CN100405727C - 零电压零电流开关pwm组合型三电平直流变换器 - Google Patents
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Abstract
一种零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器，属于直流变换器。该直流变换器由输入分压电容(1)、半桥三电平变换器(2)、全桥变换器(3)、隔离变压器(4)、整流及滤波电路(5)组成，其特点是由半桥三电平变换器和全桥变换器组合而成，所有开关管的电压应力均为输入电压的一半；通过变压器副边电压的叠加可以大幅度降低副边整流电压波形中的高频分量，从而减小输出滤波电感，提高动态性能；它可在宽输入电压和宽负载范围内实现开关管的零电压开关和零电流开关，并且可以降低副边整流管的电压应力，该变换器尤其适用于输入电压高且范围宽的场合。
Description
一、技术领域
本发明的零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器，属电能变换装置的直流变换器。
二、背景技术
近年来随着通讯、计算机行业的蓬勃发展，电源设备具有更好的环保性能已成为电力电子技术的一个重要的发展方向。为了得到更好的环保性能，其中很重要的一点就是减少电源设备对交流电网的谐波污染，通常的做法就是采用功率因数校正技术。中、大功率的高频开关电源一般为三相380VAC±20％输入，整流后的直流母线电压最高将会达到640V左右；如果采用三相功率因数技术，直流母线电压通常会达到760-800V，甚至会高达上千伏，这就使得后级直流变换器中开关管的电压应力大大增加，给器件的选取带来了困难。
三电平的概念和思想最初是从三电平逆变器中延伸过来，并被迅速引入到直流变换器中。该技术可以通过增加开关管的数量来降低变换器中开关管的电压应力，使之适用于输入电压高的场合。半桥三电平变换器是最早提出的隔离型三电平变换器之一，它具有电路结构简单，可以实现软开关，开关频率恒定等优点，因而得到广泛应用。但在许多场合下，输入电压不仅高，而且范围很宽，如船舶配电系统中的直流电源输入为850~1250VDC，电力机车中的直流电源输入更是高达1500~3000VDC，如果在这些场合下采用半桥三电平变换器，其缺点是输出滤波电感大，变换器的功率密度低，动态响应慢，而且无法在整个输入电压范围内保持高效率。
三、发明内容
本发明的目的在于研制一种零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器，使所有开关管的电压应力均为输入电压的一半，减小副边整流电压的高频分量，减小输出滤波器，降低副边整流二极管的电压应力，利用变压器漏感和输出滤波电感在宽的负载范围内实现MOSFET的零电压开关，利用串联在变压器原边的阻断电压源同与IGBT串联的二极管，在宽的负载范围内实现IGBT的零电流开关，提高变换器在整个输入电压范围内的效率。
本发明的零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器由半桥三电平变换器和全桥变换器组合而成，半桥三电平变换器的输入直流母线两端连于输入分压电容电路的输出，全桥变换器的两个桥臂跨接于飞跨电容两端，两个变换器公用半桥三电平变换器中三电平逆变桥臂中间的两只开关管(包括两只串联二极管)和飞跨电容。两个变换器的隔离变压器原边绕组的同名端均连于三电平逆变桥臂的中点，其异名端分别连于输入分压电容的中点和全桥变换器另外一只桥臂的中点。两个隔离变压器的副边绕组互相串联，并连于整流及滤波电路。
具体电路包括由两个输入分压电容串联后并联在直流电源正负端所组成的输入分压电容电路、隔离变压器、整流及滤波电路，其中整流及滤波电路的组成是，第一隔离变压器两个副边绕组顺向串联后的异名端连于第二隔离变压器第二副边绕组的同名端，第一隔离变压器两个副边绕组顺向串联后的同名端连于第二隔离器变压器第一副边绕组的异名端，第二隔离器变压器的第一副边绕组的同名端连于第一整流二极管DR1的阳极，第二隔离变压器第二副边绕组的异名端连于第二整流二极管的阳极，两个整流二极管的阴极相连后连于滤波电感和滤波电容的串联电路的一端，此串联电路的另一端连于第一隔离变压器两个副边绕组的中间串联点，其特征在于，还包括半桥三电平变换器和全桥变换器，所述半桥三电平变换器的组成是，将第一开关管、第一串联二极管、第一晶体管、第二串联二极管、第二晶体管和第二开关管依次串联后并联在输入分压电容电路正负输出端，两个续流二极管串联后的串联电路与飞跨电容均同时并联在第一开关管与第一串联二极管的串联点和第二晶体管与第二开关管的串联点之间，其中两个续流二极管的串联点与两个分压电容的串联点相连接，第一隔离变压器原边绕组的同名端接第一隔离变压器原边寄生漏感后连于第一晶体管与第二串联二极管的串联点，异名端连接阻断电容后连接两个续流二极管的串联点，第一开关管和第二开关管各自并联开关管体二极管和开关管寄生电容；所述全桥变换器的组成是将第三开关管与第四开关管串联后并联在半桥三电平变换器逆变桥臂中的第一开关管与第一串联二极管的串联点和第二晶体管与第二开关管的串联点之间，并连于飞跨电容两端，第二隔离变压器原边绕组的异名端接第二隔离变压器原边寄生漏感后连于第三开关管与第四开关管的串联点，其同名端接在半桥三电平变换器的第一晶体管与第二串联二极管的串联点，第三开关管和第四开关管各自并联开关管体二极管和开关管寄生电容。
本发明的另一种电路是将阻断电容从半桥三电平变换器中移至全桥变换器中。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，所有开关管的电压应力均为输入电压的一半，适用于高压直流输入场合；通过将两种变换器合理的组合，降低了副边整流电压中高频分量的幅值，进而大幅度减小输出滤波器；可以降低副边整流二极管的电压应力；可以在很宽的输入电压和负载范围内实现开关管的零电压开关和零电流开关，从而降低开关管开关损耗，提高变换效率。
四、附图说明
附图1和附图2是本发明的零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器电路结构示意图
附图3是零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器在三电平工作模式的主要波形示意图。
附图4是零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器在两电平工作模式的主要波形示意图。
附图5-15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。Cd1、Cd2、输入分压电容。Q1、Q4、Q5、Q6、开关管。C1、C4、C5、C6、开关管寄生电容。D1、D4、D5、D6、开关管体二极管。Q2、Q3、晶体管。D2、D3、串联二极管。Df1、Df2、续流二极管。Css、飞跨电容。Cb、阻断电容。T1、T2、隔离变压器。Llk1、Llk2、变压器原边寄生漏感。DR1、DR2、副边整流二极管。Lf、滤波电感。Cf、滤波电容。RLd、负载。vbridge、变压器副边电压之和。vrect、副边整流电压。Vo、输出电压。vAB、A与B两点间电压。vAC、A与C两点间电压。vcb、阻断电容电压。
五、具体实施方式
根据附图1和2叙述本发明的电路组成结构。
附图1为本发明的基本结构示意图，由输入分压电容电路1、半桥三电平变换器2、全桥变换器3、隔离变压器4、整流及滤波电路5组成。其中分压电容Cd1和Cd2容量很大且相等，其电压均为输入电压Vin的一半，即Vcd1＝Vcd2＝Vin/2，可看作电压为Vin/2的电压源。
半桥三电平变换器由开关管Q1、Q4、晶体管Q2、Q3、续流二极管Df1和Df2、串联二极管D2和D3、飞跨电容Css、阻断电容Cb、隔离变压器T1组成，其中开关管Q1、Q4为MOSFET，晶体管Q2、Q3为IGBT。开关管Q1、Q4与晶体管Q2、Q3采用移相控制，开关管Q1、Q4为超前管，晶体管Q2、Q3为滞后管。飞跨电容Css的作用是将开关管Q1、Q4与晶体管Q2、Q3的开关过程连接起来，在变换器稳态工作时，电容Css的电压恒定为Vin/2。串联二极管D2和D3使IGBT只能单方向流过电流，阻断电容作用是将变压器原边电流复位到零，其目的是实现IGBT的零电流开关。
全桥变换器由晶体管Q2、Q3、开关管Q5、Q6、串联二极管D2和D3、飞跨电容Css和隔离变压器T2组成，其中开关管Q5和Q6为MOSFET。这四只开关管和晶体管也采用移相控制，其中开关管Q5、Q6为超前管，晶体管Q2、Q3为滞后管。
两只隔离变压器的副边相互串联，并采用全波整流方式，DR1，DR2是副边整流二极管。隔离变压器和整流滤波电路均可采用现有技术。
附图2是将附图1中阻断电容Cb从半桥三电平变换器中移至全桥变换器中。
具体控制方法如下：当输入电压较低时，开关管Q1、Q4与晶体管Q2、Q3之间有一个预留的固定移相角δ，目的是在三电平模式下实现IGBT的零电流开关。但由于δ很小，半桥三电平变换器近似满占空比工作，晶体管Q2、Q3与开关管Q5、Q6移相工作，通过调节它们之间的移相角来调节输出电压。将两个变压器的副边电压串联叠加后得到一个五电平的电压vbridge，整流后的电压vrect与输出电压非常接近，交流分量很小。电压vrect包括三个电平：1电平((k1+k2)Vin/2)，中间电平(k1Vin/2)和0电平，其中k1与k2分别为变压器T1和T2的副原边变比，此时称该变换器工作在三电平模式。
随着输入电压的上升，全桥变换器的移相角逐渐变大，脉宽随之变窄，当输入电压上升到某一值时，该移相角达到最大值180°，全桥变换器的脉宽为零，不提供输出电压。此时半桥三电平变换器开始进行移相控制，通过调节开关管Q1、Q4与晶体管Q2、Q3之间的移相角来调节输出电压。在这种工作模式下，电压vrect为一两电平的电压波形(中间电平和0电平)，此时称变换器工作在两电平模式。
在两电平模式下，变压器T2不提供输出电压，变压器T1单独传递功率，因此设计变压器容量时，应该使变压器T1能够在输入电压最高和满载时传递全部功率。当变换器工作在三电平模式时，变压器T1与T2共同传递功率，在最低输入电压时，变压器T2提供的输出电压最大，因此需要使变压器T2在输入电压最低和满载时能够提供其所需承担的部分功率。
下面以附图1中的变换器为例，结合附图3-15叙述零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器的具体工作原理。由附图3可知该变换器在三电平模式中一个开关周期有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]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]，其中，[t0以前，t6]为前半周期，[t6，t13]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飞跨电容Css足够大，稳态时其电压为Vin/2；④输出滤波电感Lf足够大，可近似认为是一个恒流源Io，Io为负载电流。
1.开关模态1[t0以前][对应于附图5]
t0以前，开关管Q1、Q6和晶体管Q2导通，电压vAB＝vAC＝Vin/2，原边向副边传递能量。原边电流ip1给阻断电容Cb充电，副边整流管DR1导通，整流管DR2关断。
2.开关模态2[t0，t1][对应于附图6]
t0时刻关断开关管Q6，原边电流ip2从开关管Q6转移至电容C5、C6支路中，给电容C6充电，电容C5放电，在电容C5、C6的缓冲作用下，开关管Q6近似为零电压关断。由于变压器漏感和输出滤波电感串联，因此原边电流ip1保持电流Ip01不变，继续给阻断电容Cb充电。电容C5的电压线性下降，电容C6的电压线性上升。到t1时刻，电容C6的电压升至Vin/2，电容C5的电压下降到零，二极管D5自然导通。
3.开关模态3[t1，t2][对应于附图7]
二极管D5导通后，将开关管Q5两端的电压箝在零位，此时可以零电压开通开关管Q5。电压vAC＝0，电压vAB依旧保持Vin/2不变。原边电流ip1继续给阻断电容Cb充电。
4.开关模态4[t2，t3][对应于附图8]
t2时刻，开关管Q1关断，原边电流ip1给电容C1充电，同时通过电容Css给电容C4放电，电压vAB下降，电压vAC＝0。由于有电容C1、C4，开关管Q1是零电压关断。电流ip1继续给电容Cb充电，由于电容Cb容值相对较大，且t23时间较短，可近似认为电压vcb在这段时间里近似保持不变。到t3时刻，电容C4的电压下降至零，电容C1的电压升至Vin/2，二极管D4自然导通。
5.开关模态5[t3，t4][对应于附图9]
二极管D4导通后，将电容C4的电压箝位在零，此时可以零电压开通开关管Q4。在这段时间里，晶体管Q2、开关管Q4导通，电压vAB＝0，电压vcb使原边电流ip1和ip2开始减小，原边电流不足以提供负载电流，因而变压器副边的两个整流二极管同时导通，变压器副边绕组短路，原边电压之和为零。电容Cb上的电压加到变压器T1的原边漏感Llk1上，假设阻断电容足够大而漏感又较小，可认为阻断电容电压在该时段内保持不变，原边电流ip1和ip2线性下降。
6.开关模态6[t4，t5][对应于附图10]
t4时刻，原边电流ip1和ip2减小至零，并试图反向增加，但由于晶体管Q2中串有二极管，使反向电流不可能产生，电流ip1和ip2维持为零。在该过程中关断晶体管Q2，由于晶体管Q2中没有电流流过，因此为零电流关断。两个副边整流管依旧同时导通，共同提供负载电流。
7.开关模态7[t5，t6][对应于附图11]
t5时刻开通晶体管Q3，由于漏感Llk1限制了原边电流ip1的上升率，因此晶体管Q3为零电流开通。原边电流从零开始反方向线性增加。由于原边电流不足以提供负载电流，副边两个整流管依旧同时导通。在t6时刻，原边电流反方向增加到负载电流。
8.开关模态8[t6，t7][对应于附图12]
从t6时刻开始，原边为负载提供能量，副边整流管DR1关断，所有负载电流均流过整流管DR2，变换器进入后半周期，工作情况类似于上述的半个周期。
由附图4可知变换器在两电平模式下一个开关周期内有10种开关模态，其中，[t0以前，t4]为前半周期，[t4，t9]为后半周期。在前半周期中，[t0以前，t2]时段的工作情况与三电平模式下[t1，t4]时段相同，这里不再重复。下面对[t2，t5]时段中三个开关模态的工作情况进行具体分析。
1.开关模态1[t2，t3][对应于附图13]
t2时刻，原边电流ip1和ip2下降到零，并有反向流动的趋势，但由于串联二极管D2的存在，使原边电流ip1和ip2保持在零。此时两个副边整流管同时导通，均分负载电流。在此时段中关断晶体管Q2和开关管Q5，它们是零电流关断。
2.开关模态2[t3，t4][对应于附图14]
t3时刻开通晶体管Q3和开关管Q6，由于漏感Llk1和Llk2限制了原边电流ip1和ip2的上升率，因此晶体管Q3和开关管Q6为零电流开通。电压vAB＝-Vin/2，电压vAC＝0。由于原边电流不足以提供负载电流，副边两个整流管依旧同时导通，将副边电压箝在零。原边电流从零开始反方向线性增加。到t4时刻，原边电流反方向增加到折算至原边的负载电流。
3.开关模态3[t4，t5][对应于附图15]
从t4时刻开始，原边为负载提供能量，副边整流管DR1关断，所有负载电流均流过整流管DR2，变换器进入后半周期，工作情况类似于上述的半个周期。
附图2中变换器的工作原理与附图1中变换器基本相同。
本发明的一个具体实例如下：输入直流电压：Vin＝400~800V；输出直流电压：Vo＝54V；输出电流：Io＝20A；变压器T1副原边变比：0.169；变压器T2副原边变比：0.147；变压器T1原边漏感：Llk1＝2.6uH；变压器T2原边漏感：Llk2＝3uH；阻断电容：Cb＝0.1uF；输出滤波电感：Lf＝13.6uH；输出滤波电容：Cf＝2200uF×2；MOSFET(Q1、Q4、Q5、Q6)：SPW20N60S5；IGBT(Q2、Q3)：IXGH40N60C2D1；续流二极管(Df1、Df2)：DSEI30-06A；串联二极管(D2、D3)：DSEP30-03A；副边整流二极管(DR1、DR2)：DSEP30-03A；开关频率：fs＝100kHz。
由以上描述可知，本发明提出的零电压开关零电流PWM组合型三电平直流变换器具有如下优点：
所有开关管的电压应力均为输入电压的一半，因此该变换器非常适用于高输入电压场合；
输出整流电压波形中高频分量小，可以减小输出滤波器，进而提高变换器的功率密度，并且改善变换器的动态性能，使其适用于输入电压范围宽的场合；
可以在三电平模式和两电平模式下切换工作，从而降低副边整流二极管的电压应力；
利用变压器漏感和输出滤波电感的能量可以在宽输入电压和宽负载范围内实现MOSFET的零电压开关；
利用阻断电容和串联二极管可以在宽输入电压和宽负载范围内实现IGBT的零电流开关。
Claims (2)
1.一种零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器，包括由两个输入分压电容(Cd1、Cd2)串联后并联在直流电源(Vin)正负端所组成的输入分压电容电路(1)、隔离变压器(4)、整流及滤波电路(5)，其中整流及滤波电路(5)的组成是，第一隔离变压器(T1)两个副边绕组顺向串联后的异名端连于第二隔离变压器(T2)第二副边绕组的同名端，第一隔离变压器两个副边绕组顺向串联后的同名端连于第二隔离变压器(T2)第一副边绕组的异名端，第二隔离变压器第一副边绕组的同名端连于第一整流二极管(DR1)的阳极，第二隔离变压器第二副边绕组的异名端连于第二整流二极管(DR2)的阳极，两个整流二极管(DR1、DR2)的阴极相连后连于滤波电感(Lf)和滤波电容(Cf)的串联电路的一端，此串联电路的另一端连于第一隔离变压器(T1)两个副边绕组的中间串联点，其特征在于，还包括半桥三电平变换器(2)和全桥变换器(3)，所述半桥三电平变换器(2)的组成是，将第一开关管(Q1)、第一串联二极管(D2)、第一晶体管(Q2)、第二串联二极管(D3)、第二晶体管(Q3)和第二开关管(Q4)依次串联后并联在输入分压电容电路(1)正负输出端，两个续流二极管(Df1、Df2)串联后的串联电路与飞跨电容(Css)均同时并联在第一开关管(Q1)与第一串联二极管(D2)的串联点和第二晶体管(Q3)与第二开关管(Q4)的串联点之间，其中两个续流二极管(Df1、Df2)的串联点与两个分压电容(Cd1、Cd2)的串联点相连接，第一隔离变压器(T1)原边绕组的同名端接第一隔离变压器(T1)原边寄生漏感(Llk1)后连于第一晶体管(Q2)与第二串联二极管(D3)的串联点，异名端连接阻断电容(Cb)后连接两个续流二极管(Df1、Df2)的串联点，第一开关管(Q1)和第二开关管(Q4)各自并联开关管体二极管和开关管寄生电容；所述全桥变换器(3)的组成是将第三开关管(Q5)与第四开关管(Q6)串联后并联在半桥三电平变换器(2)逆变桥臂中的第一开关管(Q1)与第一串联二极管(D2)的串联点和第二晶体管(Q3)与第二开关管(Q4)的串联点之间，并连于飞跨电容(Css)两端，第二隔离变压器(T2)原边绕组的异名端接第二隔离变压器(T2)原边寄生漏感(Llk2)后连接第三开关管(Q5)与第四开关管(Q6)的串联点，其同名端连于半桥三电平变换器(2)的第一晶体管(Q2)与第二串联二极管(D3)的串联点，第三开关管(Q5)和第四开关管(Q6)各自并联开关管体二极管和开关管寄生电容。
2.一种零电压零电流开关PWM组合型三电平直流变换器，包括由两个输入分压电容(Cd1、Cd2)串联后并联在直流电源(Vin)正负端所组成的输入分压电容电路(1)、隔离变压器(4)、整流及滤波电路(5)，其中整流及滤波电路(5)的组成是，第一隔离变压器(T1)两个副边绕组顺向串联后的异名端连于第二隔离变压器(T2)第二副边绕组的同名端，第一隔离变压器两个副边绕组顺向串联后的同名端连于第二隔离变压器(T2)第一副边绕组异名端，第二隔离变压器(T2)第一副边绕组的同名端连于第一整流二极管(DR1)的阳极，第二隔离变压器第二副边绕组的异名端连于第二整流二极管(DR2)的阳极，两个整流二极管(DR1、DR2)的阴极相连后连于滤波电感(Lf)和滤波电容(Cf)的串联电路的一端，此串联电路的另一端连于第一隔离变压器(T1)两个副边绕组的中间串联点，其特征在于，还包括半桥三电平变换器(2)和全桥变换器(3)，所述半桥三电平变换器(2)的组成是，将第一开关管(Q1)、第一串联二极管(D2)、第一晶体管(Q2)、第二串联二极管(D3)、第二晶体管(Q3)和第二开关管(Q4)依次串联后并联在输入分压电容电路(1)正负输出端，两个续流二极管(Df1、Df2)串联后的串联电路与飞跨电容(Css)均同时并联在第一开关管(Q1)与第一串联二极管(D2)的串联点和第二晶体管(Q3)与第二开关管(Q4)的串联点之间，其中两个续流二极管(Df1、Df2)的串联点与两个分压电容(Cd1、Cd2)的串联点相连接，第一隔离变压器(T1)原边绕组的同名端接第一隔离变压器(T1)原边寄生漏感(Llk1)后连于第一晶体管(Q2)与第二串联二极管(D3)的串联点，异名端连接两个续流二极管(Df1、Df2)的串联点，第一开关管(Q1)和第二开关管(Q4)各自并联开关管体二极管和开关管寄生电容；所述全桥变换器(3)的组成是将第三开关管(Q5)与第四开关管(Q6)串联后并联在半桥三电平变换器(2)逆变桥臂中的第一开关管(Q1)与第一串联二极管(D2)的串联点和第二晶体管(Q3)与第二开关管(Q4)的串联点之间，并连于飞跨电容(Css)两端，第二隔离变压器(T2)原边绕组的异名端接第二隔离变压器(T2)原边寄生漏感(Llk2)后连接第三开关管(Q5)与第四开关管(Q6)的串联点，其同名端连接阻断电容(Cb)后连于半桥三电平变换器(2)的第一晶体管(Q2)与第二串联二极管(D3)的串联点，第三开关管(Q5)和第四开关管(Q6)各自并联开关管体二极管和开关管寄生电容。
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| 一种新型零电压零电流开关三电平DC/DC变换器的研究. 李小兵，李晓帆，吴军辉.中国电机工程学报，第26卷第3期. 2006 * |
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