專利名稱：隔離型Buck-Boost直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及是一種電能變換裝置，特別是一種直流變換器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電能變換器裝置的要求越來越高，其中變換器裝置 的高效一直都是電力電子技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。目前很多應(yīng)用場(chǎng)合，比如通訊電源、帶功率 因素校正技術(shù)的電源和光伏并網(wǎng)逆變器等，其輸入電壓范圍都比較寬，如何保證變換器在 較寬的輸入電壓范圍內(nèi)的高效率就顯得至關(guān)重要。Buck變換器的效率是隨輸入電壓的升高而降低，Boost變換器的效率隨輸入電壓 的升高而升高，而雙管Buck-Boost變換器是由Buck變換器和Boost變換器級(jí)聯(lián)并簡(jiǎn)化而 成，其結(jié)構(gòu)包括輸入源1G、Buck單元2G、儲(chǔ)能電感3G、Boost單元4G、濾波電容5G和負(fù)載 6G，如圖1所示。其中的Buck單元是指Buck變換器除去輸入源、濾波電路和負(fù)載后的結(jié)構(gòu) 單元，其由開關(guān)管和二極管組成，同樣Boost單元是指Boost變換器除去輸入源、儲(chǔ)能電感、 濾波電容和負(fù)載后的結(jié)構(gòu)單元，其由開關(guān)管和二極管組成。雙管Buck-Boost變換器綜合了 Buck變換器和Boost變換器兩者的優(yōu)勢(shì)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制可以使變換器在較寬的輸入 電壓范圍都具有高效率，然而雙管Buck-Boost變換器只能適用于無電氣隔離要求的場(chǎng)合。為了提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，目前很多場(chǎng)合都要求電氣隔離，所以提出適用 于寬輸入電壓范圍且滿足電氣隔離要求的高效變換器拓?fù)涫欠浅Ｓ斜匾摹?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)電氣隔離要求的場(chǎng)合，提出適用于寬輸入電壓范圍的隔離 型Buck-Boost變換器。本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案為一種隔離型Buck-Boost直流變換器，由Buck型隔離開關(guān)單元代替雙 管Buck-Boost直流變換器中的Buck單元，或者由Boost型隔離開關(guān)單元代替雙管 Buck-Boost直流變換器中的Boost單元形成，其中，所述Buck型隔離開關(guān)單元指Buck型隔 離直流變換器去掉輸入源、濾波電路和負(fù)載后的結(jié)構(gòu)單元，所述Boost型隔離開關(guān)單元指 Boost型隔離直流變換器去掉輸入源、儲(chǔ)能電感、濾波電路及負(fù)載后的結(jié)構(gòu)單元。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的Buck型隔離直流變換器為正激直流變換器、 Buck型推挽直流變換器、Buck型半橋直流變換器或Buck型全橋直流變換器。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的Boost型隔離直流變換器為Boost型推挽直流 變換器或Boost型全橋直流變換器。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的Boost型隔離直流變換器可以為Boost型半 橋直流變換器，此時(shí)所述的Boost型隔離開關(guān)單元為Boost型半橋隔離開關(guān)單元，其指由 Boost型隔離直流變換器去掉輸入源、濾波電容及負(fù)載后的結(jié)構(gòu)單元。該Boost型隔離開 關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中的儲(chǔ)能電感和Boost單元即可構(gòu)成所述的隔離型Buck-Boost直流變換器。本發(fā)明的隔離型Buck-Boost變換器保留了雙管Buck-Boost變換器輸入輸出極性 相同、輸入輸出電壓應(yīng)力低和無源元件少等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該類變換器比雙管Buck-Boost變換 器多增加了變壓器變比這樣一個(gè)控制變量，更有利于變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制，可以在較 寬的輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。


圖1.雙管Buck-Boost變換器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2. Buck型全橋隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Buck單元形成的 隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3.本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的全橋-Boost變換器一種工作情況下的主要波形示意 圖。圖4.本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的全橋-Boost變換器另一種工作情況下的主要波形示意 圖。圖5 8.本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的全橋-Boost變換器一種工作情況下的各開關(guān)模態(tài) 等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖9 12.本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的全橋-Boost變換器另一種工作情況下的各開關(guān) 模態(tài)等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖13. Buck型正激隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Buck單元形成的 隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14. Buck型推挽隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Buck單元形成的 隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15. Buck型半橋隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Buck單元形成的 隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖16. Boost型推挽隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Boost單元形成 的隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖17. Boost型全橋隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Boost單元形成 的隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖18. Boost型半橋隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Boost單元和儲(chǔ) 能電感形成的隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的隔離型Buck-Boost變換器根據(jù)引入變壓器位置的不同可以分為兩類 一類是由Buck型隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中的Buck單元，從而得到一族 在Buck側(cè)進(jìn)行電氣隔離的隔離型Buck-Boost變換器，其中的Buck型隔離開關(guān)單元就是指 其相應(yīng)Buck型隔離變換器除去輸入源、濾波電路和負(fù)載之后的結(jié)構(gòu)單元，其由開關(guān)管、二 極管和變壓器所組成。典型的Buck型隔離變換器主要包括正激、推挽、半橋和全橋等變換 器，其中正激變換器又可分為單管正激、雙管正激和有源箝位正激。所以對(duì)應(yīng)的典型隔離開關(guān)單元包括單管正激、雙管正激、有源箝位正激、推挽、半橋和全橋等隔離開關(guān)單元。圖2為用Buck型全橋隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中的Buck單元 而得到的全橋-Boost變換器，該變換器作為隔離型Buck-Boost直流變換器的優(yōu)選具體實(shí) 施例，其由輸入源1、全橋隔離開關(guān)單元2、儲(chǔ)能電感3、Boost單元4、濾波電容5和負(fù)載6組 成，其中全橋隔離開關(guān)單元2是指全橋變換器除去輸入源、濾波電路和負(fù)載之后的結(jié)構(gòu)單 元，其包括由開關(guān)管Q1 Q4組成的全橋單元、隔離變壓器 ；和二極管Dki Dk4組成的整流 橋單元三個(gè)部分。下面針對(duì)圖2所示的優(yōu)選具體實(shí)施例，給出不同工作情況下全橋-Boost直流變換 器主要工作波形示意圖及其開關(guān)模態(tài)圖。根據(jù)輸入電壓Vin、隔離變壓器副邊對(duì)原變的匝比k和輸出電壓V。之間的關(guān)系，全 橋-Boost變換器包括kVin彡V0和kVin < V0兩種工作情況，其主要工作波形示意圖分別如 圖3和4所示。圖3和圖4從上至下，波形分別為開關(guān)管Q1和Q3驅(qū)動(dòng)波形、開關(guān)管Q2和Q4 驅(qū)動(dòng)波形、全橋單元橋臂點(diǎn)輸出電壓vAB、全橋單元整流后輸出電壓Vl、Boost單元開關(guān)管漏 源極電壓V2、變壓器原邊電流ip和電感電流、。同樣由圖3和4可知，全橋-Boost變換器 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有6種開關(guān)模態(tài)，分別以[t0時(shí)刻]、[t0，tj、[t1;t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、 [t4，t5]、[t5，t6]表示，其中[t0, t3]時(shí)刻為前半周期，[t3，t6]為后半周期。首先針對(duì)圖3，kVin ^ V0情況下全橋-Boost變換器的各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行 分析。1.開關(guān)模態(tài)0 [tQ時(shí)刻之前]對(duì)應(yīng)圖5。t0時(shí)刻之前，全橋單元開關(guān)管Qi、Q2、Q3、Q4和Boost單元開關(guān)管Qb都處 于關(guān)斷狀態(tài)，電感電流通過整流橋二極管DpD2、D3、D4和Boost單元二極管Db續(xù)流，此時(shí)加 在電感Lf兩端的電壓為-V。，電感電流、下降，此時(shí)變壓器原邊電流ip為零。2.開關(guān)模態(tài) 1 [t0, tj對(duì)應(yīng)圖6。在、時(shí)刻，全橋單元開關(guān)管Q1和Q4開通，整流橋二極管D1和D4導(dǎo)通， D2和D3截止。Boost單元開關(guān)管Qb開通，二極管Db截止。加在電感！^兩端電壓為kVin> 0，電感電流、增加，此時(shí)變壓器原邊電流ip = iLf/k,即電感電流按變比折算到原邊的電 流，該模態(tài)直到、時(shí)刻Boost單元開關(guān)管Qb關(guān)斷而結(jié)束。3.開關(guān)模態(tài) 2[t1; t2]對(duì)應(yīng)圖7。在、時(shí)刻全橋單元開關(guān)管Q1和Q4依然導(dǎo)通，整流橋二極管D1和D4導(dǎo) 通，D2和D3截止，而Boost單元開關(guān)管Qb關(guān)斷，二極管Db導(dǎo)通。加在電感Lf兩端電壓為 kVin-V。彡0，電感電流、繼續(xù)增加，只是增加的速度比開關(guān)模態(tài)1更慢，此時(shí)變壓器原邊電 流依然為ip =、/k，該模態(tài)直到t2時(shí)刻全橋單元開關(guān)管Q1和Q4關(guān)斷而結(jié)束。4.開關(guān)模態(tài) 3[t2，t3]對(duì)應(yīng)圖8。在t2時(shí)刻全橋單元開關(guān)管Q1和Q4關(guān)斷，Boost單元開關(guān)管Qb關(guān)斷。電 感電流‘通過整流橋二極管DpD2、D3、D4和Boost單元二極管Db續(xù)流，此時(shí)電感Lf兩端電 壓為-V。< 0，電感電流下降，此時(shí)變壓器原邊電流ip為零，該模態(tài)直到t3時(shí)刻全橋單元開 關(guān)管Q2和Q3和Boost單元開關(guān)管Qb導(dǎo)通而結(jié)束。后半周期[t3，t6]的開關(guān)模態(tài)的工作情況和前半周期[V t3]是相同的，這里不再 分析。
下面針對(duì)圖4，即kVin < V0情況下全橋-Boost變換器的各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn) 行分析。1.開關(guān)模態(tài)0 [tQ時(shí)刻之前]對(duì)應(yīng)圖9。t0時(shí)刻之前，全橋單元開關(guān)管Qi、Q2、Q3、Q4和Boost單元開關(guān)管Qb都處 于關(guān)斷狀態(tài)，電感電流、通過整流橋二極管Dp D2, D3> D4和Boost單元二極管Db續(xù)流，此 時(shí)加在電感Lf兩端電壓為-V。< 0，電感電流下降，此時(shí)變壓器原邊電流ip為零。2.開關(guān)模態(tài) 1 [t0, tj對(duì)應(yīng)圖10。在、時(shí)刻全橋單元開關(guān)管Q1和Q4開通，整流橋二極管D1和D4導(dǎo)通， D2和D3截止。Boost單元開關(guān)管Qb開通，Db截止。此時(shí)加在電感Lf兩端電壓為kVin>0， 電感電流、增加，此時(shí)變壓器原邊電流ip = iLf/k,即電感電流按變比k折算到原邊的電 流，該模態(tài)直到、時(shí)刻Boost單元Qb關(guān)斷，二極管Db導(dǎo)通而結(jié)束。3.開關(guān)模態(tài) 2[t1; t2]對(duì)應(yīng)圖11。在、時(shí)刻全橋單元開關(guān)管Q1和Q4導(dǎo)通，整流橋二極管D1和D4導(dǎo)通，D2 和D3截止，Boost單元開關(guān)管Qb關(guān)斷，二極管Db導(dǎo)通，此時(shí)加在電感Lf兩端電壓為kVin-V。 < 0，電感電流、下降，此時(shí)變壓器原邊電流依然為ip = iu/k，該模態(tài)直到t2時(shí)刻全橋單 元開關(guān)管Q1和Q4關(guān)斷而結(jié)束。4.開關(guān)模態(tài) 3[t2，t3]對(duì)應(yīng)圖12。在t2時(shí)刻全橋單元開關(guān)管Q1和Q4關(guān)斷，Boost單元開關(guān)管Qb關(guān)斷， 電感電流通過整流橋二極管Dp D2, D3> D4和Boost單元二極管Db續(xù)流，此時(shí)加在電感Lf兩 端電壓為-V。< 0，電感電流下降，下降的速度比開關(guān)模態(tài)2中更快，此時(shí)變壓器原邊電流ip 為零。該模態(tài)直到t3時(shí)刻全橋單元開關(guān)管Q2和Q3導(dǎo)通，Boost單元開關(guān)管Qb導(dǎo)通而結(jié)束。后半周期[t3，t6]的開關(guān)模態(tài)的工作情況和前半周期[V t3]是相同的，這里也不 再分析。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例具體參數(shù)如下輸入電壓由光伏電池陣列提供，Vin = 250 500VDC ；輸出直流電壓V。= 360VDC ；輸出電流I。= 16. 674 ；變壓器原副邊匝比k = 1 ；輸 出濾波電感Lf = 310 μ H ；輸出濾波電容Cf = 4760 μ F ；全橋單元和Boost單元開關(guān)管為 COOL MOSFET :SPW47N60C3 ；整流二極管為DSEI60_06 ；Boost 單元二極管為 SiC 二極管 SDP30S120 ；全橋單元開關(guān)頻率fs = 50kHz, Boost單元開關(guān)頻率fs b = IOOkHz0除了圖2所示的優(yōu)選實(shí)施例，用其它的Buck型隔離開關(guān)單元去代替雙管 Buck-Boost變換器中的Buck單元，可以得到在一族在Buck側(cè)進(jìn)行電氣隔離的隔離型 Buck-Boost 變換器。圖13為用正激隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Buck單元形成的隔 離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，其由輸入源1A、正激隔離開關(guān)單元2A、儲(chǔ)能電感3A、 Boost單元4A、濾波電容5A和負(fù)載6A組成。圖14為用Buck型推挽隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Buck單元形 成的隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，其由輸入源IB、Buck型推挽隔離開關(guān)單元 2B、儲(chǔ)能電感3B、Boost單元4B、濾波電容5B和負(fù)載6B組成。圖15為用Buck型半橋隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Buck單元形 成的隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，其由輸入源1C、Buck型半橋隔離開關(guān)單元2C、儲(chǔ)能電感3C、Boost單元4C、濾波電容5C和負(fù)載6C組成。以上所述都是從Buck側(cè)進(jìn)行電氣隔離而得到的一族隔離型Buck-Boost直流變換器。另一類隔離型Buck-Boost直流變換器則是由Boost型隔離開關(guān)單元代替雙管 Buck-Boost變換器中的Boost單元，從而得到一族在Boost側(cè)進(jìn)行電氣隔離的隔離型 Buck-Boost直流變換器。Boost型隔離開關(guān)單元是指相應(yīng)Boost型隔離變換器除去輸入 源、儲(chǔ)能電感、濾波電容和負(fù)載之后的結(jié)構(gòu)單元，其由開關(guān)管、二極管和變壓器所組成，該類 典型的Boost型隔離變換器包括推挽和全橋等變換器，其對(duì)應(yīng)的典型隔離開關(guān)單元即包括 推挽和全橋等隔離開關(guān)單元。需要說明的是，對(duì)于Boost型半橋變換器，其對(duì)應(yīng)的Boost型半橋隔離開關(guān)單元是 指除去輸入源、濾波電容和負(fù)載之后的結(jié)構(gòu)單元，其由儲(chǔ)能電感、開關(guān)管、二極管和變壓器 所組成，用Boost型半橋隔離開關(guān)單元去替換時(shí)，儲(chǔ)能電感和Boost單元需要一并替換掉。圖16為用Boost型推挽隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Boost單 元形成的隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，其由輸入源lD、Buck單元2D、儲(chǔ)能電感 3D、Boost型推挽隔離開關(guān)單元4D、濾波電容5D和負(fù)載6D組成。圖17為用Boost型全橋隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中Boost單 元形成的隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，其由輸入源lE、Buck單元2E、儲(chǔ)能電感 3E、Boost型全橋隔離開關(guān)單元4E、濾波電容5E和負(fù)載6E組成。圖18為用Boost型半橋隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中儲(chǔ)能電感和 Boost單元形成的隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，其由輸入源IF、Buck單元2F、 Boost型半橋隔離開關(guān)單元3F、濾波電容4F和負(fù)載5F組成。
權(quán)利要求
一種隔離型Buck Boost直流變換器，由Buck型隔離開關(guān)單元代替雙管Buck Boost直流變換器中的Buck單元，或者由Boost型隔離開關(guān)單元代替雙管Buck Boost直流變換器中的Boost單元形成，其中，所述Buck型隔離開關(guān)單元指Buck型隔離直流變換器去掉輸入源、濾波電路和負(fù)載后的結(jié)構(gòu)單元，所述Boost型隔離開關(guān)單元指Boost型隔離直流變換器去掉輸入源、儲(chǔ)能電感、濾波電路及負(fù)載后的結(jié)構(gòu)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隔離型Buck-Boost直流變換器，其特征在于，所述的 Buck型隔離直流變換器為正激直流變換器、Buck型推挽直流變換器、Buck型半橋直流變換 器或Buck型全橋直流變換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種隔離型Buck-Boost直流變換器，其特征在于，所述 的Boost型隔離直流變換器為Boost型推挽直流變換器或Boost型全橋直流變換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種隔離型Buck-Boost直流變換器，其特征在于，所 述的Boost型隔離直流變換器可以為Boost型半橋直流變換器，此時(shí)所述的Boost型隔離 開關(guān)單元為Boost型半橋隔離開關(guān)單元，其指由Boost型隔離直流變換器去掉輸入源、濾波 電容及負(fù)載后的結(jié)構(gòu)單元。該Boost型隔離開關(guān)單元代替雙管Buck-Boost變換器中的儲(chǔ) 能電感和Boost單元即可構(gòu)成所述的隔離型Buck-Boost直流變換器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隔離型Buck-Boost直流變換器，用Buck型隔離開關(guān)單元代替其Buck單元，或用Boost型隔離開關(guān)單元代替其Boost單元都可以得到一族隔離型Buck-Boost直流變換器。本發(fā)明的隔離型Buck-Boost變換器保留了雙管Buck-Boost變換器輸入輸出極性相同、輸入輸出電壓應(yīng)力低和無源元件少等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該類變換器比雙管Buck-Boost變換器多增加了變壓器變比這樣一個(gè)控制變量，更有利于變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制，可以在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。
文檔編號(hào)H02M3/315GK101895199SQ20101021531
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者姚川, 王學(xué)華, 阮新波 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)