本發(fā)明涉及一種電氣技術(shù)領(lǐng)域的變換器，特別涉及一種高增益隔離型有源箝位軟開關(guān)DC-DC變換器，可應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等低電壓、大電流系統(tǒng)中直流到直流的變換場(chǎng)合。

背景技術(shù)：

在光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等低電壓、大電流供電系統(tǒng)中，DC-DC變換器是傳遞電壓電流、實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和功率控制的關(guān)鍵組件?？紤]到光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓、大電流的特性及其并網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)變換器設(shè)計(jì)有如下要求：高增益、輸入電流紋波小、輸出電壓紋波小、低成本、高效率。

常規(guī)的升壓DC-DC變換電路有雙正激電路、推挽電路、半橋電路、全橋電路等，目前在光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要應(yīng)用的拓?fù)涫且葡嗫刂迫珮螂娐??；镜娜珮螂娐酚袃蓪?duì)開關(guān)橋臂，每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率開關(guān)成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通相角相差一個(gè)相位(即移相角)，該電路的不足在于滯后橋臂軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)困難，電路增益小，輸入電流波動(dòng)大，一般DC-DC變換器都會(huì)在全橋變換器的基礎(chǔ)上加以補(bǔ)充和改進(jìn)。中國(guó)發(fā)明專利ZL201310302150.3中涉及一種高增益隔離型DC-DC變換器，該變換器的優(yōu)點(diǎn)是電壓增益大、輸入電流輸出電壓紋波小，不足在于沒(méi)有實(shí)現(xiàn)主功率開關(guān)管軟開關(guān)，電路損耗大，效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種高增益隔離型有源箝位軟開關(guān)DC-DC變換器，通過(guò)引入并聯(lián)電感，實(shí)現(xiàn)功率器件軟開關(guān)，減低開關(guān)損耗，增大電路增益，從而獲得更高的變流效率，并針對(duì)并網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，能夠滿足變換器輸入電流紋波小、輸出電壓紋波小的要求。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

提出一種用于低電壓、大電流的高增益軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，借助半導(dǎo)體功率開關(guān)及其控制邏輯，適當(dāng)連接儲(chǔ)能元件，實(shí)現(xiàn)直流到直流高效率高增益的電能轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明所述的高增益隔離型有源箝位軟開關(guān)DC-DC變換器是采用電路實(shí)現(xiàn)的，該電路包括電流倍增回路、變壓器和開關(guān)電容回路；所述電流倍增回路包括電壓源V_in，兩輸入電感L₁、L₂，箝位電容C_c，兩主功率開關(guān)管S₂、S₄，兩輔助功率開關(guān)管S₁、S₃，及并聯(lián)電感L；所述開關(guān)電容回路包括四整流二極管D₁、D₂、D₃、D₄，諧振電感L_lk，兩諧振電容C₁₁、C₁₂，兩輸出電容C₂₁、C₂₂，及負(fù)載電阻R；

所述電壓源V_in的正極與第一輸入電感L₁的一端和第二輸入電感L₂的一端分別相連；所述第一輸入電感L₁的另一端與第四主功率開關(guān)管S₄的漏極、第三輔助功率開關(guān)管S₃的源極和變壓器原邊N₁的同名端分別相連；所述第二輸入電感L₂的另一端與第二主功率開關(guān)管S₂的漏極、第一輔助功率開關(guān)管S₁的源極和變壓器原邊N₁的異名端分別相連；所述第一輔助功率開關(guān)管S₁的漏極與第三輔助功率開關(guān)管S₃的漏極和箝位電容C_c的一端分別相連；所述電壓源V_in的負(fù)極、第二主功率開關(guān)管S₂的源極、第四主功率開關(guān)管S₄的源極和箝位電容C_c的另一端均接地；所述并聯(lián)電感L與變壓器原邊N₁并聯(lián)用于實(shí)現(xiàn)變換器軟開關(guān)；

變壓器副邊N₂的同名端與第一諧振電容C₁₁的一端和第二諧振電容C₁₂的一端分別相連；變壓器副邊N₂的異名端與第一整流二極管D₁的陽(yáng)極、第二整流二極管D₂的陰極、第一輸出電容C₂₁的一端和第二輸出電容C₂₂的一端分別相連；所述第一諧振電容C₁₁的另一端與第一整流二極管D₁的陰極和第三整流二極管D₃的陽(yáng)極分別相連；所述第二諧振電容C₁₂的另一端與第二整流二極管D₂的陽(yáng)極和第四整流二極管D₄的陰極分別相連；所述第三整流二極管D₃的陰極與第一輸出電容C₂₁的另一端和負(fù)載電阻R的一端分別相連；所述第四整流二極管D₄的陽(yáng)極與第二輸出電容C₂₂的另一端和負(fù)載電阻R的另一端分別相連。

作為優(yōu)選，所述并聯(lián)電感L為磁環(huán)電感，其電感值大小取決于電路參數(shù)。

作為優(yōu)選，所述第一輔助功率開關(guān)管S₁、第二主功率開關(guān)管S₂、第三輔助功率開關(guān)管S₃和第四主功率開關(guān)管S₄均為P增強(qiáng)型MOS管。

本發(fā)明控制邏輯，即開關(guān)的時(shí)間順序?yàn)椋褐鏖_關(guān)S₄導(dǎo)通(此時(shí)主開關(guān)S₂處于導(dǎo)通狀態(tài)，輔助開關(guān)S₁、S₃處于關(guān)斷狀態(tài))，經(jīng)過(guò)(D-0.5)T_S時(shí)間后主開關(guān)S₂零電壓(ZVS)關(guān)斷，并聯(lián)電感L保持正向恒流狀態(tài)；②經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫死區(qū)時(shí)間，輔助開關(guān)S₁導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)(1-D)T_S時(shí)間后關(guān)斷，并聯(lián)電感L正向線性放電后反向線性充電，以保證主開關(guān)S₂實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)開通；③經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間，主開關(guān)S₂導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)(D-0.5)T_S時(shí)間后主開關(guān)S₄零電壓(ZVS)關(guān)斷，并聯(lián)電感L保持反向恒流狀態(tài)；④經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫死區(qū)時(shí)間，輔助開關(guān)S₃導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)(1-D)T_S時(shí)間后關(guān)斷，并聯(lián)電感L反向線性放電后正向線性充電，以保證主開關(guān)S₄實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)開通；⑤經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間，主開關(guān)S₄導(dǎo)通，回到第一個(gè)過(guò)程，如此周而復(fù)始。上述控制邏輯中的D為兩主功率開關(guān)管的控制信號(hào)占空比，T_S為控制信號(hào)的周期。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是：

本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)大電壓增益，輸入電流輸出電壓紋波小的基礎(chǔ)上，引入并聯(lián)電感，實(shí)現(xiàn)了所有功率開關(guān)零電壓(ZVS)開通和零電壓關(guān)斷，提高了整個(gè)電路的轉(zhuǎn)換效率；實(shí)現(xiàn)所有整流二極管零電流(ZCS)關(guān)斷，解決了整流管的反向恢復(fù)問(wèn)題。本發(fā)明的變換器適合于低電壓、大電流場(chǎng)合，可以應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)直流升壓場(chǎng)合。

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的一種高增益隔離型有源箝位軟開關(guān)DC-DC變換器不局限于實(shí)施例。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的電路圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的關(guān)鍵波形圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)1[t₀t₁]等效電路圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)2[t₁t₂]等效電路圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)3[t₂t₃]等效電路圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)4[t₃t₄]等效電路圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)5[t₄t₅]等效電路圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)6[t₅t₆]等效電路圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)7[t₆t₇]等效電路圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)7[t₇t₈]等效電路圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)8[t₈t₉]等效電路圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)模態(tài)9[t₉t₁₀]等效電路圖；

圖13為本發(fā)明實(shí)施例的Saber仿真軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種高增益隔離型有源箝位軟開關(guān)DC-DC變換器，用于光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等低電壓、大電流系統(tǒng)中直流到直流的變換場(chǎng)合。如圖1所示，一種高增益隔離型有源箝位軟開關(guān)DC-DC變換器，包括電流倍增回路、變壓器和開關(guān)電容回路；所述電流倍增回路包括電壓源V_in，兩輸入電感L₁、L₂，箝位電容C_c，兩主功率開關(guān)管S₂、S₄，兩輔助功率開關(guān)管S₁、S₃，及并聯(lián)電感L；所述開關(guān)電容回路包括四整流二極管D₁、D₂、D₃、D₄，諧振電感L_lk，兩諧振電容C₁₁、C₁₂，兩輸出電容C₂₁、C₂₂，及負(fù)載電阻R；

所述電壓源V_in的正極與第一輸入電感L₁的一端和第二輸入電感L₂的一端分別相連；所述第一輸入電感L₁的另一端與第四主功率開關(guān)管S₄的漏極、第三輔助功率開關(guān)管S₃的源極和變壓器原邊N₁的同名端分別相連；所述第二輸入電感L₂的另一端與第二主功率開關(guān)管S₂的漏極、第一輔助功率開關(guān)管S₁的源極和變壓器原邊N₁的異名端分別相連；所述第一輔助功率開關(guān)管S₁的漏極與第三輔助功率開關(guān)管S₃的漏極和箝位電容C_c的一端分別相連；所述電壓源V_in的負(fù)極、第二主功率開關(guān)管S₂的源極、第四主功率開關(guān)管S₄的源極和箝位電容C_c的另一端均接地；所述并聯(lián)電感L與變壓器原邊N₁并聯(lián)用于實(shí)現(xiàn)變換器軟開關(guān)；

變壓器副邊N₂的同名端與第一諧振電容C₁₁的一端和第二諧振電容C₁₂的一端分別相連；變壓器副邊N₂的異名端與第一整流二極管D₁的陽(yáng)極、第二整流二極管D₂的陰極、第一輸出電容C₂₁的一端和第二輸出電容C₂₂的一端分別相連；所述第一諧振電容C₁₁的另一端與第一整流二極管D₁的陰極和第三整流二極管D₃的陽(yáng)極分別相連；所述第二諧振電容C₁₂的另一端與第二整流二極管D₂的陽(yáng)極和第四整流二極管D₄的陰極分別相連；所述第三整流二極管D₃的陰極與第一輸出電容C₂₁的另一端和負(fù)載電阻R的一端分別相連；所述第四整流二極管D₄的陽(yáng)極與第二輸出電容C₂₂的另一端和負(fù)載電阻R的另一端分別相連。

進(jìn)一步的，并聯(lián)電感L為磁環(huán)電感，其電感值大小取決于電路參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述第一輔助功率開關(guān)管S₁、第二主功率開關(guān)管S₂、第三輔助功率開關(guān)管S₃和第四主功率開關(guān)管S₄均為P增強(qiáng)型MOS管。

如圖2所示，本實(shí)施例電路的控制邏輯為：①主開關(guān)S₄導(dǎo)通(此時(shí)主開關(guān)S₂處于導(dǎo)通狀態(tài)，輔助開關(guān)S₁、S₃處于關(guān)斷狀態(tài))，經(jīng)過(guò)(D-0.5)T_S時(shí)間后主開關(guān)S₂零電壓(ZVS)關(guān)斷，并聯(lián)電感L保持正向恒流狀態(tài)；②經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫死區(qū)時(shí)間，輔助開關(guān)S₁導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)(1-D)T_S時(shí)間后關(guān)斷，并聯(lián)電感L正向線性放電后反向線性充電，以保證主開關(guān)S₂實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)開通；③經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間，主開關(guān)S₂導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)(D-0.5)T_S時(shí)間后主開關(guān)S₄零電壓(ZVS)關(guān)斷，并聯(lián)電感L保持反向恒流狀態(tài)；④經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫死區(qū)時(shí)間，輔助開關(guān)S₃導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)(1-D)T_S時(shí)間后關(guān)斷，并聯(lián)電感L反向線性放電后正向線性充電，以保證主開關(guān)S₄實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)開通；⑤經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間，主開關(guān)S₄導(dǎo)通，回到第一個(gè)過(guò)程，如此周而復(fù)始。上述控制邏輯中的D為兩主功率開關(guān)管的控制信號(hào)占空比，T_S為控制信號(hào)的周期。

如圖2所示為本發(fā)明變換器的工作時(shí)序圖，根據(jù)圖2所示開關(guān)管控制邏輯，參照?qǐng)D3至圖12，該變換器在工作過(guò)程中包括10個(gè)模態(tài)。

模態(tài)1：參照?qǐng)D3，t₀時(shí)刻S₄導(dǎo)通，t₀～t₁期間，主開關(guān)S₂和S₄都處于導(dǎo)通狀態(tài)，變壓器一次側(cè)的電壓v_P為零，電感L₁、L₂線性充電，并聯(lián)電感L保持正向恒流狀態(tài)。

模態(tài)2：參照?qǐng)D4，t₁時(shí)刻S₂關(guān)閉，電感L₂開始線性地對(duì)電容C_s2充電，同時(shí)電容C_s1開始放電。當(dāng)電容C_s2充電至V_Cc，電容C_s1放電結(jié)束，S₁的反并聯(lián)二極管D_S1導(dǎo)通，開關(guān)管S₁達(dá)到ZVS導(dǎo)通條件。t₁～t₂期間，并聯(lián)電感L線性放電。

模態(tài)3：參照?qǐng)D5，t₂時(shí)刻S₁導(dǎo)通，t₂～t₃期間，變壓器一次側(cè)電壓保持v_P＝-V_Cc不變，電感L₁儲(chǔ)存能量，電感L₂釋放能量，并聯(lián)電感L經(jīng)歷了正向放電和反向充電兩個(gè)過(guò)程。變壓器二次側(cè)諧振環(huán)L_lk,C₁₁,D₁和L_lk,C₁₂,D₄,C₂₂開始工作。

模態(tài)4：參照?qǐng)D6，t₃時(shí)刻二次側(cè)漏電感L_lk,C₁₁,D₁和L_lk,C₁₂,D₄,C₂₂兩個(gè)諧振回路結(jié)束諧振狀態(tài)，二極管D₁和D₄實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷。并聯(lián)電感L保持線性反向充電。

模態(tài)5：參照?qǐng)D7，t₄時(shí)刻S₁關(guān)閉，滿足ZVS關(guān)閉條件。由于并聯(lián)電感L的存在，電容C_s2可通過(guò)并聯(lián)電感L放電，同時(shí)電容C_s1開始充電。當(dāng)電容C_s1充電至V_Cc，電容C_s2放電結(jié)束，S₂的反并聯(lián)二極管D_S2導(dǎo)通，開關(guān)管S₂達(dá)到ZVS導(dǎo)通條件。t₄～t₅期間，變壓器一次側(cè)的電壓值快速?gòu)?V_Cc變?yōu)榱?，并?lián)電感L進(jìn)入反向恒流狀態(tài)。

t₅時(shí)刻S₂導(dǎo)通，由于電路拓?fù)涞膶?duì)稱性，模態(tài)6-10的工作狀態(tài)與模態(tài)1-5類似，如圖8至圖12。其中，t₁₀時(shí)刻與t₀的狀態(tài)完全一致，電路回到模態(tài)1的工作狀態(tài)，如此周而復(fù)始。

在本發(fā)明中，并聯(lián)電感L在輔助開關(guān)S₁、S₃關(guān)斷后為開關(guān)管并聯(lián)電容C_s2、C_s4提供放電回路。以本發(fā)明實(shí)施例作計(jì)算說(shuō)明，如圖1開關(guān)電源變換器輸入電壓為V_in＝20V，輸出電壓為V_o＝200V，功率為P＝400W，開關(guān)頻率為f＝50kHz，變壓器變比為n＝1:1。為實(shí)現(xiàn)主開關(guān)S₂、S₄軟開關(guān)，要求其滿足條件：i_L,max>i_L1,min且-i_L,min>i_L2,min，即i_L,max-i_L,min>i_L1,min+i_L2,min＝2i_L1,min。實(shí)施例開關(guān)電源的基本參數(shù)如下：

輸入電流為

開關(guān)周期為

在本發(fā)明的控制邏輯下，變壓器原邊電壓V_p與箝位電容C_c電壓V_Cc相等，為：

一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，輸入電感的電流平均值I_L1和波動(dòng)值Δi_L1分別為：

I_L1＝I_L2＝0.5I_in

并聯(lián)電感的電流波動(dòng)值Δi_L為：

取控制信號(hào)占空比D＝0.6，可得L≤25μH。

用Saber軟件對(duì)本發(fā)明實(shí)施例開關(guān)電源電路進(jìn)行仿真，軟開關(guān)工作波形如圖13。從圖13(a)可以看出，由于t₀～t₁期間，開關(guān)管S₂并聯(lián)電容C_s2充電至穩(wěn)態(tài)，使得開關(guān)管S₂開通時(shí)電壓為零，為ZVS開通；開關(guān)管S₁的關(guān)斷時(shí)電壓為零，為ZVS關(guān)斷。并聯(lián)電感L在t₄～t₅期間為開關(guān)管S₂并聯(lián)電容C_s2提供放電回路，開關(guān)管S₂開通時(shí)電壓為零，為ZVS開通；開關(guān)管S₂的關(guān)斷時(shí)電壓為零，為ZVS關(guān)斷。同理，另一橋臂開關(guān)管S₃、S₄也實(shí)現(xiàn)ZVS開通和關(guān)斷。從圖13(b)可以看出整流二極管在諧振回路結(jié)束諧振狀態(tài)后自然關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)電流為零，為ZCS關(guān)斷，該電路拓?fù)洳淮嬖诙O管反向恢復(fù)問(wèn)題。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。