CN106505858A - 一种zvs四相全桥变换器及其移相控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ZVS四相全桥变换器及其移相控制方法，属于功率变换器的技术领域。变换器主要包括由八个开关管组成的低压侧四相全桥、四相变压器和由八个二极管组成的高压侧四相整流桥臂。该变换器采用移相控制，相对于传统的隔离Boost型升压电路，不需要增加额外的箝位电路，就可以实现所有原边开关管的ZVS。与两相交错并联移相全桥变换器相比，能够减小开关管的导通损耗，减小单个变压器的体积以及滤波电感的体积。

Description

一种ZVS四相全桥变换器及其移相控制方法
技术领域
本发明公开了一种ZVS四相全桥变换器及其移相控制方法，属于功率变换器的技术领域。
背景技术
能源是人类社会发展和进步的基础，随着世界化石能源的日益枯竭，新能源的开发和利用成为了未来能源发展的方向，在各种新型能源中,太阳能取之不尽用之不竭且清洁无污染的特点使得光伏发电系统得到了广泛的研究。光伏电池的电压等级不高，在大功率且电压较高的应用场合中常采用三相Boost型全桥直流变换器进行升压。目前传统的Boost型全桥直流变换器主开关管无法实现软开关，因此效率不高。为实现软开关，学者提出了一种三相交错并联Boost型变换器,通过引入三路有源箝位电路实现了主开关管和箝位开关管的ZVS，但是额外增加的三个有源箝位开关管，使得结构非常复杂且有效占空比范围仅为0~1/3。又有学者提出了一种Boost型三相全桥直流变换器,通过引入一路有源箝位电路实现了主开关管和箝位开关管的ZVS，但是该电路额外引入了一个有源箝位管,增加电路复杂性,且主开关管与有源箝位管的驱动控制方式非常复杂。
由此可见，目前传统的三相Boost型全桥直流变换器主要通过增加有源箝位电路来实现开关管的软开关，但是有源箝位电路的引入增加了变换器结构和控制的复杂性。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种ZVS四相全桥变换器及其移相控制方法，采用移相控制驱动技术，在不增加额外箝位电路的情况下实现了四相变换器原边所有开关管的ZVS（Zero Voltage Switching，零电压开通），解决了现有全桥变换器为实现软开关加入箝位电路存在变换器结构以及控制复杂的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种ZVS四相全桥变换器，包括：低压侧电路、四相变压器和高压侧电路，
低压侧电路包括：四相全桥和输入滤波电容，
四相变压器包括：A相同相变压器、B相同相变压器、C相反相变压器、D相反相变压器，
高压侧电路包括：四相整流桥、滤波电感和输出滤波电容；
所述输入滤波电容并联在四相全桥的输入侧，A相同相变压器原边绕组的第一端子以及C相反相变压器原边绕组的第一端子均与四相全桥A相桥臂的中点连接，A相同相变压器原边绕组的第二端子以及C相反相变压器原边绕组的第二端子均与四相全桥B相桥臂的中点连接，B相同相变压器原边绕组的第一端子以及D相反相变压器原边绕组的第一端子均与四相全桥C相桥臂的中点连接，B相同相变压器原边绕组的第二端子以及D相反相变压器原边绕组的第二端子均与四相全桥D相桥臂的中点连接，A相同相变压器副边绕组的第一端子以及D相反相变压器副边绕组的第二端子均与四相整流桥a相桥臂的中点连接，A相同相变压器副边绕组的第二端子以及B相同相变压器副边绕组的第一端子均与四相整流桥b相桥臂的中点连接，B相同相变压器副边绕组的第二端子以及C相反相变压器副边绕组的第一端子均与四相整流桥c相桥臂的中点连接，C相反相变压器副边绕组的第二端子以及D相反相变压器副边绕组的第一端子均与四相整流桥d相桥臂的中点连接，滤波电感和输出滤波电容串联形成的串联支路并接在四相整流桥的输出侧，A相同相变压器原边绕组的第一端子和副边绕组的第一端子互为同名端，B相同相变压器原边绕组的第一端子和副边绕组的第一端子互为同名端，C相反相变压器原边绕组的第二端子和副边绕组的第一端子互为同名端，D相反相变压器原边绕组的第二端子和副边绕组的第一端子互为同名端。
作为一种ZVS四相全桥变换器的进一步优化方案，四相全桥包括：第一开关管和第五开关管组成的A相桥臂、第二开关管和第六开关管组成的B相桥臂、第三开关管和第七开关管组成的C相桥臂、第四开关管和第八开关管组成的D相桥臂，第一、第二、第三、第四开关管的漏极并接，第一开关管的源极接第五开关管的漏极，第二开关管的源极接第六开关管的漏极，第三开关管的源极接第七开关管的漏极，第四开关管的源极接第八开关管的漏极，第五、第六、第七、第八开关管的源极并接。
再进一步的，所述一种ZVS四相全桥变换器中，四相整流桥包括：第一二极管和第五二极管组成的a相桥臂、第二二极管和第六二极管组成的b相桥臂、第三二极管和第七二极管组成的c相桥臂、第四二极管和第八二极管组成的d相桥臂，第一、第二、第三、第四二极管的阴极并接，第一二极管的阳极接第五二极管的阴极，第二二极管的阳极接第六二极管的阴极，第三二极管的阳极接第七二极管的阴极，第四二极管的阳极接第八二极管的阴极，第五、第六、第七、第八二极管的阳极并接。
再进一步的，所述一种ZVS四相全桥变换器中，第一至第八开关管为MOS管或IGBT管。
一种ZVS四相全桥变换器的移相控制方法，控制四相全桥每个桥臂上的两开关管互补导通，四相全桥每个桥臂上各开关管的导通时间分别为T s /2，控制B相桥臂上开关管比A相桥臂上开关管推迟t d 时间导通，控制C相桥臂上开关管比A相桥臂上开关管推迟T s /4时间导通，控制D相桥臂上开关管比A相桥臂上开关管推迟T s /4+t d 时间导通，调整四相全桥变换器变空比在上的取值以使四相全桥变换器工作于降压模式，调整四相全桥变换器变空比在上的取值以使四相全桥变换器工作于升压模式，所述四相全桥变换器变空比为对角管重叠导通时间与半个开关周期的比值，t d 为对角管重叠导通时间，T s 为开关周期。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）本申请涉及的四相全桥变换器由传统的两相交错并联移相全桥变换器演变而来，通过在传统的两相交错并联移相全桥变换器结构上增加两相反相变压器并改变变压器与四相全桥的连接方式得到本申请公开的四相全桥变换器拓扑，相对于传统的隔离Boost型升压电路，不需要增加额外的箝位电路，采用移相控制方法驱动四相全桥变换器就可以实现所有原边开关管的ZVS，且简化了控制方法；
（2）与两相交错并联移相全桥变换器相比，能够减小开关管的导通损耗，减小单个变压器的体积以及滤波电感的体积；
（3）该变换器的有效占空比变化范围为0~1，与三相Boost型全桥直流变换器相比，变换器的电路功率等级得到了提高。
附图说明
图1是本发明涉及的四相全桥变换器的电路原理图。
图2是本发明移相控制四相全桥变换器的电路时序图。
图3是本发明移相控制四相全桥变换器稳态工作的波形图。
图中标号说明：C in 为低压侧滤波电容，C f 为高压侧滤波电容，Q 1 、Q 2 、Q 3 、Q 4 、Q 5 、Q 6 、Q 7 和Q 8 为第一至第八开关管，L f 为滤波电感，D s1 、D s2 、D s3 、D s4 、D s5 、D s6 、D s7 、D s8 为第一至第八二极管。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明涉及的ZVS四相全桥变换器的电路原理图如图1所示，包括低压侧电路、四相变压器和高压侧电路。
低压侧电路包括：四相全桥和低压侧滤波电容C in （即为输入滤波电容），四相全桥由第一至第八开关管Q 1 、Q 2 、Q 3 、Q 4 、Q 5 、Q 6 、Q 7 和Q 8 组成。低压侧滤波电容C in 与光伏电池V in 并联。四相全桥包括：第一开关管Q 1 的源极与第五开关管Q 5 的漏极连接组成A相桥臂，第二开关管Q 2 的源极与第六开关管Q 6 的漏极连接组成B相桥臂，第三开关管Q 3 的源极与第七开关管Q 7 的漏极连接组成C相桥臂，第四开关管Q 4 的源极与第八开关管Q 8 的漏极连接组成D相桥臂。高压侧滤波电容C in 正端、第一开关管Q 1 漏极、第二开关管Q 2 漏极、第三开关管Q 3 漏极和第四开关管Q 4 漏极相连，输入滤波电容C in 负端第五开关管Q 5 源极、第六开关管Q 6 源极、第七开关管Q 7 源极和第八开关管Q 8 源极相连。
四相变压器包括：A相同相变压器、B相同相变压器、C相反相变压器、D相反相变压器，A相同相变压器包括a p 相绕组和a s 相绕组，B相同相变压器包括b p 相绕组和b s 相绕组，C相反相变压器包括c p 相绕组和c s 相绕组，D相反相变压器包括d p 相绕组和d s 相绕组，a p 相绕组、b p 相绕组、c p 相绕组和d p 相绕组组成四相变压器的原边绕组，a s 相绕组、b s 相绕组、c s 相绕组和d s 相绕组组成四相变压器的副边绕组。A相桥臂的中点和四相变压器中a p 相绕组的同名端以及四相变压器中c p 相绕组的异名端相连接，B相桥臂的中点和四相变压器中a p 相绕组的异名端以及四相变压器中c p 相绕组的同名端相连接，C相桥臂的中点和四相变压器中b p 相绕组的同名端以及四相变压器中d p 相绕组的异名端相连接，D相桥臂的中点、四相变压器中b p 相绕组的异名端和四相变压器中d p 相绕组的同名端相连接。a相桥臂中点和四相变压器中a s 相绕组的同名端以及四相变压器中d s 相绕组的异名端连接，b桥臂中点和四相变压器中b s 相绕组的同名端以及四相变压器中a s 相绕组的异名端相连接，c桥臂中点和四相变压器中c s 相绕组的同名端以及四相变压器中b s 相绕组的异名端相连接，d桥臂中点和四相变压器中d s 相绕组的同名端以及四相变压器中c s 相绕组的异名端相连接。
高压侧电路包括：四相整流桥、滤波电感L f 和高压侧滤波电容C f （输出滤波电容），四相整流桥由第一至第八二极管D s1 、D s2 、D s3 、D s4 、D s5 、D s6 、D s7 、D s8 组成。四相整流桥包括：第一二极管D s1 的正极与第五二级管D s5 的负极连接组成a相桥臂，第二二极管D s2 的正极与第六二级管D s6 的负极连接组成b相桥臂，第三二极管D s3 的正极与第七二级管D s7 的负极连接组成c相桥臂，第四二极管D s4 的正极与第八二级管D s8 的负极连接组成d相桥臂，第一二极管D s1 阴极、第二二极管D s2 阴极、第三二极管D s3 阴极和第四二极管D s4 阴极相连接，五二极管D s5 阳极、第六二极管D s6 阳极、第七二极管D s7 阳极和第八二极管D s8 阳极相连接。高压侧滤波电容C f 与直流母线并联。第一至第四二极管的连接点与滤波电感L f 的一端相连，滤波电感L f 的另一端与高压侧滤波电容C f 的正端相连，高压侧滤波电容C f 的负端与第五至第八二极的连接点相连。
图1的具体实施案例为：光伏电池电压V in =48V，直流母线电压V o =380V，额定输出功率P o =5kW，开关频率f s =50kHz，滤波电感L f =81.9uH，四相变压器选用EE55磁芯，原边匝数4匝，激磁电感104.6uH，副边匝数18匝，激磁电感2.1mH，原边漏感为0.31uH，低压侧滤波电容C in =1300uF，高压侧滤波电容C f =141uF。
图2为本专利所述基于移相控制的四相全桥变换器驱动时序图，图中T s 为开关周期。因采用移相控制，每个桥臂上下管互补导通，导通时间分别为T s /2。Q 2 比Q 1 推迟t d 导通，Q 3 比Q 1 推迟T s /4导通，Q 4 比Q 1 推迟T s /4+t d 。
图3为本专利所述基于移相控制的四相全桥变换器稳态工作波形图，N T 为变压器匝比。因采用移相控制，所以本专利中出现的占空比均指对角管重叠导通时间（如，开关管Q 1 和Q 6 的重叠导通时间/Q 2 和Q 5 的重叠导通时间/Q 3 和Q 8 的重叠导通时间/Q 4 和Q 7 的重叠导通时间，对角管重叠导通时间记为t d ）与半个开关周期的比值。根据占空比的范围，四相移相全桥变换器工作于不同的模式。当占空比时，四相移相全桥变换器工作于降压模式；当时，四相移相全桥变换器工作于升压模式。以变换器工作在升压模式下为例说明其工作原理，工作原理如下：
工作模式1[t 0 ~t 1 ]：开关管Q 1 、Q 6 、Q 3 和Q 8 导通，电流由电源正极流出经过两条通路，一条为从电源正极出发经过开关管Q 1 ，四相变压器的a p 和c p 相绕组，开关管Q 6 再回到电源负极；另一条为从电源正极出发经过一条为从电源正极出发经过开关管Q 3 ，四相变压器的b p 和d p 相绕组，开关管Q 8 再回到电源负极。变压器原边电压v AP =-v CP = v BP =-v DP =V in ，副边电压v AS =-v CS = v BS =-v DS =V in /N T ，二极管D s1 和D s7 导通，滤波电感L f 左端的电压v rect =2V in /N T 。
工作模式2[t 1 ~t 2 ]：开关管Q 1 、Q 2 、Q 3 和Q 8 导通，电流由电源正极流出，经过开关管Q 3 ，四相变压器的b p 和d p 相绕组，开关管Q 8 再回到电源负极。变压器原边电压v AP =-v CP =0，v BP =-v DP =V in ，副边电压v AS =-v CS =0，v BS =-v DS =V in /N T ，二极管D s1 、D s2 、D s7 和D s8 导通，滤波电感L f 左端的电压v rect =V in /N T 。
在t 2 时刻，关断开关管Q 1 ，开通开关管Q 5 ，变换器进入另外一个T s /4周期的工作，余下三个T s /4的工作情况类似上述的T s /4，在此不再赘述。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种ZVS四相全桥变换器，包括：低压侧电路、四相变压器和高压侧电路，
其特征在于，
低压侧电路包括：四相全桥和输入滤波电容，
四相变压器包括：A相同相变压器、B相同相变压器、C相反相变压器、D相反相变压器，
高压侧电路包括：四相整流桥、滤波电感和输出滤波电容；
所述输入滤波电容并联在四相全桥的输入侧，A相同相变压器原边绕组的第一端子以及C相反相变压器原边绕组的第一端子均与四相全桥A相桥臂的中点连接，A相同相变压器原边绕组的第二端子以及C相反相变压器原边绕组的第二端子均与四相全桥B相桥臂的中点连接，B相同相变压器原边绕组的第一端子以及D相反相变压器原边绕组的第一端子均与四相全桥C相桥臂的中点连接，B相同相变压器原边绕组的第二端子以及D相反相变压器原边绕组的第二端子均与四相全桥D相桥臂的中点连接，A相同相变压器副边绕组的第一端子以及D相反相变压器副边绕组的第二端子均与四相整流桥a相桥臂的中点连接，A相同相变压器副边绕组的第二端子以及B相同相变压器副边绕组的第一端子均与四相整流桥b相桥臂的中点连接，B相同相变压器副边绕组的第二端子以及C相反相变压器副边绕组的第一端子均与四相整流桥c相桥臂的中点连接，C相反相变压器副边绕组的第二端子以及D相反相变压器副边绕组的第一端子均与四相整流桥d相桥臂的中点连接，滤波电感和输出滤波电容串联形成的串联支路并接在四相整流桥的输出侧，A相同相变压器原边绕组的第一端子和副边绕组的第一端子互为同名端，B相同相变压器原边绕组的第一端子和副边绕组的第一端子互为同名端，C相反相变压器原边绕组的第二端子和副边绕组的第一端子互为同名端，D相反相变压器原边绕组的第二端子和副边绕组的第一端子互为同名端。
2.根据权利要求1所述的一种ZVS四相全桥变换器，其特征在于，所述四相全桥包括：第一开关管和第五开关管组成的A相桥臂、第二开关管和第六开关管组成的B相桥臂、第三开关管和第七开关管组成的C相桥臂、第四开关管和第八开关管组成的D相桥臂，第一、第二、第三、第四开关管的漏极并接，第一开关管的源极接第五开关管的漏极，第二开关管的源极接第六开关管的漏极，第三开关管的源极接第七开关管的漏极，第四开关管的源极接第八开关管的漏极，第五、第六、第七、第八开关管的源极并接。
3.根据权利要求1或2所述的一种ZVS四相全桥变换器，其特征在于，所述四相整流桥包括：第一二极管和第五二极管组成的a相桥臂、第二二极管和第六二极管组成的b相桥臂、第三二极管和第七二极管组成的c相桥臂、第四二极管和第八二极管组成的d相桥臂，第一、第二、第三、第四二极管的阴极并接，第一二极管的阳极接第五二极管的阴极，第二二极管的阳极接第六二极管的阴极，第三二极管的阳极接第七二极管的阴极，第四二极管的阳极接第八二极管的阴极，第五、第六、第七、第八二极管的阳极并接。
4.根据权利要求2所述的一种ZVS四相全桥变换器，其特征在于，所述第一至第八开关管为MOS管或IGBT管。
5.权利要求1所述一种ZVS四相全桥变换器的移相控制方法，其特征在于：控制四相全桥每个桥臂上的两开关管互补导通，四相全桥每个桥臂上各开关管的导通时间分别为T s /2，控制B相桥臂上开关管比A相桥臂上开关管推迟t d 时间导通，控制C相桥臂上开关管比A相桥臂上开关管推迟T s /4时间导通，控制D相桥臂上开关管比A相桥臂上开关管推迟T s /4+t d 时间导通，调整四相全桥变换器变空比在上的取值以使四相全桥变换器工作于降压模式，调整四相全桥变换器变空比在上的取值以使四相全桥变换器工作于升压模式，所述四相全桥变换器变空比为对角管重叠导通时间与半个开关周期的比值，t d 为对角管重叠导通时间，T s 为开关周期。
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