軟開關(guān)DC-DC變換器技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種DC-DC變換器，尤其是一種軟開關(guān)DC-DC變換器。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有的DC-DC變換器的拓?fù)鋱D如圖12所示，其功率開關(guān)管器件全部工作在硬開關(guān)狀態(tài)，且開通關(guān)斷狀態(tài)伴隨著電壓電流的劇烈變化，這導(dǎo)致了現(xiàn)有的DC-DC變換器存在著開關(guān)損耗高和噪聲嚴(yán)重等問題。為了降低功率開關(guān)管的損耗及噪聲問題，文獻(xiàn)1發(fā)明專利“一種軟開關(guān)降壓型DC-DC變換器”(公告號CN101662209B)提出了一種軟開關(guān)降壓型DC-DC變換器，但其主開關(guān)管僅能實現(xiàn)零電流、零電壓關(guān)斷，不能實現(xiàn)零電壓、零電流導(dǎo)通，這導(dǎo)致變換器降低損耗的效果受到限制。文獻(xiàn)2發(fā)明專利申請“零電流軟開關(guān)變換器”(公布號:CN103414340A)的主開關(guān)管能實現(xiàn)零電流導(dǎo)通，但不能實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，這就導(dǎo)致其結(jié)電容損耗不能減小，這也導(dǎo)致將低損耗效果受到限制。文獻(xiàn)3美國發(fā)明專利申請“DCCapacitor-lessPowerConverters”(小電容直流功率轉(zhuǎn)換器，公布號US2012307531A1)中提出一種軟開關(guān)DC-DC變換器，但其拓?fù)渲泻兄辽?個開關(guān)器件，這顯著增加了變換器成本。文獻(xiàn)4“ANewGenerationofBuck-BoostResonantAC-LinkDC-DCConverters”，AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition(APEC),2013Twenty-EighthAnnualIEEE(新一代升降壓諧振交流鏈變換器，IEEE應(yīng)用電力電子年會)提出一種新型交流鏈DC-DC變換器如圖13所示，其可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通和零點電壓關(guān)斷，僅需兩個開關(guān)管，但在變換器工作過程中二極管D2承受較高的反向電壓，開關(guān)管S1關(guān)斷后兩端也承受非常高的電壓。這增加了開關(guān)管及二極管的選擇難度，導(dǎo)致系統(tǒng)成本升高，系統(tǒng)的安全性、可靠性降低。由上可見，目前在變換器，還存在著開關(guān)管不能實現(xiàn)完全的零電壓導(dǎo)通和零電壓關(guān)斷問題；開關(guān)管及二極管承受的額定電壓太高，這增加了變換器選擇開關(guān)管及二極管的難度，導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，而且影響了系統(tǒng)的安全性、可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是要實現(xiàn)變換器開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通和零電壓關(guān)斷，并通過減小開關(guān)管兩端所承受電壓及二極管承受的反向電壓，提供一種低損耗、高效率、高可靠性的軟開關(guān)DC-DC升降壓變換器。為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：軟開關(guān)DC-DC變換器包括輸入電源、負(fù)載，特別是，所述變換器還包括第一濾波組件、第一開關(guān)管組件、并聯(lián)諧振回路、二極管組件、第二開關(guān)管組件和第二濾波組件；所述第一濾波組件由第一濾波電感和第一濾波電容串聯(lián)組成；所述并聯(lián)諧振回路由諧振電感和諧振電容并聯(lián)組成；所述第二濾波組件由第二濾波電感和第二濾波電容串聯(lián)組成；所述二極管組件包括四只二極管，其中，第一二極管的陽極與第三二極管的陰極相連，第一二極管的陰極與第二二極管的陰極相連，第二二極管的陽極與第四二極管的陰極相連，第三二極管的陽極與第四二極管的陽極相連；所述第一開關(guān)管組件至少包括一只開關(guān)組件，所述開關(guān)組件包括一只第一開關(guān)管和一只二極管，二極管與第一開關(guān)管為反并聯(lián)方式連接，所述第二開關(guān)管組件至少包括一只開關(guān)件；所述輸入電源的正極與第一濾波電感連接，第一濾波電感的另一端與第一濾波電容串聯(lián)，第一濾波電容的另一端與輸入電源的負(fù)極連接；第一濾波電感、第一濾波電容的連接點與所述第一開關(guān)組件的漏極連接，第一開關(guān)組件的源極與并聯(lián)諧振回路的上連接點相連，并聯(lián)諧振回路的下連接點與輸入電源的負(fù)極相連；并聯(lián)諧振回路的上連接點與第一二極管的陽極相連，并聯(lián)諧振回路的下連接點與第二二極管的陽極相連，第二二極管的陰極與所述第二開關(guān)組件的漏極連接，第二開關(guān)組件的源極接第二濾波電感與第二濾波電容的連接點，第二濾波電感的另一端與負(fù)載回路的上連接點相連，第二濾波電容的另一端與第四二極管的陽極相連，負(fù)載回路的下連接點與第四二極管的陽極相連。優(yōu)選地，開關(guān)件至少包括一只第二開關(guān)管。相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：1、本發(fā)明完全實現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通和零電壓關(guān)斷，有效地減小了開關(guān)損耗，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的效率。2、顯著地減小了開關(guān)管及二極管所承受的最高電壓，降低了開關(guān)管和二極管的選擇難度，進(jìn)而減低了系統(tǒng)的成本，同時也提高了變換器在運(yùn)行中的安全性和可靠性。附圖說明圖1是本發(fā)明實施例1即采用反阻斷型開關(guān)管S1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例2即采用反并聯(lián)型開關(guān)管S1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中開關(guān)管S1的兩種選擇。圖4是本發(fā)明實例1工作過程的換流回路。圖5是本發(fā)明實例1電感電流電容電壓及開關(guān)管S1、S2開關(guān)波形。圖6是本發(fā)明實例1開關(guān)管S1、S2電壓電流波形。圖7是本發(fā)明實例1開關(guān)管S1兩端電壓及二極管承受的反壓波形與已有拓?fù)涞谋容^。圖8是本發(fā)明實例2工作過程的換流回路。圖9是本發(fā)明實例2電感電流電容電壓及開關(guān)管S1、S2開關(guān)波形。圖10是本發(fā)明實例2開關(guān)管S1、S2電壓電流波形。圖11是本發(fā)明實例2開關(guān)管S1兩端電壓及二極管承受的反壓波形與已有拓?fù)涞谋容^。圖12是傳統(tǒng)的DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖13是文獻(xiàn)4提出的《一種新型交流鏈DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。參見圖1和圖2，軟開關(guān)DC-DC變換器包括輸入電源Uin、負(fù)載load、第一濾波組件101、第一開關(guān)管組件102、并聯(lián)諧振回路103、二極管組件104、第二開關(guān)管組件105和第二濾波組件106。其中，第一濾波組件101由第一濾波電感L1和第一濾波電容C1串聯(lián)組成。并聯(lián)諧振回路103由諧振電感L2和諧振電容C2并聯(lián)組成。第二濾波組件106由第二濾波電感L3和第二濾波電容C3串聯(lián)組成。二極管組件104包括四只二極管，其中，第一二極管D1的陽極與第三二極管D3的陰極相連，第一二極管D1的陰極與第二二極管D2的陰極相連，第二二極管D2的陽極與第四二極管D4的陰極相連，第三二極管D3的陽極與第四二極管D4的陽極相連。輸入電源Uin的正極與第一濾波電感L1連接，第一濾波電感L1的另一端與第一濾波電容C1串聯(lián)，第一濾波電容C1的另一端與輸入電源Uin的負(fù)極連接。第一濾波電感L1、第一濾波電容C1的連接點與所述第一開關(guān)組件102的漏極連接，第一開關(guān)組件102的源極與并聯(lián)諧振回路103的上連接點相連，并聯(lián)諧振回路103的下連接點與輸入電源Uin的負(fù)極相連。并聯(lián)諧振回路103的上連接點與第一二極管D1的陽極相連，并聯(lián)諧振回路103的下連接點與第二二極管D2的陽極相連，第二二極管D2的陰極與所述第二開關(guān)組件105的漏極連接，第二開關(guān)組件105的源極接第二濾波電感L3與第二濾波電容C3的連接點，第二濾波電感L3的另一端與負(fù)載load回路的上連接點相連，第二濾波電容C3的另一端與第四二極管D4的陽極相連，負(fù)載load回路的下連接點與第四二極管D4的陽極相連。第一開關(guān)管組件102至少包括一只開關(guān)組件，所述開關(guān)組件包括一只第一開關(guān)管S1和一只二極管，二極管與第一開關(guān)管S1采用反并聯(lián)方式連接。具體結(jié)構(gòu)件圖3。第二開關(guān)組件105至少包括一只開關(guān)件，其至少包括一個第二開關(guān)管S2。實施例1：實施例1的拓?fù)鋱D如圖1所述。本實施例中，開關(guān)組件為反阻斷型開關(guān)管，由一個第一開關(guān)管S1和一個二極管串聯(lián)組成，具體結(jié)構(gòu)見圖3中的301。工作過程主要分為四個階段，換流過程如圖4所示。為了更明白的解釋變換器工作過程，現(xiàn)設(shè)輸入電壓為Uin，輸出電壓為Uo，電容電壓上側(cè)電壓大于下側(cè)電壓時為正電壓，電感電流向下流為正方向。工作階段一：此過程第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2全部為關(guān)斷狀態(tài)，在上個工作階段結(jié)束后，諧振電感L2和諧振電容C2開始發(fā)生諧振如圖4(a)所示，當(dāng)諧振回路103諧振到諧振電容C2正向電壓大于輸入電壓為Uin，且此時諧振電感L2電流方向向下時。此刻導(dǎo)通第一開關(guān)管S1，由于第一開關(guān)管S1承受反壓，此時第一開關(guān)管S1反向關(guān)斷，第一開關(guān)管導(dǎo)通區(qū)域如圖5中S1開關(guān)波形灰色區(qū)域。此后諧振電容C2電壓放電，當(dāng)諧振電容C2電壓下降到等于輸入電壓為Uin時開關(guān)組件S1自然導(dǎo)通，并且第一開關(guān)管S1實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，此時輸入電源Uin給諧振電感L2充電，自此進(jìn)入到下一個工作階段。此過程應(yīng)注意第一開關(guān)管S1導(dǎo)通條件：諧振電容C2電壓大于等于輸入電源Uin；諧振電感L2電流向下時。工作階段二：此過程第一開關(guān)管S1導(dǎo)通、第二開關(guān)管S2關(guān)斷，輸入電源Uin向諧振電感L2充電如圖4(b)所示，當(dāng)諧振電感L2電流上升到所需要值iu時，關(guān)斷第一開關(guān)管S1。此時第一開關(guān)管S1為零電壓關(guān)斷，自此進(jìn)入到下一個工作階段。工作階段三：此過程第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2全部為關(guān)斷狀態(tài)，諧振電感L2和諧振電容C2發(fā)生諧振如圖4(c)所示。當(dāng)諧振電容C2電壓小于零且其絕對值小于輸出電壓Uo同時諧振電感L2電流為負(fù)時，導(dǎo)通第二開關(guān)管S2，第二開關(guān)管S2導(dǎo)通區(qū)域如圖5中S2開關(guān)波形灰色區(qū)域。由于諧振電容C2反向電壓小于輸出電壓Uo，所以第二開關(guān)管S2承受反壓處于斷開狀態(tài)。當(dāng)諧振電容C2反向電壓諧振到輸出電壓Uo，此時第二開關(guān)管S2零電壓導(dǎo)通。此后進(jìn)入到第四工作階段。工作階段四：此第二開關(guān)管S2導(dǎo)通、第一開關(guān)管S1關(guān)斷，第二開關(guān)管S2導(dǎo)通后換流過程如圖4(d)所示，此時諧振電感L2向負(fù)載load放電。當(dāng)諧振電感L2放電到我們所需要的值id時，第二開關(guān)管S2關(guān)斷，此時，第二開關(guān)管S2可以實現(xiàn)零電壓關(guān)斷，由于諧振電感L2上的一部分能量釋放到負(fù)載load中，所以諧振電容C2反向峰值電壓要遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)4中的電壓。此后進(jìn)入到第一工作階段。圖5展示了實施例1各個工作階段過程中諧振電感L2電流、諧振電容C2電壓的變化波形及第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2的開關(guān)波形。圖6為實例1第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2的電壓電流波形，為了便于觀察第一開關(guān)管S1電流放大10倍，可以看出第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2均可以實現(xiàn)零電壓關(guān)斷和零電壓導(dǎo)通。為了較清楚的展現(xiàn)實例1，可以明顯減小第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2及二極管所承受電壓的優(yōu)點，圖7展示了兩種變換器在同等工作條件下(包括相同的輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、電感、電容、負(fù)載)，兩端所承受電壓的仿真圖對比?？梢钥闯鲈谕葪l件下本發(fā)明實施例1第一開關(guān)管S1兩端承受電壓不到480V，而文獻(xiàn)4(《新一代升降壓諧振交流鏈變換器》中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中開關(guān)管S1承受電壓超過了920V；本發(fā)明實施例1二極管D2承受的反向電壓峰值不到340V而文獻(xiàn)4中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中二極管D2承受反壓超過了1050V，可以明顯的看出本發(fā)明的優(yōu)勢。實施例2：實施例2的拓?fù)鋱D如圖2所述。本實施例中，開關(guān)組件為反并聯(lián)型開關(guān)管，由一只第一開關(guān)管S1和一只二極管，二極管與第一開關(guān)管S1采用反并聯(lián)方式連接，具體結(jié)構(gòu)見圖3中的302。本實施例中的軟開關(guān)DC-DC變換器，其工作過程主要分為五個階段，換流過程如圖8所示。為了更明白的解釋變換器工作過程，我們設(shè)輸入電壓為Uin，輸出電壓為Uo，電容電壓上側(cè)電壓大于下側(cè)電壓時為正電壓，電感電流向下流為正方向。工作階段一：此過程第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2全部為關(guān)斷狀態(tài)，在上個工作階段結(jié)束后，諧振電感L2向輸入電源Uin充電如圖8(a)所示，此刻導(dǎo)通第一開關(guān)管S1可以實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，當(dāng)諧振電感L2電流反向減小為零時，二極管反向截止，輸入電源Uin開始為諧振電感L2正向充電。變換器進(jìn)入第二個工作過程。工作階段二：此過程第一開關(guān)管S1導(dǎo)通、第二開關(guān)管S2關(guān)斷，輸入電源Uin向諧振電感L2充電如圖8(b)所示，當(dāng)諧振電感L2電流上升到我們所需要值iu時，關(guān)斷第一開關(guān)管S1。此時第一開關(guān)管S1為零電壓關(guān)斷，自此進(jìn)入到下一個工作階段。工作階段三：此過程第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2全部為關(guān)斷狀態(tài)，諧振電感L2和諧振電容C2發(fā)生諧振如圖8(c)所示。當(dāng)諧振電容C2電壓小于零且其絕對值小于輸出電壓Uo，同時諧振電感L2電流為負(fù)時，導(dǎo)通第二開關(guān)管S2，第二開關(guān)管S2導(dǎo)通區(qū)域如圖8中S2開關(guān)波形灰色區(qū)域。由于諧振電容C2反向電壓小于輸出電壓Uo，所以第二開關(guān)管S2承受反壓處于斷開狀態(tài)。當(dāng)諧振電容C2反向電壓諧振到輸出電壓Uo，此時第二開關(guān)管S2零電壓導(dǎo)通。此后進(jìn)入到第四工作階段。工作階段四：此過程第二開關(guān)管S2導(dǎo)通、第一開關(guān)管S1關(guān)斷，第二開關(guān)管S2導(dǎo)通后換流過程如圖8(d)所示，此時諧振電感L2向負(fù)載放電。當(dāng)諧振電感L2放電到我們所需要的值id時，第二開關(guān)管S2關(guān)斷，此時，第二開關(guān)管S2可以實現(xiàn)零電壓關(guān)斷，由于諧振電感L2上的一部分能量釋放到負(fù)載load中，所以諧振電容C2反向峰值電壓要遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)4中的電壓。此后進(jìn)入到第五工作階段。工作階段五：此過程第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2全部為關(guān)斷狀態(tài)，諧振電感L2和諧振電容C2發(fā)生諧振如圖8(e)所示。當(dāng)諧振電容C2正向電壓充電到輸入電壓為Uin時，第一開關(guān)管S1的反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通，變換器進(jìn)入到第一工作階段。圖9展示了實施例2各個工作階段過程中諧振電感L2電流、諧振電容C2電壓的變化波形及第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2的開關(guān)波形。圖10為實例2第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2的電壓電流波形，為了便于觀察第一開關(guān)管S1的電流放大10倍，可以看出第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2均可以實現(xiàn)零電壓關(guān)斷和零電壓導(dǎo)通。為了較清楚的展現(xiàn)本發(fā)明可以明顯減小開關(guān)管所承受電壓的優(yōu)點，圖11展示了兩種變換器在同等工作條件下(包括相同的輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、電感、電容、負(fù)載)，兩端所承受電壓的仿真圖對比?？梢钥闯鲈谕葪l件下本發(fā)明實施例2第一開關(guān)管S1兩端承受電壓不到480V，而文獻(xiàn)4(《新一代升降壓諧振交流鏈變換器》中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中開關(guān)管S1承受電壓超過了920V；本發(fā)明實施例2二極管D2承受的反向電壓峰值不到230V，而文獻(xiàn)4中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中二極管D2承受反壓超過了1050V，可以明顯的看出本發(fā)明的優(yōu)勢。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的軟開關(guān)DC-DC變換器進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。