一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器，包括一個輸入電感，一個功率開關(guān)管，一個箝位開關(guān)管，兩個倍壓二極管，兩個輸出二極管，一個箝位電容，一個隔直電容，兩個倍壓電容，兩個輸出電容和一個帶有兩個繞組的內(nèi)置變壓器，本實用新型利用內(nèi)置變壓器來拓展變換器的電壓增益和降低功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，利用內(nèi)置變壓器的漏感實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和抑制二極管的反向恢復(fù)電流，箝位開關(guān)管和箝位電容組成的箝位電路有效吸收了功率開關(guān)管關(guān)斷時的電壓尖峰和實現(xiàn)了能量的無損轉(zhuǎn)移，利用倍壓電路結(jié)構(gòu)進一步提高了變換器的增益，并進一步降低功率開關(guān)管及二極管的電壓應(yīng)力，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，適用于小功率，高增益和高效率的光伏并網(wǎng)發(fā)電變換場合。
【專利說明】一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種直流一直流變換器及應(yīng)用，具體說是一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于單塊光伏電池的輸出電壓較低，而逆變并網(wǎng)發(fā)電所需的直流母線電壓較高，因此需要一級直流一直流變換器把低電壓直流電轉(zhuǎn)換為適合并網(wǎng)的高電壓直流電。在分布式光伏發(fā)電方案中，單塊光伏電池的功率容量較小，但對效率的要求較高。因此如何實現(xiàn)高增益、高效率且結(jié)構(gòu)簡單的單級變換器，對于推動光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有
重要意義。
[0003]常規(guī)的單相單管升壓型Boost直流一直流變換器的電壓增益僅由占空比決定，電壓增益有限，難以滿足高增益的變換要求。功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大，難以采用低壓高性能的開關(guān)管來降低導(dǎo)通損耗。而且，變換器開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗較大。為了實現(xiàn)Boost變換器的軟開關(guān)動作，近年來，相繼研究了一些通過附加有源功率開關(guān)或無源器件的軟開關(guān)方案，這些電路雖然實現(xiàn)了軟開關(guān)動作，但是不能降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，也不能實現(xiàn)系統(tǒng)的高增益變換。為了提升變換器的電壓增益，一種方案是采用開關(guān)電容的方案，但這種方案所需開關(guān)管數(shù)量較多，增加了系統(tǒng)成本；另外的方案是采用復(fù)雜的三繞組耦合電感方案，這種方案的缺點是耦合電感結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于工業(yè)加工，難以保證電路的一致性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡單，控制方便且無能量損耗的一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器。其中:
[0005]輸入電感的第一端與電源的正極相連，輸入電感的第二端與功率開關(guān)管的漏極，箝位開關(guān)管的源極，內(nèi)置變壓器原邊繞組的第二端及內(nèi)置變壓器副邊繞組的第一端相連，內(nèi)置變壓器原邊繞組的第一端與隔直電容的第一端相連，箝位開關(guān)管的漏極與箝位電容的第一端相連，電源的負(fù)極與功率開關(guān)管的源極，隔直電容的第二端及箝位電容的第二端相連；
[0006]內(nèi)置變壓器副邊繞組的第二端與第一倍壓電容的第一端及第二倍壓電容的第一端相連，第一倍壓電容的第二端與第一倍壓二極管的陰極及第一輸出二極管的陽極相連，第二倍壓電容的第二端與第二倍壓二極管的陽極及第二輸出二極管的陰極相連，第一輸出二極管的陰極與第一輸出電容的第一端及第一輸出負(fù)載的第一端相連，第二輸出二極管的陽極與第二輸出電容的第二端及第二輸出負(fù)載的第二端相連，電源的負(fù)極與第一倍壓二極管的陽極，第二倍壓二極管的陰極，第一輸出電容的第二端，第二輸出電容的第一端，第一輸出負(fù)載的第二端及第二輸出負(fù)載的第一端相連，內(nèi)置變壓器原邊繞組和內(nèi)置變壓器副邊繞組同為一個內(nèi)置變壓器中的兩個繞組，以原邊繞組的第一端和副邊繞組的第一端為內(nèi)置變壓器的同名端；
[0007]所述的變換器，其第一倍壓二極管、第二倍壓二極管、第一輸出二極管和第二輸出二極管中的一個或多個改成同步整流管，均能正常工作。第一輸出負(fù)載和第二輸出負(fù)載的連接點與電源負(fù)極斷開連接或者第一輸出負(fù)載和第二輸出負(fù)載的連接點與電源負(fù)極斷開連接后合并為一個輸出負(fù)載，電路均能正常工作。
[0008]本實用新型變換器工作時，利用內(nèi)置變壓器效應(yīng)拓展了變換器電壓增益，降低了功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，降低了功率器件的導(dǎo)通損耗。倍壓電路結(jié)構(gòu)的引入進一步提高了電路的電壓增益和降低了器件的電壓應(yīng)力；利用內(nèi)置變壓器的漏感實現(xiàn)了功率開關(guān)管的零電壓開通；同時利用內(nèi)置變壓器的漏感還實現(xiàn)了倍壓二極管和輸出二極管的軟關(guān)斷；利用箝位開關(guān)管和箝位電容吸收漏感的能量，使功率開關(guān)管關(guān)斷時無電壓尖峰，并且吸收的漏感能量最終傳遞到負(fù)載，實現(xiàn)無損吸收；其電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，適用于小功率，高增益和高效率的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電場合。
[0009]本實用新型中附件元件少，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，電路中無能量損耗元件，可提高電路的效率，且換流過程中，功率開關(guān)管關(guān)斷時無電壓過沖，倍壓二極管和輸出二極管開通時無電流過沖。內(nèi)置變壓器在對應(yīng)的開關(guān)管開通和關(guān)斷時都傳遞能量，提高了內(nèi)置變壓器的利用率，降低了內(nèi)置變壓器的體積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器的電路圖；
【具體實施方式】
[0011]參見圖1，本實用新型的一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器中，
[0012]輸入電感L的第一端與電源Vin的正極相連，輸入電感L的第二端與功率開關(guān)管S的漏極，箝位開關(guān)管Sc的源極，內(nèi)置變壓器原邊繞組Tp的第二端及內(nèi)置變壓器副邊繞組Ts的第一端相連，內(nèi)置變壓器原邊繞組Tp的第一端與隔直電容Cb的第一端相連,箝位開關(guān)管Sc的漏極與箝位電容Ce的第一端相連，電源Vin的負(fù)極與功率開關(guān)管S的源極，隔直電容Cb的第二端及箝位電容Ce的第二端相連；
[0013]內(nèi)置變壓器副邊繞組Ts的第二端與第一倍壓電容Cml的第一端及第二倍壓電容Cm2的第一端相連，第一倍壓電容Cml的第二端與第一倍壓二極管Dml的陰極及第一輸出二極管Dol的陽極相連，第二倍壓電容Cm2的第二端與第二倍壓二極管Dm2的陽極及第二輸出二極管Do2的陰極相連，第一輸出二極管Dol的陰極與第一輸出電容Col的第一端及第一輸出負(fù)載Rol的第一端相連，第二輸出二極管Do2的陽極與第二輸出電容Co2的第二端及第二輸出負(fù)載Ro2的第二端相連，電源Vin的負(fù)極與第一倍壓二極管Dml的陽極，第二倍壓二極管Dm2的陰極,第一輸出電容Col的第二端,第二輸出電容Co2的第一端,第一輸出負(fù)載Rol的第二端及第二輸出負(fù)載Ro2的第一端相連，內(nèi)置變壓器原邊繞組Tp和內(nèi)置變壓器副邊繞組Ts同為一個內(nèi)置變壓器中的兩個繞組，圖中由標(biāo)記了原邊繞組Tp和和副邊繞組Ts的同名端；
[0014]第一輸出電容Col的第一端和第二輸出電容Co2的第二端之間的電壓為Vout,能量最終傳遞給第一輸出負(fù)載Rol和第二輸出負(fù)載Ro2。
[0015]一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)有四種工作過程，即功率開關(guān)管S關(guān)斷與箝位開關(guān)管Sc開通之間的換流；第一倍壓二極管Dml，第二輸出二極管Do2關(guān)斷和第二倍壓二極管Dm2，第一輸出二極管Dol導(dǎo)通之間的換流；箝位開關(guān)管Sc關(guān)斷與功率開關(guān)管S開通之間的換流；第二倍壓二極管Dm2，第一輸出二極管Dol關(guān)斷和第一倍壓二極管Dml，第二輸出二極管Do2導(dǎo)通之間的換流。
[0016]功率開關(guān)管S關(guān)斷與箝位開關(guān)管Sc開通之間的換流:
[0017]換流前，電路處于功率開關(guān)管S，第一倍壓二極管Dml和第二輸出二極管Do2導(dǎo)通，箝位開關(guān)管Sc，第二倍壓二極管Dm2和第一輸出二極管Dol關(guān)斷的穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)功率開關(guān)管S關(guān)斷時，功率開關(guān)管S上電壓迅速上升，箝位開關(guān)管Sc兩端的電壓迅速下降至零，進而箝位開關(guān)管Sc體二極管導(dǎo)通，隨后箝位開關(guān)管Sc導(dǎo)通，由于體二極管已經(jīng)導(dǎo)通，箝位開關(guān)管Sc實現(xiàn)了零電壓開通。由于箝位電容Ce的作用，功率開關(guān)管S兩端的電壓被箝位為一定電壓值，實現(xiàn)了功率開關(guān)管S的軟箝位關(guān)斷。
[0018]第一倍壓二極管Dml，第二輸出二極管Do2關(guān)斷和第二倍壓二極管Dm2，第一輸出二極管Dol導(dǎo)通之間的換流:
[0019]箝位開關(guān)管Sc導(dǎo)通后，內(nèi)置變壓器漏感上的能量轉(zhuǎn)移至箝位電容Ce和輸出端，第一倍壓二極管Dml和第二輸出二極管Do2的電流跟隨內(nèi)置變壓器漏感上的電流以一定斜率線性下降到零，第一倍壓二極管Dml和第二輸出二極管Do2關(guān)斷。隨后內(nèi)置變壓器漏感上的電流以一定斜率反向線性上升。第二倍壓二極管Dm2和第一輸出二極管Dol開通，能量向第二倍壓電容Cm2和第一輸出電容Col轉(zhuǎn)移。電路進入到功率開關(guān)管S,第一倍壓二極管Dml和第二輸出二極管Do2關(guān)斷，箝位開關(guān)管Sc，第二倍壓二極管Dm2和第一輸出二極管Dol導(dǎo)通的穩(wěn)定工作狀態(tài)。
[0020]箝位開關(guān)管Sc關(guān)斷與功率開關(guān)管S開通之間的換流:
[0021]箝位開關(guān)管Sc關(guān)斷前，箝位電容Ce上的能量向內(nèi)置變壓器的漏感轉(zhuǎn)移。箝位開關(guān)管Sc關(guān)斷后，內(nèi)置變壓器漏感上的電流使得功率開關(guān)管S的體二極管導(dǎo)通，隨后功率開關(guān)管S開通。由于功率開關(guān)管S的體二極管已經(jīng)導(dǎo)通，因此功率開關(guān)管S實現(xiàn)了零電壓開通。
[0022]第二倍壓二極管Dm2，第一輸出二極管Dol關(guān)斷和第一倍壓二極管Dml，第二輸出二極管Do2導(dǎo)通之間的換流:
[0023]功率開關(guān)管S開通后，內(nèi)置變壓器的漏感電流以一定斜率線性下降到零，第二倍壓二極管Dm2和第一輸出二極管Dol的電流跟隨內(nèi)置變壓器的漏感電流線性下降至零，自然關(guān)斷。隨后內(nèi)置變壓器的漏感電流反向上升，第一倍壓二極管Dml和第二輸出二極管Do2導(dǎo)通。能量開始轉(zhuǎn)移到第一倍壓電容Cml和第二輸出電容Co2。電路進入到功率開關(guān)管S，第一倍壓二極管Dml和第二輸出二極管Do2導(dǎo)通，箝位開關(guān)管Sc，第二倍壓二極管Dm2和第一輸出二極管Dol關(guān)斷的穩(wěn)定工作狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器，其特征在于: 輸入電感L的第一端與電源Vin的正極相連,輸入電感L的第二端與功率開關(guān)管S的漏極，箝位開關(guān)管Sc的源極，內(nèi)置變壓器原邊繞組Tp的第二端及內(nèi)置變壓器副邊繞組Ts的第一端相連，內(nèi)置變壓器原邊繞組Tp的第一端與隔直電容Cb的第一端相連，箝位開關(guān)管Sc的漏極與箝位電容Ce的第一端相連，電源Vin的負(fù)極與功率開關(guān)管S的源極，隔直電容Cb的第二端及箝位電容Ce的第二端相連； 內(nèi)置變壓器副邊繞組Ts的第二端與第一倍壓電容Cml的第一端及第二倍壓電容Cm2的第一端相連，第一倍壓電容Cml的第二端與第一倍壓二極管Dml的陰極及第一輸出二極管Dol的陽極相連，第二倍壓電容Cm2的第二端與第二倍壓二極管Dm2的陽極及第二輸出二極管Do2的陰極相連，第一輸出二極管Dol的陰極與第一輸出電容Col的第一端及第一輸出負(fù)載Rol的第一端相連，第二輸出二極管Do2的陽極與第二輸出電容Co2的第二端及第二輸出負(fù)載Ro2的第二端相連，電源Vin的負(fù)極與第一倍壓二極管Dml的陽極，第二倍壓二極管Dm2的陰極,第一輸出電容Col的第二端,第二輸出電容Co2的第一端,第一輸出負(fù)載Rol的第二端及第二輸出負(fù)載Ro2的第一端相連，內(nèi)置變壓器原邊繞組Tp和內(nèi)置變壓器副邊繞組Ts同為一個內(nèi)置變壓器中的兩個繞組，以原邊繞組Tp的第一端和副邊繞組Ts的第一端為內(nèi)置變壓器的同名端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種含內(nèi)置變壓器和倍壓結(jié)構(gòu)的高增益有源無損箝位變換器，其特征在于，第一倍壓二極管Dml、第二倍壓二極管Dm2、第一輸出二極管Dol和第二輸出二極管Do2中的一個或多個改成同步整流管，均能正常工作，第一輸出負(fù)載Rol和第二輸出負(fù)載Ro2的連接點與電源Vin的負(fù)極斷開連接或者第一輸出負(fù)載Rol和第二輸出負(fù)載Ro2的連接點與電源Vin的負(fù)極斷開連接后合并為一個輸出負(fù)載，電路均能正常工作。
【文檔編號】H02M5/08GK203775036SQ201320891273
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】李威辰, 趙一, 楊波 申請人:杭州禾邁電力電子技術(shù)有限公司