內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Boost變換器制造技術

本發明專利技術公開的內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Boost變換器，包括功率開關管、輸入濾波電感、隔直電容、箝位二極管、箝位電容、續流二極管、開關電容、輸出二極管、輸出電容和具有兩個繞組的內置變壓器，本發明專利技術利用內置變壓器的漏感來實現功率開關管的零電流開通和消除輸出二極管和箝位二極管的反向恢復問題，利用箝位二極管和箝位電容組成的無源箝位電路實現功率開關管的軟關斷和漏感能量的無損轉移，利用漏感和隔直電容的諧振消除了續流二極管的反向恢復問題，利用內置變壓器、隔直電容組成倍壓單元，實現變換器的高增益輸出和降低功率器件的電壓應力，無需額外的功率開關，電路中無能量損耗元件，結構簡單。

Boost converter with transformer and switch capacitor voltage doubling unit

The built-in transformer and switch capacitor of the invention discloses a double voltage unit includes Boost converter, power switch, input filter inductor, capacitor, diode clamp, clamp capacitor, diode, switch capacitor, output diode, output capacitor and built-in transformer with two windings, the invention uses the built-in the leakage inductance of the transformer to realize zero current power switch turn-on and eliminate reverse output diodes and clamping diode recovery problem, using diode clamp and clamp capacitor composed of passive clamp circuit to realize lossless transfer of soft switching power switch off and leakage energy, the use of leakage inductance and resonant capacitor the elimination of the freewheeling diode, blocking capacitor composed of doubling unit with built-in transformer, and achieve high gain output converter and low power device There is no additional power switch, and no energy loss component in the circuit. The structure is simple.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種直流一直流變換器。具體說是內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Boost變換器。
技術介紹
常規的升壓型(Boost)直流一直流變換器結構簡單，應用廣泛，但該變換器的功率開關工作于硬開關狀態，開關損耗較大，功率開關管的電壓應力較大，輸出二極管的反向恢復問題嚴重，且在高增益的應用場合下，需要高的開關占空比，這一點較難實現。近年來， 相繼研究了一些采用串聯開關電容單元的高增益Boost變換器，該方法需要串聯多個開關電容單元才能實現高增益變換，電路較復雜，續流二極管反向恢復嚴重，輸出電流紋波大。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供輸出電壓增益高，輸入電流紋波小，輸出電流紋波小，結構簡單，且二極管方向恢復問題小的內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Boost變換器。本專利技術的技術解決方案是內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Boost變換器， 包括一個功率開關管，一個輸入濾波電感，一個隔直電容，一個箝位二極管，一個箝位電容， 一個續流二極管，一個開關電容，一個輸出二極管，一個輸出電容和一個內置變壓器，內置變壓器有兩個繞組，輸入濾波電感的一端與電源的正端相連，輸入濾波電感的另一端和功率開關管的源極與箝位二極管的陽極及隔直電容的一端和內置變壓器的第二繞組的一端相連，隔直電容的另一端與內置變壓器的第一繞組的一端相連，箝位二極管的陰極與箝位電容的一端及續流二極管的陽極相連，內置變壓器的第二繞組的另一端與開關電容的一端相連，開關電容的另一端與續流二極管的陰極及輸出二極管的陽極相連，輸出二極管的陰極與輸出電容的一端相連，功率開關管的漏極和內置變壓器的第一繞組的另一端與箝位電容的另一端及電源的負端和輸出電容的另一端相連。上述內置變壓器的第一繞組與隔直電容的一端的連接端和內置變壓器的第二繞組與開關電容的連接端為內置變壓器的同名端。工作時，利用內置變壓器的漏感實現功率開關管的零電流開通以及輸出二極管和箝位二極管的軟關斷；功率開關管關斷時，由于箝位二極管和箝位電容的存在，實現了功率開關管的軟箝位關斷；功率開關管開通時，內置變壓器漏感與隔直電容的諧振實現了續流二極管的軟關斷。利用內置變壓器的第一、第二繞組實現變換器的高增益輸出，利用開關電容進一步提高變換器的電壓增益和降低功率器件的電壓應力，同時，每個開關周期箝位電容收集內置變壓器的漏感能量，并最終轉移到負載，實現了無源箝位電路的無損運行。本專利技術的內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Boost變換器，利用輸入濾波電感減小輸入電流的紋波，利用內置變壓器的漏感實現功率開關管的零電流開通以及輸出二極管和箝位二極管的軟關斷，利用箝位二極管和箝位電容組成的無源箝位電路實現了功率開關管的軟關斷和漏感能量的無損轉移，箝位二極管不串聯在功率回路上，可減小導通損耗， 利用內置變壓器的第一、第二繞組實現變換器的高增益輸出，利用開關電容進一步提高變換器的電壓增益和降低功率器件的電壓應力，無需額外的功率開關和電感元件，附件元件少，結構簡單，控制方便，電路中無能量損耗元件，提高了變換器的效率，換流過程中，開關器件無電壓過沖。附圖說明圖1是內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Boost變換器的電路圖； 圖2是圖1變換器工作過程波形圖。具體實施例方式參見圖1，本專利技術的內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Boost變換器，包括兩個功率開關管義一個輸入濾波電感Lf, 一個隔直電容Cb, 一個箝位二極管Dml，一個箝位電容 G,，一個續流二極管^^，一個開關電容一個輸出二極管凡，一個輸出電容G和一個內置變壓器，內置變壓器有兩個繞組4、、，輸入濾波電感^的一端與電源Vjn的正端相連，輸入濾波電感乙的另一端和功率開關管S的源極與箝位二極管的陽極及隔直電容C；的一端和內置變壓器的第二繞組、的一端相連，隔直電容C；的另一端與內置變壓器的第一繞組Z3 的一端相連，箝位二極管々w的陰極與箝位電容G7的一端及續流二極管々Μ的陽極相連，內置變壓器的第二繞組4的另一端與開關電容的一端相連，開關電容的另一端與續流二極管々w的陰極及輸出二極管凡的陽極相連，輸出二極管凡的陰極與輸出電容G的一端相連，功率開關管S的漏極和內置變壓器的第一繞組之的另一端與箝位電容C,的另一端及電源Vjn的負端和輸出電容G的另一端相連。上述內置變壓器的第一繞組Z3與隔直電容 Cb的一端的連接端和內置變壓器的第二繞組忍與開關電容Cw的連接端為內置變壓器的同名端。內置變壓器和開關電容的倍壓單元的無源箝位Boost變換器存在五種工作過程， 即續流二極管々w關斷過程；功率開關管^關斷與箝位二極管々w和輸出二極管久開通之間的換流；箝位二極管關斷過程；功率開關管^導通過程；輸出二極管凡關斷、續流二極管 /U開通過程。換流過程分析如下續流二極管々μ關斷過程換流前，電路處于功率開關管^導通，箝位二極管々w關斷，續流二極管々w導通，輸出二極管凡關斷，內置變壓器漏感與隔直電容G諧振的工作狀態。當諧振電流諧振到零時，續流二極管々μ關斷，流過濾波電感乙的電流以較小的斜率線性上升，能量儲存在濾波電感乙上。功率開關管S關斷與箝位二極管々M和輸出二極管凡開通之間的換流功率開關管S關斷時，功率開關管S上電壓迅速上升、箝位二極管iL兩端的電壓迅速下降至零，箝位二極管々M開通，由于箝位電容G7的作用，功率開關管S兩端的電壓被箝位為一定電壓值，實現了功率開關管S的軟箝位關斷。同時，內置變壓器第一繞組之和第二繞組、兩端的電壓迅速上升，輸出二極管夂兩端的電壓迅速下降到零，輸出二極管凡導通， 儲存在濾波電感乙和開關電容Cw的上能量向隔直電容G和負載轉移。 箝位二極管Dml關斷過程輸出二極管夂開通后，流過隔直電容G和開關電容Cw的電流以一定斜率上升，而流過箝位二極管的電流從一定值以一定斜率下降，當流過箝位二極管的電流下降到零時， 箝位二極管々w關斷。電路進入功率開關管^關斷，箝位二極管A,、續流二極管々Μ關斷和輸出二極管凡導通的工作狀態，儲存在濾波電感乙和開關電容的上能量繼續向隔直電容G和負載轉移。功率開關管S導通過程功率開關管^的門極信號給出，功率開關管^的電流從零以一定斜率線性上升，實現了功率開關管^的零電流開通，輸出二極管凡的電流以一定的斜率線性下降，當輸出二極管凡的電流下降到零時，輸出二極管凡關斷，實現了輸出二極管凡關斷與功率開關管^開通之間的換流，減小了輸出二極管凡的反向恢復電流，減小了輸出二極管凡導致的反向恢復損耗。流過濾波電感乙的電流以較小的斜率線性上升，能量儲存在濾波電感乙上。輸出二極管凡關斷、續流二極管開通過程輸出二極管凡關斷后，內置變壓器的漏感與隔直電容G開始諧振過程。能量從隔直電容G和箝位電容G7向開關電容Gp轉移。而流過濾波電感乙的電流繼續以較小的斜率線性上升，能量儲存在濾波電感乙上。圖2是圖1中電路工作過程中的部分波形圖，圖中的iz/為輸入濾波電感乙中的電流波形，厶為功率開關管S中的電流波形，vcb為隔直電容G的電壓波形，為內置變壓器漏感的電流波形，iDml、V0ml分別為二極管的電流、電壓波形，iDm2、V0m2分別續流二極管 Dm2的電流、電壓波形，iDo為輸出二極管凡電流波形；圖中的G至G表示一個開關周期中的時間點，。、，時間內是續流二極管々μ關斷過程， 廣G時間內是功率開關管本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．內置變壓器和開關電容的倍壓單元的Ｂｏｏｓｔ變換器，包括一個功率開關管（Ｓ），一個輸入濾波電感（Ｌｆ），一個隔直電容（Ｃｂ），一個箝位二極管（Ｄｍ１），一個箝位電容（Ｃｍ１），一個續流二極管（Ｄｍ２），一個開關電容（Ｃｍ２），一個輸出二極管（Ｄｏ），一個輸出電容（Ｃｏ）和一個內置變壓器，內置變壓器有兩個繞組（Ｌａ、Ｌｂ），輸入濾波電感（Ｌｆ）的一端與電源（Ｖｉｎ）的正端相連，輸入濾波電感（Ｌｆ）的另一端和功率開關管（Ｓ）的源極與箝位二極管（Ｄｍ１）的陽極及隔直電容（Ｃｂ）的一端和內置變壓器的第二繞組（Ｌｂ）的一端相連，隔直電容（Ｃｂ）的另一端與內置變壓器的第一繞組（Ｌａ）的一端相連，箝位二極管（Ｄｍ１）的陰極與箝位電容（Ｃｍ１）的一端及續流二極管（Ｄｍ２）的陽極相連，內置變壓器的第二繞組（Ｌｂ）的另一端與開關電容（Ｃｍ２）的一端相連，開關電容（Ｃｍ２）的另一端與續流二極管（Ｄｍ２）的陰極及輸出二極管（Ｄｏ）的陽極相連，輸出二極管（Ｄｏ）的陰極與輸出電容（Ｃｏ）的一端相連，功率開關管（Ｓ）的漏極和內置變壓器的第一繞組（Ｌａ）的另一端與箝位電容（Ｃｍ１）的另一端及電源（Ｖｉｎ）的負端和輸出電容（Ｃｏ）的另一端相連，上述內置變壓器的第一繞組（Ｌａ）與隔直電容（Ｃｂ）的連接端和內置變壓器的第二繞組（Ｌｂ）與開關電容（Ｃｍ２）的連接端為內置變壓器的同名端。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：何湘寧，李武華，榮強，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：86