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CN110034681A - 一种交错并联zvzcs高升压dc/dc变换器 - Google Patents

一种交错并联zvzcs高升压dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器，包括电感L 1、电感L 2、开关管S1、开关管S2、无源缓冲电路、第一电压倍增单元、第二电压倍增单元，无源缓冲电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电容C 1、电容C 2、电感L S1、电感L S2，第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C 1a、电容C 1b，第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C 2a、电容C 2b。本发明通过加入辅助电路，使开关管S1、S2实现了软开关，减少了开通和关断损耗，变换器工作效率得到了提高；辅助电路不含有源元件，拓扑结构较为简单，成本低，不影响原变换器控制策略和性能。

Description

一种交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器
技术领域
本发明属于DC/DC变换器领域，具体涉及一种交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器。
背景技术
光伏发电近年来得到了快速发展，因光伏电池输出电压较低，难以直接为逆变器提供符合电压要求的直流电，高增益DC/DC变换器在其中得到了广泛应用。但现有该类变换器多未实现软开关，存在开关管开通和关断损耗大的问题。附图2所示为一种基于电压增益单元实现的高增益DC/DC变换器，相比于传统Boost变换器，其具有增益比高、半导体器件电压应力低等优点。但该变换器中所有开关管均处于硬开关状态，因而变换器工作效率较低。
发明内容
本发明的技术问题是现有DC/DC变换器的所有开关管均处于硬开关状态，变换器工作效率较低，存在开关管开通和关断损耗大的问题。本发明的目的是提供一种交错并联ZVZCS（Zero Voltage and Zero Current Switch）高升压DC/DC变换器，通过加入辅助电路，使开关管实现软开关，减少开通和关断损耗，提高变换器工作效率。
本发明的技术方案是一种交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器，包括电感L 1、电感L 2、开关管S1、开关管S2、无源缓冲电路、第一电压倍增单元、第二电压倍增单元，无源缓冲电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电容C 1、电容C 2、电感L S1、电感L S2，第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C 1a、电容C 1b，第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C 2a、电容C 2b。
电感L 1一端与直流电源E的正极连接，另一端分别与开关管S1漏极、二极管D1阳极连接。
电感L 2一端与直流电源E的正极连接，另一端分别与开关管S2漏极、二极管D6阴极连接。
开关管S1源极分别与开关管S2源极、二极管D3阴极、二极管D7阴极、直流电源E的负极连接。
二极管D2阳极分别与二极管D1阴极、二极管D5阴极、电容C 1的一端连接，电容C1的另一端分别与二极管D5阳极、二极管D6阴极、电容C 2的一端连接，电容C 2的另一端分别与二极管D3阳极、二极管D4阴极、二极管D6阳极连接。
电容C 1a一端分别与二极管D2阴极、二极管D8阴极、二极管D10阳极连接。
电容C 1a另一端分别与电感L S1的一端、电容C 1b的一端连接，电感L S1的另一端与开关管S1漏极连接，电容C 1b的另一端分别与二极管D4阳极、二极管D7阳极、二极管D9阴极连接。
电容C 2a的一端与二极管D10阴极连接，电容C 2a的另一端分别与电感L S2的一端、电容C2b的一端连接，电感L S2的另一端与开关管S2的漏极连接，电容C 2b的另一端与二极管D9阳极连接。
进一步地，对开关管S1与开关管S2采用交错控制策略，开关管S1与开关管S2的驱动信号相位相差180°。
本发明的有益效果：
1）通过加入辅助电路，使开关管S1、S2实现了软开关，减少了开通和关断损耗，变换器工作效率得到了提高；
2）本发明的无源缓冲电路、拓扑结构较为简单，成本低，不影响原变换器控制策略和性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器的电路图。
图2为基于电压增益单元的高增益DC/DC变换器的电路图。
图3开关管S1、S2的驱动信号波形图。
图4为开关管S1、S2的电压和电流波形图。
图5为开关管S1的电压和电流波形放大图。
图6为开关管S2的电压和电流波形放大图。
图7为电感L 1、L 2、L S1、L S2电流波形图。
图8为电容C 1、C 2、C 1a、C 1b、C 2a、C 2b的电压波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器，包括电感L 1、电感L 2、开关管S1、开关管S2、无源缓冲电路、第一电压倍增单元、第二电压倍增单元，无源缓冲电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电容C 1、电容C 2、电感L S1、电感L S2，第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C 1a、电容C 1b，第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C 2a、电容C 2b。
电感L 1一端与直流电源E的正极连接，另一端分别与开关管S1漏极、二极管D1阳极连接。
电感L 2一端与直流电源E的正极连接，另一端分别与开关管S2漏极、二极管D6阴极连接。
开关管S1源极分别与开关管S2源极、二极管D3阴极、二极管D7阴极、直流电源E的负极连接。
二极管D2阳极分别与二极管D1阴极、二极管D5阴极、电容C 1的一端连接，电容C 1的另一端分别与二极管D5阳极、二极管D6阴极、电容C 2的一端连接，电容C 2的另一端分别与二极管D3阳极、二极管D4阴极、二极管D6阳极连接。
电容C 1a一端分别与二极管D2阴极、二极管D8阴极、二极管D10阳极连接。
电容C 1a另一端分别与电感LS1的一端、电容C 1b的一端连接，电感LS1的另一端与开关管S1漏极连接，电容C1b的另一端分别与二极管D4阳极、二极管D7阳极、二极管D9阴极连接。
电容C 2a的一端与二极管D10阴极连接，电容C 2a的另一端分别与电感L S2的一端、电容C 2b的一端连接，电感L S2的另一端与开关管S2的漏极连接，电容C 2b的另一端与二极管D9阳极连接。
对开关管S1与开关管S2采用交错控制策略，开关管S1与开关管S2的驱动信号相位相差180°。
本发明的交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器工作时，通过控制器控制开关管S1和开关管S2的导通和关断，依次在4种工作状态之间切换，工作状态如下：
模态1：控制器控制开关管S1关断，开关管S2导通。电感L 1放电，电感L 2充电。开关管S1关断瞬间，电感L 1开始放电，电流一部分通过二极管D1给电容C 1充电，流回开关管S2，另一部分给电感L S1和电容C 1b充电，再流经二极管D4、电容C 2流向开关管S2，此过程电容C 1、电容C 1b、电感L S1充电，电容C 2放电，电容C 2电压迅速下降至0，同时电感L S1电流迅速上升至i L1；电容C 2放电完毕时，电容C 1电压还未上升至u C1b，因此电感L S1右端电压比左端高，i LS1电流会下降，电容C 1继续充电，直到u C1=u C1b后，电流i LS1重新上升至i L1。此过程电感L S2反向充电，电感L S1电流先下降再上升至i L1，电容C 1b、C 2a电压上升，电容C 1a电压下降。此模态开关管S1关断时实现了零电压关断。
模态2：控制器控制开关管S1导通，开关管S2导通。电感L 1、L 2充电。开关管S1导通瞬间，由于电感L S1电流不能突变，电感L S1会从原路放电，电感L S1电流、电感L S2电流迅速下降至0，此时开关管S1实现了零电流开通。电感L S1、电感L S2通过电感L S1、电容C 1a、电容C 2a、电感L S2、开关管S2、开关管S1组成的支路和电感L S1、电容C 1b、二极管D7、开关管S1组成的支路进行放电；此时由于电容C 1电压大于电容C 1a电压，电容C 1会通过二极管D2、电容C 1a，对电感L S1反向充电，此时电容C 1、C 1a、二极管D2和电感L S1形成一个谐振单元，直到电感L S1电流下降为0，此时电容C 1电压小于电容C 1a电压。
模态3：控制器控制开关管S1导通，开关管S2关断。电感L 1充电，电感L 2放电。开关管S2关断瞬间，电容C 2充电，开关管S2实现零电压关断。当电容C 2电压上升到u C1+u C2=u C1a时，电容C 1开始放电，电感L S1开始反向充电，电感L 2电流一部分通过电容C 2、二极管D3流回直流电源E负极，另一部分通过电容C 1、二极管D2给电容C 1a充电，再经过电感L S1流回开关管S1，电容C 1放电，电压u C1+u C2先上升后下降，电流i LS1先上升后回落，直到电容C 1放电完毕u C1=0，此时电感L 2开始给电感L S1充电，电容C 2电压u C2<u C1a，电容C 2将继续充电，当u C2上升至u C1a时，i LS1不再下降，电容C 2继续充电，电压u C2>u C1a，电流i LS1开始重新上升，直到电容C 2充电完毕，此时i LS1=-i L2，电容C 2不再充电，电感L 2电流一部分开始通过电感L S2给电容C 2b充电，再经过电容C 1b流向电感L S1，流回开关管S1，电感L 2电流另一部分通过二极管D5、D2给电容C 1a充电，直到i LS2上升到i L2。此过程电感L S2、电容C 1a和C 2b充电，电容C 1b放电，当u C2b=u C1a+u C1b时，二极管D8导通，电感L 2电流一部分通过电感L S2流经二极管D8、电容C 1a，给电感L S1充电，再流回开关管S1，电感L 2电流另一部分开始通过电感L S2给电容C 2b充电再经过电容C 1b流向电感L S1，流回开关管S1。
模态4：控制器控制开关管S1导通，开关管S2导通。电感L 1、L 2充电。开关管S2导通瞬间，由于电感L S2电流不能突变，电感L S2会从原路放电，电感L S1电流、电感L S2电流迅速下降至0。此时开关管S2实现了零电流开通。电感L S1、电感L S2通过电感L S2、电容C 2b、电容C 1b、电感L S1、开关管S1组成的支路和电感L S2、二极管D8、电容C 1a、电感L S1、开关管S1组成的支路进行放电；此时电容C 2电压大于电容C 1b电压，电容C 2通过开关管S2、开关管S1、电感L S1、电容C 1a和二极管D4对电感L S1充电，此时电容C 2、电容C 1b、二极管D4和电感L S1形成一个谐振单元直到电感L S1电流下降为0，此时电容C 2电压小于电容C 1b电压。
一种实施例中对基于电压增益单元的高增益DC/DC变换器进行了仿真，仿真参数：所有开关管频率f=50kHz，开关管S1、S2占空比D=0.7，直流电源E电压u in =30V，输出电压u 0 =400V，额定功率P 0 =1600W。图3所示为开关管S1的驱动信号US1GS 和开关管S2的驱动信号US2GS的电压波形。图4-6所示为开关管S1、S2的电压、电流波形，其中i S1为开关管S1的漏极电流，i S2为开关管S2的漏极电流，u S1为开关管S1的漏极电压，u S2为开关管S2的漏极电压，可以看出，开关管S1、S2均实现了零电压关断和零电流导通。图7所示为电感L 1的电流i L1、电感L 2的电流i L2、电感L S1的电流i LS1、电感L S2的电流i LS2的波形。图8所示为电容C 1、C 2、C 1a、C 1b、C 2a、C 2b的电压波形。

Claims (2)

1.一种交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器，其特征在于，包括电感L 1、电感L 2、开关管S1、开关管S2、无源缓冲电路、第一电压倍增单元、第二电压倍增单元，无源缓冲电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电容C 1、电容C 2、电感L S1、电感L S2，第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C 1a、电容C 1b，第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C 2a、电容C 2b；
电感L 1一端与直流电源E的正极连接，另一端分别与开关管S1漏极、二极管D1阳极连接；
电感L 2一端与直流电源E的正极连接，另一端分别与开关管S2漏极、二极管D6阴极连接；
开关管S1源极分别与开关管S2源极、二极管D3阴极、二极管D7阴极、直流电源E的负极连接；
二极管D2阳极分别与二极管D1阴极、二极管D5阴极、电容C 1的一端连接，电容C 1的另一端分别与二极管D5阳极、二极管D6阴极、电容C 2的一端连接，电容C 2的另一端分别与二极管D3阳极、二极管D4阴极、二极管D6阳极连接；
电容C 1a一端分别与二极管D2阴极、二极管D8阴极、二极管D10阳极连接；
电容C 1a另一端分别与电感L S1的一端、电容C 1b的一端连接，电感L S1的另一端与开关管S1漏极连接，电容C 1b的另一端分别与二极管D4阳极、二极管D7阳极、二极管D9阴极连接；
电容C 2a的一端与二极管D10阴极连接，电容C 2a的另一端分别与电感L S2的一端、电容C 2b的一端连接，电感L S2的另一端与开关管S2的漏极连接，电容C 2b的另一端与二极管D9阳极连接。
2.根据权利要求1所述的交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器，其特征在于，对开关管S1与开关管S2采用交错控制策略，开关管S1与开关管S2的驱动信号相位相差180°。
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Application publication date: 20190719

Assignee: Yichang Yizhixing Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980034895

Denomination of invention: A interleaved parallel ZVZCS high boost DC/DC converter

Granted publication date: 20210126

License type: Common License

Record date: 20230426

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Application publication date: 20190719

Assignee: NANJING YANXU ELECTRICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980039976

Denomination of invention: A interleaved parallel ZVZCS high boost DC/DC converter

Granted publication date: 20210126

License type: Common License

Record date: 20230823

OL01 Intention to license declared
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Application publication date: 20190719

Assignee: Nanjing Chixun Electric Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2024980043871

Denomination of invention: A interleaved parallel ZVZCS high boost DC/DC converter

Granted publication date: 20210126

License type: Common License

Record date: 20250106