專(zhuān)利名稱(chēng):一種有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及電源變換器技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路。
背景技術(shù):
20世紀(jì)60年代開(kāi)始得到發(fā)展和應(yīng)用的DC/DC的PWM功率變換技術(shù)是一種硬開(kāi)關(guān) 技術(shù),所謂硬開(kāi)關(guān)是指功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通或關(guān)斷時(shí),其上的電壓或電流不等于零,即強(qiáng)迫器件 在電壓不為零或電流不為零時(shí)關(guān)斷。因此,應(yīng)用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)的PWM功率變換器,其開(kāi)關(guān)頻率 不宜太高,否則會(huì)造成開(kāi)關(guān)損耗太大,PWM功率變換器的效率降低。但是,提供開(kāi)關(guān)頻率是開(kāi)關(guān)變換技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,高頻化可以使開(kāi)關(guān)變 換器中的變壓器、電感和電容的體積及重量大大減小,從而可以提高開(kāi)關(guān)變換器的功率密 度。因此,20世紀(jì)70年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外電力電子界和電源技術(shù)界開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)高頻軟 開(kāi)關(guān)技術(shù),所謂軟開(kāi)關(guān)是指功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通或關(guān)斷時(shí),其上的電壓或電流等于零,即零電壓 開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是利用諧振原理,當(dāng)開(kāi)關(guān)管中的電流自然過(guò)零時(shí),關(guān)斷開(kāi)關(guān) 管;或者,當(dāng)開(kāi)關(guān)管中的電壓自然過(guò)零時(shí),管斷開(kāi)關(guān)管。這樣可以使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗為零。現(xiàn)有技術(shù)中的DC/DC升壓變換器一般均采用Boost電路,因?yàn)檫@種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 調(diào)試方便。但是當(dāng)要求升壓比很高時(shí),Boost電路就不是很理想了。由Boost電路的原理
可知,其電壓增益為< =& = 1,Dtl = 1-D。理論上只要開(kāi)關(guān)管的占空比D很大,輸出電
Ud D0
4 JJo 1
壓增益就會(huì)很高;但是實(shí)際上因?yàn)殡娐酚袃?nèi)阻,因此,電壓增益為:Av=TT= D +a/ ‘
d "ο + /D0
r0
其中,a = T,r。為電路的內(nèi)阻,Ro為輸出負(fù)載電阻。因此,實(shí)際電路中普通的Boost電路 的電壓增益不會(huì)太高。在太陽(yáng)能和燃料電池中以及其他對(duì)升壓比要求很高的場(chǎng)合,由于輸入電流很大, 普通的單管Boost電路就不是很理想了。交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路可以增大系統(tǒng)容量,參見(jiàn)圖 1,該圖為現(xiàn)有技術(shù)中交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的結(jié)構(gòu)圖。其中,第一開(kāi)關(guān)管Sl和第二開(kāi)關(guān)管S2為主開(kāi)關(guān)管,兩者的工作時(shí)序相差180度, 即Sl和S2交替互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)Sl導(dǎo)通時(shí),第一電感Ll儲(chǔ)能,第一二極管Dol截止,第一電 容Co為負(fù)載供電,第二電感L2上的能量疊加輸入電壓Vin通過(guò)第二二極管Do2給負(fù)載供 電同時(shí)給Co充電。當(dāng)Sl關(guān)斷時(shí),Ll上的能量疊加Vin通過(guò)Dol為負(fù)載供電,同時(shí)也給Co 充電。S2的關(guān)斷和導(dǎo)通的原理與Sl相同,在此不再贅述。但是,Sl和S2工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài),Dol和Do2也工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài),這樣它們承受 的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力比較高,容易損壞,由于工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)因此,整機(jī)的效率也比較 低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,能夠工作 在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài),降低整機(jī)的損耗,提高效率。本發(fā)明提供一種有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,包括第一組耦合電感、第二組 耦合電感、第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管、第四開(kāi)關(guān)管;第一組耦合電感包括第一繞組、第二繞組和第三繞組;第二組耦合電感包括第四 繞組、第五繞組和第六繞組;第一繞組的異名端連接輸入電壓的正端,同名端連接第二繞組的異名端;第二繞組的同名端連接第六繞組的同名端,第六繞組的異名端通過(guò)第一二極管連 接輸出端;第四繞組的異名端連接輸入電壓的正端,同名端連接第五繞組的異名端;第五繞組的同名端連接第三繞組的同名端,第三繞組的異名端通過(guò)第二二極管連 接輸出端;第一繞組的同名端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管接地;第二繞組的異名端依次通過(guò)第三開(kāi)關(guān)管 和第一箝位電容接地;第四繞組的同名端通過(guò)第二開(kāi)關(guān)管接地;第五繞組的異名端依次通過(guò)第四開(kāi)關(guān)管 和第二箝位電容接地;輸出端通過(guò)并聯(lián)的電阻和第一電容接地。優(yōu)選地,所述第二繞組的匝數(shù)、第三繞組的匝數(shù)和第五繞組的匝數(shù)均相同。優(yōu)選地,所述第一繞組的匝數(shù)和第四繞組的匝數(shù)相同。
優(yōu)選地,所述第一箝位電容和第二箝位電容的容值相同。優(yōu)選地,所述第一開(kāi)關(guān)管的兩端并聯(lián)第一吸收電容;所述第二開(kāi)關(guān)管的兩端并聯(lián) 第二吸收電容。優(yōu)選地,所述第一吸收電容和第二吸收電容的容值相同。優(yōu)選地,所述第一繞組和第四繞組的等效漏感相同。優(yōu)選地,所述第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管均反向并聯(lián)一個(gè)二極管。優(yōu)選地,所述第三開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管均反向并聯(lián)一個(gè)二極管。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,與現(xiàn)有技術(shù)中的交錯(cuò)并聯(lián)Boost 電路相比,增加了耦合電感和吸收電路;其中,耦合電感的漏感限制了輸出二極管關(guān)斷電流 的下降率,從而抑制輸出二極管的反向恢復(fù),很大程度減小了輸出二極管反向恢復(fù)電流引 起的損耗。而增加的第三開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管作為有源輔助開(kāi)關(guān)以及第一吸收電容和第二 吸收電容組成的輔助吸收電路吸收并無(wú)損地轉(zhuǎn)移了漏感的能量,從而消除第一開(kāi)關(guān)管和第 二開(kāi)關(guān)管上的電壓尖峰。在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管的主開(kāi)關(guān)管以及輔 助開(kāi)關(guān)均是零電壓開(kāi)關(guān),因此,減小了開(kāi)關(guān)損耗,提高了整機(jī)的工作效率。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的結(jié)構(gòu)圖2是本發(fā)明提供的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路的電路圖;圖3是本發(fā)明提供的電路對(duì)應(yīng)的各個(gè)電壓和電流的波形圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂,下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。參見(jiàn)圖2,該圖為本發(fā)明提供的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路的電路圖。本發(fā)明提供的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,包括第一組耦合電感、第二組耦 合電感、第一開(kāi)關(guān)管S1、第二開(kāi)關(guān)管S2、第三開(kāi)關(guān)管Scl、第四開(kāi)關(guān)管Sc2 ;第一組耦合電感包括第一繞組Lla、第二繞組Lib和第三繞組Lie ;第二組耦合電 感包括第四繞組L2a、第五繞組L2b和第六繞組L2c ;需要說(shuō)明的是,第一組耦合電感可以為同一個(gè)電感,只是分為三個(gè)的繞組。第二組 耦合電感也可以為同一個(gè)電感,分為三個(gè)繞組。如圖2所示,第一組耦合電感的同名端用圖 表示,第二組耦合電感的同名端用星表示。第一繞組Lla的異名端連接輸入電壓Vin的正端,同名端連接第二繞組Lib的異 名端;第二繞組Lib的同名端連接第六繞組L2c的同名端,第六繞組L2c的異名端通過(guò) 第一二極管Dol連接輸出端;第四繞組L2a的異名端連接輸入電壓的正端,同名端連接第五繞組L2b的異名 端;第五繞組L2b的同名端連接第三繞組Lie的同名端,第三繞組Lie的異名端通過(guò) 第二二極管Do2連接輸出端;第一繞組Lla的同名端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管S1接地;第二繞組Lib的異名端依次通過(guò) 第三開(kāi)關(guān)管Scl和第一箝位電容Ccl接地;第四繞組L2a的同名端通過(guò)第二開(kāi)關(guān)管S2接地;第五繞組L2b的異名端依次通過(guò) 第四開(kāi)關(guān)管Sc2和第二箝位電容Cc2接地;輸出端Vout通過(guò)并聯(lián)的電阻Ro和第一電容Co接地。本實(shí)施例中優(yōu)選地,第一開(kāi)關(guān)管S1、第二開(kāi)關(guān)管S2、第三開(kāi)關(guān)管Scl和第四開(kāi)關(guān)管 Sc2均為NM0S管。其中,第一開(kāi)關(guān)管S1的漏極連接第一繞組Lla的同名端,源極接地;第 三開(kāi)關(guān)管Scl的漏極連接第一開(kāi)關(guān)管SI的漏極,源極通過(guò)第一箝位電容Ccl接地。第二開(kāi) 關(guān)管S2的漏極連接第四繞組L2a的同名端,源極接地;第四開(kāi)關(guān)管Sc2的漏極連接第二開(kāi) 關(guān)管S2的漏極,源極通過(guò)第二箝位電容Cc2接地。本實(shí)施例優(yōu)選所述第二繞組Lib的匝數(shù)、第三繞組Lie的匝數(shù)和第五繞組L2b的 匝數(shù)均相同。所述第一繞組Lla的匝數(shù)和第四繞組L2a的匝數(shù)相同。所述第一箝位電容Ccl和第二箝位電容Cc2的容值相同。所述第一開(kāi)關(guān)管S1的兩端并聯(lián)第一吸收電容Csl ;所述第二開(kāi)關(guān)管S2的兩端并 聯(lián)第二吸收電容Cs2。所述第一吸收電容Csl和第二吸收電容Cs2的容值相同。所述第一繞組Lla和第四繞組L2a的勵(lì)磁電感相同。
5
本發(fā)明實(shí)施例提供的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,與現(xiàn)有技術(shù)中的交錯(cuò)并 聯(lián)Boost電路相比,增加了耦合電感和吸收電路;其中,耦合電感的漏感限制了輸出二極管 (Dol和Do2)關(guān)斷電流的下降率,從而抑制輸出二極管的反向恢復(fù),很大程度減小了輸出二 極管反向恢復(fù)電流引起的損耗。而增加的第三開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管作為有源輔助開(kāi)關(guān)以及 第一吸收電容和第二吸收電容組成的輔助吸收電路吸收并無(wú)損地轉(zhuǎn)移了漏感的能量,從而 消除第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管上的電壓尖峰。在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān) 管以及有源輔助開(kāi)關(guān)均是零電壓開(kāi)關(guān),因此,在開(kāi)通和關(guān)斷期間減小了開(kāi)關(guān)損耗,提高了整 機(jī)的工作效率。下面結(jié)合圖3詳細(xì)介紹本發(fā)明提供的電路的工作原理。參見(jiàn)圖3,該圖為本發(fā)明提供的電路對(duì)應(yīng)的各個(gè)電壓和電流的波形圖。圖中Lm和分別是第一繞組Lla和第二繞組Lib的等效漏感,Isl和Is2分別 是第一開(kāi)關(guān)管S1和第二開(kāi)關(guān)管S2的電流,Vdsl和Vds2分別是第一開(kāi)關(guān)管S1和第二開(kāi)關(guān)管 S2的漏極和源極之間的電壓,IScl和Is。2分別是第三開(kāi)關(guān)管Scl和第四開(kāi)關(guān)管Sc2的電流, vdscl和Vds。2分別是第三開(kāi)關(guān)管Scl和第四開(kāi)關(guān)管Sc2的漏極和源極之間的電壓,V。。i和V。。2 分別是第一吸收電容Csl和第二吸收電容Cs2上的電壓。和Id。2分別是第三開(kāi)關(guān)管Scl 和第四開(kāi)關(guān)管Sc2中流過(guò)的電流。為了便于分析,首先假定輸出電壓Vout為常量,第一電容Co上的電壓近似認(rèn)為是 一個(gè)恒壓源;勵(lì)磁電感Lla = L2a = Lm ;等效漏感LLkl = LLk2 = LLk ;其中,LLkl和LLk2分別是 第一繞組Lla和第四繞組L2a的等效漏感;G = Cc2 = Co ;Csl = Cs2 = Cs ;主開(kāi)關(guān)管(SI和 S2)和有源輔助開(kāi)關(guān)(Scl和Sc2)由理想開(kāi)關(guān)反并二極管組成,一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)共有16個(gè) 工作模態(tài),由于電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,這里只分析其中8個(gè)模態(tài)。電路的靜態(tài)工作波形如圖3 所示。具體工作過(guò)程分析如下1)工作模態(tài)l(tO-tl) :S1和S2導(dǎo)通,Scl和Sc2關(guān)斷,Dol和Do2反向關(guān)斷,勵(lì)磁
電感Lla = L2a上電流的上升。2)工作模態(tài)2(tl_t2) :tl時(shí)亥lj,S2關(guān)斷,由于外并電容Cs2的作用,S2實(shí)現(xiàn)零電 壓關(guān)斷。S2上的電壓線(xiàn)性上升。3)工作模態(tài)3(t2_t3) :t2時(shí)刻,S2上的電壓上升到Cc2上電壓,Sc2的反并二極管 導(dǎo)通。勵(lì)磁電感L2a上的電流對(duì)Cc2充電,S2上的電壓繼續(xù)線(xiàn)性增加,由于Cc2 >>Cs2,
dv I
S2上電壓上升率可近似為一f1 ~。
dt Cc24)工作模態(tài)4(t3_t4) :t3時(shí)刻,Cc2上的電壓上升到一定值,使得Do2正向?qū)ā?整個(gè)電路開(kāi)始向負(fù)載傳遞能量,漏感上的能量開(kāi)始向C。2轉(zhuǎn)移。流過(guò)S1上的電流為勵(lì) 磁電感Lla上電流和Do2上的電流折回到Lla之和。勵(lì)磁電感Lla上的電流變化率和流過(guò)S1
di, 「廠(chǎng)-v M~)MN-V
的電流分別為+ =」°u丨 c2\n-~'isl(t) = iLla(t)+iDo2(t) -N05)工作模態(tài)5(t4_t5) :t4時(shí)刻,輔助管Sc2開(kāi)通,由于Sc2的反并二極管已導(dǎo)通, 因此Sc2零電壓開(kāi)通。Sc2的導(dǎo)通并不影響主開(kāi)關(guān)管工作。本工作模態(tài)的等效電路與工作 模態(tài)4的類(lèi)似。Cc2上的電流由于和C。2的諧振而改變方向,直接向負(fù)載傳遞能量。
6
6)工作模態(tài)6(t5_t6) :t5時(shí)亥lj,Sc2關(guān)斷,由于Cs2的作用,Sc2零電壓關(guān)斷,Cc2 退出工作,和主開(kāi)關(guān)管上的并聯(lián)電容Cs2形成新的諧振電路。Cs2上的能量逐漸被抽走。7)工作模態(tài)7(t6_t7) :t6時(shí)刻,Cs2上的能量全部被轉(zhuǎn)移到漏感上,S2的反并 二極管導(dǎo)通。然后,S2的門(mén)極信號(hào)給出,由于S2的電壓已經(jīng)降到零,S2零電壓導(dǎo)通。漏感
di V diV
LLk2上電流和Do2上的電流的變化率分別為== - yoUt 。
dt N. LLk2 dt N . LLk28)工作模態(tài)8(t7_t8)輸出二極管Do2上的電流隨著漏感上電流上升而下 降。t8時(shí)刻,漏感上電流等于勵(lì)磁電感上的電流,Do2上的電流下降到零,Do2關(guān)斷。輸 入電壓對(duì)勵(lì)磁電感和漏感充電。由于電路的對(duì)稱(chēng)性,接下來(lái)的工作模態(tài)與前面分析類(lèi)似。以上所述,僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。雖 然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上,然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人 員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下,都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明 技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾,或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此,凡是未脫離 本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同 變化及修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,包括第一組耦合電感、第二組耦合電感、第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管、第四開(kāi)關(guān)管;第一組耦合電感包括第一繞組、第二繞組和第三繞組;第二組耦合電感包括第四繞組、第五繞組和第六繞組;第一繞組的異名端連接輸入電壓的正端,同名端連接第二繞組的異名端;第二繞組的同名端連接第六繞組的同名端,第六繞組的異名端通過(guò)第一二極管連接輸出端;第四繞組的異名端連接輸入電壓的正端,同名端連接第五繞組的異名端;第五繞組的同名端連接第三繞組的同名端,第三繞組的異名端通過(guò)第二二極管連接輸出端;第一繞組的同名端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管接地;第二繞組的異名端依次通過(guò)第三開(kāi)關(guān)管和第一箝位電容接地;第四繞組的同名端通過(guò)第二開(kāi)關(guān)管接地;第五繞組的異名端依次通過(guò)第四開(kāi)關(guān)管和第二箝位電容接地;輸出端通過(guò)并聯(lián)的電阻和第一電容接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,所述第二繞 組的匝數(shù)、第三繞組的匝數(shù)和第五繞組的匝數(shù)均相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,所述第一繞 組的匝數(shù)和第四繞組的匝數(shù)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,所述第一箝 位電容和第二箝位電容的容值相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,所述第一開(kāi) 關(guān)管的兩端并聯(lián)第一吸收電容;所述第二開(kāi)關(guān)管的兩端并聯(lián)第二吸收電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,所述第一吸 收電容和第二吸收電容的容值相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,所述第一繞 組和第四繞組的等效漏感相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,所述第一開(kāi) 關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管均反向并聯(lián)一個(gè)二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,其特征在于,所述第三開(kāi) 關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管均反向并聯(lián)一個(gè)二極管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種有源交錯(cuò)并聯(lián)零電壓軟開(kāi)關(guān)電路,與現(xiàn)有技術(shù)中的交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路相比,增加了耦合電感和吸收電路;耦合電感的漏感限制了輸出二極管關(guān)斷電流的下降率,從而抑制輸出二極管的反向恢復(fù),很大程度減小了輸出二極管反向恢復(fù)電流引起的損耗。而增加的第三開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管作為有源輔助開(kāi)關(guān)以及第一吸收電容和第二吸收電容組成的輔助吸收電路吸收并無(wú)損地轉(zhuǎn)移了漏感的能量,從而消除第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管上的電壓尖峰。在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管的主開(kāi)關(guān)管以及輔助開(kāi)關(guān)均是零電壓開(kāi)關(guān),因此,減小了開(kāi)關(guān)損耗,提高了整機(jī)的工作效率。
文檔編號(hào)H02M3/10GK101951147SQ201010258229
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者李光, 胡炳孝, 陳虹 申請(qǐng)人:杭州奧能電源設(shè)備有限公司