CN103138583A - 一种直流转换电路及隔离变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电力电子领域，提供了一种直流转换电路及隔离变换器，所述电路通过输入滤波电容Cin与直流源连接，包括：斩波单元，用于在接收控制信号后对直流电源进行斩波、移相处理，输出三相高频信号；高频变压单元，用于对所述三相高频信号进行电压转换，输出高频调制电压；整流滤波单元，用于对所述高频调制电压进行三相整流、滤波处理，输出直流转换电压。本发明实施例通过三相多桥臂对直流电源进行斩波、移相处理实现软开关技术，并利用高频变压器实现隔离，通过三相全桥整流得到直流转换电压，实现输入电压范围不受转换效率和功率级别的限制，在降低开关损耗的同时扩大电路的输入电压范围、提高转换效率和功率。
Description
技术领域
本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种直流转换电路及隔离变换器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，人们对电力电子装置的效率以及功率等性能要求日趋升高，特别是在直流变换装置中，通常采用PWM DC-DC全桥变换器或移相PWM DC-DC全桥变换器进行直流变换，但是PWM DC-DC全桥变换器为硬开关控制技术，其开关损耗大、电磁干扰严重，不符合目前社会低能耗的需求，而移相PWM DC-DC全桥变换器随能够实现主开关管的零开关工作状态，顺应了市场对直流变换装置小型化、高频化的发展趋势，但是，也存在着输入电压范围和变换器转换效率互相矛盾、功率级别受限的问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种直流转换电路，旨在解决现有移相直流转换电路的输入电压范围与转换效率矛盾、功率级别受限制的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种直流转换电路，通过输入滤波电容Cin与直流源连接，所述电路包括：
斩波单元，所述斩波单元的正输入端与所述直流源的正极连接，所述斩波单元的负输入端接地、并与所述直流源的负极连接，所述斩波单元的多个控制端与外部控制单元连接，用于在接收控制信号后对直流电源进行斩波、移相处理，输出三相高频信号；
高频变压单元，所述高频变压单元的多个输入端与所述移相控制单元的多个输出端连接，用于对所述三相高频信号进行电压转换，输出高频调制电压；
整流滤波单元，所述整流滤波单元的多个输入端与所述高频变压单元的多个输出端连接，所述整流滤波单元的正输出端、负输出端分别与负载连接，用于对所述高频调制电压进行三相整流、滤波处理，输出直流转换电压。
本发明实施例的另一目的在于提供一种包括上述直流转换电路的隔离变换器。
本发明实施例通过三相多桥臂对直流电源进行斩波、移相处理实现软开关技术，并利用高频变压器实现隔离，通过三相全桥整流得到直流转换电压，实现减小输入电压范围对转换效率的限制，同时提高转换功率应用级别，在降低开关损耗的同时扩大电路的输入电压范围、提高转换效率和功率，该电路结构紧凑、器件少、成本低、控制简单。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的直流转换电路的结构原理图；
图2为本发明一实施例提供的直流转换电路的第一示例电路结构图；
图3为本发明一实施例提供的直流转换电路的第一示例电路的信号波形图；
图4为本发明一实施例提供的直流转换电路的第二示例电路结构图；
图5为本发明一实施例提供的直流转换电路的第一示例电路的信号波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例通过三相多桥臂对直流电源进行斩波、移相处理实现软开关技术，实现输入电压范围不受转换效率和功率级别的限制，在降低开关损耗的同时扩大电路的输入电压范围、提高转换效率和功率。
图1示出了本发明一实施例提供的直流转换电路的结构原理，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
作为本发明一实施例，该直流转换电路适用于各种类型的直流隔离变换器中，该直流转换电路通过输入滤波电容Cin与直流源Uin连接，包括：
斩波单元11，该斩波单元11的正输入端与直流源Uin的正极连接，斩波单元11的负输入端接地、并与直流源的负极连接，斩波单元11的多个控制端与外部控制单元连接，用于在接收控制信号后对直流电源进行斩波、移相处理，输出三相高频信号；
高频变压单元12，该高频变压单元12的多个输入端与移相控制单元的多个输出端连接，用于对三相高频信号进行电压转换，输出高频调制电压；
整流滤波单元13，该整流滤波单元13的多个输入端与高频变压单元12的多个输出端连接，整流滤波单元13的正输出端、负输出端分别与负载连接，用于对高频调制电压进行三相整流、滤波处理，输出直流转换电压。
本发明实施例通过三相多桥臂对直流电源进行斩波、移相处理实现软开关技术，无需增加额外器件，不依赖于寄生参数，并利用高频变压器实现隔离，通过三相全桥整流得到直流转换电压，实现输入电压范围不受转换效率和功率级别的限制，在降低开关损耗的同时扩大电路的输入电压范围、提高转换效率和功率，该电路结构紧凑、器件少、成本低、控制简单。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细说明。
图2示出了本发明一实施例提供的直流转换电路的第一示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
作为本发明一实施例，斩波单元11包括：
第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103、第四开关管104、第五开关管105、第六开关管106；
第一开关管101的输入端、第三开关管103的输入端与第五开关管105的输入端连接均为斩波单元11的正输入端，第一开关管101的输出端与第二开关管102的输入端连接，第三开关管103的输出端与第四开关管104的输入端连接，第五开关管105的输出端与第六开关管106的输入端连接，第二开关管102的输出端、第四开关管104的输出端与第六开关管106的输出端连接均为斩波单元11的负输入端，第一开关管101的控制端至第六开关管106的控制端分别为斩波单元11的第一控制端至第六控制端。
作为本发明一实施例，第一开关管101至第六开关管106可以采用场效应管或绝缘栅双极型晶体管，以提高开关速度。
在本发明实施例中，第一开关管101至第六开关管106可以采用N型MOS管T1至N型MOS管T6，其中N型MOS管T1至N型MOS管T6的漏极分别为第一开关管101至第六开关管106的输入端，N型MOS管T1至N型MOS管T6的源级分别为第一开关管101至第六开关管106的输出端，N型MOS管T1至N型MOS管T6的栅极分别为第一开关管101至第六开关管106的控制端。
高频变压单元12可以采用多相高频变压器实现，在本发明实施例中采用三相高频变压器，该三相高频变压器的原边为高频变压单元12的输入端，三相高频变压器的副边为高频变压单元12的输出端，其利用三相之间的互感及磁路，达到更小的设计体积和成本，同时变压器可通过原副边匝比的控制，实现的DC-DC升压或者降压的功能。
整流滤波单元13包括：
二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、电感L1以及电容C1；
二极管D7的阳极、二极管D9的阳极、二极管D11的阳极分别为滤波整流单元的第一至第三输入端，二极管D7的阴极、二极管D9的阴极、二极管D11的阴极同时与电感L1的一端连接，电感L1的另一端为整流滤波单元13的正输出端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端为滤波整流单元的负输出端同时与二极管D8的阳极、二极管D10的阳极、二极管D12的阳极连接，二极管D8的阴极、二极管D10的阴极、二极管D12的阴极分别与二极管D7的阳极、二极管D9的阳极、二极管D11的阳极连接。
在本发明实施例中，斩波单元11可由三个半桥变换器组成，N型MOS管T1和N型MOS管T2组成A相半桥变换器，N型MOS管T3和N型MOS管T4组成B相半桥变换器，N型MOS管T5和N型MOS管T6组成C相半桥变换器，其中，N型MOS管T1和N型MOS管T2，N型MOS管T3和N型MOS管T4，N型MOS管T5和N型MOS管T6分别组成一对信号互补的半桥桥臂，在接收外部控制单元输出的开通或关断的驱动信号后相应呈现导通或者截止状态，参见图3，其中S1-S6为N型MOS管T1-N型MOS管T6的驱动信号的波形，当上管的N型MOS管T1、N型MOS管T3、N型MOS管T5获得开通信号而处于导通状态，此时下管的N型MOS管T2、N型MOS管T4、N型MOS管T6获得关断信号而处于截至状态，A、B、C三点的电压为输入正电压。当上管的N型MOS管T1、N型MOS管T3、N型MOS管T5获得关断信号而处于截止状态，此时下管的N型MOS管T2、N型MOS管T4、N型MOS管T6获得开通信号而处于导通状态，A、B、C三点的电压为输入负电压，A相半桥变换器和B相半桥变换器和C相半桥变换器的驱动频率和占空比相同，A相半桥变换器超前B相半桥变换器120°，B相半桥变换器超前C相半桥变换器120°，通过N型MOS管T1-N型MOS管T6调制后的波形为图3中UAB、UBC、UCA示出的交流波形，该波形可以通过高频变压单元12进行升压或降压输出交流高频调制电压Uab、Ubc、Uca，其波形参见图3，以及实现电气隔离的作用。在一个开关周期内，通过控制N型MOS管T1-N型MOS管T6的驱动信号使三相电路中的A相、B相、C相之间移相120°，使得电流在A相、B相、C相之间依次自然换相，可以实现开关管在零电流开通。
二极管D7到D12对高频变压器12输出的A、B、C三点的高频脉冲波形Uab、Ubc、Uca进行整流，将原来的交流分量转换为直流分量，该直流分量含有一定的高频成分。
电感L1和电容C1构成的高频滤波器为一个低通滤波器，根据其参数选择获得理想的带宽，通过该滤波器之后的脉动信号将被输出一个低纹波分量的直流电平，供给负载使用，通常由电感及电容组成一级或者多级的滤波器。
图4示出了本发明一实施例提供的直流转换电路的第二示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
作为本发明一实施例，斩波单元11还可以包括：
第七开关管107、第八开关管108、第九开关管109、第十开关管110、第十一开关管111、第十二开关管112、第十三开关管113、第十四开关管114、第十五开关管115、第十六开关管116、第十七开关管117、第十八开关管118；
第七开关管107的输入端、第九开关管109的输入端、第十一开关管111的输入端、第十三开关管113的输入端、第十五开关管115的输入端与第十八开关管118的输入端连接均为斩波单元11的正输入端，第七开关管107的输出端、第九开关管109的输出端、第十一开关管111的输出端、第十三开关管113的输出端、第十五开关管115的输出端、第十八开关管118的输出端分别与第八开关管108的输入端、第十开关管110的输入端、第十二开关管112的输入端、第十四开关管114的输入端、第十六开关管116的输入端、第十八开关管118的输入端连接，第八开关管108的输出端、第十开关管110的输出端、第十二开关管112的输出端、第十四开关管114的输出端、第十六开关管116的输出端与第十八开关管118的输出端连接均为斩波单元11的负输入端，第七开关管107的控制端至第十八开关管118的控制端分别为斩波单元11的第七控制端至第十八控制端。
作为本发明一实施例，第七开关管107至第十八开关管118可以采用场效应管或绝缘栅双极型晶体管，以提高开关速度。
在本发明实施例中，第七开关管107至第十八开关管118可以采用N型MOS管T7至N型MOS管T18，其中N型MOS管T7至N型MOS管T18的漏极分别为第七开关管107至第十八开关管118的输入端，N型MOS管T7至N型MOS管T18的源级分别为第七开关管107至第十八开关管118的输出端，N型MOS管T7至N型MOS管T18的栅极分别为第七开关管107至第十八开关管118的控制端。
作为本发明一实施例，高频变压单元12还可以采用多个单相高频变压器实现，在本发明实施例中，该高频变压单元12包括：
第一单相高频变压器121，第一单相高频变压器121的原边为高频变压单元的一输入端，第一单相高频变压器121的副边为高频变压单元的一输出端；
第二单相高频变压器122，第二单相高频变压器122的原边为高频变压单元的一输入端，第二单相高频变压器122的副边为高频变压单元的一输出端；
第三单相高频变压器123，第三单相高频变压器123的原边为高频变压单元的一输入端，第三单相高频变压器123的副边为高频变压单元的一输出端。
在本发明实施例中，斩波单元11由3个全桥变换器组成，N型MOS管T7和N型MOS管T8、N型MOS管上管T9和N型MOS管下管T10组成A相全桥变换器，N型MOS管上管T11和N型MOS管下管T12、N型MOS管上管T13和N型MOS管下管T14组成B相全桥变换器，N型MOS管上管T15和N型MOS管下管T16、N型MOS管上管T17和N型MOS管下管T18组成C相全桥变换器，每个全桥变换器分为超前臂和滞后臂组成，其中，A相全桥变换器的超前臂为N型MOS管T7和N型MOS管T8，B相全桥变换器的超前臂为N型MOS管T11和N型MOS管T12，C相全桥变换器的超前臂为N型MOS管T15和N型MOS管T16，A相全桥变换器的滞后臂为N型MOS管T9和N型MOS管T10，B相全桥变换器的滞后臂为N型MOS管T13和N型MOS管T14，C相全桥变换器的滞后臂为N型MOS管T17和N型MOS管T18，在N型MOS管T7至N型MOS管T18在接收控制单元输出的开通或关断的驱动信号后相应呈现导通或者截止状态，参见图5，其中S7-S18为N型MOS管T7-N型MOS管T18的驱动信号的波形，每个全桥变换器中，上管、下管输入互补的控制信号，占空比为50％，每个开关周期中，超前臂的信号超前滞后臂的信号一定角度，A相半桥变换器的起始相位超前B相半桥变换器120°，B相半桥变换器的起始相位超前C相半桥变换器120°。当A相半桥变换器超前臂的N型MOS管上管T7获得开通信号而处于导通状态，此时超前臂的N型MOS管T8获得关断信号而处于截至状态，A1点为输入正电压，反之则为负电压，当A相半桥变换器滞后臂的N型MOS管上管T9获得开通信号而处于导通状态，此时超前臂的N型MOS管T10获得关断信号而处于截至状态，A2点为输入正电压，反之则为负电压，当B相半桥变换器超前臂的N型MOS管上管T11获得开通信号而处于导通状态，此时超前臂的N型MOS管T12获得关断信号而处于截至状态，B1点为输入正电压，反之则为负电压，当B相半桥变换器滞后臂的N型MOS管上管T13获得开通信号而处于导通状态，此时超前臂的N型MOS管T14获得关断信号而处于截至状态，B2点为输入正电压，反之则为负电压，当C相半桥变换器超前臂的N型MOS管上管T15获得开通信号而处于导通状态，此时超前臂的N型MOS管T16获得关断信号而处于截至状态，C1点为输入正电压，反之则为负电压，当C相半桥变换器滞后臂的N型MOS管上管T17获得开通信号而处于导通状态，此时超前臂的N型MOS管T18获得关断信号而处于截至状态，C2点为输入正电压，反之则为负电压。
通过N型MOS管T7-T18调制后的波形为图5中UA1_A2、UB1_B2、UC1_C2示出的交流波形，该波形可以通过高频变压单元12进行升压或降压输出，以及实现电气隔离的作用。在一个开关周期内，通过控制N型MOS管T7-T18的驱动信号使三相电路中的A相、B相、C相之间相差120°，每个单相中的全桥电路的超前臂和滞后臂进行相移，可实现部分超前臂的零电流开关(Zero-Current-Switching，ZCS)和滞后臂的零电压开关(Zero-Voltage-Switching，ZVS)，减小滤波电感的纹波电流，并可以去掉该滤波电感，降低了副边二极管的震荡范围。
本发明实施例通过三相多桥臂对直流电源进行斩波、移相处理实现软开关技术，并利用高频变压器实现隔离，通过三相全桥整流得到直流转换电压，实现输入电压范围不受转换效率和功率级别的限制，在降低开关损耗的同时扩大电路的输入电压范围、提高转换效率和功率，该电路结构紧凑、器件少、成本低、控制简单。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直流转换电路，通过输入滤波电容Cin与直流源连接，其特征在于，所述电路包括：
斩波单元，所述斩波单元的正输入端与所述直流源的正极连接，所述斩波单元的负输入端接地、并与所述直流源的负极连接，所述斩波单元的多个控制端与外部控制单元连接，用于在接收控制信号后对直流电源进行斩波、移相处理，输出三相高频信号；
高频变压单元，所述高频变压单元的多个输入端与所述移相控制单元的多个输出端连接，用于对所述三相高频信号进行电压转换，输出高频调制电压；
整流滤波单元，所述整流滤波单元的多个输入端与所述高频变压单元的多个输出端连接，所述整流滤波单元的正输出端、负输出端分别与负载连接，用于对所述高频调制电压进行三相整流、滤波处理，输出直流转换电压。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述斩波单元包括：
第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管；
所述第一开关管的输入端、所述第三开关管的输入端与所述第五开关管的输入端连接均为所述斩波单元的正输入端，所述第一开关管的输出端与所述第二开关管的输入端连接，所述第三开关管的输出端与所述第四开关管的输入端连接，所述第五开关管的输出端与所述第六开关管的输入端连接，所述第二开关管的输出端、所述第四开关管的输出端与所述第六开关管的输出端连接均为所述斩波单元的负输入端，所述第一开关管的控制端至所述第六开关管的控制端分别为所述斩波单元的第一控制端至第六控制端。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述斩波单元包括：
第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管、第十五开关管、第十六开关管、第十七开关管、第十八开关管；
所述第七开关管的输入端、所述第九开关管的输入端、所述第十一开关管的输入端、所述第十三开关管的输入端、所述第十五开关管的输入端与所述第十七开关管的输入端连接均为所述斩波单元的正输入端，所述第七开关管的输出端、所述第九开关管的输出端、所述第十一开关管的输出端、所述第十三开关管的输出端、所述第十五开关管的输出端、所述第十七开关管的输出端分别与所述第八开关管的输入端、所述第十开关管的输入端、所述第十二开关管的输入端、所述第十四开关管的输入端、所述第十六开关管的输入端、所述第十八开关管的输入端连接，所述第八开关管的输出端、所述第十开关管的输出端、所述第十二开关管的输出端、所述第十四开关管的输出端、所述第十六开关管的输出端与所述第十八开关管的输出端连接均为所述斩波单元的负输入端，所述第七开关管的控制端至第十八开关管的控制端分别为所述斩波单元的第七控制端至第十八控制端。
4.如权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述第一开关管至第六开关管或所述第七开关管至第十八开关管为场效应管。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第一开关管至第六开关管分别为N型MOS管T1至N型MOS管T6，所述N型MOS管T1至N型MOS管T6的漏极分别为所述第一开关管至第六开关管的输入端，所述N型MOS管T1至N型MOS管T6的源级分别为所述第一开关管至第六开关管的输出端，所述N型MOS管T1至N型MOS管T6的栅极分别为所述第一开关管至第六开关管的控制端；
或所述第七开关管至第十八开关管为N型MOS管T7至N型MOS管T18，所述N型MOS管T7至N型MOS管T18的漏极分别为所述第七开关管至第十八开关管的输入端，所述N型MOS管T7至N型MOS管T18的源级分别为所述第七开关管至第十八开关管的输出端，所述N型MOS管T7至N型MOS管T18的栅极分别为所述第七开关管至第十八开关管的控制端。
6.如权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述第一开关管至第六开关管或所述第七开关管至第十八开关管为绝缘栅双极型晶体管。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述高频变压单元为三相高频变压器，所述三相高频变压器的原边为所述高频变压单元的输入端，所述三相高频变压器的副边为所述高频变压单元的输出端。
8.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述高频变压单元包括：
第一单相高频变压器，所述第一单相高频变压器的原边为所述高频变压单元的一输入端，所述第一单相高频变压器的副边为所述高频变压单元的一输出端；
第二单相高频变压器，所述第二单相高频变压器的原边为所述高频变压单元的一输入端，所述第二单相高频变压器的副边为所述高频变压单元的一输出端；
第三单相高频变压器，所述第三单相高频变压器的原边为所述高频变压单元的一输入端，所述第三单相高频变压器的副边为所述高频变压单元的一输出端。
9.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述整流滤波单元包括：
二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、电感L1以及电容C1；
所述二极管D7的阳极、所述二极管D9的阳极、所述二极管D11的阳极分别为所述滤波整流单元的第一至第三输入端，所述二极管D7的阴极、所述二极管D9的阴极、所述二极管D11的阴极同时与所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端为所述整流滤波单元的正输出端与所述电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端为所述滤波整流单元的负输出端同时与所述二极管D8的阳极、所述二极管D10的阳极、所述二极管D12的阳极连接，所述二极管D8的阴极、所述二极管D10的阴极、所述二极管D12的阴极分别与所述二极管D7的阳极、所述二极管D9的阳极、所述二极管D11的阳极连接。
10.一种隔离变换器，其特征在于，所述隔离变换器的直流转换电路为如权利要求1至9任一项所述的电路。
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