一种最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种新型的DC-DC变换器技术领域，特别是涉及一种最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器。

背景技术

现阶段，能源危机以及环境污染问题促进了清洁能源与绿色能源的快速发展，但是由于可再生能源转换过程中单个模块的升压能力太低，无法得到较高的输出电压，因此能够进一步提升能源转换效率的高升压比DC/DC变换器被广泛应用于可再生能源系统中，包括燃料电池、风力发电和光伏系统，现有技术为了满足全桥、半桥或多电平并网逆变器对母线高电压的要求，DC-DC变换器通常直接串联电源以满足逆变器输入时所需要的高电压要求，但是，这又会引起电压不匹配从而导致元件承受过高的电压应力问题，所以研究如何利用结构变化以及技术融合使得传统DC-DC变换器能够在输出更高电压的同时，降低元件所受应力延长使用寿命，是当前极需解决的问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器，其特征在于，包括：

一种最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器，包括逆变电路、谐振电路、高频变压器和整流电路，所述谐振电路包括第一电感L

进一步地，所述逆变电路包括第一有源开关S1、第二有源开关S2、第三有源开关S3和第四有源开关S4，每个有源开关反并联一个二极管，每两个有源开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器的第一外接端。

进一步地，所述整流电路包括第一开关管S5和第二开关管S6，每个开关管与谐振电路的一侧串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器的第二外接端，所述变压器次级绕组的同名端和异名端分别连接至两个桥臂的中点。

进一步地，整流电路还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，第一开关管S5和第二开关管S6分别与四个二极管分别串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器的第二外接端，所述第一电容C

进一步地，所述最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器还包括集成开关电容单元，包括电容Cm3，第五二极管D5,所述集成开关电容单元连接至整流电路的输出侧与滤波电容之间。

进一步地，所述最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器还包括第一滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至整流电路的输出侧。

本发与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明将开关电容式电压变换器机制与标准的基于电感的降压单元相结，减少了磁性元件中的能量，而不需要任何迭代过程，功率转换保持在90％以上，低至标称功率的十分之一。

附图说明

图1是本发明一具体实施例的传统升压转换器的电路示意图；

图2是本发明一具体实施例的改进型反激变换器的电路示意图；

图3是本发明一具体实施例的具有电压倍增器模块的交错转换器第三实施例的电路示意图；

图4是本发明一具体实施例的最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器第四实施例的电路示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。

参照图1，图1为本发明传统升压转换器第一实施例的电路示意图。在附图所示的实施例中，所述传统升压转换器包括输入电源、耦合电感，快速电容，负载以及开关。所提出的拓扑结构是通过修改基本倍压开关电容式电压变换器单元而得到的。耦合电感器用于使快速电容器电压取决于开关占空比。电容充电和放电路径都受益于耦合电感的固有漏电感，结果是软二极管关断，没有反向恢复问题。

本实施例中，可以实现的最大电压增益受到电路中寄生电阻元件的限制，并且对于大的占空比，效率急剧降低。因为二极管短时间导通，所以存在二极管反向恢复问题。此外，高输入电流和输出电压上的较大纹波会进一步降低转换器的效率。

在某些实施例中，通常使用高频变压器或耦合电感器来实现高电压转换率，变压器设计变得更加复杂，并且为了实现更大的增益，漏电感增加，因为这需要更高的绕组匝数。这会导致开关两端出现电压尖峰，因此需要电压箝位技术来限制开关上的电压应力。因此，这使得设计更加复杂。

在附图所示的实施例中，拓扑结构是通过修改基本倍压开关电容式电压变换器单元而得到的。耦合电感器用于使快速电容器电压取决于开关占空比。电容充电和放电路径都受益于耦合电感的固有漏电感，结果是软二极管关断，没有反向恢复问题和无振铃操作。

参照图2，图2为本发明改进型反激变换器第二实施例的电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于高增益转换器设计，包括许多交错结构和一些非对称交错结构适用于提高电压增益比，该增益通过耦合电感实现。转换器的性能类似于有源箝位反激式转换器；因此，泄漏能量被恢复到输出端，具有额外的电压提升方案，它通过电压提升电容获得额外的电压增益，并降低输入电流纹波，适合功率因数校正(PFC)和大功率应用。

参照图3，图3为本发明具有电压倍增器模块的交错转换器第三实施例的电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于电压倍增器模块由两个耦合电感和两个开关电容组成，并插入传统交错升压转换器之间，以形成改进的升压-反激-正激交错结构。当开关轮流关断时，开关处于关断状态的相作为反激变换器，而开关处于接通状态的另一相作为正激变换器。具有Np匝的耦合电感器的初级绕组用于降低输入电流纹波，而具有Ns匝串联连接以扩展电压增益。耦合电感的匝数比相同。转换器工作在连续导通模式，电源开关的占空比稳定。

参照图4，本发明提出一种最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器，包括逆变电路、谐振电路、高频变压器和整流电路，所述谐振电路包括第一电感L

在稳态运行时可得励磁电流表达式：

在稳态运行时可得电压表达式：

二极管器件平均电流表达式：

所述逆变电路包括第一有源开关S1、第二有源开关S2、第三有源开关S3和第四有源开关S4，每个有源开关反并联一个二极管，每两个有源开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器的第一外接端。

所述整流电路包括第一开关管S5和第二开关管S6，每个开关管与谐振电路的一侧串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器的第二外接端，所述变压器次级绕组的同名端和异名端分别连接至两个桥臂的中点。

整流电路还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，第一开关管S5和第二开关管S6分别与四个二极管分别串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器的第二外接端，所述第一电容C

所述最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器还包括集成开关电容单元，包括电容Cm3，第五二极管D5,所述集成开关电容单元连接至整流电路的输出侧与滤波电容之间。

所述最小开关电压应力高升压比DC-DC变换器还包括第一滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至整流电路的输出侧。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。