高增益低开关电压应力交错并联boost变换器和工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子电路自动化控制领域，尤其涉及一种高增益低开关电压应力交错 并联BOOST变换器和工作方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球能源紧缺和严重的环境问题，新能源资源如光伏，燃料电池，风能，地热 能等在全球受到广泛的关注。然而，大多数新能源资源如光伏、燃点电池的输出电压较低， 在实际应用中需要一种高增益的变换器。理论上，boost，buck-boost和flyback变换器在 极端占空比时能够提供较高的电压增益。事实上，这些变换器的电压增益却受限于开关管， 二极管，电感和电容的等效串联电阻，漏感的影响。而且，在极端占空比时不仅会引入非常 大的电流纹波和增加导通损耗，还会引入非常严重的二极管反向恢复问题。
[0003] 因此，为提高变换器转换效率和避免工作的极端占空比情况，许多二次变换器和 串级结构的两级变换器被提出。然后，由于两级结构的变换器拓扑复杂，效率降低了。而且， 变换器的稳定性是一个问题和比较严重输出二极管的反向恢复问题。结果，最终的效率比 较低，相应的电磁干扰（EMI)噪声比较严重。隔离型变换器在有变压器的情况下能够很容 易的获得较高的电压增益。然而，变压器的漏感不仅会导致电压和电流尖峰，引入较高的开 关管电压应力，而且还会增加损耗和噪声，结果导致效率较低。RCD箝位电路和有源箝位电 路能够减小电压应力和开关损耗，但却是以变换器拓扑结构复杂和相关箝位电路损耗为代 价的。
[0004] 为了获得较高的转换效率，大量的基于耦合电感的非隔离变换器由于其电路结构 简单和导通损耗小而被广泛研宄。然而，他们却需要缓冲器来限制由耦合电感的漏感引起 的开关管电压尖峰。因此，电压箝位电路，有源箝位电路，无源再生缓冲电路已被提出来解 决这种问题。然而，所有这些方法都是通过增加开关管和电容，这导致了变换器结构变复 杂。基于boost集成隔离变换器的非隔离高增益变换器，如集成boost-flyback变换器和 集成boost-SEPIC变换器在文献中已被提出。耦合电感作为变压器，通过调节绕组匝比来 提高电压增益。此外，漏感能量直接回收利用于输出端，这样，开关管的电压尖峰能够被限 制。而且，输出二极管的关断电流能被耦合电感的漏感限制，二极管的反向恢复问题减轻 了，相关的损耗也减小了。然而，输出二极管的电压应力却随着耦合电感的匝比的增加而增 加了。因此，二极管的反向恢复问题仍然存在。尽管避免了极端占空比，输入电流纹波由于 电路的单开关控制却变得很大，这使得这些变换器都不适于大功率、大电流的应用场合。传 统的交错并联boost变换器由于其结果简单和较小的输入输出纹波，在大功率和功率因数 校正的应用中是比较好的选择。然而，电压增益比较低，开关管和二极管的电压应力接近于 输出电压为了解决这些问题，将开关电容、变压器或耦合电感集成于传统的交错并联boost 变换器。因此，获得了适用于大功率的高增益、高效率、低电压应力的变换器。
[0005] 交错并联结构boost变换器因其结构简单和输入输出纹波小的特点而成为新能 源系统的较好选择。然而，传统交错并联boost变换器的电压增益较低。因此，正激变换器 和Cuk型变换器集成于传统的交错并联boost变换器已被提出。不仅能够获得较高的电压 增益而且还能减小开关管和二极管的电压应力。然而，集成正激变换器和亡uk型变换器电 路相当复杂和昂贵。普遍来说，与正激型和亡uk型变换器相比，flyback变换器能够获得更 高的电压增益，而且电路结构更加简单。因此，flyback变换器集成于传统的交错并联变换 器也是另外一个较好的选择。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种高增益 低开关电压应力交错并联BOOST变换器和工作方法。
[0007] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种高增益低开关电压应力交错并联 BOOST变换器，其关键在于，包括：第一M0S管、第二M0S管、第三M0S管、第一电感、第二电 感、变压器漏感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、负载、输出电容，第一 电容、第二电容、变压器，
[0008] 第一电感一端连接第一M0S管漏极，所述第一电感另一端连接第二电感一端，所 述第一M0S管源极连接第二M0S管源极，所述第二M0S管源极连接第三M0S管源极，所述第 二M0S管漏极连接第二电感另一端，所述第二电感一端还连接变压器漏感一端，所述变压 器漏感另一端连接变压器一次侧输入端，所述第三M0S管漏极连接变压器一次侧输出端和 第四二极管正极，所述第四二极管负极连接第二M0S管漏极和第二电容一端，所述第一电 感另一端还连接变压器二次侧输入端和第一电容一端，所述第一电容另一端连接第一二极 管正极和第三二极管负极，所述第三二极管正极连接变压器二次侧输出端，所述第一二极 管负极连接第二电容另一端和第二二极管正极，所述第二二极管负极分别连接输出电容一 端和负载一端，所述输出电容另一端连接第三M0S管源极，所述负载另一端连接第三M0S管 源极。
[0009] 本发明还公开一种高增益低开关电压应力交错并联BOOST变换器的工作方法，其 关键在于，设置三个M0S管工作时序，M0S管导通、关断的一个时间周期分为h、t2、t3、 t4、t5六个时间点，所述工作方法包括：
[0010] 步骤1，在ti阶段，第一M0S管，第二M0S管，第三M0S管导通，第一二极管， 第二二极管，第三二极管，第四二极管全部关断，第一电感，第二电感和变压器漏感中的电 流iu，込和iUk线性增加，负载能量由输出电容提供，第四二极管两端的电压接近于零；
[0011] 步骤2,在^至12阶段，第二M0S管、第三M0S管导通，第一M0S管关断，第二二极 管、第三二极管、第四二极管关断，第一二极管导通，存储在第一电感和第一电容中的能量 通过第一二极管传递到第二电容，输出电容给负载提供能量；
[0012] 步骤3,在t2S 13阶段，第一M0S管、第二M0S管、第三M0S管导通，第一二极管， 第二二极管，第三二极管，第四二极管全部关断，第一电感，第二电感和变压器漏感中的电 流iu，込和iUk线性增加，负载能量由输出电容提供，第四二极管两端的电压接近于零；
[0013] 步骤4,在t3S14阶段，第一M0S管导通，第二M0S管、第三M0S管关断，第一二极 管关断，第二二极管、第三二极管、第四二极管导通，第一电感中的电流线性增加，存储在第 二电感和第二电容中的能量通过第二二极管释放到输出电容和负载，同时，存储在变压器 漏感中的能量通过第四二极管，第二电容，第二二极管释放到输出电容和负载，在t4时