CN103746562A - 宽范围软开关三电平不对称半桥直流变换器、开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种宽负载范围ZVS二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器电路拓扑。它由2个输入电容Cin1、Cin2、4只自关断器件S1、S2、S3、S4、1个隔直电容CBL、1个变压器T1以及输出整流滤波单元组成。其改进点是：1）结构简单，采用4开关构造输入三电平，变压器原边所有开关器件仅承受Uin/2的电压应力；2）自关断器件S1、S2、S3、S4在全负载范围条件下均能实现零电压关断，装置整体效率高；3）控制简单，采用成熟直流开关电源控制方式，具有很强的实用性。该电路可广泛应用于直流开关电源领域。

Description

宽范围软开关三电平不对称半桥直流变换器、开关电源
技术领域
本发明涉及一种宽负载范围ZVS（零电压开关）二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器拓扑，该电路可用于直流开关电源领域。
背景技术
多电平技术是电力电子技术的热门技术。在电力电子应用中，受到器件电压定额的影响，电路中不可避免采用器件串联的结构形式，为了解决器件串联的静态、动态均压问题必须附加均压电路。随着均压电路的加入以及器件数量的增加，电路自然具备多种工作模式以及多个输出电平，通过工作模式的组合得到更好的输出特性。三电平直流变换器的研究始于1992年，该类型电路广泛应用于高压直流变换领域，中国专利200610096757是该类技术之一。该技术需要进一步解决的问题是如何拓宽自关断器件实现软开关的负载范围。
发明内容
本发明的目的是提出一种宽范围ZVS二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器，可实现较宽负载范围的零电压关断以及高电压直流变换。
本发明的技术解决方案是：
第一种宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器，其特殊之处是：
包括2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Do1～Do4，电感Lout，电容Cout；
S1的集电极与Cin1的一端联接于1，作为电路的正极输入端；
S1的发射极、S2的集电极以及Dcl1的阴极联接于2；
S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；
S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接与4；
CBL的另一端与T1原边绕组T1p的同名端连接于5；
T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6，作为电路的负极输入端；
Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7；
T1副边绕组T1s的同名端与输出整流滤波单元的Do1的阳极以及Do3的阴极联接与8；
T1副边绕组T1s的另一端与输出整流滤波单元的Do2的阳极以及Do4的阴极联接与9；
输出整流滤波单元的Do1和Do2的阴极与输出整流滤波单元的Lout的一端联接于10；
输出整流滤波单元的Lout的另一端与Cout的一端联接于11，作为电路正极输出端；
输出整流滤波单元的Do3和Do4的阳极与Cout的另一端联接于12，作为电路负极输出端。
第二种宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器，其特殊之处是：
包括2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括2个二极管Do1～Do2，电感Lout，电容Cout；
S1的集电极与Cin1的一端联接于1，作为电路的正极输入端；
S1的发射极、S2的集电极以及Dcl1的阴极联接于2；
S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；
S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接与4；
CBL的另一端与T1原边绕组T1p的同名端连接于5；
T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6，作为电路的负极输入端；
Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7；
高频变压器T1副边绕组为两组串行联接的副边绕组；
Do1的阳极与T1副边绕组T1s1的同名端联接于8；
Do2的阳极与T1副边绕组T1s2的同名端联接于9；
Do1和Do2的阴极与Lout的一端联接于10；
Lout的另一端与Cout的一端联接于11，作为电路的正极输出端；
T1副边绕组T1s1的另一端、T1副边绕组T1s2的另一端与Cout的另一端联接于12，作为电路的负极输出端。
第一种应用本发明直流变换器的开关电源，其特殊之处是：
包括二极管整流电路、电感Lin、宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器；
所述宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器包括2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Do1～Do4，电感Lout，电容Cout；
二极管整流电路的交流侧接三相交流电源；
二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接；
电感Lin的另一端、S1的集电极与Cin1的一端联接于1；
S1的发射极、S2的集电极以及Dcl1的阴极联接于2；
S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；
S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接与4；
CBL的另一端与T1原边绕组T1p的同名端连接于5；
二极管整流电路的直流侧负极、T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6；
Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7；
T1副边绕组T1s的同名端与输出整流滤波单元的Do1的阳极以及Do3的阴极联接与8；
T1副边绕组T1s的另一端与输出整流滤波单元的Do2的阳极以及Do4的阴极联接与9；
输出整流滤波单元的Do1和Do2的阴极与输出整流滤波单元的Lout的一端联接于10；
输出整流滤波单元的Lout的另一端与Cout的一端联接于11，作为开关电源正极输出端；
输出整流滤波单元的Do3和Do4的阳极与Cout的另一端联接于12，作为开关电源负极输出端。
第二种应用本发明直流变换器的开关电源，其特殊之处是：
包括二极管整流电路、电感Lin、宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器；
所述宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器包括2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括2个二极管Do1～Do2，电感Lout，电容Cout；
二极管整流电路的交流侧接三相交流电源；
二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接；
电感Lin的另一端、S1的集电极与Cin1的一端联接于1；
S1的发射极、S2的集电极以及Dcl1的阴极联接于2；
S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；
S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接与4；
CBL的另一端与T1原边绕组T1p的同名端连接于5；
二极管整流电路的直流侧负极、T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6；
Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7；
高频变压器T1副边绕组为两组串行联接的副边绕组；
Do1的阳极与T1副边绕组T1s1的同名端联接于8；
Do2的阳极与T1副边绕组T1s2的同名端联接于9；
Do1和Do2的阴极与Lout的一端联接于10；
Lout的另一端与Cout的一端联接于11，作为电路的正极输出端；
T1副边绕组T1s1的另一端、T1副边绕组T1s2的另一端与Cout的另一端联接于12，作为电路的负极输出端。
本发明的优点：
1、本发明自关断器件S1、S2与S3、S4在工作过程中对称导通，换流时间仅仅是S1、S2与S3、S4之间的死去时间，变压器的激磁电流可满足开关管换流所需的能量，因此该电路在全负载范围条件下均能实现零电压关断，装置整体效率高。
2、本发明变压器原边所有开关器件仅承受Uin/2的电压应力，可实现高电压直流变换。
3、本发明采用4开关构造输入三电平，结构简单。
4、本发明采用成熟直流开关电源控制方式，控制简单，具有很强的实用性，可广泛应用于直流开关电源领域。
附图说明
图1是本发明的电路结构图。
图2是本发明的电路结构图。
图3是实施例中变压器副边工作在(1-D)*Uin/k模式下导通原理图。
图4是实施例中变压器副边工作在-D*Uin/k模式下导通原理图。
图5是实施例中变压器副边D=0.5时的输出波形原理示意图。
图6是实施例中变压器副边D=0.25时的输出波形原理示意图。
图7是实施例1的电路结构图。
具体实施方式
一种宽负载范围ZVS二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器电路拓扑，其变压器原边电路特征是：输入侧含有2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL以及1个高频变压器T1。S1的集电极与Cin1的一端联接于1；S1的发射极、S2的集电极、Dcl1的阴极联接于2；S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接于4；CBL的另一端与变压器T1原边绕组T1p的同名端连接于5；T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6；Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7。
变压器副边有两种电路结构。
其一是：T1副边绕组T1s的同名端与Do1的阳极以及Do3的阴极联接与8；T1副边绕组T1s的另一端与Do2的阳极以及Do4的阴极联接与9；Do1和Do2的阴极与Lout的一端联接于10；Lout的一端与Cout的一端联接于11；Do3和Do4的阳极与Cout的另一端联接于12。
其二是：变压器T1有两组绕组输出，副边绕组串行联接；Do1的阳极与T1副边绕组T1s1的同名端联接于8；Do2的阳极与T1副边绕组T1s2的同名端联接于9；Do1和Do2的阴极与Lout的一端联接于10；Lout的一端与Cout的一端联接于11；T1副边绕组T1s1的同名端、T1副边绕组T1s2的同名端与Cout的另一端联接于12。
实施例1
本例是采用宽负载范围ZVS二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器的开关电源主电路拓扑。
参见图7，三相交流电源经过二极管整流电路Din1-Din6变成直流，直流侧正极经过电感Lin与所述电路的1端联接；直流侧的负极与所述电路的6端相连。
电路工作时CBL两端电压可控制为D*Uin，D为S1和S2一起导通的占空比，其主要工作状态简述如下：
参见图3，开关S1、S2导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为(1-D)*Uin，变压器副边输出(1-D)*Uin/k电平；
参见图4，开关S3、S4导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为-D*Uin，变压器副边输出-D*Uin/k电平；
参见图5，为该电路变压器副边在D=0.5时的输出波形。
参见图6，为该电路变压器副边在D=0.25时的输出波形。

Claims (4)

1.一种宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器，其特征在于：
包括2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Do1～Do4，电感Lout，电容Cout；
S1的集电极与Cin1的一端联接于1，作为电路的正极输入端；
S1的发射极、S2的集电极以及Dcl1的阴极联接于2；
S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；
S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接与4；
CBL的另一端与T1原边绕组T1p的同名端连接于5；
T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6，作为电路的负极输入端；
Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7；
T1副边绕组T1s的同名端与输出整流滤波单元的Do1的阳极以及Do3的阴极联接与8；
T1副边绕组T1s的另一端与输出整流滤波单元的Do2的阳极以及Do4的阴极联接与9；
输出整流滤波单元的Do1和Do2的阴极与输出整流滤波单元的Lout的一端联接于10；
输出整流滤波单元的Lout的另一端与Cout的一端联接于11，作为电路正极输出端；
输出整流滤波单元的Do3和Do4的阳极与Cout的另一端联接于12，作为电路负极输出端。
2.一种宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器，其特征在于：
包括2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；
S1的集电极与Cin1的一端联接于1，作为电路的正极输入端；所述输出整流滤波单元包括2个二极管Do1～Do2，电感Lout，电容Cout；
S1的发射极、S2的集电极以及Dcl1的阴极联接于2；
S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；
S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接与4；
CBL的另一端与T1原边绕组T1p的同名端连接于5；
T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6，作为电路的负极输入端；
Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7；
高频变压器T1副边绕组为两组串行联接的副边绕组；
Do1的阳极与T1副边绕组T1s1的同名端联接于8；
Do2的阳极与T1副边绕组T1s2的同名端联接于9；
Do1和Do2的阴极与Lout的一端联接于10；
Lout的另一端与Cout的一端联接于11，作为电路的正极输出端；
T1副边绕组T1s1的另一端、T1副边绕组T1s2的另一端与Cout的另一端联接于12，作为电路的负极输出端。
3.一种开关电源，其特征在于：
包括二极管整流电路、电感Lin、宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器；
所述宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器包括2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Do1～Do4，电感Lout，电容Cout；
二极管整流电路的交流侧接三相交流电源；
二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接；
电感Lin的另一端、S1的集电极与Cin1的一端联接于1；
S1的发射极、S2的集电极以及Dcl1的阴极联接于2；
S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；
S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接与4；
CBL的另一端与T1原边绕组T1p的同名端连接于5；
二极管整流电路的直流侧负极、T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6；
Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7；
T1副边绕组T1s的同名端与输出整流滤波单元的Do1的阳极以及Do3的阴极联接与8；
T1副边绕组T1s的另一端与输出整流滤波单元的Do2的阳极以及Do4的阴极联接与9；
输出整流滤波单元的Do1和Do2的阴极与输出整流滤波单元的Lout的一端联接于10；
输出整流滤波单元的Lout的另一端与Cout的一端联接于11，作为开关电源正极输出端；
输出整流滤波单元的Do3和Do4的阳极与Cout的另一端联接于12，作为开关电源负极输出端。
4.一种开关电源，其特征在于：
包括二极管整流电路、电感Lin、宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器；
所述宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器包括2个输入电容Cin1、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dcl1、Dcl2，1个隔直电容CBL，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括2个二极管Do1～Do2，电感Lout，电容Cout；
二极管整流电路的交流侧接三相交流电源；
二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接；
电感Lin的另一端、S1的集电极与Cin1的一端联接于1；
S1的发射极、S2的集电极以及Dcl1的阴极联接于2；
S2的发射极、S3的集电极以及CBL的一端联接于3；
S3的发射级、S4的集电极以及Dcl2的阳极联接与4；
CBL的另一端与T1原边绕组T1p的同名端连接于5；
二极管整流电路的直流侧负极、T1原边绕组T1p的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6；
Cin1的另一端、Cin2的另一端、Dcl1的阳极以及Dcl2的阴极联接于7；
高频变压器T1副边绕组为两组串行联接的副边绕组；
Do1的阳极与T1副边绕组T1s1的同名端联接于8；
Do2的阳极与T1副边绕组T1s2的同名端联接于9；
Do1和Do2的阴极与Lout的一端联接于10；
Lout的另一端与Cout的一端联接于11，作为电路的正极输出端；
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