一种包括无损缓冲电路的交错并联BOOST变换器.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104113208 A (43)申请公布日 2014.10.22 CN 104113208 A (21)申请号 201410314139.3 (22)申请日 2014.07.02 H02M 3/155(2006.01) (71)申请人 三峡大学 地址 443002 湖北省宜昌市大学路 8 号 (72)发明人 邾玢鑫 杨玉良 黄悦华 谭超 陈晨 (74)专利代理机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 代理人 成钢 (54) 发明名称 一种包括无损缓冲电路的交错并联 Boost 变 换器 (57) 摘要 一种包括无损缓冲电路的交错并联 Boost 变 换器， 包括电感 L。

2、1、 电感 L2、 电感 Ln， 所述电感 L1、 电感L2、 电感Ln的输入端连接输入电源Vin 的正极 ； 所述电感 L1、 电感 L2、 电感 Ln的输出 端分别连接二极管D1、 二极管D2、 二极管Dn的 阳极 ； 所述电感 L1、 电感 L2、 电感 Ln的输出端 分别连接功率开关管 S1、 功率开关管 S2、 功率 开关管 Sn的集电极 ； 二极管 D1、 二极管 D2、 二 极管 Dn的阴极均连接滤波电容 C0一端 ； 所述功率 开关管 S1、 功率开关管 S2、功率开关管 Sn的 发射极、 滤波电容C0另一端均连接入电源Vin的负 极 ； 本发明可以有效降低功率开关管关断损耗的。

3、 辅助电路， 要求结构简单 ； 不改变原变换器性能， 控制及驱动电路实现难度， 成本低且无能量损耗。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104113208 A CN 104113208 A 1/1 页 2 1. 一种包括无损缓冲电路的交错并联 Boost 变换器， 包括电感 L1、 电感 L2、电感 Ln， 所述电感 L1、 电感 L2、电感 Ln的输入端连接输入电源 Vin的正极 ； 所述电感 L1、 电感 L2、电感 Ln的输出。

4、端分别连接二极管 D1、 二极管 D2、二极 管 Dn的阳极 ； 所述电感 L1、 电感 L2、电感 Ln的输出端分别连接功率开关管 S1、 功率开 关管 S2、功率开关管 Sn的集电极 ； 二极管 D1、 二极管 D2、二极管 Dn的阴极均连接 滤波电容 C0一端 ； 所述功率开关管 S1、 功率开关管 S2、 功率开关管 Sn的发射极、 滤波电 容 C0另一端均连接入电源 Vin的负极 ； 其特征在于， 二极管 D2阳极连接辅助电容 Ca1一端， 辅助电容 Ca1另一端连接辅助二极 管 D a1阳极， 辅助二极管 D a1阴极连接二极管 D2阴极 ； 辅助二极管 D a2阴极连接辅助二极 。

5、管 D a1阳极， 辅助二极管 D a2阳极连接二极管 D1阳极 ； 该交错并联 Boost 变换器中每两相之间均含有一个无损缓冲电路 ； 依次类推 ： 二极管 Dn阳极连接辅助电容 Can-1一端， 辅助电容 Can-1另一端连接辅助二极 管 D a（2n-3）阳极， 辅助二极管 D a（2n-3）阴极连接二极管 Dn阴极 ； 辅助二极管 D a（2n-2）阴极连 接辅助二极管 D a（2n-3）阳极， 辅助二极管 D a（2n-2）阳极连接二极管 D n-1阳极 ； 所述功率开关 管 S1、 功率开关管 S2、功率开关管 Sn的栅极均连接各自独立的控制器。 2. 根据权利要求 1 所述一种。

6、包括零电压关断辅助电路的交错并联 Boost 变换器， 其特 征在于， 功率开关管 S1、 功率开关管 S2、功率开关管 Sn为 IGBT 管或者 MOSFET 管。 权 利 要 求 书 CN 104113208 A 2 1/3 页 3 一种包括无损缓冲电路的交错并联 Boost 变换器 技术领域 0001 本发明涉及一种交错并联 Boost 变换器， 特别是一种包括无损缓冲电路的交错并 联 Boost 变换器。 背景技术 0002 传统的基本 Boost 变换器， 其电路结构包括一个电感， 一个功率开关管， 一个输出 二极管。其中电感的输入端连接输入电源的正极， 输出端接二极管的阳极， 二极。

7、管的阴极 接变换器输出端的正极 ； 在电感和二极管的阳极之间接功率开关的漏极， 功率开关源极接 变换器的负极。这种基本 Boost 变换器在应用于大功率场合， 开关管的关断损耗由于 IGBT 的电流拖尾效应而变的很高， 关断损耗在整个变换器的损耗中也占据了相当大的比例。导 致变换器所需的散热器体积较大， 开关管的工作频率也受到了限制， 整个开关电源的功率 密度较低。 这对于一些对电源体积和重量要求较高的应用场合来说极为不利， 如电动汽车、 飞机中。针对变换器开关损耗而开展的研究早已开始， 主要是借助于辅助电路来实现功率 开关管的软开关工作状态。但目前多数方案所针对的研究对象， 均为使用 MOS。

8、 管的应用场 合， 主要关注的是降低开关管的开通损耗而非关断损耗， 这在以使用 IGBT 为主的大功率应 用场合难以直接应用， 同时多数方案均含有有源开关管， 使得变换器的控制和驱动电路实 现难度较大。 发明内容 0003 针对现有技术的不足， 本发明提供一种包括无损缓冲电路的交错并联 Boost 变换 器， 可以有效降低功率开关管关断损耗的辅助电路， 要求结构简单 ； 不改变原变换器性能， 控制及驱动电路实现难度， 成本低且无能量损耗。 0004 本发明采取的技术方案为 ： 一种包括无损缓冲电路的交错并联 Boost 变换器， 包 括电感 L1、 电感 L2、电感 Ln， 所述电感 L1、 。

9、电感 L2、电感 Ln的输入端连接输入电源 Vin的正极 ； 所述电感 L1、 电感 L2、 电感 Ln的输出端分别连接二极管 D1、 二极管 D2、 二极管 Dn的阳极 ； 所述电感 L1、 电感 L2、电感 Ln的输出端分别连接功率开关管 S1、 功 率开关管 S2、功率开关管 Sn的集电极 ； 二极管 D1、 二极管 D2、二极管 Dn的阴极均 连接滤波电容 C0一端 ； 所述功率开关管 S1、 功率开关管 S2、 功率开关管 Sn的发射极、 滤 波电容 C0另一端均连接入电源 Vin的负极 ； 二极管 D2阳极连接辅助电容 Ca1一端， 辅助电容 Ca1另一端连接辅助二极管 D a1阳。

10、极， 辅助二极管 D a1阴极连接二极管 D2阴极 ； 辅助二极管 D a2阴极连接辅助二极管 D a1阳极， 辅助二极管 D a2阳极连接二极管 D1阳极 ； 该交错并联 Boost 变换器中每两相之间均含有一个无损缓冲电路 ； 依次类推 ： 二极管 Dn阳极连接辅助电容 Can-1一端， 辅助电容 Can-1另一端连接辅助二极 管 D a（2n-3）阳极， 辅助二极管 D a（2n-3）阴极连接二极管 Dn阴极 ； 辅助二极管 D a（2n-2）阴极连 接辅助二极管 D a（2n-3）阳极， 辅助二极管 D a（2n-2）阳极连接二极管 D n-1阳极 ； 所述功率开关管 S1、 功率开关。

11、管 S2、功率开关管 Sn的栅极均连接各自独立的控制 说 明 书 CN 104113208 A 3 2/3 页 4 器 ； 所述功率开关管 S1、 功率开关管 S2、功率开关管 Sn为 TGBT 管或者 MOSFET 管。 0005 本发明一种包括无损缓冲电路的交错并联 Boost 变换器， 有益效果如下 ： 1） 、 该辅助电路可以有效降低功率开关管的关断损耗， 且不影响原变换器的性能、 控制 和驱动电路的设计及实现方式。 0006 2） 、 可以直接应用于多相交错并联 Boost 变换器中， 同时降低所有功率开关管的 关断损耗。 0007 3） 、 与现有的解决方案相比， 本发明电路拓扑简。

12、单， 不改变原变换器的工作性能和 参数设计， 不增加有源开关管， 且特别适合于采用 IGBT 作为功率开关的大功率应用场合。 附图说明 0008 图 1 是本发明实施方式中 2 相交错并联 Boost 变换器中的电路原理图。 0009 图 2 是本发明 n 相交错并联型 Boost 电路的实施原理图。 具体实施方式 0010 如图2所示， 一种包括零电压关断辅助电路的交错并联Boost变换器， 每一个无损 缓冲电路均含有 1 个辅助电容和 2 个辅助二极管， n 相交错并联 Boost 变换器需要 n-1 个 无损缓冲电路， 因此包含 n-1 个辅助电容和 2n-2 个辅助电容 ； 其中电路的。

13、具体连接情况如 下 ： 原交错并联 Boost 变换器的连接情况不变， 电感 L1、 L2、 Ln的输入端接输入电源 Vin 的正极， 电感 L1、 L2、 Ln的输出端接各自 Boost 单元二极管的阳极和所述功率开关管的 集电极， 功率开关若采用 MOS 管则为漏极， 二极管 D1、 D2、 、 Dn的阴极接输出滤波电容C0的 一端， 该结点即为输出端 Vout的正极 ； 各相功率开关管的发射极， 若采用 MOS 管则为源极和 滤波电容C0的另一端均与输入电源 Vin的负极相连。 0011 交错并联 Boost 变换器中每两相之间均含有一个所提无损缓冲电路， 其具体连接 方式如下 ： 第一。

14、个辅助单元居于第一相与第二相之间， 其中辅助电容Ca1的一端与电感L2的 输出端、 二极管D2的阳极及功率开关管S2的源极相连， 功率开关若采用MOS管则为漏极， 辅 助电容 Ca1的另一端与辅助二极管 Da1的阳极及辅助二极管 Da2的阴极相连， 辅助二极管 Da1 的阴极与二极管 D1、 D2、 Dn的阴极及滤波电容的C0一端相连， 辅助二极管 Da2的阳极与 电感 L1的输出端、 二极管 D1的阳极及功率开关管 S1的源极相连， 功率开关若采用 MOS 管则 为漏极 ； 第二个辅助单元居于第二相与第三相之间， 其中辅助电容Ca2的一端与电感L3的输 出端、 二极管D3的阳极及功率开关管S。

15、3的源极相连， 功率开关若采用MOS管则为漏极， 辅助 电容 Ca2的另一端与辅助二极管 Da3的阳极及辅助二极管 Da4的阴极相连， 辅助二极管 Da3的 阴极与二极管 D1、 D2、 Dn的阴极及滤波电容C0的一端相连， 辅助二极管 Da4的阳极与电 感 L2的输出端、 二极管 D2的阳极及功率开关管 S2的源极相连， 功率开关若采用 MOS 管则为 漏极。依次类推， 第 n-1 个辅助单元居于第 n-1 相与第 n 相之间， 其中辅助电容 Ca(n-1)的一 端与电感 Ln的输出端、 二极管 Dn的阳极及功率开关管 Sn的源极相连， 功率开关若采用 MOS 管则为漏极， 辅助电容 Ca(。

16、n-1)的右端与辅助二极管 Da（2n-3）的阳极及辅助二极管 Da（2n-2）的阴 极相连， 辅助二极管 Da（2n-3）的阴极与二极管 D1、 D2、 Dn的阴极及滤波电容C0的一端相 说 明 书 CN 104113208 A 4 3/3 页 5 连， 辅助二极管 Da（2n-2）的阳极与电感 Ln-1的输出端、 二极管 Dn-1的阳极及功率开关管 Sn-1的 源极相连， 功率开关若采用 MOS 管则为漏极。所述功率开关管的栅极分别接各自的控制器。 0012 实施例 ： 如图 1 所示， 一种具有零电压关断能力的 2 相交错并联 Boost 升压变换器， 由 2 相交错 并联基本 Boos。

17、t 变换器和 1 个所提无损缓冲电路组成 ； 该变换器与普通的 2 相交错 Boost 变换器相比具有零电压关断能力， 可以大幅降低由功率开关管关断时电流拖尾效应而引起 的损耗。所述直流 - 直流变换器包含两个功率开关 S1、 S2， 两个输出二极管 D1、 D2， 一个辅助 电容 Ca1， 两个辅助二极管 Da1、 Da2， 两个电感 L1、 L2， 一个输出滤波电容 C0； 电感L1、 L2的输入端接输入电源的正极， 输出端接各自Boost单元二极管的阳极和功率 开关管的集电极， 二极管 D1、 D2的阴极接输出滤波电容 C0的一端， 该结点即为输出端 Vout的 正极 ； 功率开关管 S。

18、1、 S2的发射极和滤波电容 C0的下端均与输入电源 Vin的负极相连 ； 辅助单元居于第一相与第二相之间， 其中辅助电容 Ca1的一端与电感 L2的输出端、 二极 管 D2的阳极及功率开关管 S2的源极相连， 辅助电容 Ca1的另一端与辅助二极管 Da1的阳极 及辅助二极管 Da2的阴极相连， 辅助二极管 Da1的阴极与二极管 D1、 D2的阴极及输出滤波电 容 C0的一端相连， 辅助二极管 Da2的阳极与电感 L1的输出端、 二极管 D1的阳极及功率开关 管 S1的源极相连 ； 据开关管状态的不同， 可以将电路分为 2 种工作状态 ： 1） 、 控制器控制功率开关 S1关断， 在功率开关管。

19、 S1关断时， 由于辅助电容 Ca1上的电压 为 0， 所以功率开关管 S1的端电压被箝位在 0， 当开关管关断后， 电感电流必须首先经过辅 助二极管 Da2， 功率开关管 S1向辅助电容 Ca1充电， 直到辅助电容 Ca1上的电压上升至输出电 压uo之后二极管D1导通， 显然在此过程之中功率开关管S1实现了零电压关断， 由于辅助电 容 Ca1的值较小， 该过程持续时间不长， 所以不会对变换器的性能产生大的影响。 0013 2） 、 控制器控制功率开关管 S2关断， 在功率开关管 S2关断时， 由于辅助电容 Ca1的 电压箝位在输出电压uo上， 所以功率开关管 S2的端电压被箝位在 0， 当开。

20、关管关断后， 电感 电流必须首先经过辅助电容 Ca1， 辅助二极管 Da1 向滤波电容 C0和负载供电， 直到辅助电容 Ca1上的能量完全放完之后二极管 D2导通， 显然在此过程之中功率开关管 S2实现了零电压 关断， 且辅助电容 Ca1上的能量完全输送到了输出端， 实现了无损缓冲。 0014 值得注意的是， 上述过程必须保证功率开关管在 S1关断时， 功率开关管 S2处于导 通状态。在占空比大于 0.5 时， 仅需采取常用的交错并联控制策略就可以满足要求， 但在占 空比小于 0.5 时， 则需根据开关具体工作频率， 设置功率开关管 S2的开通时间略延迟于开 关管 S1的开通时间， 以保证在功率开关管 S1关断时， 功率开关管 S2处于导通状态。 0015 在本发明的具体实施方式中， 功率开关根据系统中所需直流母线电压的不同， 而 选择不同电压应力的开关器件。 本发明使用的功率开关可以为IGBT， 也可以为MOSFET或其 它可控的开关管。 0016 综上所述， 该电路拓扑结构简单， 可以有效降低功率开关管的关断损耗， 适合应用 于一些功率较大的场合。 说 明 书 CN 104113208 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104113208 A 6 。