CN106452084A - 一种适用高压大功率辅助变流器的前级高频dc‑dc变换器 - Google Patents

一种适用高压大功率辅助变流器的前级高频dc‑dc变换器 Download PDF

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杜会卿
陈杰
王磊
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Abstract

本发明涉及一种适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC‑DC变换器。包括输入滤波电感、半桥逆变器、副边双绕组高频隔离变压器、串联二极管全桥整流器、辅助开关管、谐振电容和输出LC滤波器。本发明所述变换器可以实现主开关管和辅助开关管的零电流软关断，一方面减小了主开关管和辅助开关管的开关损耗，提高了系统的效率，另一方面有助于提高以IGBT为开关管的变换器系统频率，从而减小变换器中磁性元件的体积和重量，提高了变换器的功率密度。此外，变换器所选用的整流模块串联方式有效减小了整流二极管电压冲击，而且两个整流模块共用谐振电容和辅助开关管，有效抑制了两个整流模块之间的耦合作用对谐振造成影响。

Description

一种适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器，尤其涉及一种适用动车组的高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器。
背景技术
动车组辅助变流器是动车组电气化装备的重要组成部分，它是车载辅助用电设备的供电电源，负责给各类设备的冷却风机、车载空调的空气压缩机、车载插座等交流用电设备供电。辅助变流器的性能优劣不仅关系到乘客的乘车舒适度，还影响到车载核心装备(如牵引变流器等)的安全稳定运行，进而对列车运行的安全性造成关键影响。因此，对辅助变流器的优化设计和研究，对于提高动车组电气化装备的国产化水平有着十分重要和深远的意义。
传统的车载辅助变流器主要分为“工频隔离”和“高频隔离”两类。其中“高频隔离”辅助变流器由于其在变压器体积降低、重量减小、谐波消除等方面的卓越表现，而越来越受到辅助变流器厂家的青睐。然而，受到电力电子器件发展、电磁兼容性差、开关器件发热严重等因素的影响，辅助变流器的高频化发展受到了一定的制约。
因此，研究动车组辅助变流器新型高频化方法是十分必要的。本发明的高频化研究主要集中在前级DC/DC环节的高频化技术。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器，实现了主开关管和辅助开关管的零电流软关断。所选用的整流模块串联方式有效降低了整流二极管电压冲击。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器，包括：输入滤波电感L1、半桥逆变器、副边双绕组高频隔离变压器、串联二极管全桥整流器、辅助开关管Qr1、谐振电容Cr和输出LC滤波器。
所述DC-DC变换器中，半桥逆变器包括支撑电容C1、支撑电容C2、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q1和绝缘栅双极型晶体管Q2，支撑电容C1和C2串联组成的支路Ⅰ，与绝缘栅双极型晶体管Q1和Q2串联组成的支路Ⅱ并联组成半桥逆变器；
绝缘栅双极型晶体管Q1反并联二极管Ⅰ，绝缘栅双极型晶体管Q2反并联二极管Ⅱ；
副边双绕组高频隔离变压器包括原边、第一组副边和第二组副边；
串联二极管全桥整流器包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，D1和D3串联组成的支路Ⅲ与D2和D4串联组成的支路Ⅳ并联组成第一组整流器，D5和D7串联组成的支路Ⅴ与D6和D8串联组成的支路Ⅵ并联组成第二组整流器，第一组整流器和第二组整流器串联组成串联二极管全桥整流器；
辅助开关管Qr1反并联二极管Ⅲ；
输出LC滤波器包括滤波电感L和滤波电容C。
所述DC-DC变换器中，输入滤波电感L1的一端与网侧直流输入的正极相连，输入滤波电感L1的另一端与半桥逆变器的正极相连。
所述绝缘栅双极型晶体管Q1和绝缘栅双极型晶体管Q2组成的桥臂中点与副边双绕组高频隔离变压器的原边的同名端通过电感Lr1相连，支撑电容C1和支撑电容C2组成的桥臂中点与副边双绕组高频隔离变压器的原边的异名端相连。
所述副边双绕组高频隔离变压器中第一组副边的同名端与D1和D3组成的桥臂中点相连，第一组副边的异名端与D2和D4组成的桥臂中点通过电感Lr2相连；
所述副边双绕组高频隔离变压器中第二组副边的同名端与D5和D7组成的桥臂中点相连，第二组副边的异名端与D6和D8组成的桥臂中点通过电感Lr3相连。
所述串联二极管全桥整流器中的第一组整流器的正极与辅助开关管Qr1的正极相连，第一组整流器的负极与第二组整流器的正极相连，第二组整流器的负极与谐振电容Cr的负极相连，辅助开关管Qr1的负极与谐振电容Cr的正极相连。
所述输出LC滤波器中滤波电感L的一端与辅助开关管Qr1的正极相连，输出LC滤波器中滤波电感L的另一端与输出LC滤波器中的滤波电容C的正极相连；
所述谐振电容Cr的负极与输出LC滤波器中的滤波电容C的负极相连，输出LC滤波器中的滤波电感L与滤波电容C的正极相连后输出直流电压供给负载R。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
1)实现了主开关管和辅助开关管的零电流软关断，减小了主开关管和辅助开关管的开关损耗，提高了系统的效率。
2)减小了变换器中磁性元件(如变压器、滤波电感)的体积和重量，提高了变换器的功率密度。
3)谐振过程只占开关周期的极小部分，谐振元件的损耗大大减小，提高了系统效率。
4)选用的整流模块串联方式有助于减小整流二极管电压冲击。
5)两个整流模块共用谐振电容和辅助开关管，可有效抑制两个整流模块之间的耦合作用对谐振造成影响。
6)针对变换器轻载时失控的问题，提出了自适应解决方法。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明的组成框图示意图
图2本发明的主电路原理示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图所示，图2为本发明实施例提供的一种适用于动车组辅助变流器的前级DC-DC环节的主电路原理示意图。
在本发明的实施例中，一种适用高压大功率的动车组辅助变流器的前级DC-DC变换器，包括输入滤波电感L11、半桥逆变器2、副边双绕组高频隔离变压器3、串联二极管全桥整流器4、辅助开关管Qr15、谐振电容Cr6、输出LC滤波器7。
所述DC-DC变换器中，半桥逆变器2包括支撑电容C1、支撑电容C2、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q1和绝缘栅双极型晶体管Q2，支撑电容C1和C2串联组成的支路Ⅰ，与绝缘栅双极型晶体管Q1和Q2串联组成的支路Ⅱ并联组成半桥逆变器2；
所述绝缘栅双极型晶体管Q1反并联二极管Ⅰ，绝缘栅双极型晶体管Q2反并联二极管Ⅱ；
副边双绕组高频隔离变压器3包括原边、第一组副边和第二组副边；
串联二极管全桥整流器4包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，D1和D3串联组成的支路Ⅲ与D2和D4串联组成的支路Ⅳ并联组成第一组整流器，D5和D7串联组成的支路Ⅴ与D6和D8串联组成的支路Ⅵ并联组成第二组整流器，第一组整流器和第二组整流器串联组成串联二极管全桥整流器4；
所述辅助开关管Qr15反并联二极管Ⅲ；
输出LC滤波器7包括滤波电感L和滤波电容C。
所述DC-DC变换器中，输入滤波电感L11的一端与网侧直流输入的正极相连，输入滤波电感L11的另一端与半桥逆变器2的正极相连。
所述绝缘栅双极型晶体管Q1和绝缘栅双极型晶体管Q2组成的桥臂中点与副边双绕组高频隔离变压器3的原边的同名端通过电感Lr1相连，支撑电容C1和支撑电容C2组成的桥臂中点与副边双绕组高频隔离变压器3的原边的异名端相连。
所述副边双绕组高频隔离变压器3中第一组副边的同名端与D1和D3组成的桥臂中点相连，第一组副边的异名端与D2和D4组成的桥臂中点通过电感Lr2相连；
所述副边双绕组高频隔离变压器3中第二组副边的同名端与D5和D7组成的桥臂中点相连，第二组副边的异名端与D6和D8组成的桥臂中点通过电感Lr3相连。
所述串联二极管全桥整流器4中的第一组整流器的正极与辅助开关管Qr15的正极相连，第一组整流器的负极与第二组整流器的正极相连，第二组整流器的负极与谐振电容Cr6的负极相连，辅助开关管Qr15的负极与谐振电容Cr6的正极相连。
所述输出LC滤波器7中滤波电感L的一端与辅助开关管Qr15的正极相连，输出LC滤波器7中滤波电感L的另一端与输出LC滤波器7中的滤波电容C的正极相连；
所述谐振电容Cr6的负极与输出LC滤波器7中的滤波电容C的负极相连，输出LC滤波器7中的滤波电感L与滤波电容C的正极相连后输出直流电压供给负载R。
所述DC-DC变换器中，提出一种零电流开关(zero current switching,ZCS)PWM准谐振的软开关实现方法，实现了开关管的零电流关断，减小了开关损耗，提高了系统效率。
所述DC-DC变换器中，ZCS软开关技术能提高以IGBT为主开关管的变换器系统频率，有助于减小变换器中磁性元件(如变压器、滤波电感)的体积和重量，从而提高变换器的功率密度。
所述DC-DC变换器中，采用ZCS PWM准谐振变换器技术，辅助开关管与谐振电容串接，可以自由控制谐振电容何时投入系统，谐振过程只占开关周期的极小部分，谐振元件的损耗大大减小，提高了系统效率。
所述DC-DC变换器中，辅助开关管Qr15反并联二极管Ⅲ与谐振电容Cr6串联，在二极管Ⅲ的截止作用下，谐振电感电流保持为零，为辅助开关管Qr15的零电流关断提供了充足的时间。
所述DC-DC变换器中，所选用的整流模块采用串联方式，有助于减小整流二极管电压冲击。
所述DC-DC变换器中，两个整流模块共用谐振电容Cr6和辅助开关管Qr15，可有效抑制两个整流模块之间的耦合作用对谐振产生影响。
所述DC-DC变换器中，变流器所有负载电流均通过谐振电感，负载电流稳定的情况下，不会对谐振电感承受的电压产生影响，因此负载电流对谐振没有影响。
所述DC-DC变换器中，针对变换器轻载时失控的问题，提出一种自适应解决方法，即负载处于临界负载以下时，辅助开关管Qr15停止工作，与辅助开关管Qr15串联的谐振电容Cr6不再充放电，有效防止变换器出现失控现象。
所述DC-DC变换器中，输入滤波电感L11与半桥逆变器2相连，将输入直流电压逆变为高频交流电压输出至副边双绕组高频隔离变压器3。副边双绕组高频隔离变压器3的副边连接串联二极管全桥整流器4，串联二极管全桥整流器4的输出端与由辅助开关管Qr15和谐振电容Cr6串联构成的辅助谐振回路并联，经输出LC滤波器7后输出直流电压供给负载。
本实施例实现了开关管的零电流关断，减小了开关管的开关损耗，提高了系统的效率。减小了变换器中磁性元件的体积和重量，提高了变换器的功率密度。谐振过程只占开关周期的极小部分，谐振元件的损耗大大减小，选用的整流模块采用串联方式有效减小了整流二极管电压冲击。针对变换器轻载时失控的问题，提出了自适应的解决方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器，其特征在于：包括输入滤波电感L1、半桥逆变器、副边双绕组高频隔离变压器、串联二极管全桥整流器、辅助开关管Qr1、谐振电容Cr和输出LC滤波器；
所述DC-DC变换器中，半桥逆变器包括支撑电容C1、支撑电容C2、绝缘栅双极型晶体管Q1和绝缘栅双极型晶体管Q2；支撑电容C1和C2串联组成的支路Ⅰ，与绝缘栅双极型晶体管Q1和Q2串联组成的支路Ⅱ并联组成半桥逆变器；
绝缘栅双极型晶体管Q1反并联二极管Ⅰ，绝缘栅双极型晶体管Q2反并联二极管Ⅱ；
副边双绕组高频隔离变压器包括原边、第一组副边和第二组副边；
串联二极管全桥整流器包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，D1和D3串联组成的支路Ⅲ与D2和D4串联组成的支路Ⅳ并联组成第一组整流器，D5和D7串联组成的支路Ⅴ与D6和D8串联组成的支路Ⅵ并联组成第二组整流器，第一组整流器和第二组整流器串联组成串联二极管全桥整流器；
辅助开关管Qr1反并联二极管Ⅲ；
输出LC滤波器包括滤波电感L和滤波电容C。
2.如权利要求1所述的适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器，其特征在于：所述DC-DC变换器中，输入滤波电感L1的一端与网侧直流输入的正极相连，输入滤波电感L1的另一端与半桥逆变器的正极相连。
3.如权利要求1所述的适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器，其特征在于：所述绝缘栅双极型晶体管Q1和绝缘栅双极型晶体管Q2组成的桥臂中点与副边双绕组高频隔离变压器的原边的同名端通过电感Lr1相连，支撑电容C1和支撑电容C2组成的桥臂中点与副边双绕组高频隔离变压器的原边的异名端相连。
4.如权利要求1所述的适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器，其特征在于：所述副边双绕组高频隔离变压器中第一组副边的同名端与D1和D3组成的桥臂中点相连，第一组副边的异名端与D2和D4组成的桥臂中点通过电感Lr2相连；
所述副边双绕组高频隔离变压器中第二组副边的同名端与D5和D7组成的桥臂中点相连，第二组副边的异名端与D6和D8组成的桥臂中点通过电感Lr3相连。
5.如权利要求1所述的适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器，其特征在于：所述串联二极管全桥整流器中的第一组整流器的正极与辅助开关管Qr1的正极相连，第一组整流器的负极与第二组整流器的正极相连，第二组整流器的负极与谐振电容Cr的负极相连，辅助开关管Qr1的负极与谐振电容Cr的正极相连。
6.如权利要求1所述的适用高压大功率辅助变流器的前级高频DC-DC变换器，其特征在于：所述输出LC滤波器中滤波电感L的一端与辅助开关管Qr1的正极相连，输出LC滤波器中滤波电感L的另一端与输出LC滤波器中的滤波电容C的正极相连；
所述谐振电容Cr的负极与输出LC滤波器中的滤波电容C的负极相连，输出LC滤波器中的滤波电感L与滤波电容C的正极相连后输出直流电压供给负载R。
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Inventor before: Yin Shaobo

Inventor before: Liu Zhigang

Inventor before: Qiu Ruichang

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Application publication date: 20170222

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