一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器制造技术

本发明专利技术属于直流变换器领域，具体涉及一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器。该变换器包括两个开关管，两个二极管，一个三绕组变压器，一个共模电感和五个电容；所有功率管的电压应力较低，可以采用低耐压的器件，减小了系统成本和通态损耗；实现了所有开关管的ZVS开通和所有二极管的ZCS关断，减小了开关损耗；采用共模电感，利用互感作用增大其等效电感量，从而降低了电感所需的匝数，并减少了一个磁芯，使得变换器的体积和重量减小；通过合理设计三绕组变压器的励磁电感量和匝比，可以彻底消除输入电流的开关频率纹波，因此无需输入滤波电容，改善了可靠性；无需工作在极端占空比就能实现10倍以上的电压增益。占空比就能实现10倍以上的电压增益。占空比就能实现10倍以上的电压增益。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器


[0001]本专利技术属于直流变换器领域，具体涉及一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器。

技术介绍

[0002]由于输出电压较低，太阳能电池和燃料电池需要通过Boost变换器接入到并网或独立逆变器。传统的Boost变换器存在电压增益低、二极管反向恢复严重、功率管电压应力高、功率密度偏低等许多缺点。因此，对于高升压应用来说，它并不是一个好的选择。为了提高Boost变换器的电压增益，学者们研究了许多技术，如耦合电感、开关电感、开关电容、电荷泵等。使用这些技术不仅提高了电压增益，还降低了半导体元件上的电压应力。然而，开关电感Boost变换器的输入电流存在脉动，增大了电磁干扰；开关电容充放电时会产生很大的瞬态电流，增加了功率管的电流应力。此外，在基于耦合电感的拓扑中，增加匝数比以实现高电压增益，会使漏电感更大，这会恶化变换器的性能，并增加功率管的电压尖峰。此外，上述高增益变换器的电压增益均不超过传统Boost变换器的两倍，电压应力不低于传统Boost变换器输出电压的一半，且功率管处于硬开关方式，开关损耗较大，开关频率难以提升，因此体积和重量仍然偏大，功率密度较低。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器，能实现所有开关管的ZVS开通和所有二极管的ZCS关断，且电压增益超过传统Boost变换器的两倍，电压应力低于传统Boost变换器输出电压的一半，具有变换效率高、输入电流纹波小、功率密度高、成本低等优点。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案如下：
[0005]一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、输出滤波电容C
o
、三绕组变压器和共模电感；
[0006]所述三绕组变压器包含原边绕组N
p
、第一副边绕组N
s1
和第二副边绕组N
s2
，其励磁电感为L
m
；
[0007]所述共模电感包含第一电感L1，第二电感L2，所述第一电感L1和第二电感L2的互感为M；
[0008]所述第一开关管S1的漏极与第二开关管S2的源极、第二电容C2的负极、第四电容C4的负极、原边绕组N
p
的末端连接；
[0009]所述第一电容C1的正极与第二开关管S2的漏极、第一副边绕组N
s1
的首端连接；
[0010]所述第二电容C2的正极与第一二极管D1的阳极、第一电感L1的末端连接；
[0011]所述第三电容C3的正极与第一二极管D1的阴极、第二副边绕组N
s2
的首端连接；
[0012]所述第四电容C4的正极与第二二极管D2的阳极、第二电感L2的末端连接；
[0013]所述第一副边绕组N
s1
的末端与第一电感L1的首端连接；
[0014]所述第二副边绕组N
s2
的末端与第二电感L2的首端连接；
[0015]所述原边绕组N
p
的首端为变换器输入侧的正极性端；
[0016]所述输出滤波电容C
o
的正极与第二二极管D2的阳极连接，作为变换器输出侧的正极性端；
[0017]所述第一开关管S1的源极与第一电容C1的负极、第三电容C3的负极、输出滤波电容C
o
的负极连接，作为变换器输入侧的负极性端和输出侧的负极性端；
[0018]所述三绕组变压器第一副边绕组N
s1
和第二副边绕组N
s2
的匝数相等，即N
s1
＝N
s2
；
[0019]所述三绕组变压器的匝比n取值范围：
[0020]式中，G为所述ZVS高增益变换器的电压增益，δ％为三绕组变压器的励磁电感电流峰峰值与其最大平均电流的比值，通常为20％
‑
30％；
[0021]所述共模电感的第一电感L1、第二电感L2的电感量相等，且需满足：
[0022][0023]式中，U
in
为输入电压，U
o
为输出电压，P
o,max
为最大输出功率，f
s
为开关频率；
[0024]所述基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器的理想电压增益为(1+2D)/(1
‑
D)，其中，D为开关管S的驱动信号的占空比；
[0025]所述第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2的电压应力均为(2U
in
+U
o
)/3。
[0026]与现有技术相比，本专利技术提出的基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器具有以下技术效果：
[0027]1)只有两个开关管和两个二极管，且所有功率管的电压应力较低，为(2U
in
+U
o
)/3，可以采用低耐压的器件，减小了系统成本和通态损耗；
[0028]2)实现了所有开关管的ZVS开通和所有二极管的ZCS关断，减小了开关损耗，因此开关频率可以进一步提高，减小滤波元件体积，提高功率密度；
[0029]3)将第一电感L1和第二电感L2构成共模电感，利用互感作用增大其等效电感量，从而降低了两个电感所需的匝数，并减少了一个磁芯，使得变换器的体积和重量减小，功率密度较高；
[0030]4)通过合理设计三绕组变压器的励磁电感量L
m
和匝比n，可以彻底消除输入电流的开关频率纹波，因此无需输入滤波电容，改善了可靠性和功率密度；
[0031]3)具有很强的升压能力，无需工作在极端占空比就能实现10倍以上的电压增益。
附图说明
[0032]图1为本专利技术提供的基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器的电路结构示意图；
[0033]图2为图1所示的基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器在一个开关周期内的工作模态等效图；
[0034]图3为图1所示的基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器在一个开关周期内的主要波形图；
[0035]图4为图1所示的基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器的稳态仿真波形图；
[0036]图5为图1所示的基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器的控制框图；
[0037]图6为图1所示的基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器的动态仿真波形图。
具体实施方式
[0038]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器，其特征在于，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、输出滤波电容C
o
、三绕组变压器和共模电感；所述三绕组变压器包含原边绕组N
p
、第一副边绕组N
s1
和第二副边绕组N
s2
；所述共模电感包含第一电感L1，第二电感L2，所述第一电感L1和第二电感L2的互感为M；所述第一开关管S1的漏极与第二开关管S2的源极、第二电容C2的负极、第四电容C4的负极、原边绕组N
p
的末端连接；所述第一电容C1的正极与第二开关管S2的漏极、第一副边绕组N
s1
的首端连接；所述第二电容C2的正极与第一二极管D1的阳极、第一电感L1的末端连接；所述第三电容C3的正极与第一二极管D1的阴极、第二副边绕组N
s2
的首端连接；所述第四电容C4的正极与第二二极管D2的阳极、第二电感L2的末端连接；所述第一副边绕组N
s1
的末端与第一电感L1的首端连接；所述第二副边绕组N
s2
的末端与第二电感L2的首端连接；所述原边绕组N
p
的首端为变换器输入侧的正极性端；所述输出滤波电容C
o
的正极与第二二极管D2的阳极连接，作为变换器输出侧的正极性端；所述第一开关管S1的源极与第一电容C1的负极、第三电容C3的负极、输出滤波电容C
o
的负极连接，作为变换器输入侧的负极性端和输出侧的负极性端。2.根据权利要求1所述的一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器，其特征在于，所述三绕组变压器的匝比n满足：式中，G为所述变换器的电压增益，δ％为三绕组变压器的励磁电感电流峰峰值与其最大平均电流的比值，通常为20％
‑
30％；所述第一电感L1和所述第二电感L2的电感量相等，且需满足：式中，U
in
为输入电压，U
o
为输出电压，P
o,max
为最大输出功率，L
m
为所述三绕组变压器的励磁电感。3.根据权利要求1所述的一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器，其特征在于，理想电压增益为(1+2D)/(1
‑
D)，式中，D为所述第一开关管S1驱动信号的占空比。4.根据权利要求2所述的一种基于共模电感的高功率密度ZVS高增益变换器，其特征在于，所述第一开关管S1和所述第二开关管S2均实现ZVS开通；所述第一二极管D1和所述第二二极管D2均实现ZCS关断...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岭，王雅婷，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：