CN103595259B - 双变压器串并联隔离软开关直流变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双变压器串并联式隔离型软开关直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。该变换器由输入源(Uin)、第一和第二输入分压电容(Cin1、Cin2)、第一至第六开关管(S1～S6)、滤波电感(Lf)、两个变压器(T1、T2)、隔直电容(Cb)、第一至第四二极管(D1～D4)、输出滤波电容(Co)和负载(Ro)构成；该变换器通过开关管的移相控制实现输出电压的控制；本发明变换器中的两个变压器原边采用串联结构、副边采用并联结构，大大减小了器件的电压和电流应力，特别适合高压输入、低压大电流输出场合；变换器具有在整个负载范围内实现所有开关管软开关的能力，可以实现高频、高效率功率变换，有效减小电感和变压器的体积，实现高功率密度，且控制简单、可靠性高、易于实现。

Description

双变压器串并联隔离软开关直流变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及双变压器串并联隔离软开关直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
隔离型变换器适用于输入输出要求电气隔离的应用场合，在新能源发电、工业、民用、航空航天等各个领域具有广泛的应用。
传统的隔离型直流变换器，例如正激变换器、反激变换器、推挽变换器、半桥变换器、全桥变换器等虽然能够实现电气隔离的功率变换，但普遍存在以下问题：开关器件的电压应力高，特别是变换器副边整流二极管的电压应力远高于输出电压；变压器漏感引起的开关器件的电压尖峰和震荡，进一步加剧了开关器件的应力、降低了可靠性和效率。此外，传统的直流变换器通常不能实现开关管的软开关，限制了变换器的效率。虽然全桥变换器通过采用移相控制可以在特定负载和输入输出电压条件下实现软开关，但是其代价是增加了变换器的导通损耗，特别是漏感引起的环流损耗，当输入电压降低时，环流损耗将急剧增加，此外，移相全桥变换器在轻载时也无法实现软开关。
传统隔离变换器中，其输入侧开关器件最低电压应力通常为输入电压，这限制了其在更高电压场合的应用。通过多个变换器的串并联组合连接，可以解决高压输入、大电流输出等应用场合的器件电压、电流应力过大问题，但是其各个变换器本身是独立的，为了保证整个系统的正常工作，需要加入均压均流等控制环节，增加了控制系统的复杂性、降低了可靠性。另一方面，变换器模块的串并联组合并没有减少每个模块中所用开关器件的数量，这也会导致系统所用器件数量多、体积重量大等问题。
发明内容
发明目的：
本发明针对现有技术的不足，提供一种双变压器串并联隔离软开关直流变换器及其控制方法。
技术方案：
本发明采用以下技术方案：
所述双变压器串并联隔离软开关直流变换器由输入源(Uin)、第一输入分压电容(Cin1)、第二输入分压电容(Cin2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、滤波电感(Lf)、隔直电容(Cb)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、输出滤波电容(Co)和负载(Ro)构成，其中第一变压器(T1)包括第一原边绕组(NP1)和第一副边绕组(NS1)，第二变压器(T2)包括第二原边绕组(NP2)和第二副边绕组(NS2)；所述输入源(Uin)的正极连于第一输入分压电容(Cin1)的一端和第一开关管(S1)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极和滤波电感(Lf)的一端，滤波电感(Lf)的另一端连于第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的同名端，第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的非同名端连于隔直电容(Cb)的一端，隔直电容(Cb)的另一端连于第三开关管(S3)的源极和第四开关管(S4)的漏极，第四开关管(S4)的源极连于第二输入分压电容(Cin2)的一端和输入源(Uin)的负极，第二输入分压电容(Cin2)的另一端连于第一输入分压电容(Cin1)的另一端、第二开关管(S2)的源极和第三开关管(S3)的漏极；所述第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的同名端连于第五开关管(S5)的漏极和第六开关管(S6)的源极，第六开关管(S6)的漏极连于第一二极管(D1)的阴极、第三二极管(D3)的阴极、输出滤波电容(Co)的一端和负载(Ro)的一端，负载(Ro)的另一端连于输出滤波电容(Co)的另一端、第二二极管(D2)的阳极、第四二极管(D4)的阳极和第五开关管(S5)的源极，第二二极管(D2)的阴极连于第一二极管(D1)的阳极、第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的非同名端和第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的非同名端，第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的同名端连于第三二极管(D3)的阳极和第四二极管(D4)的阴极。
本发明所述双变压器串并联隔离软开关直流变换器中，所述滤波电感(Lf)可以由第一变压器(T1)和第二变压器(T2)的漏感代替。
本发明所述双变压器串并联隔离软开关直流变换器中，第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第五开关管(S5)和第六开关管(S6)互补导通，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的占空比相等，第一开关管(S1)和第四开关管(S4)同时导通、同时关断，第二开关管(S2)和第三开关管(S3)同时导通、同时关断，第一开关管(S1)的开通时刻不晚于第六开关管(S6)的开通时刻，第三开关管(S3)的开通时刻不晚于第五开关管(S5)的开通时刻，通过调节第一开关管(S1)和第六开关管(S6)开通时刻之间的移相角实现输出电压的控制。
本发明具有如下技术效果：
(1)变换器原边开关器件的电压应力为输入电压的一半，副边开关器件的电压应力等于输出电压，器件电压应力低；
(2)两个变压器原边绕组串联、副边绕组并联，两变压器电流能够自然均流；
(3)串并联结构使得其适合高压输入、低压大电流输出应用场合；
(4)变换器中所有开关器件能够在全负载范围内实现软开关，变换效率高；
(5)变压器的漏感得到有效利用，不存在漏感引起的环流或电压尖峰问题；
(6)拓扑结构简洁、控制简单。
附图说明
附图1是本发明双变压器串并联隔离软开关直流变换器的电路原理图；
附图2是本发明双变压器串并联隔离软开关直流变换器在电感电流连续工作模式下的主要波形图；
附图3～附图7是本发明双变压器串并联隔离软开关直流变换器在电感电流连续工作模式下各开关模态的等效电路图；
附图8是本发明双变压器串并联隔离软开关直流变换器在电感电流断续工作模式下的主要波形图；
附图9～附图13是本发明双变压器串并联隔离软开关直流变换器在电感电流断续工作模式下各开关模态的等效电路图；
以上附图中的符号名称：Uin为输入源；Lf为滤波电感；T1和T2分别为第一和第二变压器；NP1和NS1分别为变压器(T1)的原边绕组和副边绕组；NP2和NS2分别为变压器(T2)的原边绕组和副边绕组；Cin1和Cin2分别为第一和第二输入分压电容；Cb为隔直电容；S1、S2、S3、S4、S5和S6分别为第一、第二、第三、第四、第五和第六开关管；D1、D2、D3和D4分别为第一、第二、第三和第四二极管；Co为输出滤波电容；Ro为负载；Uo为输出电压；uDS1和uDS6分别为第一开关管(S1)和第六开关管(S6)的漏极和源极之间的电压；uNS1为变压器(T1)副边绕组(NS1)同名端和非同名端之间的电压；iLf为滤波电感(Lf)的电流；iS1、iS2、iS3和iS4分别为流入第一、第二、第三和第四开关管漏极的电流；t、t0、t1、t2、t3、t4和t5为时间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如附图1所示，本发明所述双变压器串并联隔离软开关直流变换器由输入源(Uin)、第一输入分压电容(Cin1)、第二输入分压电容(Cin2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、滤波电感(Lf)、隔直电容(Cb)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、输出滤波电容(Co)和负载(Ro)构成，其中第一变压器(T1)包括第一原边绕组(NP1)和第一副边绕组(NS1)，第二变压器(T2)包括第二原边绕组(NP2)和第二副边绕组(NS2)；所述输入源(Uin)的正极连于第一输入分压电容(Cin1)的一端和第一开关管(S1)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极和滤波电感(Lf)的一端，滤波电感(Lf)的另一端连于第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的同名端，第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的非同名端连于隔直电容(Cb)的一端，隔直电容(Cb)的另一端连于第三开关管(S3)的源极和第四开关管(S4)的漏极，第四开关管(S4)的源极连于第二输入分压电容(Cin2)的一端和输入源(Uin)的负极，第二输入分压电容(Cin2)的另一端连于第一输入分压电容(Cin1)的另一端、第二开关管(S2)的源极和第三开关管(S3)的漏极；所述第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的同名端连于第五开关管(S5)的漏极和第六开关管(S6)的源极，第六开关管(S6)的漏极连于第一二极管(D1)的阴极、第三二极管(D3)的阴极、输出滤波电容(Co)的一端和负载(Ro)的一端，负载(Ro)的另一端连于输出滤波电容(Co)的另一端、第二二极管(D2)的阳极、第四二极管(D4)的阳极和第五开关管(S5)的源极，第二二极管(D2)的阴极连于第一二极管(D1)的阳极、第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的非同名端和第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的非同名端，第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的同名端连于第三二极管(D3)的阳极和第四二极管(D4)的阴极。
在具体实施时，滤波电感(Lf)可以全部或者部分由两个变压器(T1、T2)的漏感代替，这表明变压器的漏感将得到有效利用，而且漏感用作了能量传输电感后，该变换器不再存在串通隔离变换器中漏感引起的电压尖峰或者损耗问题。
本发明所述双变压器串并联隔离软开关直流变换器在具体实施时采取如下控制方法，第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第五开关管(S5)和第六开关管(S6)互补导通，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的占空比相等，第一开关管(S1)和第四开关管(S4)同时导通、同时关断，第二开关管(S2)和第三开关管(S3)同时导通、同时关断，第一开关管(S1)的开通时刻不晚于第六开关管(S6)的开通时刻，第三开关管(S3)的开通时刻不晚于第五开关管(S5)的开通时刻，通过调节第一开关管(S1)和第六开关管(S6)开通时刻之间的移相角实现输出电压的控制。
在具体实施时，第一开关管(S1)与第二开关管(S2)的开关信号之间必须设置合理的死区时间以实现第一开关管(S1)与第二开关管(S2)的软开关，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)的开关信号之间必须设置合理的死区时间以实现第三开关管(S3)与第四开关管(S4)的软开关，第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的开关信号之间也需要设置合适的死区时间。
在具体实施时，所有的开关管应选用带有寄生体二极管的半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管等。如果所选用的开关管不带有寄生体二极管，则应该在其漏极和源极两端反并联二极管。
从附图1所示的本发明双变压器串并联隔离软开关直流变换器的电路结构可以直观的看出，该变换器原边的开关器件都被输入分压电容钳位，即其电压应力仅等于输入电压的一半，而变换器副边的开关器件都直接被输出电压钳位，也即其电压应力就等于输出电压，原边和副边的所有开关器件都不存在电压尖峰问题，开关器件的电压应力低。
假设所有电感、电容、开关管和二极管都为理想器件，忽略所有电容上的电压纹波。根据电感(Lf)的工作状态，本发明双变压器串并联隔离软开关直流变换器(以下简称变换器)可以工作于电感电流连续模式或电感电流断续模式。下面分别分析变换器在两种工作模式下的工作原理。
当输出功率较大时变换器通常工作在电感电流连续模式。附图2是变换器在电感电流连续模式下的主要工作波形。在该模式下，半个开关周期内共有五种开关模态。
开关模态1[t0，t1]：t0时刻之前，开关管S2、S3和S5导通，二极管D1和D4导通，滤波电感Lf电流iLf为负值，输入源Uin经滤波电感Lf向负载传输功率；t0时刻，S2、S3关断，滤波电感Lf的电流换向到S1和S4的体二极管中，开关管S1和S4的电压降为0，因此，S1和S4具备了零电压开通的条件，同时，滤波电感Lf的电流iLf在输入输出电压的作用下线性减小，该模态等效电路如附图3所示。
开关模态2[t1，t2]：t1时刻，开关管S1和S4零电压开通，滤波电感Lf电流继续减小，直到t2时刻iLf减小到0，二极管D1和D4自然关断，该模态等效电路如附图4所示。
开关模态3[t2，t3]：t2时刻开始，滤波电感Lf电流iLf从零开始线性增加，二极管D2和D3导通且电流从零开始增加，输入源向负载传输功率，该模态结束，该模态等效电路如附图5所示。值得注意的是，该模态持续的时间越长，电感电流的峰值越大，变换器能够向负载传输的功率越大，也即变换器输出电压或输出功率与该模态的持续时间成正比。
开关模态4[t3，t4]：t3时刻，开关管S5关断，变压器副边电流换向到开关管S6的体二极管中，开关管S6的漏源电压降为零，为S6的零电压开通创造了条件，该模态等效电路如附图6所示。
开关模态5[t4，t5]：t4时刻，S6零电压开通，输入源经滤波电感Lf和两个变压器向负载传输功率，该模态等效电路如附图7所示。
t5时刻后，下半开关周期开始，工作过程类似，不再重复叙述。
总结电感电流连续模式下的工作过程可知，电感电流连续模式下，所有的开关管都能够实现零电压开通，两个二极管的电流都是自然减小到0、自然从0开始增加，因此不存在二极管反向恢复问题，因此，所有的开关器件都是软开关工作状态。此外，在电感电流连续模式下，所有的开关模态下输入源都在向负载传输功率，这可以保证负载侧电流的连续性，有利于减小输出电压和电流脉动。
当输出功率较低时变换器通常工作在电感电流断续模式。附图8是变换器在电感电流断续模式下的主要工作波形。在该模式下，半个开关周期内共有五种开关模态。
开关模态1[t0，t1]：t0时刻之前，开关管S2、S3和S5导通，但是由于电感Lf电流iLf已经降为0，流过所有开关管的电流都为0，副边的所有二极管都处于关断状态，虽然开关管S5导通，但是无电流流过。t0时刻，S2和S3关断，电感Lf电流仍维持在0状态，该模态变换器等效电路如附图9所示。
开关模态2[t1，t2]：t1时刻，开关管S1和S4零电流开通，电感Lf电流从0开始线性增加，开关管S1和S4和S5的电流都从零逐渐增加，二极管D2和D3自然导通，其电流也是从零开始增加，该模态等效电路如附图10所示。
开关模态3[t2，t3]：t2时刻，开关管S5关断，变压器副边电流换向到开关管S6的体二极管中，开关管S6的漏源电压降为零，为S6的零电压开通创造了条件，该模态等效电路如附图11所示。
开关模态4[t3，t4]：t3时刻，开关管S6零电压开通，输入源经滤波电感Lf和两个变压器向负载传输功率，电感电流线性减小，该模态等效电路如附图12所示。
开关模态5[t4，t5]：t4时刻，电感Lf电流自然减小到0，二极管D2和D3自然关断，该模态原副边之间无功率传输，该模态等效电路如附图13所示。
t5时刻后，下半开关周期开始，工作过程类似，不再重复叙述。
总结电感电流断续模式下的工作过程可知，电感电流断续模式下，变换器原边的四个开关管都能够自然实现零电流开通，副边的两个开关管都能够自然实现零电压开通，所有二极管的电流都是自然减小到0、自然从0开始增加，因此不存在二极管反向恢复问题，因此，所有的开关器件也都是软开关工作状态。

Claims (3)

1.一种双变压器串并联式隔离型软开关直流变换器，其特征在于：
所述双变压器串并联式隔离型软开关直流变换器由输入源(Uin)、第一输入分压电容(Cin1)、第二输入分压电容(Cin2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、滤波电感(Lf)、隔直电容(Cb)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、输出滤波电容(Co)和负载(Ro)构成，其中第一变压器(T1)包括第一原边绕组(NP1)和第一副边绕组(NS1)，第二变压器(T2)包括第二原边绕组(NP2)和第二副边绕组(NS2)；
所述输入源(Uin)的正极连于第一输入分压电容(Cin1)的一端和第一开关管(S1)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极和滤波电感(Lf)的一端，滤波电感(Lf)的另一端连于第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的同名端，第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的非同名端连于隔直电容(Cb)的一端，隔直电容(Cb)的另一端连于第三开关管(S3)的源极和第四开关管(S4)的漏极，第四开关管(S4)的源极连于第二输入分压电容(Cin2)的一端和输入源(Uin)的负极，第二输入分压电容(Cin2)的另一端连于第一输入分压电容(Cin1)的另一端、第二开关管(S2)的源极和第三开关管(S3)的漏极；
所述第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的同名端连于第五开关管(S5)的漏极和第六开关管(S6)的源极，第六开关管(S6)的漏极连于第一二极管(D1)的阴极、第三二极管(D3)的阴极、输出滤波电容(Co)的一端和负载(Ro)的一端，负载(Ro)的另一端连于输出滤波电容(Co)的另一端、第二二极管(D2)的阳极、第四二极管(D4)的阳极和第五开关管(S5)的源极，第二二极管(D2)的阴极连于第一二极管(D1)的阳极、第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的非同名端和第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的非同名端，第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的同名端连于第三二极管(D3)的阳极和第四二极管(D4)的阴极。
2.一种基于权利要求1的双变压器串并联式隔离型软开关直流变换器，其特征在于：所述滤波电感(Lf)可以由第一变压器(T1)和第二变压器(T2)的漏感代替。
3.一种基于权利要求1所述的双变压器串并联式隔离型软开关直流变换器的控制方法，其特征在于：
所述第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第五开关管(S5)和第六开关管(S6)互补导通，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的占空比相等，第一开关管(S1)和第四开关管(S4)同时导通、同时关断，第二开关管(S2)和第三开关管(S3)同时导通、同时关断，第一开关管(S1)的开通时刻不晚于第六开关管(S6)的开通时刻，第三开关管(S3)的开通时刻不晚于第五开关管(S5)的开通时刻，通过调节第一开关管(S1)和第六开关管(S6)开通时刻之间的移相角实现输出电压的控制。
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