CN101465605B - 一种宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器，包括具有一个单刀单掷开关的电源，有两个单刀双掷开关的输入电容部分，由四个开关管组成的直流转换电路，具有一个单刀双掷开关的谐振网络，整流网络和具有一个单刀双掷开关的滤波网络。该变流器通过单刀单掷开关和单刀双掷开关连接状态的不同组合，来实现在不同输入电压范围下以最优电路拓扑实现变流，使得占空比相对不变，提高了变流器在全输入电压范围内的整体效率，并有效的减少了系统的元件冗余，降低成本。

Description

一种宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器

技术领域

本发明涉及一种直流变流器，尤其是一种适用于宽范围输入场合的变拓扑柔性直流-直流变流器。

背景技术

随着电力电子工业的进一步发展和对电源产品要求的进一步提高，电力电子集成标准模块的概念成为当前电源行业非常热门的一个话题，而其中一个难点就是将不同电力电子变流器进行分类和研究，以使得电源设计能够趋于标准化。目前，一个理想的集成标准化电源模块要求能够兼容超宽输入电压范围以及宽负载范围，并且能够在不同的输入和输出场合获得良好的工作性能，继而获得更小的成本、体积、重量和系统损耗。在实现这个目标的过程中，工程师首先要面对的就是在宽范围输入电压条件下获得比较高的效率。往往，针对较低的输入电压所设计的电源很难在高输入电压下获得较好的效率，因为较高耐压的开关管所带来的损害就是其导通电阻大，导通损耗大，致使效率很难进一步提高。一个实际工业应用往往会要求电源设备具有宽范围电压输入的兼容工作能力。例如在中功率应用场合，往往要求电源能够在(200～800V)电压范围内稳定工作。但是由普通PWM型电源的输入输出特性可知，在如此宽范围(大于等于2倍)的电压输入环境下，其工作有效占空比也将随之变动如此宽的范围。而由于较窄占空比引起的大RMS电流值、高开关损耗以及带来的EMI特性恶化等种种弊端，均是影响宽范围输入条件下单一拓扑在高压输入下特性无法和低压输入时相比拟的主要掣肘，同时往往也给电路元器件参数的优化设计造成无法逾越的障碍。目前，有学者提出利用两种分别针对不同电压输入范围而分块设计的电源模块组成一套适合于宽范围电压输入的电源设备，提升全范围电压输入下的电源特性以满足需要。但是该方案在成本优势上有较大不足，因元器件部分/全部冗余将会造成电源性价比的极大下降和器件浪费，并且随着元器件的增多系统的稳定性也同时下降，并非最佳的宽范围电压输入电源设备的解决方案。因此，研究如何仅采用一套电路器件而又能有效实现针对分区域输入电压电路性能优化的拓扑或者拓扑集，即成为了宽范围电压输入电源的有效解决思路，是电力电子系统集成的一个重要组成方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有宽范围输入、高效率输出的变拓扑柔性直流-直流变流器。

本发明的宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器，其特征在于：它包括：

1)电源，由直流电源和一个单刀单掷开关串联组成；

2)输入电容部分，包括两个电容，两个单刀双掷开关，第一电容的一端与第二单刀双掷开关端子1的连接点和电源的正极相连，第一电容的另一端和第一单刀双掷开关的转换点相连；第二电容的一端与第一单刀双掷开关端子1的连接点和电源的负极相连，第二电容的另一端和第二单刀双掷开关的转换点相连，第一单刀双掷开关端子2与第二单刀双掷开关端子2相连；

3)直流转换电路，由四个开关管组成。第一开关管的漏极和电源的正极相连，第一开关管的源极与第二开关的漏极相连；第二开关的源极与第一单刀双掷开关的转换端相连；第三开关管的漏极与第二单刀双掷开关的转换端相连，第三开关管的源极与第四开关管的漏极相连；第四开关管的源极与电源的负极相连。

4)谐振网络，由谐振电感，谐振电容，第三单刀双掷开关和隔直电容组成。谐振电感的一端与第一开关管的源极相连，另一端与第三单刀双掷开关的端子2相连；谐振电容的一端与第三单刀双掷开关的转换端相连，另一端与隔直电容的一端相连；隔直电容的另一端与第三开关管的的源极以及第三单刀双掷开关的端子1相连，谐振电感与第三单刀双掷开关端子2的连接端以及谐振电容和隔直电容的连接端作为谐振网络的两个输出端；

5)整流网络，是由隔离变压器和两个二极管组成的零式全波整流电路，或是由隔离变压器和两个同步整流管组成的同步整流电路，或是由隔离变压器和四个二极管组成的桥式整流电路，隔离变压器原边绕组的两端分别与谐振网络的两个输出端相连。

6)滤波网络，由两个滤波电感、滤波电容和第四单刀双掷开关组成。两个滤波电感的一端相连，该连接点作为滤波网络的一个输入端，第一滤波电感的另一端与第四单刀双掷开关的端子1或者2相连，第二滤波电感的另一端与第四单刀双掷开关的端子2或者1相连；第四单刀双掷开关的转换端与滤波电容的一端相连，滤波电容的另一端作为滤波网络的另一个输入端，滤波网络的两个输入端与整流网络的两个输出端相连。

上述直流转换电路中的四个开关管可以是包含外加或内在寄生反并二极管的MOSFET或IGBT或可控硅；或者是包含外加或内在寄生电容的MOSFET或IGBT或可控硅。

上述的单刀单掷开关及单刀双掷开关可以采用机械开关或继电器或电子开关。

本发明的宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器，根据单刀单掷开关和单刀双掷开关连接状态的不同组合，可以得到如下两种不同功能结构的直流-直流变流器：

第一种：电源中的单刀单掷开关闭合，输入电容部分的两个单刀双掷开关的转换点都连接至其端子1，谐振网络的单刀双掷开关的转换点连接至其端子1，滤波网络的单刀双掷开关连接至其端子1，形成适应于低电压输入场合的典型移相全桥变换器，此时，谐振网络中的谐振电感作为实现滞后桥臂软开关的谐振电感，谐振电容和隔直电容并联并作为隔直电容的一部分，滤波网络中的滤波电感作为移相全桥电路输出滤波电感。

第二种：电源中的单刀单掷开关闭合，输入电容部分的两个单刀双掷开关的转换点都连接至其端子2，谐振网络的单刀双掷开关的转换点连接至其端子2，滤波网络的单刀双掷开关连接至其端子2，形成高压输入场合的三电平零电压零电流L²C并联谐振变流器，此时，滤波电感，谐振电感和谐振电容共同参与谐振，实现直流转换电路中开关管零电压开通，整流网络中二极管零电流关断。

在上述两种连接状态切换过程中，利用单刀单掷开关切断电源，实现两种状态的稳定、安全过渡。

本发明的有益效果在于：

当直流变流器输入电压范围较宽时，可以通过根据输入电压高低的不同变换拓扑结构，来实现以最优电路拓扑电路进行工作。在较低电压输入的情况下变流器可以转入第一种拓扑变换状态电路，此时，系统工作在经典的移相全桥拓扑状态下，谐振电感的存在可以使得滞后桥臂实现软开关，直流转换网络的每个开关管电压应力为输入电压；在较高电压输入的情况下，变流器可以转入第二种拓扑变换状态电路，此时电路进入零电压零电流三电平L²C并联谐振拓扑进行工作。每个开关管的工作应力为输入电压应力的一半，并且能够实现直流转换网络中开关管的零电压开通，整流网络二极管的零电流关断，从而实现在高输入电压下的高效运行。此外两种拓扑状态共用隔离变压器，输入电容等关键元件，充分减小了两种拓扑转换的器件冗余，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器的一种电路结构图；

图2为第一种拓扑实施电路结构图；

图3为第二种拓扑实施电路结构图；

具体实施方式

参照图1，图1所示实例中，整流网络是由隔离变压器和两个二极管组成的零式全波整流电路。

本发明的宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器，包括：

1)电源110，由直流电源V_IN和一个单刀单掷开关K_1-a串联组成；

2)输入电容部分120，包括两个电容C₁、C₂，两个单刀双掷开关K_2-a，K_2-b，第一电容C₁的一端与第二单刀双掷开关K_2-b端子1的连接点和电源110的正极相连，第一电容C₁的另一端和第一单刀双掷开关K_2-a的转换点相连；第二电容C₂的一端与第一单刀双掷开关K_2-a端子1的连接点和电源110的负极相连，第二电容C₂的另一端和第二单刀双掷开关K_2-b的转换点相连，第一单刀双掷开关K_2-a端子2与第二单刀双掷开关K_2-b端子2相连；

3)直流转换电路130，由四个开关管S₁～S₄组成。第一开关管S₁的漏极和电源110的正极相连，第一开关管S₁的源极与第二开关S₂的漏极相连；第二开关S₂的源极与第一单刀双掷开关K_2-a的转换端相连；第三开关管S₃的漏极与第二单刀双掷开关K_2-b的转换端相连，第三开关管S₃的源极与第四开关管S₄的漏极相连；第四开关管S₄的源极与电源110的负极相连。

4)谐振网络140，由谐振电感L_rp，谐振电容C_r，第三单刀双掷开关K_3-a和隔直电容C_b组成。谐振电感L_rp的一端与第一开关管S₁的源极相连，另一端与第三单刀双掷开关K_3-a的端子2相连；谐振电容C_r的一端与第三单刀双掷开关K_3-a的转换端相连，另一端与隔直电容C_b的一端相连；隔直电容C_b的另一端与第三开关管S₃的的源极以及第三单刀双掷开关K_3-a的端子1相连，谐振电感L_rp与第三单刀双掷开关K_3-a端子2的连接端以及谐振电容C_r和隔直电容C_b的连接端作为谐振网络140的两个输出端；

5)整流网络150，图例中，为由隔离变压器T_R、两个二极管D_R1，D_R2组成。其中隔离变压器T_R原边绕组两端与谐振网络的两个输出端相连，隔离变压器T_R副边第一绕组同名端与二极管D_R1的阳极相连，异名端与隔离变压器T_R副边第二绕组同名端相连，该连接端作为整流网络的一个输出端；隔离变压器T_R副边第二绕组异名端与二极管D_R2的阳极相连；二极管D_R1的阴极和二极管D_R2的阴极相连后作为整流网络的另一个输出端。

6)滤波网络160，由两个滤波电感L_rs1，L_rs2、滤波电容C_O和第四单刀双掷开关K_4-a组成。两个滤波电感L_rs1，L_rs2的一端相连，该连接点作为滤波网络160的一个输入端，第一滤波电感L_rs1的另一端与第四单刀双掷开关K_4-a的端子1或者2相连，第二滤波电感L_rs2的另一端与第四单刀双掷开关K_4-a的端子2或者1相连；第四单刀双掷开关K_4-a的转换端与滤波电容C_O的一端相连，滤波电容C_O的另一端作为滤波网络160的另一个输入端，滤波网络160的两个输入端与整流网络150的两个输出端相连。

本发明根据单刀单掷开关和单刀双掷开关连接状态的不同组合，可以得到如下两种不同功能结构的直流变流器：

第一种拓扑电路连接结构如图2所示，电源中的单刀单掷开关K_1-a闭合，输入电容部分的两个单刀双掷开关K_2-a，K_2-b的转换点都连接至其端子1，谐振网络140的单刀双掷开关K_3-a的转换点连接至其端子1，滤波网络的单刀双掷开关K_4-a连接至其端子1，形成适应于低电压输入场合的典型移相全桥变换器，此时，谐振网络中的谐振电感L_rp作为实现滞后桥臂软开关的谐振电感，谐振电容C_r和隔直电容并联并作为隔直电容的一部分，滤波网络中的滤波电感L_rs1作为移相全桥电路输出滤波电感。

第二种拓扑电路连接结构如图3所示，电源中的单刀单掷开关K_1-a闭合，输入电容部分120的两个单刀双掷开关K_2-a，K_2-b的转换点都连接至其端子2，谐振网络140的单刀双掷开关K_3-a的转换点连接至其端子2，滤波网络160的单刀双掷开关K_4-a连接至其端子2，形成高压输入场合的三电平零电压零电流L²C并联谐振变流器，此时，滤波电感L_rs2，谐振电感L_rp和谐振电容C_r共同参与谐振，实现直流转换电路中开关管S1～S4零电压开通，整流网络中二极管零电流关断。

Claims (3)

1.一种宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器，其特征在于：它包括：

1)电源(110)，由直流电源(V_IN)和一个单刀单掷开关(K_1-a)串联组成；

2)输入电容部分(120)，包括两个电容(C₁、C₂)，两个单刀双掷开关(K_2-a，K_2-b)，第一电容(C₁)的一端与第二单刀双掷开关(K_2-b)端子1的连接点和电源(110)的正极相连，第一电容(C₁)的另一端和第一单刀双掷开关(K_2-a)的转换端相连；第二电容(C₂)的一端与第一单刀双掷开关(K_2-a)端子1的连接点和电源(110)的负极相连，第二电容(C₂)的另一端和第二单刀双掷开关(K_2-b)的转换端相连，第一单刀双掷开关(K_2-a)端子2与第二单刀双掷开关(K_2-b)端子2相连；

3)直流转换电路(130)，由四个开关管(S₁～S₄)组成；第一开关管(S₁)的漏极和电源(110)的正极相连，第一开关管(S₁)的源极与第二开关管(S₂)的漏极相连；第二开关管(S₂)的源极与第一单刀双掷开关(K_2-a)的转换端相连；第三开关管(S₃)的漏极与第二单刀双掷开关(K_2-b)的转换端相连，第三开关管(S₃)的源极与第四开关管(S₄)的漏极相连；第四开关管(S₄)的源极与电源(110)的负极相连；

4)谐振网络(140)，由谐振电感(L_rp)，谐振电容(C_r)，第三单刀双掷开关(K_3-a)和隔直电容(C_b)组成；谐振电感(L_rp)的一端与第一开关管(S₁)的源极相连，另一端与第三单刀双掷开关(K_3-a)的端子2相连；谐振电容(C_r)的一端与第三单刀双掷开关(K_3-a)的转换端相连，另一端与隔直电容(C_b)的一端相连；隔直电容(C_b)的另一端与第三开关管(S₃)的源极以及第三单刀双掷开关(K_3-a)的端子1相连，谐振电感(L_rp)与第三单刀双掷开关(K_3-a)端子2的连接端以及谐振电容(C_r)和隔直电容(C_b)的连接端作为谐振网络(140)的两个输出端；

5)整流网络(150)，是由隔离变压器和两个二极管组成的零式全波整流电路，或是由隔离变压器和两个同步整流管组成的同步整流电路，或是由隔离变压器和四个二极管组成的桥式整流电路，隔离变压器原边绕组的两端与谐振网络的两个输出端相连；

6)滤波网络(160)，由两个滤波电感(L_rs1，L_rs2)、滤波电容(Co)和第四单刀双掷开关(K_4-a)组成；两个滤波电感(L_rs1，L_rs2)的一端相连，该连接点作为滤波网络(160)的一个输入端，第一滤波电感(L_rs1)的另一端与第四单刀双掷开关(K_4-a)的端子1或者2相连，第二滤波电感(L_rs2)的另一端与第四单刀双掷开关(K_4-a)的端子2或者1相连；第四单刀双掷开关(K_4-a)的转换端与滤波电容(CO)的一端相连，滤波电容(CO)的另一端作为滤波网络(160)的另一个输入端，滤波网络(160)的两个输入端与整流网络(150)的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器，其特征在于所说的直流转换电路(130)中的四个开关管(S₁～S₄)是包含外加或内在寄生反并二极管的MOSFET或IGBT或可控硅；或者是包含外加或内在寄生电容的MOSFET或IGBT或可控硅。

3.根据权利要求1所述的宽输入范围变拓扑柔性直流-直流变流器，其特征在于所说的单刀单掷开关(K_1-a)及单刀双掷开关(K_2-a、K_2-b、K_3-a、K_4-a)是机械开关或继电器或电子开关。

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