CN100379131C - 三电平输出的软开关隔离直流变换器 - Google Patents

三电平输出的软开关隔离直流变换器 Download PDF

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Abstract

一种三电平输出的软开关隔离直流变换器，属直流变换器，由输入直流电压(1)经高频逆变电路(2)连于高频隔离变压器(3)，其特点是，高频隔离变压器(3)的输出经复合有源整流电路(4)连于滤波电路(5)。复合有源整流电路(4)可为全桥复合有源整流电路，全波复合有源整流电路及倍流复合有源整流电路三种复合有源整流电路。该直流变换器输出滤波器上为三电平波形，高频分量小，有效地可以减小了输出滤波器的体积和重量，并且改善变换器的动态响应特性。变换器输入电流脉动很小，减小了输入滤波器。利用变压器励磁电流在全负载范围内实现原边开关管的零电压开关和副边开关管的零电流开关，并且励磁电流不增加变换器的通态损耗，减小了变换器的通态损耗，提高了变换器的效率和功率密度。

Description

三电平输出的软开关隔离直流变换器
一、技术领域
本发明的三电平输出的软开关隔离直流变换器，属电能变换装置的直流变换器。
二、背景技术
随着电子信息产业的迅猛发展，对电源装置的体积、重量和效率、输出动态性能等提出了越来越高的要求。输入、输出滤波器是影响变换器体积、重量的主要因素，减小输入、输出滤波器的体积对提高变换器的功率密度有着非常重要的意义。现有的隔离直流变换器中，整流滤波后的输出电压波形一般都是高电平和零电平两电压波形，工程上通常采用提高开关频率或多路交错并联技术来减小输出滤波器的体积。然而，提高开关频率将会使开关损耗和磁性元件的损耗增加，降低变换效率，因此开关频率不能无限制提高。多路交错并联技术将使磁性元件的数量增加，而且每路电感的纹波电流较大，不利于提高变换器的效率，而且控制电路复杂，降低了变换器的可靠性。三电平直流变换器降低了开关管的电压应力，适用于高压输入的场合，但是输出滤波器上仍然是两电平波形。2001年阮新波教授提出了交错并联正激三电平直流变换器和复合式全桥三电平直流变换器。这两种变换器输出滤波器上可以得到三电平波形，可以有效的减小输出滤波器。但是这两种变换器都需要输入分压电容，增加了变换器的体积和重量。此外，交错并联正激三电平直流变换器不能实现开关管的软开关，复合式全桥三电平直流变换器的两个滞后开关管实现软开关的范围较窄。
三、发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种三电平输出的软开关隔离直流变换器。输出滤波器上可以得到三电平波形，可以有效的减小输出滤波电感。实现原边开关管的零电压开关，实现副边开关管的零电流开关而且变换器通态损耗小，变换效率高。
本发明的三电平输出的软开关隔离直流变换器，由输入直流电压经高频逆变电路连于高频隔离变压器，其特征在于，高频隔离变压器的输出经复合有源整流电路连于滤波电路。复合有源整流电路，由二极管整流电路和有源整流电路串联组成。其中高频逆变电路可以采用半桥电路、全桥电路、推挽电路、推挽正激电路、三电平电路、交错并联有源箝位正激电路、交错并联双管正激电路、共用原边续流二极管的交错并联双管正激电路、交错串联双管正激电路等。复合有源整流电路可以采用全桥复合有源整流电路、全波复合有源整流电路和倍流复合有源整流电路等。全桥复合有源整流电路的组成是，高频隔离变压器副边第一绕组的同名端连于第一功率开关管的漏极和第二功率开关管的源极相连的连接点上，第一功率开关管的源极连于第一整流二极管的阳极，第二功率开关管的漏极连于第二整流二极管的阴极，第三整流二极管的阳极和第四整流二极管的阴极同时连于高频隔离变压器副边第一绕组异名端与第二绕组同名端相连的连接点上，第五整流二极管的阳极和第六整流二极管的阴极同时连于高频隔离变压器副边第二绕组的异名端上，第一整流二极管、第三整流二极管、第五整流二极管的阴极相互连接在一起后再连于滤波电感的输入端，第二整流二极管、第四整流二极管、第六整流二极管的阳极相互连接在一起后再连于滤波电容的负极，滤波电感的输出端连于滤波电容的正极；全波复合有源整流电路的组成是，高频隔离变压器副边四个同向串联绕组：第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组两侧的两个绕组中，第一绕组的同名端连于第一功率开关管的漏极，其源极与第一整流二极管的阳极相连；第四绕组的异名端连于第二功率开关管的漏极，其源极与第四整流二极管的阳极相连，高频隔离变压器副边四个同向串联绕组的三个串联点的中间一个串联点直接连于滤波电容负极，另两个串联点分别与第二整流二极管的阳极和第三整流二极管的阳极相连，上述四个整流二极管的阴极同时连于滤波电感的输入端；倍流复合有源整流电路的组成是，高频隔离变压器副边三个同向串联绕组：第一绕组、第二绕组、第三绕组两侧的两个绕组中，第一绕组的同名端连于第一功率开关管的漏极，其源极与第一整流二极管的阳极相连；第三绕组的异名端连于第二功率开关管的漏极，其源极与第四整流二极管的阳极相连，三个串联绕组的两个串联点分别连于第二整流二极管的阳极和第三整流二极管的阳极，四个整流二极管：第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管的阴极相互连接于滤波电容负极，两个串联的滤波电感与的两端分别接在中间第二整流二极管和第三整流二极管的阳极，两个串联的滤波电感的串联点连于滤波电容正极。
本发明与现有技术相比，能在输出滤波器上得到三电平波形，可以减小输出滤波器的体积和重量，并且改善变换器的动态响应特性。变换器输入电流脉动很小，可以减小输入滤波器。利用变压器励磁电流在全负载范围内实现原边开关管的零电压开关，实现副边开关管的零电流开关，而且变换器的通态损耗小，提高了变换器的效率和功率密度。
四、附图说明
附图1是本发明的三电平输出的软开关隔离直流变换器的电路结构框图。附图1中的标号名称：1.输入直流电压Vin，2.高频逆变电路，3.高频隔离变压器Tr，4.复合有源整流电路，5.滤波电路，6.负载RLd。
附图2是本发明的高频逆变电路构成电路示意图。其中附图2(a)是半桥电路，附图2(b)是全桥电路，附图2(c)是推挽电路，附图2(d)是推挽正激电路，附图2(e)是三电平电路，附图2(f)是交错并联有源箝位正激电路，附图2(g)是交错并联双管正激电路，附图2(h)是共用原边续流二极管的交错并联双管正激电路，附图2(i)是交错串联双管正激电路。
附图3是本发明的复合有源整流电路构成电路示意图。其中附图3(a)是全桥复合有源整流电路，附图3(b)是全波复合有源整流电路，附图3(c)是倍流复合有源整流电路。
附图4给出了本发明的三电平输出的软开关隔离直流变换器的推导思路，以原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路的电路结构进行说明。
附图5是原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路构成的三电平输出的软开关隔离直流变换器电路结构示意图。
附图6是原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路构成的三电平输出的软开关隔离直流变换器的主要波形示意图。
附图7是原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路构成的三电平输出的软开关隔离直流变换器的高频隔离变压器原边绕组电压和原边电流波形示意图。
附图8-12是原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路构成的三电平输出的软开关隔离直流变换器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。Q1～Q4、QS1～QS2——功率开关管。C1～C4——功率开关管的寄生电容。D1～D4——功率开关管的体二极管。DC1～DC4——箝位二极管。Cd1～Cd2——输入分压电容。Cc、Cc1、Cc2——箝位电容。CSS——飞跨电容。Tr——高频隔离变压器；变压器原副边变比为K。Lr1、Lr2——变压器漏感。NP1、NP2——高频隔离变压器原边绕组；NS、NS1、NS2、NS3、NS4——高频隔离变压器副边绕组。DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6——输出整流二极管。Lf、Lf1、Lf2——输出滤波电感。Cf——输出滤波电容。RLd——负载。Vpri——变压器原边绕组电压。Vpri——变压器原边绕组电压。Vrect——副边整流电压波形。Iin——变换器输入电流。ipri-mag——变压器励磁电流。ipri-load——输出电流折算到原边的电流值。ipri-total——变压器原边总电流。
五、具体实施方式
附图1是本发明的三电平输出的软开关隔离直流变换器的电路结构框图。由输入直流电压1连于高频逆变电路2的输入端，其输出端经高频隔离变压器3连于复合有源整流电路4及滤波电路5，最后与负载6相连。附图2是本发明的高频逆变电路构成电路示意图。高频逆变电路可以采用图2(a)至图2(i)所示的半桥电路、全桥电路、推挽电路、推挽正激电路、三电平电路、交错并联有源箝位正激电路、交错并联双管正激电路、共用原边续流二极管的交错并联双管正激电路和交错串联双管正激电路等电路结构。附图3是本发明的复合有源整流电路构成电路示意图，可以采用图3(a)至图3(c)所示的全桥、全波和倍流三种复合有源整流方式。附图3(a)所示的全桥复合有源整流电路的组成是，高频隔离变压器副边第一绕组NS1的同名端连于第一功率开关管QS1的漏极和第二功率开关管QS2的源极相连的连接点上，第一功率开关管QS1的源极连于第一整流二极管DR1的阳极，第二功率开关管QS2的漏极连于第二整流二极管DR2的阴极，第三整流二极管DR3的阳极和第四整流二极管DR4的阴极同时连于高频隔离变压器副边第一绕组NS1异名端与第二绕组NS2同名端相连的连接点上，第五整流二极管DR5的阳极和第六整流二极管DR6的阴极同时连于高频隔离变压器副边第二绕组NS2的异名端上，第一整流二极管DR1、第三整流二极管DR3、第五整流二极管DR5的阴极相互连接在一起，并连于滤波电感Lf的输入端，第二整流二极管DR2、第四整流二极管DR4、第六整流二极管DR6的阳极相互连接在一起，并连于滤波电容Cf的负极，滤波电感Lf的输出端连于滤波电容Cf的正极。附图3(b)所示的全波复合有源整流电路的组成是，高频隔离变压器副边四个同向串联绕组：第一绕组NS1、第二绕组NS2、第三绕组NS3、第四绕组NS4两侧的两个绕组中，第一绕组NS1的同名端连于第一功率开关管QS1的漏极，其源极与第一整流二极管DR1的阳极相连；第四绕组NS4的异名端连于第二功率开关管QS2的漏极，其源极与第四整流二极管DR4的阳极相连，高频隔离变压器副边四个同向串联绕组的三个串联点的中间一个串联点直接连于滤波电容Cf负极，另两个串联点分别与第二整流二极管DR2的阳极和第三整流二极管DR3的阳极相连，上述四个整流二极管的阴极同时连于滤波电感Lf的输入端。附图3(c)所示的倍流复合有源整流电路的组成是，高频隔离变压器副边三个同向串联绕组：第一绕组NS1、第二绕组NS2、第三绕组NS3两侧的两个绕组中，第一绕组NS1的同名端连于第一功率开关管QS1的漏极，其源极与第一整流二极管DR1的阳极相连；第三绕组NS3的异名端连于第二功率开关管QS2的漏极，其源极与第四整流二极管DR4的阳极相连，三个串联绕组的两个串联点分别连于第二整流二极管DR2的阳极和第三整流二极管DR3的阳极，四个整流二极管：第一整流二极管DR1、第二整流二极管DR2、第三整流二极管DR3、第四整流二极管DR4的阴极相互连接于滤波电容Cf负极，两个串联的滤波电感Lf1与Lf2的两端分别接在中间第二整流二极管DR2和第三整流二极管DR3的阳极，两个串联的滤波电感的串联点连于滤波电容Cf正极。附图4以原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路的电路结构为例，给出了本发明的三电平输出的软开关隔离直流变换器的推导思路。由半桥直流变压器和有源整流半桥直流变换器组合构成，两个变换器共用高频隔离变压器的原边高频逆变电路，副边采用变压器绕组串联组合的方式。原边高频逆变电路最大占空比互补工作，副边复合有源整流电路开关管的驱动信号分别滞后原边开关管一个相位，即移相角。通过调节移相角的大小来调节输出电压。
通过原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路构成的三电平输出的软开关隔离直流变换器来阐述这族变换器的工作原理。附图5是原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路构成的三电平输出的软开关隔离直流变换器电路结构示意图。附图6是原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路构成的三电平输出的软开关隔离直流变换器的主要波形示意图。附图7是原边采用半桥电路、副边采用全桥复合有源整流电路构成的三电平输出的软开关隔离直流变换器高频隔离变压器原边绕组电压和原边电流波形示意图。由附图6可知变换器在一个开关周期有14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](见附图6)，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(见附图8-12)。
控制方法如下：开关管Q1和Q2为180°互补导通，开关管QS1和QS2也为180°互补导通，开关管QS1和QS2分别相对于开关管Q1和Q2滞后一个相位开通，即移相角，通过调节移相角的大小来调节输出电压。控制芯片可以采用一片UC3895。
在分析之前，作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件；②所有电感、电容和变压器均为理想元件；③滤波Cf足够大，可等效为一个电压源Vo。
1.开关模态1[t0以前][对应于附图8]
t0以前，开关管Q1导通，开关管Q2、QS1、QS2关断，副边整流二极管DR3、DR6导通，变换器通过变压器绕组NS2向负载传递能量。
2.开关模态2[t0，t1][对应于附图9]
t0时刻开通开关管QS1，由于变压器漏感的作用，流过开关管QS1的电流INs2缓慢上升，近似为零电流开通。
3.开关模态3[t1，t2][对应于附图10]
t1时刻电流iQs1上升到负载电流，副边整流二极管DR3截止，变压器绕组NS1、NS2串联向负载传递能量。
4.开关模态4[t2，t3][对应于附图11]
t2时刻关断开关管Q1，原边电流ipri给电容C1充电，同时给电容C2放电，电容C1、C2使开关管Q1为零电压关断，变压器原副边电流开始下降。
5.开关模态5[t3，t4][对应于附图12]
t3时刻，开关管Q1两端电压上升到Vin，开关管Q2两端电压下降到零，此时可以零电压开通开关管Q2。t4时刻，关断开关管QS1，此时iQs1已经下降到零，开关管QS1为零电流关断。此后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。
附图7给出了变换器原边绕组电压和原边电流波形，由图可知，变换器不存在环流阶段，在半周期内励磁电流的平均值为零，因此励磁电流不会增加原边电流的有效值，变换器通态损耗小。而且励磁电流的大小与输出电压和负载无关，因此可以在整个负载范围内实现原边开关管的零电压开关。
由以上描述可知，本发明提出的三电平输出的软开关隔离直流变换器具有如下优点：
①输出滤波器上为三电平波形，高频分量小，可以减小输出滤波器的体积和重量，改善变换器的动态响应特性。
②变换器输入电流脉动很小，可以减小输入滤波器。
③利用变压器励磁电流在全负载范围内实现原边开关管的零电压开关，实现副边开关管的零电流开关。
④励磁电流不增加变换器的通态损耗，提高了变换器的效率和功率密度。

Claims (1)

1.一种三电平输出的软开关隔离直流变换器，由输入直流电源(1)、高频逆变电路(2)、高频隔离变压器(3)、复合有源整流电路(4)和滤波电路(5)组成，其中，输入直流电源(1)经高频逆变电路(2)连于高频隔离变压器(3)，其特征在于高频隔离变压器输出经复合有源整流电路(4)连于滤波电路(5)，所述复合有源整流电路(4)是全桥复合有源整流电路、全波复合有源整流电路或倍流复合有源整流电路，其中全桥复合有源整流电路由高频隔离变压器、功率开关管、整流二极管、滤波电感和滤波电容组成，其中高频隔离变压器副边第一绕组(NS1)的同名端连于第一功率开关管(QS1)的漏极和第二功率开关管(QS2)的源极相连的连接点上，第一功率开关管(QS1)的源极连于第一整流二极管(DR1)的阳极，第二功率开关管(QS2)的漏极连于第二整流二极管(DR2)的阴极，第三整流二极管(DR3)的阳极和第四整流二极管(DR4)的阴极同时连于高频隔离变压器副边第一绕组(NS1)异名端与第二绕组(NS2)同名端相连的连接点上，第五整流二极管(DR5)的阳极和第六整流二极管(DR6)的阴极同时连于高频隔离变压器副边第二绕组(NS2)的异名端上，第一整流二极管(DR1)、第三整流二极管(DR3)、第五整流二极管(DR5)的阴极相互连接在一起后再连于滤波电感(Lf)的输入端，第二整流二极管(DR2)、第四整流二极管(DR4)、第六整流二极管(DR6)的阳极相互连接在一起后再连于滤波电容(Cf)的负极，滤波电感(Lf)的输出端连于滤波电容(Cf)的正极；全波复合有源整流电路由高频隔离变压器、功率开关管、整流二极管、滤波电感和滤波电容组成，其中高频隔离变压器副边四个同向串联绕组：第一绕组(NS1)、第二绕组(NS2)、第三绕组(NS3)、第四绕组(NS4)两侧的两个绕组中，第一绕组(NS1)的同名端连于第一功率开关管(QS1)的漏极，其源极与第一整流二极管(DR1)的阳极相连；第四绕组(NS4)的异名端连于第二功率开关管(QS2)的漏极，其源极与第四整流二极管(DR4)的阳极相连，高频隔离变压器副边四个同向串联绕组的三个串联点的中间一个串联点直接连于滤波电容(Cf)负极，另两个串联点分别与第二整流二极管(DR2)的阳极和第三整流二极管(DR3)的阳极相连，上述四个整流二极管的阴极同时连于滤波电感(Lf)的输入端；倍流复合有源整流电路由高频隔离变压器、功率开关管、整流二极管、滤波电感和滤波电容组成，其中高频隔离变压器副边三个同向串联绕组：第一绕组(NS1)、第二绕组(NS2)、第三绕组(NS3)两侧的两个绕组中，第一绕组(NS1)的同名端连于第一功率开关管(QS1)的漏极，其源极与第一整流二极管(DR1)的阳极相连；第三绕组(NS3)的异名端连于第二功率开关管(QS2)的漏极，其源极与第四整流二极管(DR4)的阳极相连，三个串联绕组的两个串联点分别连于第二整流二极管(DR2)的阳极和第三整流二极管(DR3)的阳极，四个整流二极管：第一整流二极管(DR1)、第二整流二极管(DR2)、第三整流二极管(DR3)、第四整流二极管(DR4)的阴极相互连接于滤波电容(Cf)负极，包括第一滤波电感(Lf1)与第二滤波电感(Lf2)的串联电路的两端分别接在第二整流二极管(DR2)和第三整流二极管(DR3)的阳极，两个串联的滤波电感的串联点连于滤波电容(Cf)正极。
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