CN101604918A - 采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器，包括直流电源(V_in)、分压电容电路(1)、三电平逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(4)、辅助电感(5)、辅助分压电容电路(6)、整流及滤波电路(7)，还包括一个辅助绕组(N₃)，由辅助绕组(N₃)、辅助电感(5)以及辅助分压电容电路(6)组成无源辅助网络。该直流变换器不仅实现了开关管的零电压开关，且为滞后桥臂开关管实现零电压开关提供的能量与负载电流相关，负载较重时，辅助电感中存储的能量较少，随着负载的减轻，辅助电感中存储的能量逐渐增加。因此一方面可以减小在负载较重时由辅助网络带来的损耗，另一方面在负载较轻时可以实现滞后桥臂开关管的ZVS。

Description

采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器

技术领域

本发明涉及一种零电压开关直流变换器，特别是一种零电压开关半桥三电平直流变换器，属于电能变换装置中的直流变换器。

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 FactorCorrection，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(简称ZVS)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。但由于变压器漏感一般较小，在轻载时其能量不足以实现滞后桥臂的ZVS，此时变换器效率较低。

为了在轻载时实现滞后桥臂的ZVS，可以增加变压器漏感或者串联谐振电感，但会增加次级有效占空比的丢失，使变压器匝比减少而导致开关管电流应力和整流二极管电压应力增加。为了减小漏感或串联谐振电感，提高次级有效占空比，加入辅助网络成为一种趋势。有文献通过增加了一个无源辅助网络，利用辅助电感电流帮助滞后桥臂实现ZVS，但是辅助电感电流恒定不变，满载时，谐振电感中存储的能量已经可以实现滞后桥臂的ZVS，辅助能量是存在一定损耗的。

以上的各种方法在不同的程度上实现了滞后桥臂的ZVS，但是它们存在一个共同的问题，即实现滞后桥臂ZVS的辅助能量基本不变且和负载电流无关。满载时，谐振电感中储存的能量已经可以实现滞后桥臂的ZVS，辅助能量是存在一定损耗的，从而降低了效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，设计一种能在较宽负载范围内实现了滞后桥臂开关管的ZVS，还可以在较宽的负载范围里实现高的变换效率采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器。

本发明的采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器，包括直流电源(V_in)、输入分压电容电路(1)、三电平逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(4)、辅助电感(5)、辅助分压电容电路(6)、整流及滤波电路(7)，其中两个输入分压电容(C_d1、C_d2)串联后组成的输入分压电容电路(1)并联在直流电源(V_in)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)依次正向串联以及二极管(D₅、D₆)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，二极管(D₅、D₆)正向串联支路的负端连接在第一开关管(Q₁)与第二开关管(Q₂)的串联点上，而正端连接在第三开关管(Q₃)与第四开关管(Q₄)的串联点上；隔离变压器(4)副边两个同匝数的副边绕组非同名端相串联，其中一个副边绕组另一端的同名端连于整流滤波电路(7)正端，两个副边绕组的串联点与整流滤波电路(7)的负端相连，其特征在于增加了一个辅助绕组(N₃)，该辅助绕组(N₃)与辅助电感(5)以及辅助分压电容电路(6)组成无源辅助网络，所述辅助绕组(N₃)一端连于三电平逆变桥臂(2)的串联点(B)，辅助绕组(N₃)另一端与辅助电感(5)相联，辅助电感(5)的另一端连于辅助分压电容电路(6)的两个电容(C_a1、C_a2)的串联点(C)，分压电容电路(6)的两个电容(C_a1、C_a2)一端联结于三电平逆变桥臂(2)中开关管Q₁、Q₂的串联点，另一端联结于三电平逆变桥臂(2)中开关管Q₃、Q₄的串联点。

所述隔离变压器(4)原边绕组(N₁)与辅助绕组(N₃)的匝比关系为N₁∶N₃＝2∶1。

本发明与现有技术相比的主要技术特点是，由于增加了由辅助绕组(N₃)与辅助电感(5)以及辅助分压电容电路(6)组成的无源辅助网络，使该直流变换器不仅实现了开关管的零电压开关，且为滞后桥臂开关管实现零电压开关提供的能量与负载电流相关，负载较重时，辅助电感中存储的能量较少，随着负载的减轻，辅助电感中存储的能量逐渐增加。因此一方面可以减小在负载较重时由辅助网络带来的损耗，另一方面在负载较轻时可以实现滞后桥臂开关管的ZVS。所以能在较宽负载范围内实现了滞后桥臂开关管的ZVS，还可以在较宽的负载范围里实现高的变换效率。

附图说明

附图1是本发明的采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器的实施例电路结构示意图。

附图2是本发明的采用无源辅助网络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3～8是本发明的采用无源辅助网络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：V_in、电源电压。Q₁～Q₄、开关管。C₁～C₄、寄生电容。D₁～D₄、体二极管。L_r、谐振电感。T_r、隔离变压器。N₁、变压器原边绕组。N₂、变压器副边绕组。N₃、变压器辅助绕组。L_a、辅助电感。C_d1、C_d2、分压电容。D₅、D₆、续流二极管。C_a1～C_a2、辅助分压电容。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。v_rect、变压器副边整流后电压。v_AB、A与B两点间电压。

具体实施方式

下面以附图1为主电路结构，结合附图2～8叙述本发明的具体工作原理。由附图2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以前]、[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₂，t₃]、[t₃，t₄]、[t₄，t₅]、[t₅，t₆]、[t₆，t₇]、[t₇，t₈]、[t₈，t₉]、[t₉，t₁₀]、[t₁₀，t₁₁](见附图2)，其中，[t₀以前，t₅]为前半周期，[t₅，t₁₁]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分压电容C_d1和C_d2很大，可看作一个恒压源，即V_cd1＝V_cd2＝V_in/2。④辅助分压电容C_a1和C_a2很大，可看作一个恒压源，即V_ca1＝V_ca2＝V_in/4。

1.开关模态1[t₀以前][对应于附图3]

t₀以前，Q₁和Q₂导通，D_R1导通，D_R2截止，电源向负载传递功率。此时由变压器匝比关系可得辅助电感两端电压为零，辅助电感电流i_a处于续流状态，方向与正参考方向相反，幅值为I_a。由安匝平衡关系N₁·i_p＝N₃·I_a+N₂·I_o可得变压器原边电流i_p为I_o/K+I_a/2，流经Q₁的电流与i_p相同，也为I_o/K+I_a/2，而流经Q₂的电流I_o/K-I_a/2。

2.开关模态2[t₀，t₁][对应于附图4]

t₀时刻关断Q₁，i_p给C₁充电，同时通过C_a1和C_a2给C₄放电。由于有C₁和C₄，Q₁是零电压关断。开关模态2持续时间很短，因此可以认为辅助电感电流近似不变，仍为-I_a，则变压器原边电流近似不变，为I_o/K+I_a/2。可见，相比于基半桥三电平变换器，本文提出的半桥三电平变换器的超前桥臂开关管更容易实现ZVS。C₁的电压上升到V_in/2，C₄的电压下降到零，D₅自然导通，从而结束此开关模态。

3.开关模态3[t₁，t₂][对应于附图5]

D₅导通后，将Q₄的电压箝在零位，此时可以零电压开通Q₄。此时变压器原边绕组电压为零，因此辅助绕组电压也为零，加在辅助电感两端的电压为V_in/4，因此辅助电感电流反方向增加。

4.开关模态4[t₂，t₃][对应于附图6]

t₂时刻关断Q₂，i_p和i_a共同给C₂充电，给C₃放电。由于C₂和C₃的存在，Q₂是零电压关断，当C₂电压上升到V_in/4时，L_a两端的电压为零，此时i_a达到正的最大值I_a。t₃时刻，C₂的电压上升到V_in/2，C₃的电压下降到零。在这段时间内，v_AB极性自零变负，从而使D_R2导通。整流管D_R1和D_R2同时导通，将变压器副边绕组短接，这样变压器副边电压为零，原边绕组电压也为零，因此v_AB全部加在L_r上，也就是说，这段时间里，实际上L_r和C₂、C₃在谐振工作，这段时间很短，可以认为辅助电感电流保持不变。

5.开关模态5[t₃，t₄][对应于附图7]

在t₃时刻，C₃的电压下降到零，D₃自然导通，将Q₃的电压箝在零位，此时可以零电压开通Q₃。由于副边两只整流管同时导通，因此变压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，此时V_in/2全部加在L_r两端，使i_p线性下降，t₄时刻，i_p下降到零，二极管D₃和D₄自然关断，Q₃和Q₄中将流过电流。此模态中，L_a两端的电压为V_in与V_ca2之差，即L_a两端的电压为-V_in/4，该电压将使i_a减小，由于该模态持续时间较短，i_a下降较小。

6.开关模态6[t₄，t₅][对应于附图8]

在t₄时刻，i_p由正值过零，并且向负方向增加，此时Q₃和Q₄为原边电流提供通路，由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两只整流管提供回路，因此原边绕组电压仍然为零，加在L_r两端电压仍是V_in/2，i_p反向线性增加，t₅时刻，i_p增加到-(I_o/K+I_a/2)，此时，i_p已增加到可以提供副边负载电流，则D_R1关断，D_R2流过全部负载电流，该开关模态结束。t₅时刻之后，电源向负载传递功率，开始后半周期的工作，其工作情况与前半周期类似，因此不再多述。

由以上描述可知，本发明提出的采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器具有如下优点：

1、无源辅助网络结构简单，不需要任何主控器件；载轻时辅助网络中存储的能量可以帮助滞后桥臂开关管实现零电压开关，实现零电压开关的负载范围宽。

2、由于增加了无源辅助网络，可以采用较小的谐振电感值就可以宽负载范围内实现滞后桥臂开关管的ZVS，因此副边占空比丢失较少，可以优化变压器匝比的设计。

3、可以实现开关管的零电压开关。

Claims (2)

1、一种采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器，包括直流电源(V_in)、输入分压电容电路(1)、三电平逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(4)、辅助电感(5)、辅助分压电容电路(6)、整流及滤波电路(7)，其中，由两个输入分压电容(C_d1、C_d2)串联后组成的输入分压电容电路(1)并联在直流电源(V_in)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)依次正向串联以及二极管(D₅、D₆)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，二极管(D₅、D₆)正向串联支路的负端连接在第一开关管(Q₁)与第二开关管(Q₂)的串联点上，而正端连接在第三开关管(Q₃)与第四开关管(Q₄)的串联点上；隔离变压器(4)副边两个同匝数的副边绕组非同名端相串联，其中一个副边绕组另一端的同名端连于整流滤波电路(7)正端，两个副边绕组的串联点与整流滤波电路(7)的负端相连，其特征在于增设一个辅助绕组(N₃)，该辅助绕组(N₃)与辅助电感(5)以及辅助分压电容电路(6)组成无源辅助网络，所述辅助绕组(N₃)一端连于三电平逆变桥臂(2)的串联点(B)，辅助绕组(N₃)另一端与辅助电感(5)相联，辅助电感(5)的另一端连于辅助分压电容电路(6)的两个电容(C_a1、C_a2)的串联点(C)，辅助分压电容电路(6)的两个电容(C_a1、C_a2)一端联结于三电平逆变桥臂(2)中开关管Q₁、Q₂的串联点，另一端联结于三电平逆变桥臂(2)中开关管Q₃、Q₄的串联点。

2、如权利要求1所述的采用无源辅助网络的零电压开关半桥三电平直流变换器，其特征在于所述隔离变压器(4)原边绕组(N₁)与辅助绕组(N₃)的匝比关系为N₁∶N₃＝2∶1。

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