CN100346564C - 零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路的控制方法 - Google Patents

零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种涉及零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路及其控制方法，主电路包括分压电容电路(1)、两个三电平支路(2)、(3)、隔离变压器原、副边绕组(NP1、NP2)和(NS)、箝位电容(C)、飞跨电容(Cc)，整流及滤波电路(4)。其控制方法是，主电路开关管(S1)、(S2)PWM工作，开关管(S2)、(S3)180°互补导通，不考虑开关管之间死区和延时，开关管(S2)驱动信号是开关管(S1)驱动信号和开关管(S5)驱动信号相或；开关管(S3)驱动信号是开关管(S4)驱动信号和开关管(S6)驱动信号相或。开关管(S1)和(S4)PWM工作，且分别与开关管(S2)和(S3)同时导通。该直流变换器实现了所有功率开关管的零电压开关，输入和输出整流波形中高频分量小，可减小输入输出滤波器，将输入三电平支路中的二极管用功率开关管代替，减小了导通损耗，提高了变换效率。

Description

零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路的控制方法
一、技术领域
本发明的零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路的控制方法，属电能变换装置的直流变换器的控制方法。
二、背景技术
近年来，三电平直流变换器在高压场合的应用受到了广泛的关注，因为它的开关管电压应力仅为输入电压的一半。为了提高效率和减小变换器的重量与体积，近年来出现了很多软开关三电平直流变换器电路拓扑。零电压开关三电平直流变换器通过变压器的漏感和开关管的结电容来实现开关管的软开关。有的三电平变换器还能减小输出滤波器，因为输出滤波器两端的高频交流分量较小。但三电平变换器在低压输入高压输出场合的研究还很少，而且低压输入时，输入电流大，则输入三电平支路中的二极管损耗将很大。
三、发明内容
本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，研制一种零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路及其控制方法，使所有功率开关管实现零电压开关，提高变换效率；减小输入和输出滤波器；输入三电平支路中的二极管采用带反并联二极管的功率开关管代替，以减小导通损耗；减小原边功率开关管的电压应力。
一种零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路的控制方法，该方法是采用下述连接方法，将各功率开关管与电容和绕组之间连接组成直流变换器主电路，即：将两个输入分压电容串联后并接在直流电源正、负两端组成输入分压电容电路；将第一功率开关管与第二功率开关管正向串联，再将第五功率开关管连接在两个输入分压电容串接点与第一功率开关管和第二功率开关管串接点之间，组成第一个三电平支路；将第三功率开关管与第四功率开关管正向串联，再将第六功率开关管连接在第三功率开关管与第四功率开关管的串接点与两个输入分压电容串联点之间、组成第二个三电平支路；将隔离变压器第一原边绕组的同名端与第一三电平支路中的第二功率开关管的源极相连，此第一原边绕组的异名端与第二三电平支路中的第四功率开关管的源极相连接后接在输入分压电容电路的负输出端；将隔离变压器第二原边绕组的同名端与第二三电平支路中的第三功率开关管的漏极相连，此第二原边绕组的异名端与第一个三电平支路中的第一功率开关管的漏极相连接后接在输入分压电容电路的正输出端；将飞跨电容连接在第一个三电平支路中第一、第二两个功率开关管串联点与第二个三电平支路中第三、第四两个功率开关管的串联点之间；将箝位电容一端连接在隔离变压器第一原边绕组同名端与第一个三电平支路中第二功率开关管源极的连接点上，将此箝位电容另一端连接在隔离变压器第二原边绕组同名端与第二个三电平支路中第三功率开关管漏极的连接点上；将隔离变压器副边绕组的输出连于整流及滤波电路；其特征在于，主电路中的第一功率开关管和第四功率开关管以PWM工作方式进行工作，而第二功率开关管和第三功率开关管以180°互补导通，在不考虑各功率开关管之间的死区和延时的条件下，第二功率开关管的驱动信号是第一功率开关管驱动信号和第五功率开关管驱动信号相或；第三功率开关管的驱动信号是第四功率开关管驱动信号和第六功率开关管驱动信号相或，第一功率开关管和第四功率开关管以PWM工作方式进行工作时，分别与第二功率开关管和第三功率开关管同时导通。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，适合于低压输入高压输出的场合；采用推挽正激三电平，减小了输入和输出滤波器，减小原边功率管的电压应力；输入三电平支路中的二极管采用带反并联二极管的功率开关管代替，大大减小了导通损耗；所有功率开关管实现了软开关；提高变换效率。
四、附图说明
图1是零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路结构示意图
图2是本发明的三电平工作模式主要波形示意图。
图3-6是各开关模态的等效电路结构示意图。
上述附图中的主要符号名称：Vin、电源电压。C1、C2、输入分压电容。S1～S6、功率开关管。DS1～DS6、各功率开关管的反并联二极管。Cc、飞跨电容。NP1、NP2、NS分别是隔离变压器的两个原边绕组和副边绕组。D1～D4、输出整流二极管。Lf、滤波电感。Cf、滤波电容。RL、负载。Vo、输出电压。vAB、A与B两点间电压。
五、具体实施方式
根据附图叙述本发明的具体实施方式。由图1可知，本发明的零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路由输入分压电容电路1、两个三电平支路2、3、飞跨电容Cc、箝位电容C、隔离变压器、整流桥及滤波电路4组成。其中分压电容C1和C2容量很大且相等，其电压均为输入电压Vin的一半，即Vc1＝Vc2＝Vin/2，可看作电压为Vin/2的电压源。三只功率开关管S1、S2、S5及其反并联二极管DS1、DS2、DS5组成一个三电平支路2；三只功率开关管S3、S4、S6及其反并联二极管DS3、DS4、DS6组成另一三电平支路3。NP1、NP2、NS分别是隔离变压器的两个原边绕组和副边绕组。整流桥及滤波电路4由四个输出整流二极管D1～D4、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf、负载RL组成。
控制方法如下：功率开关管S1和S4 PWM工作，功率开关管S2和S3180°互补导通。不考虑相互之间的死区和延时，功率开关管S2驱动信号是功率开关管S1驱动信号和功率开关管S5驱动信号相或；功率开关管S3的驱动信号是功率开关管S4驱动信号和功率开关管S6驱动信号相或。功率开关管S1和S4 PWM工作，且分别与功率开关管S2和S3同时开通，故定义功率开关管S1和S4为斩波管。
功率开关管S5和S6分别滞后于功率开关管S2和S3一个很小的时间导通，目的是为了实现功率开关管S5和S6的零电压开通，功率开关管S1和S4分别和功率开关管S5和S6之间存在一定的死区，目的是为了实现功率开关管S5和S6的零电压关断，从而减小功率开关管的开关损耗，提高变换效率。在功率开关管S5的负极和功率开关管S6的正极之间跨接飞跨电容Cc，其作用在于将两对功率开关管的开关过程连接起来，将功率开关管S2和S3的电压箝在3Vin/2。在变换器稳态工作时，飞跨电容Cc上的电压恒定为Vin/2。
结合图3～6叙述本发明的具体工作原理。由图2可知整个变换器在一个开关周期有8种开关模态，分别是[t0以前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7](见图2)，其中，[t0以前，t3]为前半周期，[t4，t7]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
在分析之前，作如下假设：①所有功率开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件；③变压器考虑漏感，NP1＝NP2＝NP，NS/NP＝n；④飞跨电容Cc足够大，稳态时其电压基本不变，为Vin/2；⑤箝位电容C足够大，稳态时其电压基本不变，为Vin。
1.开关模态1[t0以前][对应于图3]
t0以前，功率开关管S1和S2导通，AB两点间电压为vAB＝nVin。副边输出整流二极管D1和D4导通，D2和D3截止。原边向副边传递能量。
2.开关模态2[t0，t1][对应于图4]
t0时刻关断功率开关管S1，二极管DS5导通，由功率开关管S1结电容的作用，功率开关管S1实现了零电压关断。功率开关管S6承受的电压为Vin/2，功率开关管S1承受的电压为Vin/2，功率开关管S4承受的电压为零。vAB电压下降到nVin/2，其它同开关模态1。
3.开关模态3[t1，t2][对应于图5]
在t1时刻，功率开关管S5开通，实现了功率开关管S5的零电压开通，其它同开关模态2。
4.开关模态4[t2，t3][对应于图6]
t2时刻关断功率开关管S2和S5，由功率开关管S2结电容的作用，功率开关管S2实现了零电压关断。由于变压器漏感的作用，二极管DS3和DS4导通。功率开关管S5承受的电压保持为零，功率开关管S2承受的电压为3Vin/2。vAB电压上升到nVin，副边输出整流二极管D2和D3导通，D1和D4截止。
此后功率开关管S3和S4导通，实现了功率开关管S3和S4的零电压开通，原边给副边提供能量。变换器开始另一半周期工作，其工作情况类似于上述的半个周期。
从上面的分析可知，零电压开关推挽正激三电平直流变换器，所有功率开关管实现了零电压开关，减小输入输出滤波器。
由以上描述可知，本发明提出的零电压开关推挽正激三电平直流变换器具有如下优点：
①所有功率开关管实现了零电压开关；
②输出整流波形中高频分量小，可以减小输出滤波器，从而减小输出滤波器的重量和体积，并且改善变换器的动态特性；
③适合于宽输入电压，低压输入高压输出的场合；
④该变换器的输入电流脉动小，因此可以减小输入滤波器；
⑤将三电平支路中的续流二极管用功率开关管代替，减小了导通损耗，且不会增加开关损耗，提高了变换效率。

Claims (1)

1、一种零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路的控制方法，该方法是采用下述连接方法，将各功率开关管与电容和绕组之间连接组成直流变换器主电路，即：将两个输入分压电容(C1、C2)串联后并接在直流电源(Vin)正、负两端组成输入分压电容电路(1)；将第一功率开关管(S1)与第二功率开关管(S2)正向串联，再将第五功率开关管(S5)连接在两个输入分压电容(C1、C2)串接点与第一功率开关管(S1)和第二功率开关管(S2)串接点之间，组成第一个三电平支路(2)；将第三功率开关管(S3)与第四功率开关管(S4)正向串联，再将第六功率开关管(S6)连接在第三功率开关管(S3)与第四功率开关管(S4)的串接点与两个输入分压电容(C1、C2)串联点之间、组成第二个三电平支路(3)；将隔离变压器第一原边绕组(Np1)的同名端与第一三电平支路(2)中的第二功率开关管(S2)的源极相连，此第一原边绕组(Np1)的异名端与第二三电平支路(3)中的第四功率开关管(S4)的源极相连接后接在输入分压电容电路(1)的负输出端；将隔离变压器第二原边绕组(Np2)的同名端与第二三电平支路(3)中的第三功率开关管(S2)的漏极相连，此第二原边绕组(Np2)的异名端与第一个三电平支路(2)中的第一功率开关管(S1)的漏极相连接后接在输入分压电容电路(1)的正输出端；将飞跨电容(Cc)连接在第一个三电平支路(2)中第一、第二两个功率开关管(S1、S2)串联点与第二个三电平支路(3)中第三、第四两个功率开关管(S3、S4)的串联点之间；将箝位电容(C)一端连接在隔离变压器第一原边绕组(Np1)同名端与第一个三电平支路(2)中第二功率开关管(S2)源极的连接点上，将此箝位电容(C)另一端连接在隔离变压器第二原边绕组(Np2)同名端与第二个三电平支路(3)中第三功率开关管(S3)漏极的连接点上；将隔离变压器副边绕组(Ns)的输出连于整流及滤波电路；其特征在于，主电路中的第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)以PWM工作方式进行工作，而第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)以180°互补导通，在不考虑各功率开关管之间的死区和延时的条件下，第二功率开关管(S2)的驱动信号是第一功率开关管(S1)驱动信号和第五功率开关管(S5)驱动信号相或；第三功率开关管(S3)的驱动信号是第四功率开关管(S4)驱动信号和第六功率开关管(S6)驱动信号相或，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)以PWM工作方式进行工作时，分别与第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)同时导通。
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