一种升压转换器的制作方法

1.本技术涉及变电设备技术领域，具体而言，涉及一种升压转换器。


背景技术：

2.升压转换器是将直流电源的电压更改为另一个电压的器件，即升压转换器是直流到直流的转换器，其输出电压大于电源电压,因为它可以升高电源电压被称为升压转换器。升压转换器的直流电源可以来自任何合适的直流电源，例如电池，太阳能电池板，整流器和直流发电机。升压转换器是开关电源重要的组成部分和进行直流电能转换与控制的核心。升压转换器主要承担着开关电源中处理直流电能的任务，用来将输入的直流电压转换成符合用电设备需要的，具有各项高质量技术指标的直流电压，其主要电路所用的元器件有开关管、二极管、电感和电容。
3.为提高开关电源性能，高频化、小型化、模块化和智能化是当前直流开关电源的发展方向。目前，开关电源常采用高频开关方式工作。但是传统电路采用硬开关的工作方式，开关管在导通和关断的过程中，产生较大的开关损耗和电磁干扰。近年来，软开关的升压变换器也有应用，其特点是增加一个辅助开关管来保证主开关管在软开关状态下打开或者关断，但其缺点是辅助开关管依旧是硬开关，不能完全解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种升压转换器，能够实现主开关和辅助开关均为软开关，降低开关损耗和电磁干扰。
5.本技术的实施例一方面提供了一种升压转换器，包括：直流电源、第一软开关模块、第二软开关模块、第三软开关模块、第一储能模块、第二储能模块以及输出电容器；第一软开关模块和第一储能模块串联，直流电源的正极与第一软开关模块的输入端连接、第一储能模块的输出端与直流电源的负极连接；第二软开关模块和第二储能模块串联，第二软开关模块的输入端与第一软开关模块的输入端连接、第二储能模块的输出端与第一软开关模块的输出端连接；第三软开关模块的输入端与第二软开关模块的输出端连接，第三软开关模块的输出端与输出电容器的输入端连接，输出电容器的输出端与第一储能模块的输出端连接，输出电容器的两端作为升压转换器的输出。
6.作为一种可实施的方式，第一软开关模块包括双极型晶体管和与双极型晶体管并联的第一谐振网络，双极型晶体管的输入端与直流电源的正极连接，双极型晶体管的输出端与第一储能模块的输入端连接，双极型晶体管的信号端与控制信号连接以根据控制信号控制双极型晶体管的通断。
7.作为一种可实施的方式，第一软开关模块包括场效应管，场效应管的输入端与直流电源的正极连接，场效应管的输出端与第一储能模块的输入端连接，场效应管的信号端与控制信号连接以根据控制信号控制场效应管的通断。
8.作为一种可实施的方式，第二软开关模块包括并联的第一整流元件和第二谐振网
络，直流电源的正极与第一整流元件的正极连接。
9.作为一种可实施的方式，第三软开关模块包括并联的第二整流元件和第三谐振网络，第二整流元件的正极与第一整流元件的负极连接。
10.作为一种可实施的方式，所第一整流元件和第二整流元件均包括二极管。
11.作为一种可实施的方式，第一储能模块包括储能电感、第二储能模块包括储能电容。
12.作为一种可实施的方式，在第一软开关模块基于控制信号闭合时，直流电源的电流供第一储能模块、第二储能模块储能，在第二储能模块储能后，通过第三软开关模块向输出电容器传输电流。
13.作为一种可实施的方式，在第一软开关模块基于控制信号断开时，第三软开关模块进入反向零电流开关，第一储能模块放电、向第二储能模块充电，在第二储能模块满电荷后，第二软开关模块以零电流开关模式关断。
14.本技术实施例的有益效果包括：本技术提供的升压转换器，包括：直流电源、第一软开关模块、第二软开关模块、第三软开关模块、第一储能模块、第二储能模块以及输出电容器；其中，第一软开关模块、第二软开关模块以及第三软开关模块均可实现零电压导通（zero voltage switching，zvs）和零电流关断(zero current switching,zcs)，第一软开关模块和第一储能模块串联，直流电源的正极与第一软开关模块的输入端连接、第一储能模块的输出端与直流电源的负极连接；以使第一储能模块在第一软开关模块的控制下储能或者放电，实现直流电源的电压升高，并在第一软开关模块断开时实现零电流关断zcs，在第一软开关模块导通是实现零电压导通zvs；第二软开关模块和第二储能模块串联，第二软开关模块的输入端与第一软开关模块的输入端连接、第二储能模块的输出端与第一软开关模块的输出端连接；第三软开关模块的输入端与第二软开关模块的输出端连接，第三软开关模块的输出端与输出电容器的输入端连接，输出电容器的输出端与第一储能模块的输出端连接，输出电容器的两端作为升压转换器的输出。将第二储能模块设置在第二软开关模块和第三软开关模块之间，通过第二储能模块的电压使得第二软开关模块和第三软开关模块在控制信号的周期内形成零电压-零电流开关（zero voltage
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zero current switching，zvzcs），实现辅助开关的软开关模式，从而使得能够实现主开关和辅助开关均为软开关，降低开关损耗和电磁干扰。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
16.图1为本技术实施例提供的一种升压转换器的电路图之一；图2为本技术实施例提供的一种升压转换器的电路图之二；图3为本技术实施例提供的一种升压转换器的电路图之三；图4为本技术实施例提供的一种升压转换器的电路图之四；图5为本技术实施例提供的一种升压转换器工作过程中各个部件的波形图。
17.图标：10-升压转换器；110-直流电源；120-第一软开关模块；121-双极型晶体管；122-第一谐振网络；123-场效应管；130-第二软开关模块；131-第一整流元件；132-第二谐振网络；140-第三软开关模块；141-第二整流元件；142-第三谐振网络；150-第一储能模块；151-储能电感；160-第二储能模块；161-储能电容；170-输出电容器。
具体实施方式
18.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
19.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
20.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
21.开关电源通过不同形式的电路将一个位准电压转化为用户端需求的电压或者电流，其中，升压转换器用于将低电压的位准电压转换为较高电压的电源的输出，通常采用开关元件导通或者关断升压转换器，传统电路采用硬开关的工作方式，开关管在导通和关断的过程中，产生较大的开关损耗和电磁干扰。
22.本技术提供了一种升压转换器10，如图1所示，包括：直流电源110、第一软开关模块120、第二软开关模块130、第三软开关模块140、第一储能模块150、第二储能模块160以及输出电容器170；第一软开关模块120和第一储能模块150串联，直流电源110的正极与第一软开关模块120的输入端连接、第一储能模块150的输出端与直流电源110的负极连接；第二软开关模块130和第二储能模块160串联，第二软开关模块130的输入端与第一软开关模块120的输入端连接、第二储能模块160的输出端与第一软开关模块120的输出端连接；第三软开关模块140的输入端与第二软开关模块130的输出端连接，第三软开关模块140的输出端与输出电容器170的输入端连接，输出电容器170的输出端与第一储能模块150的输出端连接，输出电容器170的两端作为升压转换器10的输出。
23.如图1、图5所示，根据电路图以及波形图对本技术实施例提供的升压转换器10的工作过程进行说明，其中，图5中a的波形图为第一软开关模块120的控制信号，高电平时控制第一软开关模块120闭合，低电平时控制第一软开关模块120关断；b的波形是指第一储能模块150的电流的波形图；c波形是指第二储能模块160的电压的波形图；d波形是指第二软开关模块的第一整流元件131的电压的波形图；e波形是指第一整流元件131的电流的波形图；f波形是指第三软开关模块140的第二整流元件141的电压的波形图；g波形是指第二整流元件141的电流的波形图；h是指第一软开关模块120的源极（或者集电极）的电压的波形图；i是指第一软开关模块120的源极（或者集电极）的电流的波形图。
24.由于第一软开关模块120和第一储能模块150串联，且第一软开关模块120的输入端与直流电源110的正极连接，第一储能模块150与直流电源110的负极连接，使得直流电源
110的电压施加在第一软开关模块120和第一储能模块150之间，当第一软开关模块120在控制信号的控制下导通时，第一储能模块150储能，与此同时，第二储能模块160通过第三软开关模块140放电，向输出电容器170传输电流，实现电压的升高；由于第二储能模块160具有较高的电压，使得第二软开关模块130处于关断状态，此时，第三软开关模块140零电压导通zvs，第二软开关模块130零电流关断zcs，从而实现辅助开关的软开关模式。
25.当第一软开关模块120在控制信号的控制下断开时，由于第一软开关模块120的软开关性质，使得第一软开关模块120在零电流关断zcs的模式下关断，此时，在第一软开关模块120关断后包括三个时间段（t
0-t1）、（t
1-t2）和（t
2-t3）、其中，（t
0-t1）时，由于第一软开关模块120为软开关，在第一软开关模块120关断后电压上升延缓，从而对第一储能模块150的储能变得延缓，直到t1时刻达到最大值，与此同时，第三软开关模块140反向进入零电流关闭，使得第二储能模块160不能通过第三软开关模块140传输电流，而是将电流储能。在（t
1-t2）时，第一软开关模块120的电压和电流降为零，第二软开关模块130与直流电源110的正极连接而零电压导通zvs，第一储能模块150放电，第一储能模块150的电流由最大值以正弦的方式斜降并为第二储能模块160充电，直至第二储能模块160充满达到其最大值时（t2），第二软开关模块130以零电流关断zcs的方式关断。在（t
2-t3），第一储能模块150的上的电流向正值摆动，直至t3时刻为零值，完成一个周期内的工作，后再开启下一周期的工作，此时第一软开关模块120零电压导通zvs。
26.由上述可知，在升压转换器10工作的一个周期内，第一软开关模块120实现零电压导通zvs和零电流关断zcs，实现主开关的软开关；第二软开关模块130和第三软开关模块140在正整个周期内形成零电压-零电流开关zvzcs，实现辅助开关的软开关模式；从而实现主开关和辅助开关的软开关模式，从而降低开关损耗和电磁干扰。
27.其中，本技术实施例中的第一软开关模块120、第二软开关模块130以及第三软开关模块140即可满足零电压导通zvs的软开关模式，也满足零电流关断zcs的开关模式。具体的软开关模式本技术实施例不做限制，只要能够满足零电压导通zvs和零电流关断zcs即可。
28.本技术提供的升压转换器10，第一软开关模块120、第二软开关模块130以及第三软开关模块140均可实现零电压导通zvs和零电流关断zcs，第一软开关模块120和第一储能模块150串联，直流电源110的正极与第一软开关模块120的输入端连接、第一储能模块150的输出端与直流电源110的负极连接；以使第一储能模块150在第一软开关模块120的控制下储能或者放电，实现直流电源110的电压升高，并在第一软开关模块120断开时实现零电流关断zcs，在第一软开关模块120导通是实现零电压导通zvs；将第二储能模块160设置在第二软开关模块130和第三软开关模块140之间，通过第二储能模块160的电压使得第二软开关模块130和第三软开关模块140在控制信号的周期内形成零电压-零电流开关zvzcs，实现辅助开关的软开关模式，从而使得能够实现主开关和辅助开关均为软开关，降低开关损耗和电磁干扰。
29.可选的，如图2、图3所示，第一软开关模块120包括双极型晶体管121和与双极型晶体管121并联的第一谐振网络122，双极型晶体管121的输入端与直流电源110的正极连接，双极型晶体管121的输出端与第一储能模块150的输入端连接，双极型晶体管121的信号端与控制信号连接以根据控制信号控制双极型晶体管121的通断。
30.双极型晶体管121与第一谐振网络122并联，形成第一软开关模块120，双极型晶体管121的信号端，也就是双极型晶体管121的基极与控制信号连接，以根据控制信号控制双极型晶体管121的通断，当控制信号控制基极导通，使得双极型晶体管121导通时，由于双极型晶体管121与第一谐振网络122并联，使得双极型晶体管121导通时，双极型晶体管121两端的电压为零，实现双极型晶体管121的零电压导通zvs。当控制信号控制基极断开，使得双极型晶体管121关断时，由于双极型晶体管121与第一谐振网络122并联，使得双极型晶体管121关断时，双极型晶体管121两端的电流为零，实现双极型晶体管121的零电流关断zcs。
31.其中，双极型晶体管121的具体形式本技术实施例不做限制，示例的，可以是如图3所示的绝缘栅双极型晶体管，也可以是如图2所示的双极结型晶体管。
32.本技术实施例的一种可实现的方式中，如图4所示，第一软开关模块120包括场效应管123，场效应管123的输入端与直流电源110的正极连接，场效应管123的输出端与第一储能模块150的输入端连接，场效应管123的信号端与控制信号连接以根据控制信号控制场效应管123的通断。
33.场效应管123的漏极和源极之间存在杂散电容，当场效应管123的电压由零线性上升时，由于杂散电容的存在，在场效应管123导通时，场效应管123两端的电压为零，属于零电压导通zvs；当场效应管123的电流下降时，由于杂散电容的存在，在场效应管123关断时，场效应管123两端的电流为零，属于零电流关断zcs。从而实现第一软开关模块120的零电压导通zvs和零电流关断zcs，从而降低开关损耗以及电磁干扰。
34.采用场效应管123作为第一软开关模块120，能够利用场效应管123自身的杂散电容，从而减少了第一软开关模块120的元器件的个数，降低升压转换器10制造难度。
35.当然，也可以在场效应管123的两端并联第四谐振网络，杂散电容配合第四谐振网络实现第一软开关模块120的零电压导通zvs和零电流关断zcs。
36.其中，场效应管123的具体形式本技术实施例不做限制，示例的，可以是金氧半场效晶体管，金半场效应晶体管，也可以是结栅场效应晶体管。
37.可选的，第二软开关模块130包括并联的第一整流元件131和第二谐振网络132，直流电源110的正极与第一整流元件131的正极连接。
38.第一整流元件131和第二谐振网络132并联形成第二软开关模块130，当第一整流元件131导通时，由于第二谐振网络132的谐振作用，使得第一整流元件131导通时的电压为零，从而实现第二软开关模块130的零电压导通zvs；当第一整流元件131关断时，由于第二谐振网络132的谐振作用，使得第二整流元件141关断时电流为零，从而实现第二软开关模块130的零电流关断zcs。
39.本技术实施例的一种可实现的方式中，第三软开关模块140包括并联的第二整流元件141和第三谐振网络142，第二整流元件141的正极与第一整流元件131的负极连接。
40.与第二软开关模块130类似，第三谐振网络142与第二整流元件141并联实现第三软开关模块140的零电压导通zvs和零电流关断zcs。
41.需要说明的是，第一谐振网络122、第二谐振网络132以及第三谐振网络142均为谐振电容与谐振电感串联而成，谐振电容与谐振电感产生谐振，在开关本体关断时，由于谐振电感内存储的电荷，使得开关本体在关断时，开关本体的电流为零，实现零电流关断zcs；在开关本体导通时，由于谐振电容内存储的电流，使得开关本体在导通时，开关本体的电压为
零，实现零电压导通zvs，这里的开关本体是指场效应管或者双极型二极管、第二整流器和第三整流器。
42.可选的，所第一整流元件131和第二整流元件141均包括二极管。
43.二极管具有单向导电性，可以通过控制二极管两端的电压实现二极管的导通以及关断。
44.本技术实施例的一种可实现的方式中，第一储能模块150包括储能电感151、第二储能模块160包括储能电容161。
45.第一储能模块150设置为储能电感151，第二储能模块160设置为储能电容161，储能电感151以电流的形式，通过电感的电流变化较慢；储能电容161是以电压的形式，加在电容两端的电压变化较慢，电感把电流维持，给电容充电，使得电容反复获得电能补给，持续提供较为稳定的电压。
46.可选的，如图2、图3、图4以及图5所示，在第一软开关模块120基于控制信号闭合时，直流电源110的电流供第一储能模块150、第二储能模块160储能，在第二储能模块160储能后，通过第三软开关模块140向输出电容器170传输电流。
47.本技术实施例的一种可实现的方式中，如图2、图3、图4以及图5所示，在第一软开关模块120基于控制信号断开时，第三软开关模块140进入反向零电流开关，第一储能模块150放电、向第二储能模块160充电，在第二储能模块160满电荷后，第二软开关模块130以零电流开关模式关断。
48.另外，本技术实施例提供的升压转换器10，采用三级级联升压-双桥降压的方式，该电路的有效传递函数为：
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（1）其中，vo为输出电容器两端的电压，即输出电压，v
in
为直流电源的电压，及输入电压，d为第一软开关模块120的控制信号的占空比，d
,
为与占空比互补的关断时间的占比，d
,
=1-d,由公式（1）可以看出，本技术实施例提供的升压转换器10允许第一软开关模块120在较低的占空比下工作，而实现与现有技术相同的能量传递，从而减小升压转换器10的传递损耗。
49.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。