[發明專利]一種非隔離軟開關高升壓比直流變換器及其方法

在審

• 申請號: 201710452516.3
• 申請日: 2017-06-15
• 公開（公告）號: CN107147291A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 杜春水;王偉
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種非隔離軟開關高升壓比直流變換器及其方法。

背景技術

隨著能源需求的不斷增長，光伏發電、燃料電池發電等新能源發電項目不斷發展。光伏電池板、燃料電池的輸出電壓較低，為滿足逆變器并網需求，需要使用高升壓比直流變換器將低電壓泵升至高電壓。圖1為一種改進的基于Boost/Buck-Boost衍生的高升壓比直流變換器，該拓撲結構簡單，升壓比為傳統Boost變換器的兩倍，效率也優于Boost變換器。目前，隨著GaN器件的出現和應用，電力電子變換器正朝著高頻化、小型化發展；然而，在該電路中，主開光管S工作在硬開關狀態，在高頻工作狀態下，開關損耗激增，器件發熱嚴重、甚至損壞。因此必須使電路工作在軟開關狀態，減小開關管S開關損耗，才能使電路工作在高頻狀態，提高功率密度、減小體積。

相比于Si材料，GaN材料具有更高的禁帶寬度、擊穿場強、飽和漂移速度，這意味著GaN器件能夠工作在更高的溫度、耐壓及更快的開關頻率條件下。GaN器件分為級聯型GaN器件、E-Mode GaN器件兩種類型。級聯型GaN器件具有獨特的開關特性，其開通損耗隨兩端電壓及開關管電流增大而增大，然而其關斷損耗在工作范圍內基本維持不變且數量級較小，與開通損耗相比，關斷損耗可以忽略不計，所以只要讓電路工作在零電壓開通狀態即可極大減小級聯型GaN器件的開關損耗。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種非隔離軟開關高升壓比直流變換器及其方法，本發明在改進的基于Boost/Buck-Boost衍生的高升壓比直流變換器基礎上，將零電壓轉換(ZVT)軟開關電路與之相結合,實現主功率開關管零電壓開通和關斷，且穩定運行且迅速響應。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種非隔離軟開關高升壓比直流變換器，包括基于Buck/Buck-Boost衍生的I型高升壓比變換器，基于Buck/Buck-Boost衍生的I型高升壓比變換器的電源與負載電容之間增設有零電壓轉換軟開關電路，以實現主功率開關管零電壓開通和關斷。

一種非隔離軟開關高升壓比直流變換器，包含主電路與輔助電路，主電路包括輸入電源，所述輸入電源正極連接兩條支路，第一支路經過第一電容、第一二極管和第二電感連接負載電容的一端，第二支路經過第一電感、第二電容連接負載電容的另一端；

所述第二電容通過第二二極管與電源負極連接，且第二二極管與電源負極的連接處通過第一開關管與第一電感和第二電容的連接點連接，所述連接點與第一電容和第一二極管的連接點之間正接有第三二極管；

輔助電路中第三電容與第一開關管并聯，第一開關管與第一電感器連接點引出連接第三電感，第三電感與第二開關管相連接，第二開關管另一端連接第一開關管與第二二極管連接點，第三電感器與第二開關管連接點連接第四二極管正端，第四二極管負端接輸出電容與第二電感連接點。

進一步的，所述第一開關管、第二開關管均為級聯型GaN器件，第二開關管容量小于第一開關管容量。

進一步的，所述第一電容、第二電容和第一電感的量值根據電感伏秒平衡原理與電容安秒平衡原理求得。

進一步的，所述第二電感濾出尖峰電流，其值小于第一電感。

進一步的，所述第三電容、第三電感的量值根據諧振原理求得。

基于上述變換器的控制方法，采用雙環控制，內環為電流控制，外環為電壓控制；根據負載電壓與設定值的偏差求得穩態控制電流，根據穩態控制電流與第一開關管的電流進行內環的峰值電流控制，輸出相應的驅動信號驅動第一開關管。

相應的驅動信號的鋸齒波下降沿產生的時鐘信號提供給第二開關管作為控制信號。

當峰值電流控制的驅動信號占空比大于50％時，對穩態控制電流增加斜坡補償。

進一步的，所述斜坡補償為第一電感的電流下降斜率。

采用II型補償器對外環電壓進行補償。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明通過向改進的基于Boost/Buck-Boost衍生的高升壓比直流變換器中添加ZVT軟開關輔助電路，實現了主功率開關管零電壓開通和關斷及整流二極管零電流關斷，有效降低開關損耗，使變換器能夠在高開關頻率下安全穩定運行，提高功率密度，減小體積。

(2)本發明能夠實現變換器在全輸入范圍內軟開關管，在光伏逆變器前級升壓中具有廣闊的應用前景。

(3)本發明保持了ZVT軟開關電路恒定頻率運行的特點，變換器中濾波器優化設計簡單。