變壓器副邊繞組的輸出連于由整流二極管D1～D4與濾波電容Cf所組成的整流濾波電路，其特點是緩沖電容Cr1并聯(lián)在由功率開關(guān)管Q1、諧振電感Lr1和續(xù)流二極管Dr1的串聯(lián)電路上構(gòu)成回路后經(jīng)隔離二極管Ds1連于電源Vin正極組成一路無損吸收電路；緩沖電容Cr2并聯(lián)在由功率開關(guān)管Q2、諧振電感Lr2和續(xù)流二極管Dr2的串聯(lián)電路上構(gòu)成回路后經(jīng)隔離二極管Ds2連于電源Vin正極組成另一路無損吸收電路；在升壓電感L1上繞有耦合繞組，該耦合繞組串聯(lián)續(xù)流二極管Df1后并接于輸入電源兩端以及在升壓電感L2上繞有耦合繞組，該耦合繞組串聯(lián)續(xù)流二極管Df2后并接于輸入電源兩端。
升壓電感(反激變壓器)的原邊(升壓繞組)與副邊(耦合繞組)變比為k∶1，其中k的確定原則是①電感設(shè)計為反激變壓器型式，以保證在開關(guān)管同時關(guān)斷時對原邊升壓電感中電流進(jìn)行續(xù)流。續(xù)流過程中，反激變壓器副邊電壓為Vin，則原邊電壓為kVin(k為反激變壓器的變比)，此時開關(guān)管的電壓應(yīng)力為(1+k)Vin。
②開關(guān)管導(dǎo)通而另一開關(guān)管關(guān)斷時，開關(guān)管上電壓應(yīng)力為 (n為主變壓器變比)，升壓電感原邊電壓為 為了保證此時升壓電感的副邊不參與工作，應(yīng)滿足條件1k(Von-Vin)<Vin.]]>主變壓變比為1∶n，其中n由下式確定。
Vo=n1-DVin---(D>0.5)]]>下面敘述本發(fā)明的工作原理。
假設(shè)①所有的開關(guān)管、二極管均為理想器件。
②反激變壓器原邊電感量(副邊開路時的電感量)L1、L2足夠大，在一個開關(guān)周期中，其電流基本保持不變，這樣流過升壓電感的電流可以看成電流為 的恒流源。
③L1＝L2＝L，Cr1＝Cr2＝Cr，Lr1＝Lr2＝Lr，主變壓器原邊漏感值為Lσ。主要工作波形如附圖4所示。在一個開關(guān)周期T中，該變換器有14種開關(guān)模態(tài)，其等效電路如附圖5所示。
1、開關(guān)模態(tài)1(t0，t1) 對應(yīng)圖5(a)，緩沖電容充電
t0時刻以前，開關(guān)管Q1、Q2同時導(dǎo)通，主變壓器原邊繞組沒有電流流過，緩沖電容Cr1上的電壓為-Vin，其大小后面將會解釋。
在t0時刻，開關(guān)管Q1關(guān)斷，升壓電感原邊中電流由開關(guān)管Q1轉(zhuǎn)到緩沖電容Cr1、隔離二極管Ds1中，形成回路。此時電感電流 對緩沖電容充電，緩沖電容和開關(guān)管兩端電壓線性增大。即vCrl(t)=IS2Cr(t-t0)+(-Vin)---(1)]]>vds(t)=vCrl(t)+Vin=IS2Cr(t-t0)---(2)]]>當(dāng)開關(guān)管兩端電壓增大到 時，開關(guān)模態(tài)1結(jié)束。它的持續(xù)時間為t01=2VOCrnIS]]>在此開關(guān)模態(tài)中，緩沖電容Cr1限制了開關(guān)管Q1的電壓上升率，因此開關(guān)管Q1是零電壓關(guān)斷。
2、開關(guān)模態(tài)2(t1，t2) 對應(yīng)圖5(b)，緩沖電容和主變壓器原邊漏感諧振t1時刻，vds(t1)=VOn,]]>主變壓器原邊電流ip從0開始增加，同時變壓器副邊開始有電流流過，能量由原邊向副邊傳遞，直到ip增加到 此模態(tài)結(jié)束。在此模態(tài)中，緩沖電容和變壓器原邊漏感Lσ諧振工作。分析工作狀態(tài)可得Lσdipdt+VOn-Vin=vCrl(t)]]>CrdvCrl(t)dt=Is2-ip(t)]]>VCrl(t1)=VOn-Vin]]>由此可得，變壓器原邊電流和緩沖電容電壓分別為ip(t)=Is2[1-cosω1(t-t1)]---(3)]]>vCrl(t)=(VOn-Vin)+IsZ12sinω1(t-t1)---(4)]]>vds(t)=vCrl(t)+Vin=VOn+IsZ12sinω1(t-t1)---(5)]]>
式中ω1=1/LσCr,]]>是變壓器原邊漏感與緩沖電容的諧振角頻率；Z1=Lσ/Cr,]]>是變壓器原邊漏感與緩沖電容的特征阻抗；T1=2πLσCr,]]>是變壓器原邊漏感與緩沖電容的諧振周期。
經(jīng)過 達(dá)到t2時刻，主變壓器原邊電流為 緩沖電容上電流ic為零，由于隔離二極管Ds1的作用，ic不可反向，緩沖電容和原邊漏感諧振過程結(jié)束。
開關(guān)模態(tài)2的持續(xù)時間為t12=14T1=πLσCr2]]>VCrl(t2)=VOn-Vin+IsZ12]]>Vds(t2)=VCrl(t2)+Vin=VOn+IsZ12]]>(注開關(guān)管的輸出結(jié)電容容值與緩沖電容容值相比，可以忽略不計，因此分析時沒有考慮開關(guān)管的結(jié)電容參與工作。)3、開關(guān)模態(tài)3(t2，t3) 對應(yīng)圖5(c)，能量傳輸t2時刻起，主變壓器原邊電流為恒定電流 漏感上電壓為零，開關(guān)管上電壓為 能量由原邊向副邊傳輸。
在此模態(tài)中緩沖電容處于開路狀態(tài)，其電壓保持不變。
vCrl(t)=VCrl(t2)=VOn-Vin+IsZ12---(6)]]>當(dāng)開關(guān)管Q1再次導(dǎo)通時，開關(guān)模態(tài)3結(jié)束。它的持續(xù)時間為t23＝(1-D)T-t01-t124、開關(guān)模態(tài)4(t3，t4) 對應(yīng)圖5(d)，功率管換流t3時刻，開關(guān)管Q1再次導(dǎo)通，恒流源 開始由變壓器原邊轉(zhuǎn)到開關(guān)管Q1中。分析工作狀態(tài)可得vds(t)＝0Lσdipdt+VOn=vds(t)]]>Ip(t3)=Is2]]>
由此可得主變壓器原邊電流為ip(t)=Is2-VOnLσ(t-t3)---(7)]]>當(dāng)主變壓器原邊電流ip為零時，開關(guān)模態(tài)4結(jié)束。它的持續(xù)時間為t34=nIsLσ2VO]]>5、開關(guān)模態(tài)5(t3，t5)對應(yīng)圖5(e)，緩沖電容與諧振電感諧振t3時刻，開關(guān)管Q1導(dǎo)通的同時，緩沖電容Cr1經(jīng)開關(guān)管Q1與諧振電感Lr1、續(xù)流二極管Dr1構(gòu)成回路，Cr1與Lr1諧振。諧振電感上的電流和緩沖電容上的電壓為iLrl(t)=VCrl(t2)Z2sinω2(t-t3)---(8)]]>vCrl(t)=VCrl(t2)cosω2(t-t3)---(9)]]>式中ω2=1/LrCr,]]>是諧振電感Lr1與緩沖電容Cr1的諧振角頻率；Z2=Lr/Cr,]]>是諧振電感Lr1與緩沖電容Cr1的特征阻抗；T2=2πLrCr,]]>是諧振電感Lr1與緩沖電容Cr1的諧振周期。
當(dāng)VCrl(t5)=-Vin]]>時，Dr1導(dǎo)通，Cr1與Lr1停止諧振，開關(guān)模態(tài)5結(jié)束。
VCrl(t5)=VCrl(t2)cosω2(t5-t3)=-Vin]]>此模態(tài)持續(xù)時間為t35=1ω2cos-1(-VinVCrl(t2))=1ω2[π-cos-1(VinVCrl(t2))]]]>在這段時間里，諧振電感的最大電流為ILrlmax=VCrl(t2)/Z2,]]>開關(guān)管Q1流過的電流為變壓器原邊轉(zhuǎn)到開關(guān)管Q1中電流與諧振電感電流之和，即iQ1(t)=Is2-ip(t)+iLrl(t)]]>開關(guān)管Q1中最大電流為IQ1max=Is2+VCrl(t2)Z2.]]>這里要說明的時，開關(guān)模態(tài)4和開關(guān)模態(tài)5在t3時刻同時發(fā)生，開關(guān)模態(tài)4的持續(xù)時間t34可以大于、等于或小于開關(guān)模態(tài)5的持續(xù)時間t35。
當(dāng)兩開關(guān)模態(tài)持續(xù)時間相等，即t35=nIsLσ2VO=t35=1ω2[π-cos-1(VVCrl(t2))]]]>時，必須滿足ω2=1/LrCr=π-cos-1(VinVCrl(t2))nIsLσ2VO.]]>諧振電感Lr和緩沖電容Cr的取值決定了開關(guān)模態(tài)4和開關(guān)模態(tài)5結(jié)束時間的先后。當(dāng)1/LrCr<π-cos-1(VinVCrl(t2))nIsLσ2VO]]>時，開關(guān)模態(tài)4的持續(xù)時間小于開關(guān)模態(tài)5的持續(xù)時間；當(dāng)1/LrCr=π-cos-1(VinVCrl(t2))nIsLσ2VO]]>時，開關(guān)模態(tài)4的持續(xù)時間等于開關(guān)模態(tài)5的持續(xù)時間；當(dāng)1/LrCr>π-cos-1(VinVCrl(t2))nIsLσ2VO]]>時，開關(guān)模態(tài)4的持續(xù)時間大于開關(guān)模態(tài)5的持續(xù)時間。
工作原理波形附圖4中是以開關(guān)模態(tài)4的持續(xù)時間小于開關(guān)模態(tài)5的持續(xù)時間為例。
6、開關(guān)模態(tài)6(t5，t6)對應(yīng)圖5(f)，諧振電感放電t5時刻，VCrl(t5)=-Vin,]]>Ds1導(dǎo)通，Lr1、Dr1、Ds1與電源Vin形成回路，儲存在諧振電感Lr1中的能量反饋到電源。在此模態(tài)中LrdiLr1dt+Vin=0]]>iLrl(t5)=VCrl(t2)Z2sinω2t35=VCrl(t2)Z2sin[cos-1(VinVCrl(t2))]]]>因此，諧振電感中電流線形下降iLrl(t)=VCrl(t2)Z2sin[cos-1(VinVCrl(t2))]-VinLr(t-t5)---(10)]]>當(dāng)諧振電感Lr1中電流減小到零，即諧振電感Lr1中儲存的能量全部反饋到電源時，開關(guān)模態(tài)6結(jié)束，在此開關(guān)模態(tài)中，由于Ds1的作用，緩沖電容Cr1上電壓保持不變，恒定為-Vin。開關(guān)模態(tài)6持續(xù)時間為
t56=VCrl(t2)Z2sin[cos-1(VinVCrl(t2))]VinLr]]>7、開關(guān)模態(tài)7(t6，t7)對應(yīng)圖5(g)t6時刻，諧振電感Lr1上電流為零，緩沖電容Cr1上電壓VCrl(t)=-Vin,]]>LCD緩沖電路停止工作。兩個恒流源分別通過開關(guān)管Q1、Q2與電源形成回路。
當(dāng)開關(guān)管Q2關(guān)斷時，開關(guān)模態(tài)7結(jié)束。它的持續(xù)時間為t67=(D-12)T-t35-t56]]>t7時刻開始，開關(guān)管Q2關(guān)斷，進(jìn)入下半個開關(guān)周期。下半個開關(guān)周期的工作模態(tài)和上半個周期基本相同，不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種采用LCD無損吸收電路和具有耦合繞組的升壓電感的隔離Boost變換器主電路的組成是電源(Vin)正負(fù)極兩端分別連于由升壓電感(L2)串聯(lián)功率開關(guān)管(Q1)的串聯(lián)電路和由升壓電感(L2)串聯(lián)功率開關(guān)管(Q2)的串聯(lián)電路；兩個升壓電感(L1與L2)的負(fù)端分別連于主變壓器原邊繞組正負(fù)端，主變壓器副邊繞組的輸出連于由整流二極管(D1～D4)與濾波電容(Cf)所組成的整流濾波電路，其特點是緩沖電容(Cr1)并聯(lián)在由功率開關(guān)管(Q1)、諧振電感(Lr1)和續(xù)流二極管(Dr1)的串聯(lián)電路上構(gòu)成回路后經(jīng)隔離二極管(Ds1)連于電源(Vin)正極組成一路無損吸收電路；緩沖電容(Cr2)并聯(lián)在由功率開關(guān)管(Q2)、諧振電感(Lr2)和續(xù)流二極管(Dr2)的串聯(lián)電路上構(gòu)成回路后經(jīng)隔離二極管(Ds2)連于電源(Vin)正極組成另一路無損吸收電路；在升壓電感(L1)上繞有耦合繞組(L1′)，該耦合繞組串聯(lián)續(xù)流二極管(Df1)后并接于輸入電源(Vin)兩端以及在升壓電感(L2)上繞有耦合繞組(L2′)，該耦合繞組串聯(lián)續(xù)流二極管Dt2后并接于輸入電源(Vin)兩端。
全文摘要
一種采用LCD無損吸收電路和具有耦合繞組的升壓電感的隔離Boost變換器屬電力電子功率變換器。其主電路的組成是升壓電感(L
文檔編號H02M3/335GK1564442SQ20041001444
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月25日
發(fā)明者謝少軍, 李飛 申請人:南京航空航天大學(xué)