CN100359791C - 推挽正激三电平直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种涉及推挽正激三电平直流变换器，由输入分压电容电路(1)、三电平支路(2)、(3)、隔离变压器的三个绕组(N_P1、N_P2、N_S)、箝位电容(C)、飞跨电容(C_c)组成，其特点是箝位电容(C)两端分别连于隔离变压器的原边绕组(N_P1)与三电平支路(2)交点和隔离变压器的原边绕组(N_P2)与三电平支路(3)交点，飞跨电容(C_c)连于两三电平支路(2)、(3)中功率开关管的连接点处。隔离变压器的副边绕组(N_S)连于整流及滤波电路(4)。该直流变换器适合应用于宽输入电压场合，减小了功率开关管的开关损耗，输出整流波形中高频分量小，可以减小输出滤波电感，降低输出整流二极管的电压定额，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，且不会增加开关损耗，提高了变换效率。

Description

推挽正激三电平直流变换器

一、技术领域

本发明的推挽正激三电平直流变换器，属电能变换装置的直流变换器。

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，因为它的功率开关管电压应力仅为输入电压的一半；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，而且采用的控制都是使输出整流后的三电平波形先出现高的电平，然后再出现其一半电压的电平，这样在低压输入高压输出的场合，由于变压器漏感，二极管的反向恢复等引起的输出整流二极管的电压尖峰，会增加输出整流二极管的电压定额。推挽正激直流变换器由于能减小输入滤波器也受到了广泛的关注，但在宽范围低压输入高压输出的场合，占空比变化很大，输出滤波器大。

三、发明内容

本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，研制一种可有效地减小副边整流二极管的电压定额，减小整流二极管上的损耗，提高变换效率；减小输入和输出滤波器；且能实现功率开关管软开关的推挽正激三电平直流变换器。

本发明推挽正激三电平直流变换器一种推挽正激三电平变换器，包括输入分压电容电路、第一三电平支路、第二三电平支路、隔离变压器和整流及滤波电路，所述第一三电平支路的组成是，第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极相连，第一功率开关管的漏极连于输入分压电容电路的正输出端，第五功率开关管的漏极连于第一功率开关管与第二功率开关管的连接点，第五功率开关管的源极连于输入分压电容电路中的两个分压电容的串联点；所述第二三电平支路的组成是，第三功率开关管的源极与第四功率开关管的漏极相连，第四功率开关管的源极连于输入分压电容电路的负输出端，第六功率开关管的源极连于第三功率开关管的与第四功率开关管的连接点，第六功率开关管的漏极连于输入分压电容电路中的两个分压电容的串联点；箝位电容负端连于隔离变压器的第一个原边绕组同名端，箝位电容正端连于隔离变压器的第二个原边绕组同名端；飞跨电容正端连于第一三电平支路中第一功率开关管与第二功率开关管的连接点，飞跨电容负端连于第二三电平支路中第三功率开关管与第四功率开关管的连接点；隔离变压器的副边绕组连于整流及滤波电路，其特征在于将隔离变压器第一个原边绕组的异名端与输入分压电容电路的负输出端相连接，第一个原边绕组同名端连于第一三电平支路中的第二功率开关管的源极，隔离变压器第二个原边绕组的异名端与输入分压电容电路的正输出端相连接，第二个原边绕组同名端连于第二三电平支路中的第三功率开关管的漏极。

本发明与现有技术相比的主要技术特点是，由于控制方法采用使输出整流后的三电平波形先出现一半的电平，然后再出现整个高电平，减小了副边整流二极管的电压定额，减小整流二极管上的损耗；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，且该功率开关管实现了软开关；提高变换效率。

四、附图说明

图1是本发明的推挽正激三电平直流变换器电路原理示意图

图2是本发明的三电平工作模式主要波形示意图。

图3是本发明的两电平工作模式主要波形示意图。

图4-9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：V_in、电源电压。C₁、C₂、输入分压电容。S₁～S₆、功率开关管。D_S1～D_S6、各功率开关管的反并联二极管。C_c、飞跨电容。N_P1、N_P2、N_S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。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。R_L、负载。V_o、输出电压。v_AB、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C_c、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V_in的一半，即V_c1＝V_c2＝V_in/2，可看作电压为V_in/2的电压源。三只功率开关管S₁、S₂、S₅及其反并联二极管D_S1、D_S2、D_S5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D_S3、D_S4、D_S6组成另一三电平支路3。N_P1、N_P2、N_S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L_f、输出滤波电容C_f、负载R_L组成。

控制方法如下：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S₄PWM工作，且分别与功率开关管S₂和S₃同时关断，故定义功率开关管S₁和S₄为斩波管。

当输入电压较低时，功率开关管S₁和S₄PWM工作，功率开关管S₂、S₃180°互补导通，功率开关管S₅、S₆实现零电压开通，零电压关断。此时输出整流后的电压为三电平波形，称之为三电平模式(3L模式)。当输入电压较高时，功率开关管S₁和S₄的脉宽将减小到零，功率开关管S₂、S₃与功率开关管S₅、S₆PWM工作，此时输出整流后的电压为两电平波形，称之为两电平模式(2L模式)。

在三电平模式下，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C_c，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3V_in/2。在变换器稳态工作时，飞跨电容C_c上的电压恒定为V_in/2。在两电平模式下，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S₂和S₃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。

结合图4～9叙述本发明的具体工作原理。由图2可知整个变换器在3L模式中一个开关周期有10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]、[t₇，t₈]、[t₈，t₉](见图2)，其中，[t₀以前，t₄]为前半周期，[t₄，t₉]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、电容和变压器均为理想元件，N_P1＝N_P2＝N_P，N_S/N_P＝n；③飞跨电容C_c足够大，稳态时其电压基本不变，为V_in/2；④箝位电容C足够大，稳态时其电压基本不变，为V_in。

1.开关模态1[t₀以前][对应于图4]

t₀以前，功率开关管S₁和S₂导通，AB两点间电压为v_AB＝nV_in。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5]

t₀时刻关断功率开关管S₁和S₂，此时功率开关管承受的电压应力有两种情况：第一种情况：功率开关管S₁承受的电压为零，功率开关管S₂关断后只承受电压V_in，功率开关管S₃承受的电压为V_in/2，功率开关管S₅承受的电压为V_in/2不变；第二种情况：功率开关管S₁和S₂承受的电压都为V_in/2，功率开关管S₃承受的电压为V_in，功率开关管S₅承受的电压为零。以第一种情况(对应图2)为例，对本发明进行阐述。v_AB电压下降到零，副边输出整流二极管D₁～D₄导通，副边续流。

3.开关模态3[t₁，t₂][对应于图6]

在t₁时刻，功率开关管S₃开通，二极管D_S6导通，电压v_AB＝nV_in/2，副边输出整流二极管D₂和D₃导通，D₁和D₄截止。飞跨电容C_c与箝位电容C将功率开关管S₂承受的电压箝在3V_in/2，功率开关管S₁承受的电压仍为零，功率开关管S₅承受的电压为V_in/2不变，副边输出整流二极管D₁承受电压为nV_in/2，比副边整流二极管先承受电压为nV_in再加变压器漏感等引起的尖峰电压所承受的电压应力低得多。功率开关管开通前只承受电压V_in/2，而推挽正激直流变压器功率开关管开通前承受的电压为2V_in，减小了开通损耗。原边向副边传递能量。

4.开关模态4[t₂，t₃][对应于图7]

t₂时刻开通功率开关管S₆，实现了零电压开通，其他同开关模态3。

5.开关模态5[t₃，t₄][对应于图6]

t₃时刻关断功率开关管S₆，二极管D_S6导通，实现了功率开关管S₆的零电压关断，其他同开关模态3。

此后功率开关管S₃和S₄导通，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。

由图3可知整个变换器在2L模式中一个开关周期有8种开关模态，其中，[t₀以前，t₃]为前半周期，[t₃，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。

1.开关模态1[t₀以前][对应于图8]

t₀以前，功率开关管S₂和S₅导通，AB两点间电压为v_AB＝nV_in/2。副边输出整流二极管D₁和D₄导通，D₂和D₃截止。功率开关管S₁承受的电压为V_in/2。原边向副边传递能量。

2.开关模态2[t₀，t₁][对应于图9]

t₀时刻关断功率开关管S₅，二极管D_S5导通，实现了功率开关管S₅的零电压关断，其他同开关模态1。

3.开关模态3[t₁，t₂][对应于图5]

t₁时刻关断功率开关管S₂，功率开关管S₁和S₂承受的电压都为V_in/2，功率开关管S₃承受的电压为V_in，功率开关管S₅承受的电压保持在零。v_AB电压下降到零，副边输出整流二极管D₁～D₄导通，副边续流。

4.开关模态4[t₂，t₃][对应于图6]

在t₁时刻，功率开关管S₃开通，二极管D_S6导通，电压v_AB＝nV_in/2，副边输出整流二极管D₂和D₃导通，D₁和D₄截止。飞跨电容C_c与箝位电容C将功率开关管S₂承受的电压箝在3V_in/2，功率开关管S₁承受的电压仍为零，功率开关管S₅承受的电压为V_in/2不变，副边输出整流二极管D₁承受电压为nV_in/2。原边向副边传递能量。

从上面的分析可知，推挽正激三电平直流变换器，无论是在3L模式还是在2L模式，都可以很好的减小输出整流二极管的电压尖峰，减小输入输出滤波器。

由以上描述可知，本发明提出的推挽正激三电平直流变换器具有如下优点：

①减小了功率开关管的开关损耗，功率开关管S₅和S₆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，且不会增加开关损耗，提高了变换效率。

⑥在该控制方式下，桥式三电平变换器的三电平支路中靠输入母线的功率开关管必须先关断，否则三电平支路中另外一个功率开关管承受的电压为V_in，而推挽正激三电平变换器不存在这样的问题。

Claims (1)

1、一种推挽正激三电平变换器，包括输入分压电容电路(1)、第一三电平支路(2)、第二三电平支路(3)、隔离变压器和整流及滤波电路(4)，所述第一三电平支路(2)的组成是，第一功率开关管(S₁)的源极与第二功率开关管(S₂)的漏极相连，第一功率开关管(S₁)的漏极连于输入分压电容电路(1)的正输出端，第五功率开关管(S₅)的漏极连于第一功率开关管(S₁)与第二功率开关管(S₂)的连接点，第五功率开关管(S₅)的源极连于输入分压电容电路(1)中的两个分压电容的串联点；所述第二三电平支路(3)的组成是  第三功率开关管(S₃)的源极与第四功率开关管(S₄)的漏极相连，第四功率开关管(S₄)的源极连于输入分压电容电路(1)的负输出端，第六功率开关管(S₆)的源极连于第三功率开关管(S₃)的与第四功率开关管(S₄)的连接点，第六功率开关管(S₆)的漏极连于输入分压电容电路(1)中的两个分压电容的串联点；箝位电容(C)负端连于隔离变压器的第一个原边绕组(N_P1)同名端，箝位电容(C)正端连于隔离变压器的第二个原边绕组(N_P2)同名端；飞跨电容(C_c)正端连于第一三电平支路(2)中第一功率开关管(S₁)与第二功率开关管(S₂)的连接点，飞跨电容(C_c)负端连于第二三电平支路(3)中第三功率开关管(S₃)与第四功率开关管(S₄)的连接点；隔离变压器的副边绕组(N_S)连于整流及滤波电路(4)，其特征在于将隔离变压器第一个原边绕组(N_P1)的异名端与输入分压电容电路(1)的负输出端相连接，第一个原边绕组(N_P1)同名端连于第一三电平支路(2)中的第二功率开关管(S₂)的源极，隔离变压器第二个原边绕组(N_P2)的异名端与输入分压电容电路(1)的正输出端相连接，第二个原边绕组(N_P2)同名端连于第二三电平支路(3)中的第三功率开关管(S₃)的漏极。

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