CN102281006A - 一种新型三电平软开关变换器 - Google Patents

一种新型三电平软开关变换器 Download PDF

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张化光
刘秀翀
户伟玉
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Abstract

一种新型三电平软开关变换器，属于变换器技术领域。该变换器包括分压电容、箝位电路、逆变器电路、高频变压器、整流网络和滤波及辅助电路；分压电容包括电解电容C1、C2和直流母线，箝位电路包括二极管Dc1和Dc2，逆变器电路包括开关管Q1～Q4和电容Cs1～Cs4，高频变压器选用单端变压器或二次侧为带中间抽头的变压器，整流网络包括二极管Do1和Do2，滤波及辅助电路包括电感Lt1、Lt2、电解电容Co和二极管Df。本发明优点：适用于高电压、大功率的应用场合。实现所有开关管的软开关，有效地抑制开关管的电压、电流尖峰，降低回路中的环流损耗，没有变压器饱和效应。辅助电路结构简单，不含有耗能元件和有源开关。

Description

一种新型三电平软开关变换器
技术领域
本发明属于变换器技术领域，特别涉及一种新型三电平软开关变换器。
背景技术
随着通信，计算机行业的快速发展，对电源设备的要求越来越高。绿色电源的提出，使得对电力电子技术的环保性有了较高的要求。各种标准相继颁布，著名的如IEC1000-3-2、IEC555-2等，对电力电子设备的电磁兼容要求越来越严格。为了满足IEC61000-3-2的要求，必须采用功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术，三相PFC变换器的输出电压一般为760～1000VDC，为了减小谐波含量，其输出电压甚至要高于1000V，这使得后继的直流变换器的开关管的电压额定值也相应提高。为了解决这个问题，三电平变流器应运而生。
对三电平直流变换器的研究，国内外现在已有很多研究成果，建立了各种各样的三电平软开关直流变换器主电路拓扑和控制策略，大体上可分为两类：零电压开关(ZVS)三电平直流变换器和零电压零电流开关(ZVZCS)三电平直流变换器。通常情况下的三电平软开关直流变换器大多通过添加较多的辅助器件组成辅助回路来实现软开关，但同时是以增加了器件成本与导通损耗或加大了元件电压或电流应力为代价的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种新型三电平软开关变换器。
该变换器包括分压电容、箝位电路、逆变器电路、高频变压器、整流网络和滤波及辅助电路；其中分压电容包括电解电容C1、C2和直流母线，箝位电路包括二极管Dc1和Dc2，逆变器电路包括开关管Q1～Q4和电容Cs1～Cs4，高频变压器选用单端变压器或二次侧为带中间抽头的变压器，整流网络包括二极管Do1和Do2，滤波及辅助电路包括电感Lt1、Lt2、电解电容Co和二极管Df；
两个电解电容C1、C2串联组成分压电容，C1的正极与直流母线的正极相连，C1的负极与C2的正极相连，C2的负极与直流母线的负极相连，产生两个仅为输入电压一半的电压源E1、E2；逆变器电路由四个开关管Q1～Q4串联而成，Q1的漏极/集电极与直流母线的正极相连，Q1的源极/放射极与Q2的漏极/集电极相连，Q2的源极/放射极与Q3的漏极/集电极相连，Q3的源极/放射极与Q4的漏极/集电极相连，Q4的源极/放射极与直流母线的负极相连，其中D1～D4为Q1～Q4的寄生二极管，Cs1～Cs4为Q1～Q4的并联电容(开关管结电容或外并电容)；箝位电路由两个二极管Dc1和Dc2串联组成，Dc1的阴极与Q1的源极/放射极(或Q2的漏极/集电极)相连，Dc1的阳极与分压电容C1和C2的连接点相连，Dc2的阴极与分压电容C1和C2的连接点相连，Dc2的阳极与Q3的源极/放射极(或Q4的漏极/集电极)相连，另外在Dc1的阴极和Dc2的阳极之间跨接联结电容Css；高频变压器T可选用单端变压器或二次侧为带中间抽头的变压器，变压器励磁电感Lm并接于一次侧线圈两端，而变压器一次侧漏感Lk(可串联谐振电感)的两端分别与一次侧同名端和Q2的源极/放射极(或Q3的漏极/集电极)相连，另外一次侧非同名端与分压电容C1和C2的连接点相连，二次侧与整流网络相连；整流网络是由带中间抽头的高频变压器与和两个二极管Do1、Do2组成的全波整流电路，Do1的阴极与整流输出端相连，Do1的阳极与变压器二次侧的同名端相连，Do2的阴极与整流输出端相连，Do2的阳极与变压器二次侧的非同名端相连(或采用由单端变压器与和四个二极管Do1～Do4组成的桥式整流电路)；滤波及辅助电路与整流网络输出端相连，包括带有抽头的平滑电感Lt1、Lt2和电解电容Co，Lt1、Lt2紧密结合，Ct1的同名端与整流输出端的正极相连，且同时与Lt2的非同名端相连，Lt1的非同名端与Co的正极或整体输出端的正极相连；Lt2的同名端与二极管Df的阴极相连，而Df的阳极与Co的负极或整体输出端的负极相连，当采用二次侧为带中间抽头的变压器时，同时与变压器二次侧的抽头相连。
所述的整个变换器在一个开关周期中有24种开关模式。
本发明的工作原理：变压器输出功率期间，Lt2两端将产生感应电动势VLt2，但由于二极管Df反偏，辅助回路中没有电流流过。当变换器的超前臂开关管关断后，原边电压开始下降，相应的副边电压亦下降，当整流后的电压小于Uo时，Lt2两端的极性开始翻转，电压进一步减小到满足Df的导通条件时，Df、Lt2开始流过负载电流，此时原边电流大小为副边反馈到原边的电流。由于感应电动势VLt2的反向截断作用，副边电流下降到零，相应地原边电流亦随之下降到只有很小的励磁电流。这很大程度上降低了变压器一次侧回路的环流损耗，同时为滞后管的零电流关断提供了条件。
本发明的优点：继承了三电平变换器开关管的电压应力为输入电压一半的优点，适用于高电压、大功率的应用场合。利用带有抽头的输出平滑电感、开关管并联电容、变压器的漏感，可实现所有开关管的软开关，可有效地抑制开关管的电压、电流尖峰，降低回路中的环流损耗，没有变压器饱和效应。辅助电路结构简单，不含有耗能元件和有源开关。
附图说明
图1为本发明三电平软开关变换器的电路图；
图2为本发明三电平软开关变换器二次侧采用全桥整流电路的电路图；
图3为本发明三电平软开关变换器的典型工作波形；
图4为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式1等效电路图；
图5为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式2等效电路图；
图6为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式3等效电路图；
图7为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式4等效电路图；
图8为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式5等效电路图；
图9为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式6等效电路图；
图10为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式7等效电路图；
图11为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式8等效电路图；
图12为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式9等效电路图；
图13为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式10等效电路图；
图14为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式11等效电路图；
图15为本发明三电平软开关变换器的各工作模式等效电路图模式12等效电路图。
具体实施方式
本发明结合具体实施例和说明书附图加以详细说明。
如图1所示，该变换器包括分压电容、箝位电路、逆变器电路、高频变压器、整流网络和滤波及辅助电路；其中分压电容包括电解电容C1、C2和直流母线，箝位电路包括二极管Dc1和Dc2，逆变器电路包括开关管Q1～Q4和电容Cs1～Cs4，高频变压器选用单端变压器或二次侧为带中间抽头的变压器，整流网络包括二极管Do1和Do2，滤波及辅助电路包括电感Lt1、Lt2、电解电容Co和二极管Df；
分压电容由两个电解电容C1和C2串联组成，C1的正极与直流母线的正极相连，C1的负极与C2的正极相连，C2的负极与直流母线的负极相连，等效成两个仅为输入电压一半的电压源E1、E2，E1＝E2＝E＝Vin/2；逆变器电路由四个开关管Q1-Q4串联而成，Q1的漏极/集电极与直流母线的正极相连，Q1的源极/放射极与Q2的漏极/集电极相连，Q2的源极/放射极与Q3的漏极/集电极相连，Q3的源极/放射极与Q4的漏极/集电极相连，Q4的源极/放射极与直流母线的负极相连；箝位电路由两个二极管Dc1和Dc2串联组成，Dc1的阴极与Q1的源极/放射极(或Q2的漏极/集电极)相连，Dc1的阳极与分压电容C1和C2的连接点相连，Dc2的阴极与Dc1的阳极相连，Dc2的阳极与Q3的源极/放射极(或Q4的漏极/集电极)相连，另外在Dc1的阴极和Dc2的阳极之间跨接联结电容Css；高频变压器T可选用单端变压器或二次侧为带中间抽头的变压器，变压器励磁电感Lm并接于一次侧线圈两端，而变压器一次侧漏感Lk(可串联谐振电感)的两端分别与一次侧同名端和Q2的源极/放射极(或Q3的漏极/集电极)相连，另外一次侧非同名端与分压电容C1和C2的连接点相连，二次侧与整流网络相连；整流网络采用由整流二极管Do1、Do2和带中心抽头变压器构成的全波整流电路，Do1的阴极与整流输出端相连，Do1的阳极与变压器二次侧的同名端相连，Do2的阴极与整流输出端相连，Do2的阳极与变压器二次侧的非同名端相连(或者也可以采用如图2所示的由四个整流二极管Do1、Do2、Do3和Do4与单端变压器组成的全桥整流电路)；整流网络的输出端直接与接负载的滤波及辅助电路相连，滤波及辅助电路包括带有抽头的平滑电感Lt1、Lt2和电解电容Co，Lt1、Lt2紧密结合，Lt1的同名端与整流输出端的正极相连，且同时与Lt2的非同名端相连，Lt1的非同名端与Co的正极或整体输出端的正极相连，Lt2的同名端与二极管Df的阴极相连组成辅助电路，而Df的阳极与Co的负极或整体输出端的负极相连，当采用二次侧为带中间抽头的变压器时，同时与变压器二次侧的抽头相连。
举例说明本发明的具体工作原理，如图3所示，可知整个变换器在一个开关周期中有24种开关模式，[t0-t12]为前半个周期，[t12-t24]为后半周期；其中Q1～Q4为开关管的开关驱动波形，td为开关管Q1与Q4、Q2与Q3之间设置的死区时间，
Figure BDA0000053036470000041
为超前管与滞后管开关的移相时间。为简化分析，现在做以下假设：①所有器件均为理想工作状态；②变压器T的励磁电感Lm远大于其漏感Lk且足够大，电容充放电期间，励磁电感电流值不变。变压器原副边绕组匝数分别为N1、N2，其匝数比为NT＝N1/N2；③带有中间抽头的输出滤波电感Lt1、Lt2为紧密结合，匝数分别为n1、n2，其匝比NL＝n2/(n1+n2)，另外Lt1足够大，其通过的电流连续，平均值为负载电流Io；④滤波电容Co足够大，可等效成电压源Io；⑤飞跨电容Css容量较大，在稳态工作时，Css两端电压VCss＝E。其电路如图1所示，箭头指向为物理量的参考正向，各部分的电流电压都以图1所示的方向为正。下面对各开关模式的工作情况进行具体分析：
t0时刻之前，开关管S1已经开通，S2、S3和S4关断，Q1、Q2的反并联二极管D1、D2导通，箝位二极管Dc1、Dc2关断，变压器二次侧Do1与Df导通，Do2关断。飞跨电容Css两端电压为E，Cs3、Cs4两端电压已充电至E。Lk中的能量一方面向电源E1回馈电能，另一方面通过变压器向负载传递能量。
开关模式1：(t0-t1)如图4所示，t0时刻开通S2，由于t0时刻以前，反并联二极管导通，所以S2为零电压零电流开通。Lk中的能量继续向电源回馈电能，同时通过变压器向负载提供能量。当Lk中的能量释放完毕时，D1、D2同时关断，此模式结束。
开关模式2：(t1-t2)如图5所示，t1时刻原边电流iLk降为零，开关管S1、S2开始流过正向电流，变压器一次侧电流iLk、二次侧电流iDo1开始线性上升，当iDo1上升到与滤波电感Lt1的电流iLt1相等时，iLt2下降到零，Df自然关断，此模式结束。
开关模式3：(t2-t3)如图6所示，Df关断后，负载电流全部流过Do1，一次侧电流iLk继续线性上升，电源E1通过变压器与整流电路向负载传递能量。当S1关断时，此模式结束。
开关模式4：(t3-t4)如图7所示，t3时刻关断S1，电容Cs4的能量开始向电容Cs1转移，Cs4开始放电，Cs1开始充电，由于Cs1的两端电压从零开始逐渐增加，所以S1为零电压关断。随着Cs4的电压降低，Css两端电压相应减小，二次侧整流输出电压ud也随之降低，当ud减小到ud＝U0NL时，Df自然导通，此模式结束。
开关模式5：(t4-t5)如图8所示，t4时刻Df开通，Df、Lt2开始流过负载电流，电容Cs4的能量继续向电容Cs1转移，Cs4电压继续下降，Cs1电压继续上升，当Cs1两端电压VCs1上升到E时，Dc1自然导通，此模式结束。
开关模式6：(t5-t6)如图9所示，t5时刻，Dc1导通，一次侧电压Vab为零，回路进入零状态。二次侧电流iDo1在ud的作用下线性下降，iLt2线性上升，同时一次侧电流iLk线性下降，如果在Dc1导通期间开通S4，则可实现S4零电压开通。
开关模式7：(t6-t7)如图10所示，t6时刻零电压开通S4，电源E2通过S4迅速给Css充电，当Css两端电压VCss被充电至E时，此模式结束。
开关模式8：(t7-t8)如图11所示，t7时刻，Css两端电压被充电至E，iDo1继续在ud的作用下线性下降。当iDo1减小到零时，整流二极管Do1自然关断，此模式结束。
开关模式9：(t8-t9)如图12所示，t8时刻，Do1关断，一次侧电流iLk通过S2、Lk，Lm和Dc1进行环流，负载电流Io通过Df、Lt2、Lt1进行环流。如果在环流流期间关断S2，由于S2的电流仅为变压器T的励磁电流iLm，所以S2几乎为零电流关断。
开关模式10：(t9-t10)如图13所示，t9时刻，零电流关断S2，Q4的反并联二极管D4自然导通，电容Cs3的能量开始向电容Cs2转移，电容Cs2开始充电、Cs3开始放电。当VCs2充电至NTud时，Do2导通，此模式结束。
开关模式11：(t10-t11)如图14所示，t10时刻，Do2导通，电容Cs3的能量继续向电容Cs2转移，Cs2电压继续上升，当Cs2的电压上升到E时，Dc1关断，D3自然开通。此模式结束。
开关模式12：(t11-t12)如图15所示，t11时刻，D3导通，Lk中的能量一方面通过二极管D3、D4向电源E2回馈能量，另一方面通过Do2向负载提供能量。如果在D3导通期间开通S3，S3为零电压零电流开通，电路进入下半个工作周期。由于回路的对称性，下半个工作周期的说明加以省略。

Claims (2)

1.一种新型三电平软开关变换器，其特征在于：该变换器包括分压电容、箝位电路、逆变器电路、高频变压器、整流网络和滤波及辅助电路；其中分压电容包括电解电容C1、C2和直流母线，箝位电路包括二极管Dc1和Dc2，逆变器电路包括开关管Q1～Q4和电容Cs1～Cs4，高频变压器选用单端变压器或二次侧为带中间抽头的变压器，整流网络包括二极管Do1和Do2，滤波及辅助电路包括电感Lt1、Lt2、电解电容Co和二极管Df；
两个电解电容C1、C2串联组成分压电容，C1的正极与直流母线的正极相连，C1的负极与C2的正极相连，C2的负极与直流母线的负极相连，产生两个仅为输入电压一半的电压源E1、E2；逆变器电路由四个开关管Q1～Q4串联而成，Q1的漏极/集电极与直流母线的正极相连，Q1的源极/放射极与Q2的漏极/集电极相连，Q2的源极/放射极与Q3的漏极/集电极相连，Q3的源极/放射极与Q4的漏极/集电极相连，Q4的源极/放射极与直流母线的负极相连，其中D1～D4为Q1～Q4的寄生二极管，Cs1～Cs4为Q1～Q4的并联电容即开关管结电容或外并电容；箝位电路由两个二极管Dc1和Dc2串联组成，Dc1的阴极与Q1的源极/放射极或Q2的漏极/集电极相连，Dc1的阳极与分压电容C1和C2的连接点相连，Dc2的阴极与分压电容C1和C2的连接点相连，Dc2的阳极与Q3的源极/放射极或Q4的漏极/集电极相连，另外在Dc1的阴极和Dc2的阳极之间跨接联结电容Css；高频变压器T可选用单端变压器或二次侧为带中间抽头的变压器，变压器励磁电感Lm并接于一次侧线圈两端，而变压器一次侧漏感Lk或可同时串联谐振电感的两端分别与一次侧同名端和Q2的源极/放射极或Q3的漏极/集电极相连，另外一次侧非同名端与分压电容C1和C2的连接点相连，二次侧与整流网络相连；整流网络是由带中间抽头的高频变压器与和两个二极管Do1、Do2组成的全波整流电路，Do1的阴极与整流输出端相连，Do1的阳极与变压器二次侧的同名端相连，Do2的阴极与整流输出端相连，Do2的阳极与变压器二次侧的非同名端相连或采用由单端变压器与和四个二极管Do1～Do4组成的桥式整流电路；滤波及辅助电路与整流网络输出端相连，包括带有抽头的平滑电感Lt1、Lt2和电解电容Co，Lt1、Lt2紧密结合，Lt1的同名端与整流输出端的正极相连，且同时与Lt2的非同名端相连，Lt1的非同名端与Co的正极或整体输出端的正极相连；Lt2的同名端与二极管Df的阴极相连，而Df的阳极与Co的负极或整体输出端的负极相连，当采用二次侧为带中间抽头的变压器时，同时与变压器二次侧的抽头相连。
2.根据权利要求1所述的新型三电平软开关变换器，其特征在于：所述的整个变换器在一个开关周期中有24种开关模式。
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