CN106487232A - 一种ZVS隔离的三电平Buck变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，包括6个开关管，每个开关管都并联有1个电容和1个续流二极管，以及2个分压电容，另2个续流二极管，1个飞跨电容、1个滤波电感、1个变压器、2个导通二极管和LC滤波器；所述开关管Q₁~Q₄依次串联，开关管Q₅~Q₆依次串联后并联于开关管Q₂的漏极和开关管Q₄的源极之间。有益效果：增加开关管的数量，电路通过谐振电感与电容的谐振实现开关管的零电压导通，可有效地减小开关管的损耗，提高电路的效率；整个电路采用直—交—直的降压方式，通过变压器隔离原边、副边，所得的电压能够较好的为后续逆变做准备而并入电网，特别适用于车载电源、光伏发电等应用场合。

Description

一种ZVS隔离的三电平Buck变换器

技术领域

本发明涉及一种三电平Buck变换器，特别是涉及一种ZVS(Zero Voltage Switch)隔离的三电平Buck变换器，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

光伏并网发电是人们利用光伏发电技术的主要方向，现在已经在城乡得到了广泛的应用。目前，传统的三电平Buck电路，如图1所示，其有结构简单的优点，但要实现较高的降压比，则开关损耗增加，同时影响效率，且较大的占空比会导致开关管的温升。因此，如何减小开关损耗，提高电路效率成为当今研究热点。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，可有效地减小开关管的损耗，提高电路效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄、开关管Q₅和开关管Q₆共6个开关管，所述开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃和开关管Q₄依次串联，所述开关管Q₅和开关管Q₆依次串联，所述开关管Q₅的漏极与开关管Q₂的漏极相连，所述开关管Q₆的源极与开关管Q₄的源极相连。

其中，所述开关管Q₁的两端分别并联有电容C₁和续流二极管D₁，所述续流二极管D₁的负极与开关管Q₁的漏极相连、续流二极管D₁的正极与开关管Q₁的源极相连；所述开关管Q₂的两端分别并联有电容C₂和续流二极管D₂，所述续流二极管D₂的负极与开关管Q₂的漏极相连、续流二极管D₂的正极与开关管Q₂的源极相连；所述开关管Q₃的两端分别并联有电容C₃和续流二极管D₃，所述续流二极管D₃的负极与开关管Q₃的漏极相连、续流二极管D₃的正极与开关管Q₃的源极相连；所述开关管Q₄的两端分别并联有电容C₄和续流二极管D₄，所述续流二极管D₄的负极与开关管Q₄的漏极相连、续流二极管D₄的正极与开关管Q₄的源极相连；所述开关管Q₅的两端分别并联有电容C₅和续流二极管D₅，所述续流二极管D₅的负极与开关管Q₅的漏极相连、续流二极管D₅的正极与开关管Q₅的源极相连；所述开关管Q₆的两端分别并联有电容C₆和续流二极管D₆，所述续流二极管D₆的负极与开关管Q₆的漏极相连、续流二极管D₆的正极与开关管Q₆的源极相连。

而且，还包括依次串联的分压电容C₇和分压电容C₈，依次串联的续流二极管D₇和续流二极管D₈，以及飞跨电容C_SS、滤波电感L₁、变压器、导通二极管D₉、导通二极管D₁₀和LC滤波器；所述分压电容C₇的一端和开关管Q₁的漏极均与位于输入端的电压源的正极相连，分压电容C₇的另一端、分压电容C₈的一端和续流二极管D₇的正极均与续流二极管D₈的负极相连，分压电容C₈的另一端和开关管Q₄的源极均与位于输入端的电压源的负极相连。

同时，所述续流二极管D₇的负极和飞跨电容C_SS的一端均与开关管Q₂的漏极相连，飞跨电容C_SS的另一端和续流二极管D₈的正极均与开关管Q₃的源极相连，开关管Q₃的漏极通过串联滤波电感L₁与变压器的原边一端相连，变压器的原边另一端与开关管Q₆的漏极相连，变压器的副边两端分别与导通二极管D₉和导通二极管D₁₀串联，所述导通二极管D₉的负极和导通二极管D₁₀的负极均与LC滤波器的一端相连，LC滤波器的另一端与变压器的副边中点相连。

本发明进一步设置为：所述开关管Q₁～Q₆均为MOS管。

本发明进一步设置为：所述LC滤波器包括滤波电感L₂、电容C₉和电阻R，所述滤波电感L₂和电容C₉依次串联，所述电阻R并联于电容C₉的两端。

本发明进一步设置为：具有4个工作模态，分别为，

t₀～t₃为三电平Buck变换器的4个模态的起始时刻点，t₄为三电平Buck变换器单周期的下一个周期起始时刻点；

模态1：t₀～t₁，t₀之前，开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₆导通，变压器的原边向副边传递能量；

t₀时刻，开关管Q₂关断，电容C₃对电容C₂充电，V_C2线性增加，V_C3线性下降，在电容C₂、电容C₃缓冲作用下，开关管Q₃为零电压开通；此时，电容C₂两端电压V_C2(t)、电容C₃两端电压V_C3(t)可表示为：

在t₁时刻，电容C₃两端的电压为输入电压的一半；

模态2：t₁～t₂，t₁时刻，开关管Q₆关断，电容C₅对电容C₆充电，电容C₄对C_SS放电，V_C6线性增加，V_C5线性下降，V_C4线性减小，电容C₅、电容C₆迫使开关管Q₆为零电压关断；此时，滤波电感L₁、电容C₅和电容C₆谐振工作；此时，变压器的原边电流i_p(t)，电容C₅两端电压V_C5(t)、电容C₆两端电压V_C6(t)可表示为：

V_C5(t)＝V_in-V_C6(t)

模态3：t₂～t₃，t₂时刻，开关管Q₁、开关管Q₅关断，电容C₂对电容C₁充电，电容C₆对电容C₅充电，V_C1、V_C5线性增加，V_C2、V_C5线性下降，开关管Q₂和开关管Q₆为零电压开通；在此过程中，电容C₁两端电压V_C1(t)、电容C₂两端电压V_C2(t)可表示为：

模态4：t₃～t₄，t₃时刻，开关管Q₃、开关管Q₄关断，电容C₁对电容C₃充电，电容C₄对飞跨电容C_SS放电，V_C1、V_C4线性下降，V_C3线性增加，开关管Q₁为零电压开通；此时，电容C₃两端电压V_C3(t)、电容C₁两端电压V_C1(t)可表示为：

式中，I_o为输出电流，k为变压器原边对副边之比，t为开通时间，C₁、C₂、C₃为容值，V_in为输入电压，Z为特征阻抗，ω是电流转角；

其中，C₅、C₆为容值，L₁为变压器的原边谐振电感值。

本发明进一步设置为：假设容值C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C_3L，C₅＝C₆＝C_2L，要使变换器实现零电压导通，需满足在每个模态开关管电压变化时所需的能量，则三电平Buck变换器实现软开关的条件是，

其中，E表示实现软开关所需的能量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提供的ZVS隔离的三电平Buck变换器，包括6个开关管，每个开关管都并联有1个电容和1个续流二极管，以及2个分压电容，另2个续流二极管，1个飞跨电容、1个滤波电感、1个变压器、2个导通二极管和LC滤波器；增加开关管的数量，通过合理地控制开关管的导通顺序，电路通过谐振电感与电容的谐振实现开关管的零电压导通，电路中的开关管均实现软开关，在保留传统三电平Buck变换器减小开关管电压应力和减小电感的优点的同时，可有效地减小开关管的损耗，提高电路的效率；整个电路采用直—交—直的降压方式，通过变压器隔离原边、副边，所得的电压能够较好的为后续逆变做准备而并入电网，特别适用于车载电源、光伏发电等应用场合。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为传统的三电平Buck变换器的电路示意图；

图2为本发明的ZVS隔离的三电平Buck变换器的电路示意图；

图3为本发明的ZVS隔离的三电平Buck变换器的工作模态示意图；

图3(a)为本发明的ZVS隔离的三电平Buck变换器工作于模态1的示意图；

图3(b)为本发明的ZVS隔离的三电平Buck变换器工作于模态2的示意图；

图3(c)为本发明的ZVS隔离的三电平Buck变换器工作于模态3的示意图；

图3(d)为本发明的ZVS隔离的三电平Buck变换器工作于模态4的示意图；

图4为本发明的ZVS隔离的三电平Buck变换器的MOS管导通示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图2所示的一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄、开关管Q₅和开关管Q₆共6个开关管，所述开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃和开关管Q₄依次串联，所述开关管Q₅和开关管Q₆依次串联，所述开关管Q₅的漏极与开关管Q₂的漏极相连，所述开关管Q₆的源极与开关管Q₄的源极相连。所述开关管Q₃和开关管Q₄均为MOS管。

每个开关管都并联有1个电容和1个续流二极管，即：所述开关管Q₁的两端分别并联有电容C₁和续流二极管D₁，所述续流二极管D₁的负极与开关管Q₁的漏极相连、续流二极管D₁的正极与开关管Q₁的源极相连；所述开关管Q₂的两端分别并联有电容C₂和续流二极管D₂，所述续流二极管D₂的负极与开关管Q₂的漏极相连、续流二极管D₂的正极与开关管Q₂的源极相连；所述开关管Q₃的两端分别并联有电容C₃和续流二极管D₃，所述续流二极管D₃的负极与开关管Q₃的漏极相连、续流二极管D₃的正极与开关管Q₃的源极相连；所述开关管Q₄的两端分别并联有电容C₄和续流二极管D₄，所述续流二极管D₄的负极与开关管Q₄的漏极相连、续流二极管D₄的正极与开关管Q₄的源极相连；所述开关管Q₅的两端分别并联有电容C₅和续流二极管D₅，所述续流二极管D₅的负极与开关管Q₅的漏极相连、续流二极管D₅的正极与开关管Q₅的源极相连；所述开关管Q₆的两端分别并联有电容C₆和续流二极管D₆，所述续流二极管D₆的负极与开关管Q₆的漏极相连、续流二极管D₆的正极与开关管Q₆的源极相连。

如图2所示的ZVS隔离的三电平Buck变换器，还包括依次串联的分压电容C₇和分压电容C₈，依次串联的续流二极管D₇和续流二极管D₈，以及飞跨电容C_SS、滤波电感L₁、变压器、导通二极管D₉、导通二极管D₁₀和LC滤波器。

所述分压电容C₇的一端和开关管Q₁的漏极均与位于输入端的电压源的正极相连，分压电容C₇的另一端、分压电容C₈的一端和续流二极管D₇的正极均与续流二极管D₈的负极相连，分压电容C₈的另一端和开关管Q₄的源极均与位于输入端的电压源的负极相连。

所述续流二极管D₇的负极和飞跨电容C_SS的一端均与开关管Q₂的漏极相连，飞跨电容C_SS的另一端和续流二极管D₈的正极均与开关管Q₃的源极相连，开关管Q₃的漏极通过串联滤波电感L₁与变压器的原边一端相连，变压器的原边另一端与开关管Q₆的漏极相连，变压器的副边两端分别与导通二极管D₉和导通二极管D₁₀串联，所述导通二极管D₉的负极和导通二极管D₁₀的负极均与LC滤波器的一端相连，LC滤波器的另一端与变压器的副边中点相连。

如图2所示，所述LC滤波器包括滤波电感L₂、电容C₉和电阻R，所述滤波电感L₂和电容C₉依次串联，所述电阻R并联于电容C₉的两端。

如图3所示，本发明提供的ZVS隔离的三电平Buck变换器，具有4个工作模态，分别为，t₀～t₃为三电平Buck变换器的4个模态的起始时刻点，t₄为三电平Buck变换器单周期的下一个周期起始时刻点。

模态1：如图3(a)所示，t₀～t₁，t₀之前，开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₆导通，变压器的原边向副边传递能量；

t₀时刻，开关管Q₂关断，电容C₃对电容C₂充电，V_C2线性增加，V_C3线性下降，在电容C₂、电容C₃缓冲作用下，开关管Q₃为零电压开通；此时，电容C₂两端电压V_C2(t)、电容C₃两端电压V_C3(t)可表示为：

在t₁时刻，电容C₃两端的电压为输入电压的一半；

模态2：如图3(b)所示，t₁～t₂，t₁时刻，开关管Q₆关断，电容C₅对电容C₆充电，电容C₄对C_SS放电，V_C6线性增加，V_C5线性下降，V_C4线性减小，电容C₅、电容C₆迫使开关管Q₆为零电压关断；此时，滤波电感L₁、电容C₅和电容C₆谐振工作；此时，变压器的原边电流i_p(t)，电容C₅两端电压V_C5(t)、电容C₆两端电压V_C6(t)可表示为：

V_C5(t)＝V_in-V_C6(t)

模态3：如图3(c)所示，t₂～t₃，t₂时刻，开关管Q₁、开关管Q₅关断，电容C₂对电容C₁充电，电容C₆对电容C₅充电，V_C1、V_C5线性增加，V_C2、V_C5线性下降，开关管Q₂和开关管Q₆为零电压开通；在此过程中，电容C₁两端电压V_C1(t)、电容C₂两端电压V_C2(t)可表示为：

模态4：如图3(d)所示，t₃～t₄，t₃时刻，开关管Q₃、开关管Q₄关断，电容C₁对电容C₃充电，电容C₄对飞跨电容C_SS放电，V_C1、V_C4线性下降，V_C3线性增加，开关管Q₁为零电压开通；此时，电容C₃两端电压V_C3(t)、电容C₁两端电压V_C1(t)可表示为：

模态1～模态4的公式中，I_o为输出电流，k为变压器原边对副边之比，t为开通时间，C₁、C₂、C₃为容值，V_in为输入电压，Z为特征阻抗，ω是电流转角；

其中，C₅、C₆为容值，L₁为变压器的原边谐振电感值。

假设容值C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C_3L，C₅＝C₆＝C_2L，要使变换器实现零电压导通，需满足在每个模态开关管电压变化时所需的能量，则三电平Buck变换器实现软开关的条件是，

其中，E表示实现软开关所需的能量。

本发明的创新点在于，通过合理地控制ZVS隔离的三电平Buck变换器中开关管的导通顺序，实现开关管的零电压导通，可有效地减小开关管的损耗，提高电路的效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，其特征在于：包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄、开关管Q₅和开关管Q₆共6个开关管，所述开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃和开关管Q₄依次串联，所述开关管Q₅和开关管Q₆依次串联，所述开关管Q₅的漏极与开关管Q₂的漏极相连，所述开关管Q₆的源极与开关管Q₄的源极相连；

所述开关管Q₁的两端分别并联有电容C₁和续流二极管D₁，所述续流二极管D₁的负极与开关管Q₁的漏极相连、续流二极管D₁的正极与开关管Q₁的源极相连；

所述开关管Q₂的两端分别并联有电容C₂和续流二极管D₂，所述续流二极管D₂的负极与开关管Q₂的漏极相连、续流二极管D₂的正极与开关管Q₂的源极相连；

所述开关管Q₃的两端分别并联有电容C₃和续流二极管D₃，所述续流二极管D₃的负极与开关管Q₃的漏极相连、续流二极管D₃的正极与开关管Q₃的源极相连；

所述开关管Q₄的两端分别并联有电容C₄和续流二极管D₄，所述续流二极管D₄的负极与开关管Q₄的漏极相连、续流二极管D₄的正极与开关管Q₄的源极相连；

所述开关管Q₅的两端分别并联有电容C₅和续流二极管D₅，所述续流二极管D₅的负极与开关管Q₅的漏极相连、续流二极管D₅的正极与开关管Q₅的源极相连；

所述开关管Q₆的两端分别并联有电容C₆和续流二极管D₆，所述续流二极管D₆的负极与开关管Q₆的漏极相连、续流二极管D₆的正极与开关管Q₆的源极相连；

还包括依次串联的分压电容C₇和分压电容C₈，依次串联的续流二极管D₇和续流二极管D₈，以及飞跨电容C_SS、滤波电感L₁、变压器、导通二极管D₉、导通二极管D₁₀和LC滤波器；

所述分压电容C₇的一端和开关管Q₁的漏极均与位于输入端的电压源的正极相连，分压电容C₇的另一端、分压电容C₈的一端和续流二极管D₇的正极均与续流二极管D₈的负极相连，分压电容C₈的另一端和开关管Q₄的源极均与位于输入端的电压源的负极相连；

所述续流二极管D₇的负极和飞跨电容C_SS的一端均与开关管Q₂的漏极相连，飞跨电容C_SS的另一端和续流二极管D₈的正极均与开关管Q₃的源极相连，开关管Q₃的漏极通过串联滤波电感L₁与变压器的原边一端相连，变压器的原边另一端与开关管Q₆的漏极相连，变压器的副边两端分别与导通二极管D₉和导通二极管D₁₀串联，所述导通二极管D₉的负极和导通二极管D₁₀的负极均与LC滤波器的一端相连，LC滤波器的另一端与变压器的副边中点相连。

2.根据权利要求1所述的一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，其特征在于：所述开关管Q₁～Q₆均为MOS管。

3.根据权利要求1所述的一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，其特征在于：所述LC滤波器包括滤波电感L₂、电容C₉和电阻R，所述滤波电感L₂和电容C₉依次串联，所述电阻R并联于电容C₉的两端。

4.根据权利要求1所述的一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，其特征在于：具有4个工作模态，分别为，

t₀～t₃为三电平Buck变换器的4个模态的起始时刻点，t₄为三电平Buck变换器单周期的下一个周期起始时刻点；

模态1：t₀～t₁，t₀之前，开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₆导通，变压器的原边向副边传递能量；

t₀时刻，开关管Q₂关断，电容C₃对电容C₂充电，V_C2线性增加，V_C3线性下降，在电容C₂、电容C₃缓冲作用下，开关管Q₃为零电压开通；此时，电容C₂两端电压V_C2(t)、电容C₃两端电压V_C3(t)可表示为：

$V_{C2\left(t\right)}=\frac{I_o}{k(C_2+C_3)}(t-t_o)$

$V_{C3\left(t\right)}=\frac{V_{in}}{2}-\frac{I_o}{k(C_2+C_3)}(t-t_o)$

在t₁时刻，电容C₃两端的电压为输入电压的一半；

模态2：t₁～t₂，t₁时刻，开关管Q₆关断，电容C₅对电容C₆充电，电容C₄对C_SS放电，V_C6线性增加，V_C5线性下降，V_C4线性减小，电容C₅、电容C₆迫使开关管Q₆为零电压关断；此时，滤波电感L₁、电容C₅和电容C₆谐振工作；此时，变压器的原边电流i_p(t)，电容C₅两端电压V_C5(t)、电容C₆两端电压V_C6(t)可表示为：

$i_{p\left(t\right)}=\frac{I_o}{k}cos(t-t_1)$

$V_{C6\left(t\right)}=\frac{I_o}{k}ZSin\mathrm{\ω}(t-t_1)$

V_C5(t)＝V_in-V_C6(t)

模态3：t₂～t₃，t₂时刻，开关管Q₁、开关管Q₅关断，电容C₂对电容C₁充电，电容C₆对电容C₅充电，V_C1、V_C5线性增加，V_C2、V_C5线性下降，开关管Q₂和开关管Q₆为零电压开通；在此过程中，电容C₁两端电压V_C1(t)、电容C₂两端电压V_C2(t)可表示为：

$V_{C1\left(t\right)}=\frac{I_o}{k(C_2+C_1)}(t-t_2)$

$V_{C2\left(t\right)}=\frac{V_{in}}{2}-\frac{I_o}{k(C_2+C_1)}(t-t_2)$

模态4：t₃～t₄，t₃时刻，开关管Q₃、开关管Q₄关断，电容C₁对电容C₃充电，电容C₄对飞跨电容C_SS放电，V_C1、V_C4线性下降，V_C3线性增加，开关管Q₁为零电压开通；此时，电容C₃两端电压V_C3(t)、电容C₁两端电压V_C1(t)可表示为：

$V_{C3\left(t\right)}=\frac{I_o}{k(C_3+C_1)}(t-t_3)$

$V_{C1\left(t\right)}=\frac{V_{in}}{2}-\frac{I_o}{k(C_3+C_1)}(t-t_3)$

式中，I_o为输出电流，k为变压器原边对副边之比，t为开通时间，C₁、C₂、C₃为容值，V_in为输入电压，Z为特征阻抗，ω是电流转角；

其中，C₅、C₆为容值，L₁为变压器的原边谐振电感值。

5.根据权利要求4所述的一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，其特征在于：假设容值C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C_3L，C₅＝C₆＝C_2L，要使变换器实现零电压导通，需要满足每个模态开关管电压变化所需的能量，则三电平Buck变换器实现软开关的条件是，

$E\≥\frac{1}{2}{C}_{3L}{\left(\frac{V_{in}}{2}\right)}^2+C_{2L}{\left(\frac{V_{in}}{2}\right)}^2$

其中，E表示实现软开关所需的能量。