CN106487232B - 一种ZVS隔离的三电平Buck变换器 - Google Patents

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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CSS、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CSS的一端均与开关管Q2的漏极相连，飞跨电容CSS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，VC2线性增加，VC3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VC2(t)、电容C3两端电压VC3(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CSS放电，VC6线性增加，VC5线性下降，VC4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ip(t)，电容C5两端电压VC5(t)、电容C6两端电压VC6(t)可表示为：
VC5(t)＝Vin-VC6(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，VC1、VC5线性增加，VC2、VC5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VC1(t)、电容C2两端电压VC2(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CSS放电，VC1、VC4线性下降，VC3线性增加，开关管Q1为零电压开通；此时，电容C3两端电压VC3(t)、电容C1两端电压VC1(t)可表示为：
式中，Io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，Vin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＝C3L，C5＝C6＝C2L，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CSS、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CSS的一端均与开关管Q2的漏极相连，飞跨电容CSS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，VC2线性增加，VC3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VC2(t)、电容C3两端电压VC3(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CSS放电，VC6线性增加，VC5线性下降，VC4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ip(t)，电容C5两端电压VC5(t)、电容C6两端电压VC6(t)可表示为：
VC5(t)＝Vin-VC6(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，VC1、VC5线性增加，VC2、VC5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VC1(t)、电容C2两端电压VC2(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CSS放电，VC1、VC4线性下降，VC3线性增加，开关管Q1为零电压开通；此时，电容C3两端电压VC3(t)、电容C1两端电压VC1(t)可表示为：
模态1～模态4的公式中，Io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，Vin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＝C3L，C5＝C6＝C2L，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 (4)

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CSS、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CSS的一端均与开关管Q2的漏极相连，飞跨电容CSS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；
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，VC2线性增加，VC3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VC2(t)、电容C3两端电压VC3(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CSS放电，VC6线性增加，VC5线性下降，VC4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ip(t)，电容C5两端电压VC5(t)、电容C6两端电压VC6(t)可表示为：
VC5(t)＝Vin-VC6(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，VC1、VC5线性增加，VC2、VC5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VC1(t)、电容C2两端电压VC2(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CSS放电，VC1、VC4线性下降，VC3线性增加，开关管Q1为零电压开通；此时，电容C3两端电压VC3(t)、电容C1两端电压VC1(t)可表示为：
式中，Io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，Vin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。
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：假设容值C1＝C2＝C3＝C4＝C3L，C5＝C6＝C2L，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，
其中，E表示实现软开关所需的能量。
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