CN102013805B - 一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器 - Google Patents

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本发明涉及一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，包括逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路依次连接。与现有技术相比，本发明具有效率高、可靠性高等优点。

Description

一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器
技术领域
本发明涉及一种全桥变换器，尤其是涉及一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器。
背景技术
目前，针对全桥变换器中整流二极管的电压钳位技术可以分为三大类：有源钳位技术、无源有损钳位技术、无源无损钳位技术。
有源钳位技术：一般包括可控开关和电容构成钳位电路。在抑制振荡电压的同时，由于没有电阻，因此损耗很小。但由于其采用了开关管，因此增加了系统的控制复杂度，降低了系统的可靠性。所以，在大功率场合，一般不宜采用此方法。
无源有损钳位技术：一般使用电容、二极管、电阻构成RCD钳位电路。虽然RCD钳位电路可以很好的钳位二极管的电压应力，然而在大功率宽输入电压场合，电阻上的损耗非常大，因此降低了系统的效率。
无源无损钳位技术：一般使用二极管和电容构成无损无源钳位电路。由于采用了无源器件，因此可靠性更高；同时没有电阻，因此提高了系统的效率。但传统的无损无源钳位电路在低占空比的工况下钳位效果不理想，甚至无法工作。对宽输入电压、高输出电压的全桥变换器并不适用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种效率高、可靠性高的具有无源无损钳位电路的全桥变换器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，包括逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路依次连接。
所述的逆变桥为单组全桥结构或三组全桥结构。
所述的高频变压器组设有三组，为第一高频变压器、第二高频变压器、第三高频变压器，所述的第一高频变压器、第二高频变压器及第三高频变压器的原边共用一个绕组，副边为三个独立绕组；对于三组高频变压器，或采用独立的拓扑结构，每组变压器的原边绕组和副边绕组都是独立的，不共用。
所述的高压变压器组由副边三个绕组并联的变压器构成。
所述的第一高频变压器与第三高频变压器的变比相同，所述的第一高频变压器与第二高频变压器的变比不同。
6.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所述的全桥整流桥堆为三组全桥整流桥串联而成。
所述的无源无损钳位电路由六个二极管和六个电容组成，用于钳位全桥整流桥堆输出的电压应力。
所述的二极管为高压二极管，每两个二极管串联后并联在全桥整流桥堆的输出端。
所述的电容为高频电容，三个电容两端并联在全桥整流桥堆的输出端，其余三个电容一端接在全桥整流桥堆的输出端、另一端接在两个串联二极管之间。
所述的滤波电路包括滤波电感、滤波电容，滤波电感采用不同的电感值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)更适合高压、大功率的功率变换器应用场合；同时，变换器的拓扑结构也有利于系统的散热，提高系统的可靠性。
2)三组高频变压器采用不同的变比结构。由于三组高频变压器采用不同的变比结构，通过对变压器的变比和漏感进行优化，可以最大限度的提高系统的工作范围，并最大限度地钳位整流二极管的电压应力。
3)整流二极管电压应力钳位电路，由于只有二极管和电容构成，没有有损元件电阻，因此可以提高系统的工作效率；由于没有有源元件开关管，可以提高系统工作的可靠性。
4)多组滤波电路，多组滤波电路中的滤波电感采用不同的电感值，并通过对每组电感的电感值进行优化，可以消除电路内部的不均衡电流。
5)本发明的电路拓扑和钳位电路适合于宽输入电压，高输出电压，大功率直流变换场合使用。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的拓扑电路结构示意图；
图3为本发明的另一种拓扑电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1、图2所示，一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，包括逆变桥1、高频变压器组2、全桥整流桥堆3、无源无损钳位电路4、滤波电路5，所述的逆变桥1、高频变压器组2、全桥整流桥堆3、无源无损钳位电路4、滤波电路5依次连接。
所述的用于电压逆变的逆变桥1，输入端与电源相连接，输出端与高频变压器相连接。所述的不同变压器变比的高频变压器组2，原边与逆变桥的输出相连，副边分别与三组整流桥相连接。三组变压器的变比是不同的，同时，每组变压器的漏感也不同。变压器变比和漏感经过优化后可以使电路工作性能(电路占空比工作范围和整流二极管电压应力钳位效果)达到最佳。所述的三组全桥整流桥堆3，其中每组全桥整流桥堆由四个二极管构成全桥整流，一端接高频变压器的输出端，另外一端接后级的无源无损钳位电路4和滤波电路5。所述的用于钳位整流二极管电压应力的无源无损钳位电路4由二极管和电容构成，一端接整流桥的输出，另一端滤波电路4。所述的三组滤波电路5，包括滤波电感和滤波电容，其中三组滤波电感的电感值不同。
如图1，1表示用于电压逆变的逆变桥，将直流电压转换成脉动电压，具体拓扑如图2中S1～S4所示。图2所示的用于电压逆变的逆变桥是单组的，也可以采用三组的拓扑结构。2x(x为0～3)表示三组高频变压器，其中20和22采用相同的变压器变比，21的变压器变比与20、22不同，假设20和22的变压器变比为1∶n，21的变压器变比为1∶kn。为了能最大限度地钳位整流二极管的电压应力，首先要确定输入电压的变化范围，从而确定电路工作时的最小占空比Dmin。在确定电路最小占空比的情况下，计算三组整流二极管的电压应力，三组整流二极管的电压应力是关于k的函数，其中第一组和第三组整流二极管的电压应力为2Vo/(2+k)D-Vo和Vo/(2+k)D的较大者，第二组整流二极管的电压应力为(2k-kD-D)Vo/(2+k)D和Vok/(2+k)D的较大者。其中Vo为输出电压，D为电路的占空比。以求三组整流二极管的电压应力的最小值为目标，可以求得对应的k值，即可以求得变压器的变比。以Dmin＝1/3为例，k＝5/6，此时整流二极管的电压应力理论值Vp＝(19/17)Vo；Dmin＝1/4时，k＝5/8，此时整流二极管的电压应力理论值Vp＝(43/21)Vo；当Vp＝Vo时，
Figure BDA0000038790280000041
高频变压器的具体拓扑如图2中T1～T3所示，图2所示的三组高频变压器是共用一个铁芯结构的，即三组高频变压器的原边是共用的。对于三组高频变压器，也可以采用独立的拓扑结构，即三组高频变压器是独立的，每组变压器的原边绕组和副边绕组都是独立的，不共用。3x(x为0～3)表示三组采用全桥整流方式的整流桥，三组整流桥的连接方式采用串联结构。具体拓扑如图2中D1～D12所示。4表示无损无源钳位电路，由二极管和电容构成。钳位电路的拓扑与滤波电路的拓扑结构有关，当滤波电路的拓扑结构为图2所示时，钳位电路的拓扑为如图2中所示，二极管DC1～DC3、DS1～DS3和电容CC1～CC3、CS1～CS3构成无损无源钳位电路；当滤波电路的拓扑结构为图3所示时，钳位电路的拓扑为如图3中所示，二极管DC1～DC3、DS1～DS3和电容CC1～CC3、CS1～CS3构成无损无源钳位电路。以图2中的钳位电路为例，其中DC1，DS1，CC1和CS1构成的钳位电路用于钳位第一组整流二极管(D1～D4)的电压应力；DC2，DS2，CC2和CS2构成的钳位电路用于钳位第二组整流二极管(D5～D8)的电压应力；DC3，DS3，CC3和CS3构成的钳位电路用于钳位第三组整流二极管(D9～D12)的电压应力。5x(x为0～3)表示三组滤波电路，三组滤波电路的连接方式采用串联结构，具体拓扑如图2，由滤波电感Lfx(x为0～3)和滤波电容Cfx(x为0～3)构成。为了消除电路内部的不均衡电流，三组滤波电感的电感量是不同的，即Lf2＝kLf1＝kLf3。
在轨道车辆牵引系统中，由于新能源器件(如超级电容)的电压输出特性很软，对功率变换器提出了一些新的挑战，要求功率变换器的输入电压变换范围很宽。然而，对于此种工况下的全桥直流变换器的整流二极管，整流二极管在关断的开始阶段承受很高的振荡电压应力。尤其是在宽输入电压和高输出电压场合，对整流二极管的耐压要求非常高。因此需要发明合适的拓扑结构和合适的钳位电路来解决此问题。本发明正是基于这个问题而创造的，适合于宽输入电压，高输出电压的大功率直流功率变换场合。

Claims (1)

1.一种具有三相无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，包括逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、三相无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、三相无源无损钳位电路、滤波电路依次连接；
所述的高频变压器组设有三组，为第一高频变压器、第二高频变压器、第三高频变压器，所述的第一高频变压器、第二高频变压器及第三高频变压器的原边共用一个绕组，副边为三个独立绕组；
所述的第一高频变压器与第三高频变压器的变比相同，所述的第一高频变压器与第二高频变压器的变比不同；
全桥整流桥堆包括三个全桥整流桥，三个全桥整流桥的输入端分别与三个变压器的副边连接；
所述的三相无源无损钳位电路由六个二极管和六个电容组成，用于钳位全桥整流桥堆输出的电压应力，其中第一、二二极管串联在第一全桥整流桥的正输出端和第三全桥整流桥的负输出端之间，第三、四二极管串联在第一全桥整流桥的正输出端和第二全桥整流桥的负输出端之间，第五、六二极管串联在第一全桥整流桥的正输出端和第三全桥整流桥的负输出端之间，第一电容和第五电容分别连接在第一全桥整流桥的正输出端和第三全桥整流桥的负输出端之间，第三电容连接在第一全桥整流桥的正输出端和第二全桥整流桥的负输出端之间，第二电容连接在第一、二二极管的连接点和第一全桥整流桥的负输出端之间，第四电容连接在第二全桥整流桥的正输出端和第三、四二极管的连接点之间，第六电容连接在第三全桥整流桥的正输出端和第五、六二极管的连接点之间；
所述的滤波电路包括三个滤波电感、三个滤波电容、三个滤波电感采用不对称的电感值，其中三个滤波电容串联在第一全桥整流桥的正输出端和第三全桥整流桥的负输出端之间，第一滤波电感连接在第一全桥整流桥的负输出端和第一、二滤波电容的连接点之间，第二滤波电感连接在第二全桥整流桥的正输出端和第一、二滤波电容的连接点之间，第三滤波电感连接在第三全桥整流桥的正输出端和第二、三滤波电容的连接点之间，第二全桥整流桥的负输出端连接到第二、三滤波电容的连接点。
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