一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器

摘要

本发明公开了一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，田字型阻抗网络升压变换器的电压增益为D/(1‑D)2，相比于传统的升压变换器，田字型阻抗网络升压变换器提高了电压增益。主要包括一个功率开关管，一个辅助开关管，三个功率电感，一个辅助电感，两个中间储能电容，一个输出电容，一个辅助电容，三个二极管，两个辅助二极管。相对于传统的升压电路，本文提出的田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器在实现输出电压增益的拓展的同时还能够实现主、辅开关管的零电压零电流开通和关断，损耗低，传输效率高，具有丰富的应用性和实用价值。

权利要求

1.一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，其特征在于，包括：直流电源、功率开关管、辅助开关管、第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感、辅助电感、第一中间储能电容、第二中间储能电容、输出电容、辅助电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一辅助二极管、第二辅助二极管及负载；

所述直流电源的正极与所述第一功率电感的第一端、所述第一辅助二极管的阴极、所述第一中间储能电容的第二端及所述第二中间储能电容的第一端连接；

所述第一辅助二极管的阳极与所述第二二极管的阳极、所述第二功率电感的第一端、所述辅助开关管的第一端及所述功率开关管的第一端连接；

所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阴极及所述第一功率电感的第二端连接；

所述第一二极管的阳极与所述第二功率电感的第二端及所述第一中间储能电容的第一端连接；

所述辅助开关管的第二端与所述辅助电感的第一端连接；

所述第三功率电感的第一端与所述第二中间储能电容的第二端及第三二极管的阳极连接；

所述输出电容的第一端与所述第三二极管的阴极及所述负载的第一端连接；

所述直流电源的负极与所述功率开关管的第二端、所述辅助电容的第一端、所述第三功率电感的第二端、所述输出电容的第二端、所述第二辅助二极管的阳极及所述负载的第二端连接；

所述辅助电感的第二端与所述辅助电容的第二端及所述第二辅助二极管的阴极连接。

2.根据权利要求1所述的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，其特征在于，2

电压增益为D/(1‑D) ，在功率开关管的占空比为0.75时，其输出电压增益为输入电压的12倍。

3.根据权利要求1所述的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，其特征在于，输入端阻抗为田字型网络，由所述第一二极管、所述第二二极管、所述第一辅助二极管、所述第一功率电感、所述第二功率电感、所述第一中间储能电容组成。

4.根据权利要求1所述的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，其特征在于，由所述第一辅助二极管、所述第二辅助二极管、所述辅助开关管、辅助电容、所述辅助电感所组成的辅助网络使功率开关管实现了零电压零电流转换，降低了功率开关管的开关损耗。

5.根据权利要求1所述的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，其特征在于，所述辅助开关管在一个周期内，开关两次，两次开关过程均实现了零电压零电流转换，降低了辅助开关管的开关损耗。

6.如权利要求1所述的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，其特征在于，所述第一中间储能电容、所述第二中间储能电容、所述输出电容、所述辅助电容均为电解电容；

所述第一中间储能电容的第一端、所述第二中间储能电容的第一端、所述输出电容的第一端、所述辅助电容的第一端均为正端；

所述第一中间储能电容的第二端、所述第二中间储能电容的第二端、所述输出电容的第二端、所述辅助电容的第二端均为负端。

说明书

一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别是涉及一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器。

背景技术

[0002] 功率器件MOSFET广泛应用于短路保护、电动机控制、开关电路等场合，不同的设计需求促生了MOSFET的多种类型和有效的设计使用方法。MOSFET应用在常规电路中时，开关
过程中电压、电流均不为零，感性关断电压尖峰大，容性开通电流尖峰大，电磁干扰严重，有
显著的开关损耗，具有较大的开关噪声；而且传统的升压变换器电压增益为输出电压增益
变化范围很小，通常输出电压只能为输入电压的0～9倍，无法满足日益增长的工业发展需
求。因此，其适用范围受到很大限制。

[0003] 因此，如何在提高电压增益的同时降低开关损耗使本领域技术人员目前需要解决的问题。

[0004] 本发明所设计的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有高增益、零电压零电流转换的升压变换器。当所述功率开
关管的占空比设计为0.75时，所述的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器的电压
增益为12倍。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器。可用于解决传统升压变换器电压增益低、传统变换器电路开关损耗大和噪声大的问题。

[0006] 针对上述技术问题，本发明提供了一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，所述田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器能够实现较高的电压增益，也可以降低
开关损耗，实现所述功率开关管的零电压零电流转换，包括：直流电源、功率开关管、辅助开
关管、第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感、辅助电感、第一中间储能电容、第二中
间储能电容、输出电容、辅助电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一辅助二极管、第二辅助二极管及负载；

[0007] 所述直流电源的正极与所述第一功率电感的第一端、所述第一辅助二极管的阴极、所述第一中间储能电容的第二端及所述第二中间储能电容的第一端连接；

[0008] 所述第一辅助二极管的阳极与所述第二二极管的阳极、所述第二功率电感的第一端、所述辅助开关管的第一端及所述功率开关管的第一端连接；

[0009] 所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阴极及所述第一功率电感的第二端连接；

[0010] 所述第一二极管的阳极与所述第二功率电感的第二端及所述第一中间储能电容的第一端连接；

[0011] 所述辅助开关管的第二端与所述辅助电感的第一端连接；

[0012] 所述第三功率电感的第一端与所述第二中间储能电容的第二端及第三二极管的阳极连接；

[0013] 所述输出电容的第一端与所述第三二极管的阴极及所述负载的第一端连接；

[0014] 所述直流电源的负极与所述功率开关管的第二端、所述辅助电容的第一端、所述第三功率电感的第二端、所述输出电容的第二端、所述第二辅助二极管的阳极及所述负载
的第二端连接；

[0015] 所述辅助电感的第二端与所述辅助电容的第二端及所述第二辅助二极管的阴极连接。

[0016] 优选地，所述第一中间储能电容、所述第二中间储能电容、所述输出电容、所述辅助电容均为电解电容；

[0017] 所述第一中间储能电容的第一端、所述第二中间储能电容的第一端、所述输出电容的第一端、所述辅助电容的第一端均为正端；

[0018] 所述第一中间储能电容的第二端、所述第二中间储能电容的第二端、所述输出电容的第二端、所述辅助电容的第二端均为负端。

[0019] 优选地，所述功率开关管、所述辅助开关管均为NMOS管。

[0020] 所述功率开关管、所述辅助开关管的第一端为所述NMOS管的源极，所述功率开关管、所述辅助开关管的第二端为所述NMOS管的漏极。

[0021] 从以上技术方案可以看出，本发明案例实施具有以下有益效果：

[0022] 与现有的传统升压变换器相比，本发明电路具有更高的电压增益，并且能够实现开关管的零电压零电流转换，降低开关管的开关损耗，提高升压变换器效率。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术
人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器的实施例的拓扑结构图；

[0025] 图2～图11为本发明的电路拓扑结构在一个开关周期内的主要工作模态图；其中：图2为工作模态1的拓扑结构图；

[0026] 图3为工作模态2的拓扑结构图；

[0027] 图4为工作模态3的拓扑结构图；

[0028] 图5为工作模态4的拓扑结构图；

[0029] 图6为工作模态5的拓扑结构图；

[0030] 图7为工作模态6的拓扑结构图；

[0031] 图8为工作模态7的拓扑结构图；

[0032] 图9为工作模态8的拓扑结构图；

[0033] 图10为工作模态9的拓扑结构图；

[0034] 图11为工作模态10的拓扑结构图。

[0035] 图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中没有电流流过的部分；

[0036] 其中：Vg为输入的直流电源、S1为功率开关管、S2为辅助开关管、D1为第一二极管、D2为第二二极管、D3为第三二极管、Dr1为第一辅助二极管、Dr2为第二辅助二极管、C1为第一中间储能电容、C2为第二中间储能电容、C3为输出电容、Cr2为辅助电容、L1为第一功率电感、L2为第二功率电感、L3为第三功率电感、Lr为辅助电感。

具体实施方式

[0037] 本发明公开了一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器，田字型阻抗网络升2
压变换器的电压增益为D/(1‑D) ，相比于传统的升压变换器，田字型阻抗网络升压变换器
提高了电压增益。主要包括一个功率开关管，一个辅助开关管，三个功率电感，一个辅助电
感，两个中间储能电容，一个输出电容，一个辅助电容，三个二极管，两个辅助二极管。相对
于传统的升压电路，本文提出的田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器在实现输出电压
增益的拓展的同时还能够实现主、辅开关管的零电压零电流开通和关断，损耗低，传输效率
高，具有丰富的应用性和实用价值。

[0038] 为使本发明实施例中的目的、技术方案和特点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例
仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 本发明中功率开关管S1和辅助开关管S2以N沟道场效应管为例，在实际应用中，用户可以根据实际需求来选择相应的功率开关管S1和辅助开关管S2，本发明在此不做限定。

[0040] 为了便于理解，请参照图1，本发明提供了一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器的一个实施例，包括：直流电源Vg、功率开关管S1、辅助开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一辅助二极管Dr1、第二辅助二极管Dr2、第一中间储能电容C1、第二中间储能电容C2、输出电容C3、辅助电容Cr2、第一功率电感L1、第二功率电感L2、第三功率电感L3、辅助电感Lr、负载R；

[0041] 所述直流电源Vg的正极与所述第一功率电感L1的第一端、所述第一辅助二极管Dr1的阴极、所述第一中间储能电容C1的第二端及所述第二中间储能电容C2的第一端连接；

[0042] 所述第一辅助二极管Dr1的阳极与所述第二二极管D2的阳极、所述第二功率电感L2的第一端、所述辅助开关管S2的第一端及所述功率开关管S1的第一端连接；

[0043] 所述第一二极管D1的阴极与所述第二二极管D2的阴极及所述第一功率电感L1的第二端连接；

[0044] 所述第一二极管D1的阳极与所述第二功率电感L2的第二端及所述第一中间储能电容C1的第一端连接；

[0045] 所述辅助开关管S2的第二端与所述辅助电感Lr的第一端连接；

[0046] 所述第三功率电感L3的第一端与所述第二中间储能电容C2的第二端及第三二极管D3的阳极连接；

[0047] 所述输出电容C3的第一端与所述第三二极管D3的阴极及所述负载R的第一端连接；

[0048] 所述直流电源Vg的负极与所述功率开关管S1的第二端、所述辅助电容Cr2的第一端、所述第三功率电感L3的第二端、所述输出电容C3的第二端、所述第二辅助二极管Dr2的阳
极及所述负载R的第二端连接；

[0049] 所述辅助电感Lr的第二端与所述辅助电容的第二端及所述第二辅助二极管Dr2的阴极连接。

[0050] 需要说明的是，本发明实施例中的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器根据功率开关管S1和辅助开关管S2和关断状态分为10种工作模态，具体请参照图2～图11，
图2～图11当中的虚线部分为非工作部分，可视为不存在。本发明实施例中的一种田字型阻
抗网络软开关高增益升压变换器的工作原理可以描述为：

[0051] 工作模态1如图2所示：

[0052] 功率开关管S1和辅助开关管S2关断，在主电路中，第一二极管D1截止，第二二极管D2和第三二极管D3导通，第一功率电感L1、第二功率电感L2、第三功率电感L3处于放能状态，
第一中间储能电容C1、第二中间储能电容C2、输出电容C3处于储能状态；在辅助电路中，辅助
电容Cr2的电压增加；

[0053] 此工作模态下，相关电气参数关系式为：

[0054] VL1＝VO+VC2‑VC1‑Vg                                   (1)

[0055] VL2＝VC1                                               (2)

[0056] VL3＝VO                                                (3)

[0057] 其中，VL1表示第一功率电感L1在此工作模态下的两端电压，VL2表示第二功率电感L2在此工作模态下的两端电压，VL3表示第三功率电感L3在此工作模态下的两端电压，VO表示
输出电压。

[0058] 工作模态2如图3所示：

[0059] 辅助开关管S2导通，由于辅助开关管S2和辅助电感Lr串联，而iLr(t)＝0，所以辅助开关管S2实现零电压零电流开通。在该模态中，谐振网络由辅助电感Lr、辅助电容Cr2、辅助
开关管S2、第二中间储能电容C2、输出电容C3、第三功率电感L3构成，uCr2开始谐振增加。由于产生反向电流，第三二极管D3的电流会相应减小。

[0060] 工作模态3如图4所示：

[0061] 第一辅助二极管Dr1、第二辅助二极管Dr2导通，辅助电感Lr承受正向电压，iLr线性增加。

[0062] 工作模态4如图5所示：

[0063] 功率开关管S1的体二极管导通，因为功率开关管S1的体二极管和第三二极管D3同时导通，所以iLr线性降低。

[0064] 工作模态5如图6所示：

[0065] 功率开关管S1的体二极管关断，iLr持续降低，第二辅助二极管Dr2关断，辅助开关管S2的体二极管导通。在这个模态中，谐振网络由辅助电感Lr、辅助电容Cr2、辅助开关管S2的体二极管组成。

[0066] 工作模态6如图7所示：

[0067] 功率开关管S1导通，第一二极管D1导通，第二二极管D2、第三二极管D3、第一辅助二极管Dr1、第二辅助二极管Dr2截止，第一功率电感L1、第二功率电感L2和第三功率电感L3处于
储能状态，第一中间储能电容C1、第二中间储能电容C2和输出电容C3处于放能状态；

[0068] 此工作模态下，相关电气参数关系式为：

[0069] V′L1＝Vg+VC1       (4)

[0070] V′L2＝Vg              (5)

[0071] V′L3＝VC2            (6)

[0072] 其中，Vg表示直流电源电压，V'L1表示第一功率电感L1在此工作模态下的两端电压，V'L2表示第二功率电感L2在此工作模态下的两端电压，V'L3表示第三功率电感L3在此工
作模态下的两端电压，VC1表示第一中间储能电容C1两端电压，VC2表示第二中间储能电容C2
两端电压。

[0073] 工作模态7如图8所示：

[0074] 功率开关管S1、辅助开关管S2导通，谐振网络由辅助电感Lr、辅助电容Cr2、功率开关管S1和辅助开关管S2组成。iLr从零开始谐振增加。

[0075] 工作模态8如图9所示：

[0076] 功率开关管S1的体二极管导通，谐振网络由辅助电感Lr、辅助电容Cr2、辅助开关管S2和功率开关管S1的体二极管组成。

[0077] 工作模态9如图10所示：

[0078] 功率开关管S1的体二极管关断，辅助开关管S2的体二极管导通，谐振网络由辅助电感Lr、功率开关管S1的寄生电容Cr1、辅助电容Cr2和辅助开关管S2的体二极管组成，功率开关
管S1的寄生电容Cr1处于放能状态，iLr和UCr2下降，UCr1谐振增加。

[0079] 工作模态10如图11所示：

[0080] 辅助开关管S2的体二极管关断，功率开关管S1的寄生电容Cr1处于储能状态。

[0081] 变换器稳定工作时电压增益分析：

[0082] 设开关管工作的开关周期为TS，占空比为D，即工作模态6持续时间为DTS，工作模态1持续时间为(1‑D)TS。根据电感伏秒平衡特性，可得：

[0083] V′L1DTS＝VL1(1‑D)TS                  (7)

[0084] V′L2DTS＝VL2(1‑D)TS               (8)

[0085] V′L3DTS＝VL3(1‑D)TS          (9)

[0086] 联立式(1)～式(6)可得：

[0087] VC1＝DVg/(1‑D)                                           (10)

[0088] VC2＝DVg/(1‑D)                                          (11)

[0089] VO＝DVg/(1‑D)2                                         (12)

[0090] 由此可以开出，本发明所述的一种田字型阻抗网络软开关高增益升压变换器的电压增益M为：

[0091] M＝VO/Vg＝D/(1‑D)2

[0092] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0093] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语
在本发明中的具体含义。此外，在本发明地描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或
两个以上。

[0094] 各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。