帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，其特征在于：包括直流電源、第一升壓電路、第二升壓電路、第一電荷泵升壓?jiǎn)卧?、第二電荷泵升壓?jiǎn)卧?、第一箝位回路、第二箝位回路、二極管和負(fù)載；直流電源輸出的電壓分為兩路輸出，其中一路經(jīng)第一升壓電路初步升壓后輸入第一電荷泵升壓?jiǎn)卧?，?jīng)第一電荷泵升壓?jiǎn)卧紊龎汉蠼?jīng)二極管路輸入至負(fù)載的一端；所述第一箝位回路用于箝位第一升壓電路，另一路經(jīng)第二升壓電路初步升壓后輸入至第二電荷泵升壓?jiǎn)卧唤?jīng)第二電荷泵升壓?jiǎn)卧紊龎汉筝斎胫霖?fù)載另一端，第二箝位回路用于箝位第二升壓電路。主功率開關(guān)管電壓電流應(yīng)力??；二極管實(shí)現(xiàn)零電流自然關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問(wèn)題，電路的EMI干擾較小。
【專利說(shuō)明】帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，屬于電力電子變換器領(lǐng)域。【背景技術(shù)】
[0002]受到能源短缺與環(huán)境問(wèn)題的雙重壓力，新能源發(fā)電因其清潔性受到廣泛關(guān)注和研究，為了將單塊光伏電池、燃料電池并入電網(wǎng)，需要使用高增益、高效率直流變換器大幅度提升直流電壓等級(jí)。傳統(tǒng)Boost變換器升壓能力十分有限，隨著增益的升高，占空比逐漸變大，電感電流紋波變大，需要的電感也隨之變大；且應(yīng)用在高輸出電壓場(chǎng)合時(shí)，功率開關(guān)管電壓應(yīng)力，電流應(yīng)力較大，開關(guān)管導(dǎo)通損耗大；輸出側(cè)二極管電壓應(yīng)力大，且二極管硬關(guān)斷，反向恢復(fù)問(wèn)題和EMI問(wèn)題均十分嚴(yán)重，變換效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，所述變換器體積小但轉(zhuǎn)換效率高，且主功率開關(guān)管電壓應(yīng)力，電流應(yīng)力??；功率開關(guān)管均能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，開關(guān)損耗?。还β识O管均能實(shí)現(xiàn)零電流自然關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問(wèn)題，EMI干擾較小。
[0004]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，其特征在于:包括直流電源、第一升壓電路、第二升壓電路、第一電荷泵升壓?jiǎn)卧⒌诙姾杀蒙龎簡(jiǎn)卧?、第一箝位回路、第二箝位回路、二極管和負(fù)載；所述直流電源輸出的電壓分為兩路輸出，其中一路經(jīng)第一升壓電路初步升壓后輸入第一電荷泵升壓?jiǎn)卧?，?jīng)第一電荷泵升壓?jiǎn)卧紊龎汉蠼?jīng)二極管輸入至負(fù)載的一端；另一路經(jīng)第二升壓電路初步升壓后輸入至第二電荷泵升壓?jiǎn)卧?；?jīng)第二電荷泵升壓?jiǎn)卧紊龎汉筝斎胫霖?fù)載另一端，在負(fù)載的兩端還并聯(lián)一輸出濾波電容；所述第一箝位回路包括第一箝位電容和第一箝位二極管，所述第二箝位回路包括第二箝位電容和第二箝位二極管，所述第一升壓電路包括第一開關(guān)管和第一電感，所述第二升壓電路包括第二開關(guān)管和第二電感，所述第一電感的一端、第一箝位電容的一端和第二開關(guān)管的漏極分別接至直流電壓源正極，第一電感的另一端分別與第一開關(guān)管的漏極、第一箝位二極管的陽(yáng)極相連，第一箝位二極管的陰極接至第一箝位電容的另一端；所述第二電感的一端、第二箝位電容的一端和第一開關(guān)管的源極分別接至直流電壓源負(fù)極，第二電感的另一端分別與第二開關(guān)管的源極、第二箝位二極管的陰極相連，第二箝位二極管的陽(yáng)極接至第二箝位電容的另一端。
[0005]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述的第一電荷泵升壓?jiǎn)卧ǖ谌姼?、第一電荷泵二極管和第一電荷泵電容，第一電荷泵二極管的陽(yáng)極連接第一箝位二極管的陰極，第一電荷泵二極管的陰極分別與二極管的陽(yáng)極以及第一電荷泵電容的一端連接，二極管的陰極與負(fù)載的一端相連；第一電荷泵電容的另一端與第三電感的一端相連，第三電感的另一端與第一箝位二極管的陽(yáng)極相連，所述第一電感與第三電感構(gòu)成耦合電感，其中第一電感與輸入側(cè)直流源正極相連的一端、第三電感與第一箝位二極管的陽(yáng)極相連的一端為耦合電感的同名端。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述的第二電荷泵升壓?jiǎn)卧ǖ谒碾姼?、第二電荷泵二極管和第二電荷泵電容，第二箝位二極管的陰極連接第四電感的一端，第四電感的另一端接至第二電荷泵電容的一端，第二電荷泵電容的另一端分別接至負(fù)載的另一端以及第二電荷泵二極管的陽(yáng)極；第二電荷泵二極管的陰極接至第二箝位二極管的陽(yáng)極，所述第二電感與第四電感構(gòu)成耦合電感，其中第二電感與輸入側(cè)直流源負(fù)極相連的一端、第四電感與第二箝位二極管的陰極相連的一端為耦合電感的同名端。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，第一和第二開關(guān)管為MOS管或者IGBT管。
[0008]有益效果
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:變換器體積小但轉(zhuǎn)換效率高，且主功率開關(guān)管電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力低，功率二極管電壓應(yīng)力低，且能夠?qū)崿F(xiàn)零電流自然關(guān)斷以解決反向恢復(fù)問(wèn)題。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器；
圖2是第一功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形圖；
圖3是第二功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形圖；
圖4至圖7是第一電感、第二電感、第三電感和第四電感電流波形圖；
圖8是第一功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電流波形圖；
圖9是第二功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電流波形圖；
圖10是第一箝位二極管電壓波形圖；
圖11是第一箝位二極管電流波形圖；
圖12是第二箝位二極管電壓波形圖；
圖13是第二箝位二極管電流波形圖；
圖14是第一電荷泵二極管電壓波形圖；
圖15是第一電荷泵二極管電流波形圖；
圖16是第二電荷泵二極管電壓波形圖；
圖17是第二電荷泵二極管電流波形圖；
圖18是輸出側(cè)二極管電壓波形圖；
圖19是輸出側(cè)二極管電流波形圖；
圖20是輸出濾波電容電壓波形圖。
[0010]圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明=Vi為直流電壓源；Ni為第一電感，N2為第二電感，S1, S2為第一、第二開關(guān)管，D1, D2為第一、第二箝位二極管，C1, C2為第一、第二箝位電容，N3為第三電感，D3為第一電荷泵二極管，C3為第一電荷泵電容，N4為第四電感，D4為第二電荷泵二極管，C4為第二電荷泵電容，D5為二極管，C0為輸出濾波電容，Rl為負(fù)載。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明: 如圖1所示的帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，包括直流電源、第一升壓電路、第二升壓電路、第一電荷泵升壓?jiǎn)卧?、第二電荷泵升壓?jiǎn)卧?、第一箝位回路、第二箝位回路、二極管和負(fù)載；所述直流電源輸出的電壓分為兩路輸出，其中一路經(jīng)第一升壓電路初步升壓后輸入第一電荷泵升壓?jiǎn)卧?，?jīng)第一電荷泵升壓?jiǎn)卧紊龎汉蠼?jīng)二極管輸入至負(fù)載的一端；所述第一箝位回路用于箝位第一升壓電路，另一路經(jīng)第二升壓電路初步升壓后輸入至第二電荷泵升壓?jiǎn)卧?；?jīng)第二電荷泵升壓?jiǎn)卧紊龎汉筝斎胫霖?fù)載另一端，第二箝位回路用于箝位第二升壓電路，在負(fù)載的兩端還并聯(lián)一輸出濾波電容。其中所述第一升壓電路和第二升壓電路構(gòu)成雙管升壓結(jié)構(gòu)。
[0012]雙管升壓結(jié)構(gòu)包括:直流電壓源V1、第一電感N1、第二電感N2、第一開關(guān)管和第二開關(guān)管，所述的第一開關(guān)管為第一功率開關(guān)管S1、第二開關(guān)管為第二功率開關(guān)管S2 ;其中:第二功率開關(guān)管S2的漏極、第一電感NI的一端分別與直流電壓源Vi正極連接，第一電感NI的另一端與第一功率開關(guān)管SI的漏極連接，第一功率開關(guān)管SI的源極、第二電感N2的一端分別與直流電壓源Vi負(fù)極連接，第二電感N2的另一端與第二功率開關(guān)管S2的源極連接。
[0013]第一箝位回路包括:第一箝位電容Cl和第一箝位二極管D1，其中第一箝位二極管Dl的陽(yáng)極與第一功率開關(guān)管SI的漏極、第一電感NI的另一端相連，第一箝位電容Cl的一端與輸入側(cè)直流源Vi的正極、第二功率開關(guān)管S2的漏極以及第一電感NI的一端相連，第一箝位電容Cl的另一端與第一箝位二極管Dl的陰極相連。
[0014]第二箝位回路包括:第二箝位電容C2和第二箝位二極管D2 ;其中第二箝位二極管D2的陰極與第二功率開關(guān)管S2的源極、第二電感N2的另一端相連，第二箝位電容C2的一端與輸入側(cè)直流源Vi的負(fù)極、第一功率開關(guān)管SI的源極以及第二電感N2的一端相連，第二箝位電容C2的另一端與第二箝位二極管D2的陽(yáng)極相連。
[0015]第一電荷泵升壓?jiǎn)呜０?第一電荷泵電容C3、第一電荷泵二極管D3和第三電感N3 ;第一電荷泵二極管D3的陽(yáng)極與第一箝位二極管Dl的陰極相連，第一箝位二極管D1、第一電荷泵二極管D3、第一電荷泵電容C3、第三電感N3相互串聯(lián),構(gòu)成一個(gè)閉合回路，第一電荷泵二極管的陰極與第三功率二極管D5的陽(yáng)極相連。第三功率二極管D5的陰極與負(fù)載的
一端相連。
[0016]所述第二電荷泵升壓?jiǎn)卧?第二電荷泵電容C4、第二電荷泵二極管D4、第四電感N4 ;第二電荷泵二極管D4的陰極與第二箝位二極管D2的陽(yáng)極相連，第二箝位二極管D2、第四電感N4、第二電荷泵電容C4、第二電荷泵二極管D4相互串聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，第二電荷泵二極管的陽(yáng)極與負(fù)載的另一端相連。
[0017]電路中的第一電感N1、第三電感N3相互耦合成耦合電感，其中第一電感NI與輸入側(cè)直流源Vi正極相連的一端、第三電感N3分別與第一箝位二極管的陽(yáng)極、第一功率開關(guān)管SI漏極相連的一端為耦合電感的同名端。
[0018]電路中的第二電感N2、第四電感N4相互耦合成耦合電感，其中第二電感N2與輸入側(cè)直流源Vi負(fù)極相連的一端、第四電感N4分別與第二箝位二極管的陰極、第二功率開關(guān)管S2源極相連的一端為耦合電感的同名端。
[0019]濾波電容Co即為變換器的輸出端，負(fù)載&并接在變換器的輸出端。第一電荷泵升壓?jiǎn)卧妮敵龆?，?jīng)二極管接至濾波電容Co的一端。[0020]圖2至圖20為輸入電壓Vi=40V，功率開關(guān)管S1' S2占空比D=0.5，第一耦合電感匝比1:2.5，第二耦合電感匝比1:2.5 ;負(fù)載R=320Q時(shí)的波形圖，圖2和圖3分別是第一、第二功率開關(guān)管電壓VS1、Vs2所對(duì)應(yīng)的波形圖，圖4至圖7分別是第一電感電流iu、第二電感電流L、第三電感電流和第四電感電流所對(duì)應(yīng)的波形圖，圖8和圖9分別是第一功率開關(guān)管電流isl、第二功率開關(guān)管電流is2所對(duì)應(yīng)的波形圖，圖10和圖11分別是第一箝位二極管電壓Vdi和電流iD1所對(duì)應(yīng)的波形圖，圖12和圖13分別是第二箝位二極管電壓Vd2和電流iD2所對(duì)應(yīng)的波形圖，圖14和圖15分別是第一電荷泵二極管電壓Vd3和電流iD3所對(duì)應(yīng)的波形圖，圖16和圖17分別是輸出側(cè)第二電荷泵二極管電壓Vd4和電流iD4所對(duì)應(yīng)的波形圖，圖18和圖19分別是輸出二極管電壓Vd5和電流iD5所對(duì)應(yīng)的波形圖，圖20是輸出濾波電容電壓V。所對(duì)應(yīng)的波形圖。從圖中可以看到功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電壓Vsi= Vs2=SOV，說(shuō)明功率開關(guān)管電壓應(yīng)力小。第一功率開關(guān)管電流isl、第二功率開關(guān)管電流is2較小，可見功率開關(guān)管電流較小，導(dǎo)通損耗小。二極管電流均是電流過(guò)零關(guān)斷，說(shuō)明有效的解決了二極管反向恢復(fù)和EMI干擾問(wèn)題。
[0021 ] 可見，本發(fā)明帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器具有較小的主功率開關(guān)管電壓應(yīng)力和較大的電壓增益，同時(shí)二極管不存在反向恢復(fù)問(wèn)題。
【權(quán)利要求】
1.帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，其特征在于:包括直流電源、第一升壓電路、第二升壓電路、第一電荷泵升壓?jiǎn)卧?、第二電荷泵升壓?jiǎn)卧⒌谝惑槲换芈?、第二箝位回路、二極管和負(fù)載；所述直流電源輸出的電壓分為兩路輸出，其中一路經(jīng)第一升壓電路初步升壓后輸入第一電荷泵升壓?jiǎn)卧?jīng)第一電荷泵升壓?jiǎn)卧紊龎汉蠼?jīng)二極管輸入至負(fù)載的一端；另一路經(jīng)第二升壓電路初步升壓后輸入至第二電荷泵升壓?jiǎn)卧?；?jīng)第二電荷泵升壓?jiǎn)卧紊龎汉筝斎胫霖?fù)載另一端，在負(fù)載的兩端還并聯(lián)一輸出濾波電容；所述第一箝位回路包括第一箝位電容和第一箝位二極管，所述第二箝位回路包括第二箝位電容和第二箝位二極管，所述第一升壓電路包括第一開關(guān)管和第一電感，所述第二升壓電路包括第二開關(guān)管和第二電感，所述第一電感的一端、第一箝位電容的一端和第二開關(guān)管的漏極分別接至直流電壓源正極，第一電感的另一端分別與第一開關(guān)管的漏極、第一箝位二極管的陽(yáng)極相連，第一箝位二極管的陰極接至第一箝位電容的另一端；所述第二電感的一端、第二箝位電容的一端和第一開關(guān)管的源極分別接至直流電壓源負(fù)極，第二電感的另一端分別與第二開關(guān)管的源極、第二箝位二極管的陰極相連，第二箝位二極管的陽(yáng)極接至第二箝位電容的另一端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，其特征在于:所述的第一電荷泵升壓?jiǎn)卧ǖ谌姼小⒌谝浑姾杀枚O管和第一電荷泵電容，第一電荷泵二極管的陽(yáng)極連接第一箝位二極管的陰極，第一電荷泵二極管的陰極分別與二極管的陽(yáng)極以及第一電荷泵電容的一端連接，二極管的陰極與負(fù)載的一端相連；第一電荷泵電容的另一端與第三電感的一端相連，第三電感的另一端與第一箝位二極管的陽(yáng)極相連，所述第一電感與第三電感構(gòu)成耦合電感，其中第一電感與輸入側(cè)直流源正極相連的一端、第三電感與第一箝位二極管的陽(yáng)極相連的一端為耦合電感的同名端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，其特征于:所述的第二電荷泵升壓?jiǎn)卧ǖ谒碾姼?、第二電荷泵二極管和第二電荷泵電容，第二箝位二極管的陰極連接第四電感的一端，第四電感的另一端接至第二電荷泵電容的一端，第二電荷泵電容的另一端分別接至負(fù)載的另一端以及第二電荷泵二極管的陽(yáng)極；第二電荷泵二極管的陰極接至第二箝位二極管的陽(yáng)極，所述第二電感與第四電感構(gòu)成耦合電感，其中第二電感與輸入側(cè)直流源負(fù)極相連的一端、第四電感與第二箝位二極管的陰極相連的一端為耦合電感的同名端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶有電荷泵的耦合電感雙管直流變換器，其特征在于:第一和第二開關(guān)管為MOS管或者IGBT管。
【文檔編號(hào)】H02M3/155GK103618448SQ201310569341
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】湯雨, 王挺 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)