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一种交错并联ZVZCS高升压DC/DC变换器 

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申请/专利权人:三峡大学

摘要:一种交错并联ZVZCS高升压DCDC变换器,包括电感L1、电感L2、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C1、电容C2、电感LS1、电感LS2,第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C1a、电容C1b,第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C2a、电容C2b。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。

主权项:1.一种交错并联ZVZCS高升压DCDC变换器,其特征在于,包括电感L1、电感L2、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C1、电容C2、电感LS1、电感LS2,第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C1a、电容C1b,第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C2a、电容C2b;电感L1一端与直流电源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L2一端与直流电源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C1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C2的一端连接,电容C2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C1a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C1a另一端分别与电感LS1的一端、电容C1b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C2a的一端与二极管D10阴极连接,电容C2a的另一端分别与电感LS2的一端、电容C2b的一端连接,电感LS2的另一端与开关管S2的漏极连接,电容C2b的另一端与二极管D9阳极连接。

全文数据:一种交错并联ZVZCS高升压DCDC变换器技术领域本发明属于DCDC变换器领域,具体涉及一种交错并联ZVZCS高升压DCDC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DCDC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DCDC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DCDC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(ZeroVoltageandZeroCurrentSwitch)高升压DCDC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DCDC变换器,包括电感L1、电感L2、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C1、电容C2、电感LS1、电感LS2,第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C1a、电容C1b,第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C2a、电容C2b。电感L1一端与直流电源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L2一端与直流电源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C1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C2的一端连接,电容C2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C1a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C1a另一端分别与电感LS1的一端、电容C1b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C2a的一端与二极管D10阴极连接,电容C2a的另一端分别与电感LS2的一端、电容C2b的一端连接,电感LS2的另一端与开关管S2的漏极连接,电容C2b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DCDC变换器的电路图。图2为基于电压增益单元的高增益DCDC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L1、L2、LS1、LS2电流波形图。图8为电容C1、C2、C1a、C1b、C2a、C2b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DCDC变换器,包括电感L1、电感L2、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C1、电容C2、电感LS1、电感LS2,第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C1a、电容C1b,第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C2a、电容C2b。电感L1一端与直流电源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L2一端与直流电源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C1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C2的一端连接,电容C2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C1a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C1a另一端分别与电感LS1的一端、电容C1b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C2a的一端与二极管D10阴极连接,电容C2a的另一端分别与电感LS2的一端、电容C2b的一端连接,电感LS2的另一端与开关管S2的漏极连接,电容C2b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DCDC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L1放电,电感L2充电。开关管S1关断瞬间,电感L1开始放电,电流一部分通过二极管D1给电容C1充电,流回开关管S2,另一部分给电感LS1和电容C1b充电,再流经二极管D4、电容C2流向开关管S2,此过程电容C1、电容C1b、电感LS1充电,电容C2放电,电容C2电压迅速下降至0,同时电感LS1电流迅速上升至iL1;电容C2放电完毕时,电容C1电压还未上升至uC1b,因此电感LS1右端电压比左端高,iLS1电流会下降,电容C1继续充电,直到uC1=uC1b后,电流iLS1重新上升至iL1。此过程电感LS2反向充电,电感LS1电流先下降再上升至iL1,电容C1b、C2a电压上升,电容C1a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L1、L2充电。开关管S1导通瞬间,由于电感LS1电流不能突变,电感LS1会从原路放电,电感LS1电流、电感LS2电流迅速下降至0,此时开关管S1实现了零电流开通。电感LS1、电感LS2通过电感LS1、电容C1a、电容C2a、电感LS2、开关管S2、开关管S1组成的支路和电感LS1、电容C1b、二极管D7、开关管S1组成的支路进行放电;此时由于电容C1电压大于电容C1a电压,电容C1会通过二极管D2、电容C1a,对电感LS1反向充电,此时电容C1、C1a、二极管D2和电感LS1形成一个谐振单元,直到电感LS1电流下降为0,此时电容C1电压小于电容C1a电压。模态3:控制器控制开关管S1导通,开关管S2关断。电感L1充电,电感L2放电。开关管S2关断瞬间,电容C2充电,开关管S2实现零电压关断。当电容C2电压上升到uC1+uC2=uC1a时,电容C1开始放电,电感LS1开始反向充电,电感L2电流一部分通过电容C2、二极管D3流回直流电源E负极,另一部分通过电容C1、二极管D2给电容C1a充电,再经过电感LS1流回开关管S1,电容C1放电,电压uC1+uC2先上升后下降,电流iLS1先上升后回落,直到电容C1放电完毕uC1=0,此时电感L2开始给电感LS1充电,电容C2电压uC2uC1a,电流iLS1开始重新上升,直到电容C2充电完毕,此时iLS1=-iL2,电容C2不再充电,电感L2电流一部分开始通过电感LS2给电容C2b充电,再经过电容C1b流向电感LS1,流回开关管S1,电感L2电流另一部分通过二极管D5、D2给电容C1a充电,直到iLS2上升到iL2。此过程电感LS2、电容C1a和C2b充电,电容C1b放电,当uC2b=uC1a+uC1b时,二极管D8导通,电感L2电流一部分通过电感LS2流经二极管D8、电容C1a,给电感LS1充电,再流回开关管S1,电感L2电流另一部分开始通过电感LS2给电容C2b充电再经过电容C1b流向电感LS1,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L1、L2充电。开关管S2导通瞬间,由于电感LS2电流不能突变,电感LS2会从原路放电,电感LS1电流、电感LS2电流迅速下降至0。此时开关管S2实现了零电流开通。电感LS1、电感LS2通过电感LS2、电容C2b、电容C1b、电感LS1、开关管S1组成的支路和电感LS2、二极管D8、电容C1a、电感LS1、开关管S1组成的支路进行放电;此时电容C2电压大于电容C1b电压,电容C2通过开关管S2、开关管S1、电感LS1、电容C1a和二极管D4对电感LS1充电,此时电容C2、电容C1b、二极管D4和电感LS1形成一个谐振单元直到电感LS1电流下降为0,此时电容C2电压小于电容C1b电压。一种实施例中对基于电压增益单元的高增益DCDC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uin=30V,输出电压u0=400V,额定功率P0=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iS1为开关管S1的漏极电流,iS2为开关管S2的漏极电流,uS1为开关管S1的漏极电压,uS2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L1的电流iL1、电感L2的电流iL2、电感LS1的电流iLS1、电感LS2的电流iLS2的波形。图8所示为电容C1、C2、C1a、C1b、C2a、C2b的电压波形。

权利要求:1.一种交错并联ZVZCS高升压DCDC变换器,其特征在于,包括电感L1、电感L2、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C1、电容C2、电感LS1、电感LS2,第一电压倍增单元包括二极管D7、二极管D8、电容C1a、电容C1b,第二电压倍增单元包括二极管D9、二极管D10、电容C2a、电容C2b;电感L1一端与直流电源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L2一端与直流电源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C1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C2的一端连接,电容C2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C1a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C1a另一端分别与电感LS1的一端、电容C1b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C2a的一端与二极管D10阴极连接,电容C2a的另一端分别与电感LS2的一端、电容C2b的一端连接,电感LS2的另一端与开关管S2的漏极连接,电容C2b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DCDC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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