CN100379133C - 高压输入的零电压开关直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种高压输入的零电压开关直流变换器，属电能变换装置的直流变换器，该变换器由两个双管正激变换器电路串联组合构成，两个双管正激变换器电路中的单个开关管用两个串联开关管代替，两个双管正激变换器共用一个高频隔离变压器。利用串联在变换器电路原边的耦合电感中存储的能量实现开关管的零电压开关。该变换器还可在变换器的原边加入两个箝位二极管，将开关管的电压应力箝位在输入电压的四分之一。因此，该变换器不仅可靠性高，不存在桥臂直通问题，而且提高了变换器效率和功率密度，适用于高压直流输入场合。

Description

高压输入的零电压开关直流变换器

一、技术领域

本发明的高压输入的零电压开关直流变换器，属电能变换装置的直流变换器。

二、背景技术

随着国民经济的发展，各种用电设备越来越多。由于大多用电设备的输入采用的是不控整流方式，输入端电流的谐波含量很高，这样就给电网带来了大量的“谐波污染”，而且增加了电网的损耗。为此国际电工委员会制定了IEC61000-3-2标准，对用电设备输入电流的谐波含量作了严格的限制，因此必须在用电设备的输入端加入一级功率因数校正装置，以提高输入端的功率因数。中大功率开关电源的输入电压一般为380VAC±20％，整流后的直流母线电压最高会达到640V；如果采用三相功率因数校正技术，直流母线电压将达到760-800VDC，有甚至达到1000VDC以上，这将对后一级直流变换器开关管的电压等级提出更高的要求。目前，地铁、城轨交通供电电压也从早期的600VDC和750VDC提高到1500VDC。另外，一些矿业生产中，需要高压大功率电机才能实现大功率的电机拖动，这种高压大功率电机输入电压达2000V～3000V，因此很难选取合适的开关管。高耐压功率MOSFET的导通电阻大，导通损耗也大，这将导致变换器的效率降低。所以在这种应用场合，一般使用IGBT作为主功率开关管，因为IGBT在高压条件下，仍然有较小的饱和导通压降，因此可减小变换器的导通损耗。但是由于IGBT存在电流拖尾现象，因此变换器的开关频率受到限制，使得变换器的变压器和输出滤波器的体积增大，很难提高变换器的功率密度。为了降低变换器开关管的电压应力，可以采用多电平变换器，但是多电平变换器存在桥臂直通的危险，降低了变换器的可靠性，而且控制比较复杂。近年来，工业上也采用多模块输入串联输出并联组合变换器应用于高输入电压场合，但是这种变换器存在输入分压电容均压和输出均流问题，增加了控制电路的复杂性。

三、发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种高压输入的零电压开关直流变换器，以克服现有技术存在的桥臂直通问题，提高可靠性，降低开关损耗，提高变换效率和功率密度，降低对高压大功率器件的耐压要求，达到适用于高压直流输入场合的目的。

一种带箝位二极管的高压输入的零电压开关直流变换器，其组成是：第一、第二、第三、第四四个分压电容串联后的分压电容电路并联在直流电源正、负输出端，第一功率开关管的漏极连于直流电源正输出端，第一功率开关管的源极连于第二功率开关管漏极，第二功率开关管源极连于第一耦合电感同名端，第一耦合电感异名端连于高频隔离变压器第一原边绕组同名端，第一原边绕组异名端连于第三功率开关管漏极，第三功率开关管源极连于第四功率开关管漏极，第四功率开关管源极连第二分压电容与第三分压电容的串联点，第一续流二极管与第二续流二极管串联，第一续流二极管的阴极连于第一功率开关管源极与第二功率开关管漏极的连接点、第二续流二极管的阳极连于第三功率开关管源极与第四功率开关管漏极的连接点，第一续流二极管的阳极与第二续流二级管的阴极的串联点连于第一分压电容与第二分压电容的串联点，第三续流二极管的阴极连于第二功率开关管源极，第三续流二极管的阳极连于第四功率开关管源极，第四续流二极管的阴极连于第一功率开关管漏极，第四续流二极管的阳极连于第三功率开关管漏极；第五功率开关管漏极连于第二分压电容与第三分压电容的串联点，第五功率开关管源极连于第六功率开关管漏极，第六功率开关管源极连于第二耦合电感异名端，第二耦合电感同名端连于高频隔离变压器第二原边绕组异名端，第二原边绕组同名端连于第七功率开关管漏极，第七功率开关管源极连于第八功率开关管漏极，第八功率开关管源极连于直流电源负输出端，第五续流二极管与第六续流二极管串联，第五续流二极管的阴极连于第五功率开关管源极与第六功率开关管漏极的连接点、第六续流二极管的阳极连于第七功率开关管源极与第八功率开关管漏极的连接点，第五续流二极管的阳极与第六续流二级管的阴极的串联点连于第三分压电容与第四分压电容的串联点，第七续流二极管的阴极连于第六功率开关管源极，第七续流二极管的阳极连于第八功率开关管源极，第八续流二极管的阴极连于第五功率开关管漏极，第八续流二极管的阳极连于第七功率开关管漏极；高频隔离变压器第一副边绕组异名端与第二副边绕组同名端相连，第一副边绕组同名端连于第二整流二极管阳极，第二副边绕组异名端连于第一整流二极管阳极，第一、第二两个整流二极管的阴极相连后连于滤波电感的一端，滤波电感的另一端和滤波电容的一端相连，滤波电容的另一端连于第一副边绕组异名端与第二副边绕组同名端的连接点，其特征在于，第一箝位二极管的阴极连于第一耦合电感异名端与高频隔离变压器第一原边绕组同名端的连接点，第一箝位二极管的阳极与第四功率开关管的源极相连；第二箝位二极管的阴极连于第二耦合电感同名端与高频隔离变压器第二原边绕组异名端的连接点，第二箝位二极管的阳极与第八功率开关管的源极相连。

四、附图说明

附图1是高压输入的零电压开关直流变换器电路结构示意图。

附图2是带箝位二极管的高压输入的零电压开关直流变换器电路结构示意图

附图3是高压输入的零电压开关直流变换器主要波形示意图。

附图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。Q₁～Q₈——功率开关管。C₁～C₈——功率开关管的寄生电容。D₁～D₈——功率开关管的体二极管。D_f1～D_f8——续流二极管。D_c1～D_c2——箝位二极管。C_d1～C_d4——输入分压电容。T_r——高频隔离变压器；变压器原副边变比为K。L_r1、L_r2——耦合电感。N_P1、N_P2——高频隔离变压器原边绕组；N_S1、N_S2——高频隔离变压器副边绕组。D_R1、D_R2——输出整流二极管。L_f——滤波电感。C_f——滤波电容。R_Ld——负载。V_o——输出电压。I_o——输出电流。Vrect——输出整流电压。i_Np1、i_Np2——通过高频隔离变压器原边绕组N_P1、N_P2的电流。

五、具体实施方式

附图1是高压输入的零电压开关直流变换器电路结构示意图。由两个双管正激变换器电路串联组合构成，共用一个高频隔离变压器。输入分压电容C_d1、C_d2，功率开关管Q₁～Q₄、续流二极管D_f1～D_f4，高频隔离变压器T_r原边绕组N_P1和耦合电感L_r1组成一路双管正激变换器；输入分压电容C_d3、C_d4功率开关管Q₅～Q₈、续流二极管D_f5～D_f8，高频隔离变压器T_r原边绕组N_P2和耦合电感L_r2组成另外一路双管正激变换器。由输出整流二极管D_R1和D_R2，输出滤波电感L_f，输出滤波电容C_f组成整流滤波电路，R_Ld是负载。

控制方法如下：两路双管正激变换器180°互补工作。开关管Q₃、Q₄和开关管Q₇、Q₈为180°互补导通，开关管Q₁、Q₂和开关管Q₃、Q₄同时开通，开关管Q₁、Q₂相对于开关管Q₃、Q₄提前一个相位关断；开关管Q₅、Q₆和开关管Q₇、Q₈同时开通，开关管Q₅、Q₆相对于开关管Q₇、Q₈提前一个相位关断。开关管Q₁、Q₂和开关管Q₅、Q₆PWM工作，通过调节开关管Q₁、Q₂和开关管Q₅、Q₆的脉冲宽度来调节输出电压。控制芯片可以采用两片3525。

下面以附图1为主电路结构，结合附图3～9叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器在一个开关周期有12种开关模态，分别是[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₂，t₃]、[t₃，t₄]、[t₄，t₅]、[t₅，t₆]、[t₆，t₇]、[t₇，t₈]、[t₈，t₉]、[t₉，t₁₀]、[t₁₀，t₁₁]、[t₁₁，t₁₂](见附图3)，其中，[t₀，t₆]为前半周期，[t₆，t₁₂]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滤波电感L_f足够大，可等效为电流为输出电流Io的电流源。

1.开关模态1[t₀，t₁][对应于附图4]

t1时刻，开关管Q₁～Q₄已经开通，通过高频隔离变压器原边绕组N_P1的电流i_Np1线性增加。由于电流i_Np1不足以提供负载电流，副边整流二极管D_R1、D_R2同时导通续流。

2.开关模态2[t₁，t₂][对应于附图5]

t₁时刻电流i_Np1上升到I_o/K，整流二极管D_R2截止。变换器通过绕组N_P1向负载传递能量。

3.开关模态3[t₂，t₃][对应于附图6]

t₂时刻，开关管Q₁、Q₂关断，此时变换器谐振工作，参与谐振的是耦合电感L_r1和L_r2、电容C₁、C₂，以及电容C₅～C₈。电容C₁、C₂被充电，电容C₅～C₈被放电，由于有电容C₁、C₂和C₅～C₈开关管Q₁是零电压关断。当开关管Q₁、Q₂两端电压上升到V_in/4时该模态结束。

4.开关模态4[t₃，t₄][对应于附图7]

t₃时刻续流二极管D_f3导通，整流管二极管D_R1、D_R2同时导通续流，变压器原副边电压被箝位为零，开关管Q₅～Q₈两端电压下降为V_in/8。

5.开关模态5[t₄，t₅][对应于附图8]

t₄时刻开关管Q₃、Q₄关断，电容C₃、C₄使开关管Q₃、Q₄近似为零电压关断。耦合电感L_r1向耦合电感L_r2传输能量，耦合电感L_r1与电容C₃、C₄谐振工作，开关管Q₃、Q₄两端电压上升；耦合电感L_r2与电容C₅～C₈谐振工作，开关管Q₅～Q₈两端电压下降。当开关管Q₃、Q₄两端电压上升到V_in，开关管Q₅～Q₈两端电压下降到零时该模态结束。

6.开关模态6[t₅，t₆][对应于附图9]

t₅时刻，续流二极管D_f1～D_f8导通，电流i_Np1、i_Np2线性下降。此时可以零电压开通开关管Q₅～Q₈。t₆时刻，电流i_Np1、i_Np2下降为零。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。

由以上描述可知，本发明是一种适用于高压输入的零电压开关直流变换器，具有如下优点：

①该变换器开关管电压应力为输入电压的四分之一，适用于高压输入场合。

②利用耦合电感中存储的能量实现开关管的零电压开关，提高了变换器效率和功率密度。

③该变换器保留了双管正激变换器无桥臂直通、可靠性高的优点。

附图2是带箝位二极管的高压输入的零电压开关直流变换器的电路结构示意图。与附图1不同的是，在每个双管正激变换器电路的输出端均反向并联箝位二极管，即反向并联在第一双管正激变换器电路输出端的第一箝位二极管Dc₁的阴极连于第一个双管正激变换器中的耦合电感Lr₁输出端，第一箝位二极管(Dc₁)的阳极与第4功率开关管Q₄的源极相连；反向并联在第二个双管正激变换器电路输出端的第二箝位二极管Dc₂的阴极连于第二个双管正激变换器中的耦合电感Lr₂输出端，第二箝位二极管Dc₂的阳极与第8功率开关管Q₈的源极相连。通过加入两个箝位二极管D_c1、D_c2消除了副边整流二极管反向恢复引起的电压振荡和电压尖峰，减小了整流二极管上的损耗。同时可以采用电压定额较低的整流二极管，减小变换器的通态损耗，提高变换器的效率。

Claims (1)

1.一种带箝位二极管的高压输入的零电压开关直流变换器，其组成是：第一、第二、第三、第四四个分压电容(C_d1、C_d2、C_d3、C_d4)串联后的分压电容电路并联在直流电源(V_in)正、负输出端，第一功率开关管(Q₁)的漏极连于直流电源(V_in)正输出端，第一功率开关管(Q₁)的源极连于第二功率开关管(Q₂)漏极，第二功率开关管(Q₂)源极连于第一耦合电感(L_r1)同名端，第一耦合电感(L_r1)异名端连于高频隔离变压器(T_r)第一原边绕组(N_p1)同名端，第一原边绕组(N_p1)异名端连于第三功率开关管(Q₃)漏极，第三功率开关管(Q₃)源极连于第四功率开关管(Q₄)漏极，第四功率开关管(Q₄)源极连第二分压电容(C_d2)与第三分压电容(C_d3)的串联点，第一续流二极管(D_f1)与第二续流二极管(D_f2)串联，第一续流二极管(D_f1)的阴极连于第一功率开关管(Q₁)源极与第二功率开关管(Q₂)漏极的连接点、第二续流二极管(D_f2)的阳极连于第三功率开关管(Q₃)源极与第四功率开关管(Q₄)漏极的连接点，第一续流二极管(D_f1)的阳极与第二续流二级管(D_f2)的阴极的串联点连于第一分压电容(C_d1)与第二分压电容(C_d2)的串联点，第三续流二极管(D_f3)的阴极连于第二功率开关管(Q₂)源极，第三续流二极管(D_f3)的阳极连于第四功率开关管(Q₄)源极，第四续流二极管(D_f4)的阴极连于第一功率开关管(Q₁)漏极，第四续流二极管(D_f4)的阳极连于第三功率开关管(Q₃)漏极；第五功率开关管(Q₅)漏极连于第二分压电容(C_d2)与第三分压电容(C_d3)的串联点，第五功率开关管(Q₅)源极连于第六功率开关管(Q₆)漏极，第六功率开关管(Q₆)源极连于第二耦合电感(L_r2)异名端，第二耦合电感(L_r2)同名端连于高频隔离变压器(T_r)第二原边绕组(N_p2)异名端，第二原边绕组(N_p2)同名端连于第七功率开关管(Q₇)漏极，第七功率开关管(Q₇)源极连于第八功率开关管(Q₈)漏极，第八功率开关管(Q₈)源极连于直流电源(V_in)负输出端，第五续流二极管(D_f5)与第六续流二极管(D_f6)串联，第五续流二极管(D_f5)的阴极连于第五功率开关管(Q₅)源极与第六功率开关管(Q₆)漏极的连接点、第六续流二极管(D_f6)的阳极连于第七功率开关管(Q₇)源极与第八功率开关管(Q₈)漏极的连接点，第五续流二极管(D_f5)的阳极与第六续流二级管(D_f6)的阴极的串联点连于第三分压电容(C_d3)与第四分压电容(C_d4)的串联点，第七续流二极管(D_f7)的阴极连于第六功率开关管(Q₆)源极，第七续流二极管(D_f7)的阳极连于第八功率开关管(Q₈)源极，第八续流二极管(D_f8)的阴极连于第五功率开关管(Q₅)漏极，第八续流二极管(D_f8)的阳极连于第七功率开关管(Q₇)漏极；高频隔离变压器(T_r)第一副边绕组(N_s1)异名端与第二副边绕组(N_s2)同名端相连，第一副边绕组(N_s1)同名端连于第二整流二极管(D_R2)阳极，第二副边绕组(N_s2)异名端连于第一整流二极管(D_R1)阳极，第一、第二两个整流二极管(D_R2、D_R2)的阴极相连后连于滤波电感(L_f)的一端，滤波电感(L_f)的另一端和滤波电容(C_f)的一端相连，滤波电容(C_f)的另一端连于第一副边绕组(N_s1)异名端与第二副边绕组(N_s2)同名端的连接点，其特征在于，第一箝位二极管(D_c1)的阴极连于第一耦合电感(L_r1)异名端与高频隔离变压器(T_r)第一原边绕组(N_p1)同名端的连接点，第一箝位二极管(D_c1)的阳极与第四功率开关管(Q₄)的源极相连；第二箝位二极管(D_c2)的阴极连于第二耦合电感(L_r2)同名端与高频隔离变压器(T_r)第二原边绕组(N_p2)异名端的连接点，第二箝位二极管(D_c2)的阳极与第八功率开关管(Q₈)的源极相连。

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