CN100539373C - 零电压开关半桥三电平直流变换器 - Google Patents

零电压开关半桥三电平直流变换器 Download PDF

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Abstract

一种零电压开关半桥三电平直流变换器，属电能变换装置的直流变换器，该直流变换器包括直流电源(Vin)、分压电容电路(1)和三电平逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(5)、整流及滤波电路(6)，其特征在于隔离变压器(5)除了原边绕组(n1)和副边绕组(n2)外，还增加了一个辅助绕组(n3)，辅助绕组(n3)一端与原边绕组(n1)相联且在联结点处引出两个箝位二极管构成箝位电路(4)，辅助绕组另一端与谐振电感(3)相联。该变换器可消除整流管的反向恢复引起的电压振荡，降低整流管的电压应力，而且还有效地快速减小流过箝位二极管中电流，提高变换效率，改善箝位二极管在轻载情况下的工作条件。

Description

零电压开关半桥三电平直流变换器
一、技术领域
本发明的零电压开关半桥三电平直流变换器，属电能变换装置的直流变换器。
二、背景技术
随着电力电子技术的发展，对电能变换装置的要求越来越高，特别是对输入功率因素的要求越来越高。经三相功率因素校正(Power Factor Correction，PFC)后电路和输出一般可达到760-1000V，这就要求提高后级变换器开关管的电压定额，而且，为了减小变换器的体积和重量，必需提高开关频率，这就要求变换器要实现开关管的软开关，以减小损耗。零电压开关半桥三电平直流变换器可以利用开关管的结电容和变压器的漏感或谐振电感来实现开关管的零电压开关，且开关管的电压应用为输入电压的一半，但输出整流管依然存在反向恢复问题，反向恢复引起电压振荡，输出整流管要承受电压尖峰，很容易损坏。
申请发明专利号为00119044.X的《带箝位二极管的零电压开关三电平直流变换器》在半桥三电平直流变换器中引入两只箝位二极管，不仅保持了原电路的优点，同时有效地消除了输出整流管上的电压尖峰和电压振荡。
箝位二极管中电流为谐振电感电流与变压器原边电流之差。为了减小流过箝位二极管中电流，减小损耗，就需要减小输出滤波电感。而为了满足输出电压纹波要求，则需增大输出滤波电容，进而增加了变换器的体积和成本。同时，当变换器工作在轻载甚至空载情况时，占空比相对较小，箝位二极管被硬关断，容易造成箝位二极管的损坏。
发明内容
本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，研制一种带变压器辅助绕组的零电压开关半桥三电平直流变换器，可以有效地快速减小流过箝位二极管中电流，提高变换效率，同时改善在轻载情况下箝位二极管的工作环境。
本发明的零电压开关半桥三电平直流变换器，包括直流电源、输入分压电容电路、三电平逆变桥臂、谐振电感、箝位电路、隔离变压器、整流滤波电路，其中两个输入分压电容串联后组成的输入分压电容电路并联在直流电源正、负输出端，并联在输入分压电容电路正负输出端的三电平逆变桥臂由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管依次正向串联组成，上述四个开关管各自并联一个体二极管和一个寄生电容；箝位电路由第5、第6两个箝位二极管正向串联组成，其中第5箝位二极管的阴极连接在第一开关管与第二开关管的串联点上，而第6箝位二极管的阳极连接在第三开关管与第四开关管的串联点上，隔离变压器副边两个同匝数的副边绕组非同名端相串联，其中一个副边绕组的同名端连于整流滤波电路中第1整流二极管的阳极，另一个副边绕组的异名端连于整流滤波电路中第2整流二极管的阳极，第1、第2两个二极管的阴极相连后连于滤波电感正端，滤波电感负端连于滤波电容正端，两个副边绕组的串联点与整流滤波电路的负端相连，即连于滤波电容负端，其特征在于，所述的隔离变压器的原边绕组与原边辅助绕组非同名端相连后再与谐振电感串联形成一个串联支路，该串联支路的一端连于两个输入分压电容的串联点，另一端连于第二开关管与第三开关管的串联点，所述箝位电路的两个箝位二极管的串联点连于隔离变压器原边绕组与原边辅助绕组的串联点。此外，三电平逆变桥臂中的第二开关管集电极与第三开关管发射极之间还可以并联一个飞跨电容；还可以并联由两个续流二极管串联的支路，两个续流二极管的串联点连于两个输入分压电容的串联点。此外，隔离变压器的原边绕组与原边辅助绕组非同名端相连后再与谐振电感串联形成一个串联支路中，谐振电感与隔离变压器可以互换位置。
四、附图说明
附图1-8是本发明的零电压开关半桥三电平直流变换器几种实施例电路结构示意图。
附图2是将附图1中飞跨电容Css去掉。
附图3是将附图1中隔离变压器Tr和谐振电感Lr互换了位置。
附图4是将附图3中飞跨电容Css去掉。
附图5-8是分别将附图1-4中两个续流二极管去掉。
附图1-8电路的本质是一样的。
附图9是本发明的零电压开关半桥三电平直流变换器的主要工作波形示意图。
附图10-19是本发明的零电压开关半桥三电平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、开关管。C1～C4、寄生电容。D1～D4、体二极管。Lr、谐振电感。Tr、隔离变压器。n1、变压器原边绕组匝数。n2、变压器副边绕组匝数。n3、变压器辅助绕组匝数。Css、飞跨电容。Cd1、Cd2、分压电容。D5、D6、箝位二极管。D7、D8、续流二极管。DR1、DR2、输出整流二极管。Lf、滤波电感。Gr、滤波电容。RLd、负载。Vo、输出电压。vrect、变压器副边整流后电压。vAB、A与B两点间电压。
五、具体实施方式
以附图1所示的带变压器辅助绕组的零电压开关半桥三电平直流变换器为例，由两个逆变桥臂1和2、谐振电感3、箝位电路4、隔离变压器5、整流及滤波电路6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。Q1～Q4是四只主开关管，D1～D4分别是Q1～Q4的体二极管，C1～C4分别是Q1～Q4的寄生电容，Lr是谐振电感，Tr是隔离变压器，它有三个绕组，分别为原边绕组n1，副边绕组n2以及辅助绕组n3，Css为飞跨电容，稳态时其电压基本不变，为Vin/2。D7和D8为两个续流二极管。DR1和DR2是输出整流二极管，Lr是输出滤波电感，Gr是输出滤波电容，RLd为负载。本变换器采用移相控制，主开关管Q1和主开关管Q4分别超前于主开关管Q2和主开关管Q3一个相位。
下面以附图1为主电路结构，结合附图9～19叙述本发明的具体工作原理。由附图9可知整个变换器在一个开关周期有18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]、[t13，t14]、[t14 t15]、[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18](见附图11)，其中，[t0以前，t9]为前半周期，[t9，t18]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，整流二极管DR1和DR2除外，它等效为一个理想二极管和一个电容并联，以用来模拟反向恢复；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，稳态时其电压基本不变，为Vin/2。
1.开关模态1[t0以前][对应于附图10]
t0以前，开关管Q1和Q2导通，副边整流管DR1导通，整流管DR2截止。
2.开关模态2[t0，t1][对应于附图11]
t0时刻关断开关管Q1，原边电流ip给电容C1充电，同时通过飞跨电容Css给电容C4放电，A点电位下降。由于有电容C1和电容C4，开关管Q1是零电压关断。此时变换器谐振工作，参与谐振的是谐振电感、超前管结电容和副边整流二极管DR2结电容CDR2放电，电流ip和电感电流iLr谐振下降。由于A点电位始终高于B点和C点电位，故二极管D5和二极管D7不可能导通。t1时刻，电容C4的电压下降到零，即A点电位降为零，二极管D4导通。
3.开关模态3[t1，t2][对应于附图12]
二极管D4导通后，可以零电压开通开关管Q4。A点电位降为Vin/2时，C点电位下降到低于Vin/2，此时结电容CDR2继续放电，电流iLr和电流ip继续下降。t2时刻，结电容CDR2放电结束，整流二极管DR2导通，C点电压到Vin/2。
4.开关模态4[t2，t3][对应于附图13]
整流管DR1和整流管DR2同时导通，将变压器原副边电压箝在零位，此时A、B、C三点电位均为Vin/2，电流iLr与电流ip相等，处于自然续流状态，并且一直保持不变。
5.开关模态5[t3，t4][对应于附图14]
t3时刻关断开关管Q2，电流iLr给电容C2充电，同时通过飞跨电容Css给电容C3放电。由于电容C2和电容C3的存在，开关管Q2是零电压关断。由于整流管DR1和整流管DR2都导通，因此变压器原副边电压均为零，电压vAB直接加在电感Lr上，因此，在这段时间里，实际上电感Lr和电容C2、C3在谐振工作。到t4时刻，电容C2的电压上升至Vin/2，电容C3的电压下降到零，二极管D3自然导通。
6.开关模态6[t4，t5][对应于附图15]
二极管D3导通后，可以零电压开通开关管Q3。整流管DR1和整流管DR2同时导通，变压器原副边电压均为零，因此Vin/2全部加在电感Lr两端，电流iLr等于电流ip，两者线性下降。
7.开关模态7[t5，t6][对应于附图16]
到t5时刻，电流iLr与电流ip都下降为零，并且负方向增加，电流ip反向后由开关管Q4和开关管Q3提供通路，负载电流仍由两个整流二极管提供回路，变压器原副边电压依旧为零。直到t6时刻，电流ip达到折算至原边的负载电流，整流管DR1关断。
8.开关模态8[t6，t7][对应于附图17]
在t6时刻，电感Lr与整流管结电容CDR1谐振工作，给整流管DR1的结电容CDR1充电，电流ip和电流iLr继续增加。
在这段时间中，A点电压固定在零，而变压器原边绕组电压vCA由于结电容CDR1的充电也同时上升，故C点电位一直在上升。到t7时刻，结电容CDR1的电压上升到Vin·n2/n1，此时C点电压上升至Vin/2，二极管D5导通，将电压vCA箝在Vin/2，因此结电容CDR1的电压被箝在Vin·n2/n1。
9.开关模态9[t7，t8][对应于附图18]
当二极管D5导通后，电流ip阶跃下降到折算到原边的滤波电感电流，并负向增加。此时辅助绕组上电压为Vin·n3/2n1，电压方向为左正右负，即C点电位低，由于C点与B点电位相同，因此谐振电感上承受一个左负右正的电压，大小为Vin·n3/2n1，因此电感电流iLr快速减小。它与电流ip的差值从二极管D5中流过。到t8时刻，电流ip和电流iLr相等，该模态结束，二极管D5关断。
10.开关模态10[t8，t9][对应于附图19]
二极管D5关断，C点电位下降，电压vCA下降，电压vrect相应下降，当降为Vin·n2/2(n1+n3)时电路进入稳态工作，原边给副边提供能量，电流ip与电流iLr相等。
变压器与谐振电感互换位置的工作原理与上述基本相同，最后得到的效果亦基本相同，因此不再多述。
由以上描述可知，本发明提出的带变压器辅助绕组的零电压开关半桥三电平直流变换器具有如下优点：
箝位二极管可以有效地消除了输出整流管上的电压尖峰和电压振荡，降低输出整流管的电压应力。
由于增加了变压器辅助绕组，可以有效地快速减小流过箝位二极管中电流，提高变换效率。
改善箝位二极管在轻载情况下的工作条件。
可以实现开关管的零电压开关。

Claims (4)

1.一种零电压开关半桥三电平直流变换器，包括直流电源(Vin)、输入分压电容电路(1)、三电平逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、箝位电路(4)、隔离变压器(5)、整流滤波电路(6)，其中两个输入分压电容(Cd1、Cd2)串联后组成的输入分压电容电路(1)并联在直流电源(Vin)正、负输出端，并联在输入分压电容电路(1)正负输出端的三电平逆变桥臂(2)由第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)依次正向串联组成，上述四个开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)各自并联一个体二极管和一个寄生电容；箝位电路(4)由第5、第6两个箝位二极管(D5、D6)正向串联组成，其中第5箝位二极管(D5)的阴极连接在第一开关管(Q1)与第二开关管(Q2)的串联点上，而第6箝位二极管(D6)的阳极连接在第三开关管(Q3)与第四开关管(Q4)的串联点上，隔离变压器(5)副边两个同匝数的副边绕组非同名端相串联，其中一个副边绕组的同名端连于整流滤波电路(6)中第1整流二极管(DR1)的阳极，另一个副边绕组的异名端连于整流滤波电路(6)中第2整流二极管(DR2)的阳极，第1、第2两个二极管(DR1、DR2)的阴极相连后连于滤波电感(Lf)正端，滤波电感(Lf)负端连于滤波电容(Cf)正端，两个副边绕组的串联点与整流滤波电路(6)的负端相连，即连于滤波电容(Cf)负端，其特征在于，所述的隔离变压器(5)的原边绕组(n1)与原边辅助绕组(n3)非同名端相连后再与谐振电感(3)串联形成一个串联支路，该串联支路的一端连于两个输入分压电容(Cd1、Cd2)的串联点，另一端连于第二开关管(Q2)与第三开关管(Q3)的串联点，所述箝位电路(4)的两个箝位二极管(D5、D6)的串联点连于隔离变压器(5)原边绕组(n1)与原边辅助绕组(n3)的串联点。
2.依据权利要求1所述的零电压开关半桥三电平直流变换器，其特征在于，所述三电平逆变桥臂(2)中的第二开关管(Q2)集电极与第三开关管(Q3)发射极之间还可以并联一个飞跨电容(Css)。
3.依据权利要求1所述的零电压开关半桥三电平直流变换器，其特征在于，所述三电平逆变桥臂(2)中的第二开关管(Q2)集电极与第三开关管(Q3)发射极之间还可以并联由两个续流二极管(D7、D8)串联的支路，两个续流二极管(D7、D8)的串联点连于两个输入分压电容(Cd1、Cd2)的串联点。
4.依据权利要求1所述的零电压开关半桥三电平直流变换器，其特征在于，所述的隔离变压器(5)的原边绕组(n1)与原边辅助绕组(n3)非同名端相连后再与谐振电感(3)串联形成一个串联支路中，谐振电感(3)与隔离变压器(5)可以互换位置。
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