CN103986325A - 双自举三电平Zeta变换器 - Google Patents

Abstract

双自举三电平Zeta变换器，属于电力电子变换器技术领域。本发明是为了解决现有利用加入变压器或利用级联的方式在直流变换器主电路的拓扑结构上进行改变时，不要求隔离的变换电路和级联变换器中的损耗高、设备体积大且成本高的问题。本发明所述的本发明所述的双自举三电平Zeta变换器，在原有两电平Zeta变换器电路拓扑结构的基础上，加入带有辅助开关的开关电感电路，从而提高直流变换器的转换比，在与传统的增加变压器和n个电路级联实现相同的效果的情况下，本发明所述的双自举三电平Zeta变换器的开关损耗为n个电路级联的情况下的3/2n，同时减少了变压器设备，使总设备体积减小，并且节约成本。本发明适用于在直流变换器主电路的拓扑结构上进行改变。

Description

双自举三电平Zeta变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

目前，直流变换器广泛的应用在电动汽车、电动清洁车、手机以及可再生能源系统和不间断电源中的电池备份系统中。尽管传统的两电平直流变换器应用广泛、技术成熟，但其输出电压受电路拓扑结构的限制而无法实现较高的电压转换比；此外，在输出电压幅值较高的情况下，开关两端所受电压应力较大，对储能元件的值要求也较高。由于存在着这些因素的限制，传统的两电平直流变换器无法完全满足在应用中的要求。

现有的传统的直流变换器的输出电压与输入电压的关系严格的受到了功率开关和电路的拓扑结构的限制。为了提高电路的转换比，只能在原有直流变换器主电路的拓扑结构上进行改变。传统的做法是在电路的结构上加入变压器或者是通过n个单元进行级联的方式来实现。然而，在并不要求隔离的变换电路中，加入变压器会增加费用、设备的体积以及损耗；级联变换器也并不符合能量转换和经济性的目标。

发明内容

本发明是为了解决现有利用加入变压器或利用级联的方式在直流变换器主电路的拓扑结构上进行改变时，不要求隔离的变换电路和级联变换器中的损耗高、设备体积大且成本高的问题，现提供双自举三电平Zeta变换器。

双自举三电平Zeta变换器，它包括：电源、一号电容、二号电容、三号电容、四号电容、五号电容、六号电容、七号电容、一号开关管、二号开关管、三号开关管、一号电感、二号电感、三号电感、电阻、一号二极管、二号二极管、三号二极管、四号二极管、五号二极管和六号二极管；

电源的正极同时连接一号电容的一端和一号开关管的源极，

一号开关管的漏极同时连接一号电感的一端、三号二极管的正极、二号二极管的正极和五号电容的一端，

五号电容的另一端同时连接五号二极管的负极和三号电感的一端，

三号电感的另一端同时连接七号电容的一端和电阻的一端，

电源的负极同时连接二号电容的一端和二号开关管的漏极，

二号开关管的源极同时连接一号二极管的负极、四号二极管的负极、二号电感的一端和六号电容的一端，

六号电容的另一端同时连接六号二极管的正极、七号电容的另一端和电阻的另一端，

一号电容的另一端和二号电容的另一端同时连接五号二极管的正极和六号二极管的负极，

一号电感的另一端和一号二极管的正极同时连接三号电容的一端，

三号电容的另一端同时连接三号二极管的负极和三号开关管的源极，

三号开关管的漏极同时连接四号电容的一端和四号二极管的正极，

四号电容的另一端同时连接二号二极管的负极和二号电感的另一端。

本发明所述的双自举三电平Zeta变换器，在原有两电平Zeta变换器电路拓扑结构的基础上，加入带有辅助开关的开关电感电路，从而提高直流变换器的转换比，在与传统的增加变压器和n个电路级联实现相同的效果的情况下，本发明所述的双自举三电平Zeta变换器的开关损耗为n个电路级联的情况下的3/2n，同时减少了变压器设备，使总设备体积减小，并且节约成本。

同时本发明所述的双自举三电平Zeta变换器，保留了能够实现提高直流变换器的转换比的优点，三电平电路在同两电平电路输出电压相同的情况下，开关管和二极管的电压应力均为两电平电路的开关管和二极管电压应力的一半，储能元件也减小了50％；在开关频率相同，电感电流脉动和电容电压脉动也相同的情况下，储能元件比其原型电路减小了50％。

附图说明

图1为本发明所述的双自举三电平Zeta变换器主电路的拓扑结构示意图；

图2为Zeta变换器双自举两电平主电路的拓扑结构示意图；

图3为一号开关管两端输出电压的波形图；

图4为五号二极管和六号二极管两端输出电压的波形图；

图5为本发明所述的双自举三电平Zeta变换器输出电压的波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的双自举三电平Zeta变换器，它包括：电源Vin、一号电容Cd1、二号电容Cd2、三号电容Cb1、四号电容Cb2、五号电容Cb3、六号电容Cb4、七号电容Cf、一号开关管S1、二号开关管S2、三号开关管S3、一号电感L1、二号电感L2、三号电感L3、电阻Rf、一号二极管VD1、二号二极管VD2、三号二极管VD3、四号二极管VD4、五号二极管VD5和六号二极管VD6；

电源Vin的正极同时连接一号电容Cd1的一端和一号开关管S1的源极，

一号开关管S1的漏极同时连接一号电感L1的一端、三号二极管VD3的正极、二号二极管VD2的正极和五号电容Cb3的一端，

五号电容Cb3的另一端同时连接五号二极管VD5的负极和三号电感L3的一端，

三号电感L3的另一端同时连接七号电容Cf的一端和电阻Rf的一端，

电源Vin的负极同时连接二号电容Cd2的一端和二号开关管S2的漏极，

二号开关管S2的源极同时连接一号二极管VD1的负极、四号二极管VD4的负极、二号电感L2的一端和六号电容Cb4的一端，

六号电容Cb4的另一端同时连接六号二极管VD6的正极、七号电容Cf的另一端和电阻Rf的另一端，

一号电容Cd1的另一端和二号电容Cd2的另一端同时连接五号二极管VD5的正极和六号二极管VD6的负极，

一号电感L1的另一端和一号二极管VD1的正极同时连接三号电容Cb1的一端，

三号电容Cb1的另一端同时连接三号二极管VD3的负极和三号开关管S3的源极，

三号开关管S3的漏极同时连接四号电容Cb2的一端和四号二极管VD4的正极，

四号电容Cb2的另一端同时连接二号二极管VD2的负极和二号电感L2的另一端。

现有Zeta变换器两电平双自举电路如图2所示，图中两个开关管的开关模态如表1所示。

表1zeta双自举两电平变换器的开关组合

当双自举两电平变换器处于模态(t0,t1)时，即S1’开关管导通，S0’开关管关断，此时L1’电感和L2’电感两端的电压均为V′_in，L3’电感两端的电压为V′_in+V′_Cb3-V′₀，其中V′_in为电源两端的电压，V′_Cb3为Cb3’电容两端的电压，V′₀为双自举两电平变换器的输出电压；

当双自举两电平变换器处于模态(t1,t2)时，即S1’开关管导通，S0’开关管导通，此时L1’电感和L2’电感两端的电压均为L3’电感两端的电压为V′_in+V′_Cb3-V′₀，其中，V′_Cb2为Cb2’电容两端的电压，V′_Cb1为Cb1’电容两端的电压；

当双自举两电平变换器处于模态(t2,t3)时，此时L1’电感和L2’电感上的电压与双自举两电平变换器处于模态(t0,t1)时的电压相同；

当双自举两电平变换器处于模态(t3,t4)时，即S1’开关管关断，S0’开关管导通，此时L1’电感和L2’电感两端的电压均为L3’电感两端的电压为-V′₀。

双自举两电平变换器电路中，设S1’开关管的占空比为D′，那么根据电感电压的伏秒平衡原理可得：

$(V_{\mathrm{in}}^{\′}+V_{\mathrm{in}}^{\′})(D^{\′}-\frac{1}{2})+(\frac{V_{\mathrm{in}}^{\′}+V_{\mathrm{Cb}1}^{\′}+V_{\mathrm{Cb}2}^{\′}}{2}+\frac{V_{\mathrm{Cb}1}^{\′}+V_{\mathrm{Cb}2}^{\′}-V_{\mathrm{Cb}3}^{\′}}{2})(1-D^{\′})=0---\left(1\right)$

$[(V_{\mathrm{in}}^{\′}+V_{\mathrm{Cb}3}^{\′}-V_0^{\′})+(V_{\mathrm{in}}^{\′}+V_{\mathrm{Cb}3}^{\′}-V_0^{\′})](D^{\′}-\frac{1}{2})+[(V_{\mathrm{in}}^{\′}+V_{\mathrm{Cb}3}^{\′}-V_0^{\′})-V_0^{\′}](1-D^{\′})=0---\left(2\right)$

由式(1)可得：

$V_{\mathrm{Cb}3}^{\′}=V_{\mathrm{in}}^{\′}\×\frac{3-D^{\′}}{1-D^{\′}}---\left(3\right)$

将式(3)代入式(2)中，可得：

$\frac{V_0^{\′}}{V_{\mathrm{in}}^{\′}}=\frac{{4D}^{\′}-2D^{\′2}}{1-D^{\′}}---\left(4\right)$

其中，在S1’开关管和VD5’二极管上面的压降为：

$V_s^{\′}=V_D^{\′}=V_{\mathrm{in}}^{\′}+V_{\mathrm{Cb}3}^{\′}=\frac{4-2D^{\′}}{1-D^{\′}}{V}_{\mathrm{in}}^{\′}---\left(5\right)$

其中，V′_s为S1’开关管两端的电压应力，V′_D为VD5’二极管两端的压降。

本发明具体实施方式一中提出的双自举三电平Zeta变换器的主电路拓扑结构在上文的两电平Zeta变换器的基础上，通过并联的一号电容Cd1、二号电容Cd2对电源Vin电压进行分压，与二极管组成中点钳位电路，形成了双自举三电平Zeta变换器。该双自举三电平Zeta变换器中，三号开关管S3与一号开关管S1和二号开关管S2分别互补导通，开关的模态如表2所示。

表2双自举三电平Zeta变换器的开关组合

当双自举三电平Zeta变换器处于模态(t0,t1)时，即一号开关管S1和二号开关管S2均导通，三号开关管S3关断，此时一号电感L1和二号电感L2两端的电压均为V_in，三号电感L3两端的电压为(V_in+V_cb3+V_cb4-V_o)，其中，V_in为电源Vin两端的电压，V_cb3为五号电容Cb3两端的电压，V_cb4为六号电容Cb4两端的电压，V_o为双自举三电平Zeta变换器的输出电压；

当双自举三电平Zeta变换器处于模态(t1,t2)时，即一号开关管S1导通，二号开关管S2关断，三号开关管S3导通，此时一号电感L1和二号电感L2两端的电压均为三号电感L3两端的电压为其中，V_cb1为三号电容Cb1两端的电压，V_cb2为四号电容Cb2两端的电压；

当双自举三电平Zeta变换器处于模态(t2,t3)时，此时一号电感L1和二号电感L2两端的电压与双自举三电平Zeta变换器处于模态(t0,t1)时电压相同；

当双自举三电平Zeta变换器处于模态(t3,t4)时，此时一号电感L1和二号电感L2两端的电压与双自举三电平Zeta变换器处于模态(t1,t2)时电压相同。

双自举三电平Zeta变换器中，设开关管S1驱动信号的频率的占空比为D，根据电感电压的伏秒平衡原理可得：

$V_{\mathrm{in}}(D-\frac{1}{2})+\left(\frac{\frac{V_{\mathrm{in}}}{2}+V_{\mathrm{cb}1}+V_{\mathrm{cb}2}-V_{\mathrm{cb}3}}{2}\right)(1-D)=0---\left(6\right)$

$(V_{\mathrm{in}}+V_{\mathrm{cb}3}+V_{\mathrm{cb}4}-V_o)(D-\frac{1}{2})+(\frac{V_{\mathrm{in}}}{2}+V_{\mathrm{cb}3}-V_o)(1-D)=0---\left(7\right)$

假设V_cb1＝V_cb2＝V_in，根据五号电容Cb3和六号电容Cb4的对称性，可知V_cb3＝V_cb4，那么就能够获得：

$V_{\mathrm{cb}3}=\frac{1}{2}\×\frac{3-D}{1-D}{V}_{\mathrm{in}}---\left(8\right)$

将式(8)代入到式(7)中可得：

$\frac{V_o}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{4D-2D^2}{1-D}---\left(9\right)$

可见，通过引入三电平变换的Zeta双自举变换电路和两电平Zeta双自举变换电路的电压转换比完全一致，即保留了两电平电路实现了电压自举的功能。此外，三电平的变换电路还具备一些两电平变换电路所不具备的优点。

在双自举三电平Zeta变换器电路中，开关管S1和五号二极管VD5上面的压降与输入电压的关系为：

$V_S=V_D=\frac{2-D}{1-D}{V}_{\mathrm{in}}---\left(10\right)$

其中，V_S为一号开关管S1和二号开关管S2两端的电压应力，V_D为五号二极管VD5和六号二极管VD6两端的压降

双自举三电平Zeta变换器电路中，电压转换比较传统的电路高出200％～400(随占空比的变化而变化)，这样就会使得其在二极管和开关上产生了更高的电压降，较高的电压降也就对二极管和开关器件提出了更高的要求。在双自举三电平Zeta变换器电路中，开关和二极管上面的电压降均为两电平变换电路的一半。在相同的输出电压的情况下，三电平电路对开关和二极管的要求更低，使电子器件的制造工艺更加容易实现。

同样，电路在三电平的情况下流经电感的电流和电容两端的电压也相对于两电平的情况下减小。这样，使得三电平变换器在主电路的开关频率和输出电压与两电平变换器一样的情况下，储能元件(电感、电容)可以减小50％。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的双自举三电平Zeta变换器作进一步说明，本实施方式中，电源Vin的电压为10V。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的双自举三电平Zeta变换器作进一步说明，本实施方式中，一号开关管S1和二号开关管S2的驱动信号的频率为50kHz，占空比为0.7。

通过仿真的方式对本具体实施方式进行研究，在仿真过程中选取输入电压为10V，一号开关管S1和二号开关管S2的频率均为50kHz，占空比为0.7，一号开关管S1、二号开关管S2和三号开关管S3实现互补导通。一号开关管S1两端的电压波形如图3所示，五号二极管VD5和六号二极管VD6两端的电压波形如图4所示，变换器输出电压波形如图5所示。

从图3、图4和图5的波形图可以看出，双自举三电平Zeta变换器的电压转换比与两电平电路一样，都能够实现自举的效果，具有较高的电压转换比。此外，三电平电路中的开关和二极管两端的电压降均为相应的两电平电路的一半，对开关和二极管的要求大大降低了。同时，三电平电路流经电感的电流和在电容两端的电压也大大的减小了，即在相同的情况下在电路中可以选择更小的储能元件。

Claims (3)

1.双自举三电平Zeta变换器，其特征在于，它包括：电源(Vin)、一号电容(Cd1)、二号电容(Cd2)、三号电容(Cb1)、四号电容(Cb2)、五号电容(Cb3)、六号电容(Cb4)、七号电容(Cf)、一号开关管(S1)、二号开关管(S2)、三号开关管(S3)、一号电感(L1)、二号电感(L2)、三号电感(L3)、电阻(Rf)、一号二极管(VD1)、二号二极管(VD2)、三号二极管(VD3)、四号二极管(VD4)、五号二极管(VD5)和六号二极管(VD6)；

电源(Vin)的正极同时连接一号电容(Cd1)的一端和一号开关管(S1)的源极，

一号开关管(S1)的漏极同时连接一号电感(L1)的一端、三号二极管(VD3)的正极、二号二极管(VD2)的正极和五号电容(Cb3)的一端，

五号电容(Cb3)的另一端同时连接五号二极管(VD5)的负极和三号电感(L3)的一端，

三号电感(L3)的另一端同时连接七号电容(Cf)的一端和电阻(Rf)的一端，

电源(Vin)的负极同时连接二号电容(Cd2)的一端和二号开关管(S2)的漏极，

二号开关管(S2)的源极同时连接一号二极管(VD1)的负极、四号二极管(VD4)的负极、二号电感(L2)的一端和六号电容(Cb4)的一端，

六号电容(Cb4)的另一端同时连接六号二极管(VD6)的正极、七号电容(Cf)的另一端和电阻(Rf)的另一端，

一号电容(Cd1)的另一端和二号电容(Cd2)的另一端同时连接五号二极管(VD5)的正极和六号二极管(VD6)的负极，

一号电感(L1)的另一端和一号二极管(VD1)的正极同时连接三号电容(Cb1)的一端，

三号电容(Cb1)的另一端同时连接三号二极管(VD3)的负极和三号开关管(S3)的源极，

三号开关管(S3)的漏极同时连接四号电容(Cb2)的一端和四号二极管(VD4)的正极，

四号电容(Cb2)的另一端同时连接二号二极管(VD2)的负极和二号电感(L2)的另一端。

2.根据权利要求1所述的双自举三电平Zeta变换器，其特征在于，电源(Vin)的电压为10V。

3.根据权利要求1所述的双自举三电平Zeta变换器，其特征在于，一号开关管(S1)和二号开关管(S2)的驱动信号的频率均为50kHz，占空比为0.7。