CN109245550A - 减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明供一种减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，包括由对称设置的原边全桥电路和副边全桥电路，所述的原边全桥电路和副边全桥电路分别包括四条由第一功率开关管Qi和第二功率开关管QiA串连组成的桥臂，在所述的每条桥臂的两端还并联有碳化硅二极管Di，所述的碳化硅二极管的N极接第二功率开关管QiA的D极，所述的碳化硅二极管的P极接第一功率开关管Qi的S极。由于在每条桥臂两端并联有碳化硅二极管Di，碳化硅二极管Di将会优先导通并分担全部或者大部分续流电流。

Description

减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器
技术领域
本发明涉及变换器领域，特别是一种减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器。
背景技术
随着智能电网和能源互联化的快速发展，将电能进行双向变换传输的产品的成为该领域的市场热点。如图1所示为一种典型的DC－DC双向全桥变换器，它具有电路结构简单、电压电流应力比较小控制方式成熟等优点，因而在中大功率场合应用有着广泛的应用，如图1所示该全桥变换器源边具有四个开关管Q01、Q02、Q03和Q04，同样副边也具有四个开关管Q05、Q06、Q07和Q08，它们构成了全桥变换器的八个桥臂，也就是一对源端的上桥臂、一对源端下桥臂、一对目标端上桥臂和一对目标端下桥臂。
由于三电平变换器降低了开关管的应力，使开关管的应力仅仅为如图1所示的双向全桥变换器中的应力的一半，因此，三电平变换器得到广泛的应用。如图2所示为一种三电平全桥变换器的电路原理图。与图1相比，也是具有一对源端上桥臂、一对源端下桥臂、一对目标端上桥臂和一对目标端下桥臂共四对八个桥臂，每个桥臂由一个开关管Qi和另外一个输入同样控制信号gi的开关管QiA组成，这里，i为1、2、3、4、5、6、7、8中的任一，具体的一个臂如图3所示，由两个开关管组成。
如图1和图2所示，功率开关管是三电平双向变换器的核心器件之一，功率开关管器的可靠、高效运行是双向变换器的关键技术。然而，由于功率开关管其体二极管的反向恢复问题会带来额外的功率损耗、以及桥臂上下管直通电流产生的可靠性问题。因此亟待一种解决功率开关管的反向恢复问题的技术方案，以保证功率开关管的高效、可靠的运行。
发明内容
本发明针对目前三电平双向变换器中由于功率开关管其体二极管的反向恢复问题会带来额外的功率损耗、以及桥臂上下管直通电流产生的可靠性问题所带来的不足，提供一种减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是:一种减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，包括由对称设置的原边全桥电路和副边全桥电路，所述的原边全桥电路和副边全桥电路分别包括四条由第一功率开关管Qi和第二功率开关管QiA串连组成的桥臂，在所述的每条桥臂的两端还并联有碳化硅二极管Di，所述的碳化硅二极管的N极接第二功率开关管QiA的D极，所述的碳化硅二极管的P极接第一功率开关管Qi的S极。
由于在每条桥臂两端并联有碳化硅二极管Di，碳化硅二极管Di将会优先导通并分担全部或者大部分续流电流。
进一步的，上述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器中：还包括隔离电容Ci，所述的隔离电容Ci设置在上桥臂的第二功率开关管QiA的S极与下桥臂的第一功率开关管Qi+1的D极的相连的公共端与上臂的碳化硅二极管Di的P极与下臂的碳化硅二极管Di+1的N极。
进一步的，上述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器中：还包括钳位二极管DiA和钳位二极管DiB，所述的钳位二极管DiA和钳位二极管DiB分别并联在隔离电容Ci的两端，钳位二极管DiA和钳位二极管DiB的极性相反。
进一步的，上述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器中：在一对上下桥臂之间还包括钳位电路，所述的钳位电路，包括上钳位二极管D9、下钳位二极管D10和电容Cf1；所述的上钳位二极管D9的N极与上桥臂的第一功率开关管Qi的D极与第二功率开关管QiA的S极相连的公共端相连，所述的下钳位二极管D10的P极与下桥臂的第一功率开关管Qi+1的D极与第二功率开关管Qi+1A的S极相连的公共端相连，上钳位二极管D9有N极与下钳位二极管D10的P极相连并接地，电容Cf1的两端分别与上钳位二极管D9的N极和下钳位二极管D10的P极之间。
进一步的，上述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器中：在原边全桥电路和副边全桥电路之间还设置有谐振网络，所述的谐振网络包括变压器T100，所述的变压器T100原边绕组分别接变换器源边全桥电路中的前上、下桥臂连接的公共端和后上、下桥臂连接的公共端之间；所述的变压器T100的次级绕组分别接变换器副边全桥电路的前上、下桥臂连接的公共端和后上、下桥臂连接的公共端之间。
进一步的，上述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器中：在所述的变压器T100的原边绕组两端还设置有电感Lm。
进一步的，上述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器中：在所述的变压器T100的源边绕组上还串连有电容Crp或/和电感Lrp。
进一步的，上述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器中：在所述的变压器T100的次级绕组上还串连有电容Crs或/和电感Lrs。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
附图1是一种典型的DC－DC双向全桥变换器电路原理图。
附图2是一种三电平双向全桥变换器电路原理图。
附图3是一种三电平双向全桥变换器的一个桥臂电路原理图。
附图4是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器的一根桥臂。
附图5是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器的一对上、下桥臂（一）。
附图6是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器的一对上、下桥臂（一）。
附图7是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器的源边全桥电路（一）。
附图8是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器的源边全桥电路（二）。
附图9是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器的源边全桥电路（三）。
附图10是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器原理图。
附图11是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向全桥变换器谐振网络电路原理图（一）。
附图12是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向全桥变换器谐振网络电路原理图（二）。
附图13是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向全桥变换器谐振网络电路原理图（三）。
附图14是本发明中减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向全桥变换器谐振网络电路原理图（四）。
具体实施方式
实施例1，如图4、5、6、7、8、9、10所示，本实施例是一种三电平双向全桥变换器，包括由功率开关管组成的桥臂，共8条桥臂，如图10所示，分别是源端前上、前下、后上、后下，副边同样的也是前上、前下、后上、后下四板桥臂，是对称设置的，每根桥臂上，如图4所示，还包括一个碳化硅二极管Di，碳化硅二极管的N极接第二功率开关管QiA的D极，碳化硅二极管Di的P极接第一功率开关管Qi的S极。这里i可以选择1、2、3、4、5、6、7、8分别表示是上面的八条桥臂，本实施例中，提出一种新的解决方案，能够有效的减小功率开关管的反向恢复问题。即在变换器的上、下桥臂分别并联碳化硅二极管Qi。在变换器的谐振网络续流阶段，碳化硅二极管Qi将会优先导通并分担全部或者大部分续流电流，进而大幅减小功率率开关管体二极管的续流电流，从而减小功率开关管的体二极管的反向恢复，从而降低功率开关管的开关损耗，提高其开关的可靠性。
本实施例的核心是在变换器的上下桥臂中增加并联的碳化硅二极管。碳化硅二极管的反向恢复非常小，几乎可以忽略。
在每个桥臂单元中，两个功率开关管的体二极管导通压降分别是VF1、VF2，并联的碳化硅二极管的导通压降是VF3，在大多数情况下，VF3<=VF1+VF2，从而保证碳化硅二极管将会优先导通并分担全部或者大部分续流电流。
本发明有8个桥臂单元，如图3所示的桥臂是本实施例的8个桥臂单元中的一个单元。一对桥臂单元有上桥臂、下桥臂两部分组成。上桥臂是普通三电平全桥电路的一个桥臂，包含2个功率开关管分别第一功率开关Qi和第二功率开关QiA，i可以是1、2、3、4、5、6、7、8中的任意一个，分别表示源边全桥的前上、前下、后上、后下桥臂，副边全桥的前上、前下、后上、后下总共八根桥臂。在每根桥臂上并联的碳化硅二极管Di。
桥臂并联的碳化硅二极管Di在谐振网络续流时，会优先第一功率管Qi、第二功率管QiA的体二极管导通，并分担全部或者大部分续流电流。这样，第一功率管Qi和第二功率管QiA的体二极管的体二极管就很少导通或者不导通，从而其反向恢复就大幅减小。
如图5所示，还包括隔离电容Ci，隔离电容Ci设置在上桥臂的第二功率开关管QiA的S极与下桥臂的第一功率开关管Qi+1的D极的相连的公共端与上臂的碳化硅二极管Di的P极与下臂的碳化硅二极管Di+1的N极。
本实施例中上下桥臂单元共用一个隔离电容Ci。
在开关管驱动的上半周期，隔离电容Ci两端的电压方向和碳化硅二极管Di的导通压降是相反的，等效于降低了并联之路的总压降，从而使得碳化硅二极管Di在大电流及高温情况下，也能优先导通。
同理，在开关管驱动的下半周期，电容Ci两端的电压方向和碳化硅二极管Di+1的导通压降也是相反，等效于降低了并联之路的总压降，从而使得碳化硅二极管在大电流及高温情况下，也能优先导通。
如图6所示，还包括钳位二极管DiA和钳位二极管DiB，钳位二极管DiA和钳位二极管DiB分别并联在隔离电容Ci的两端，钳位二极管DiA和钳位二极管DiB的极性相反。
本实施例中，在上下桥臂单元共用的隔离电容Ci端增加2个钳位二极管分别是钳位二极管DiA和钳位二极管DiB，用来对Ci的电压进行钳位，以确保在起机及动态情况下，Ci不会偏压。
如图7、图8和图9所示，在一对上下桥臂之间还包括钳位电路，钳位电路，包括上钳位二极管D9、下钳位二极管D10和电容Cf1；所述的上钳位二极管D9的N极与上桥臂的第一功率开关管Qi的D极与第二功率开关管QiA的S极相连的公共端相连，所述的下钳位二极管D10的P极与下桥臂的第一功率开关管Qi+1的D极与第二功率开关管Qi+1A的S极相连的公共端相连，上钳位二极管D9有N极与下钳位二极管D10的P极相连并接地，电容Cf1的两端分别与上钳位二极管D9的N极和下钳位二极管D10的P极之间。
如图10所示为本实施例的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向全桥变换器的电路原理图，源边全桥和副边全桥对称设置在谐振网络两端，变换器的谐振网络如图11、12、13、14所示，包括变压器T100，变压器T100原边绕组分别接变换器源边前上、下桥臂连接的公共端和后上、下桥臂连接的公共端之间；变压器T100的次级绕组分别接变换器副边前上、下桥臂连接的公共端和后上、下桥臂连接的公共端之间。在变压器T100的原边绕组两端还可以设置有电感Lm。在变压器T100的源边绕组上还串连有电容Crp或/和电感Lrp。在变压器T100的次级绕组上还串连有电容Crs或/和电感Lrs。

Claims (8)

1.一种减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，包括由对称设置的原边全桥电路和副边全桥电路，所述的原边全桥电路和副边全桥电路分别包括四条由第一功率开关管Qi和第二功率开关管QiA串连组成的桥臂，其特征在于：在所述的每条桥臂的两端还并联有碳化硅二极管Di，所述的碳化硅二极管Di的N极接第二功率开关管QiA的D极，所述的碳化硅二极管的P极接第一功率开关管Qi的S极。
2.根据权利要求1所述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，其特征在于：还包括隔离电容Ci，所述的隔离电容Ci设置在上桥臂的第二功率开关管QiA的S极与下桥臂的第一功率开关管Qi+1的D极的相连的公共端与上臂的碳化硅二极管Di的P极与下臂的碳化硅二极管Di+1的N极。
3.根据权利要求2所述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，其特征在于：还包括钳位二极管DiA和钳位二极管DiB，所述的钳位二极管DiA和钳位二极管DiB分别并联在隔离电容Ci的两端，钳位二极管DiA和钳位二极管DiB的极性相反。
4.根据权利要求2所述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，其特征在于：在一对上下桥臂之间还包括钳位电路，所述的钳位电路，包括上钳位二极管D9、下钳位二极管D10和电容Cf1；所述的上钳位二极管D9的N极与上桥臂的第一功率开关管Qi的D极与第二功率开关管QiA的S极相连的公共端相连，所述的下钳位二极管D10的P极与下桥臂的第一功率开关管Qi+1的D极与第二功率开关管Qi+1A的S极相连的公共端相连，上钳位二极管D9有N极与下钳位二极管D10的P极相连并接地，电容Cf1的两端分别与上钳位二极管D9的N极和下钳位二极管D10的P极之间。
5.根据权利要求1至4中任一所述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，其特征在于：在原边全桥电路和副边全桥电路之间还设置有谐振网络，所述的谐振网络包括变压器T100，所述的变压器T100原边绕组分别接变换器源边全桥电路中的前上、下桥臂连接的公共端和后上、下桥臂连接的公共端之间；所述的变压器T100的次级绕组分别接变换器副边全桥电路的前上、下桥臂连接的公共端和后上、下桥臂连接的公共端之间。
6.根据权利要求5所述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，其特征在于：在所述的变压器T100的原边绕组两端还设置有电感Lm。
7.根据权利要求6所述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，其特征在于：在所述的变压器T100的源边绕组上还串连有电容Crp或/和电感Lrp。
8.根据权利要求5所述的减小功率开关管反向恢复续流电流的三电平双向变换器，其特征在于：在所述的变压器T100的次级绕组上还串连有电容Crs或/和电感Lrs。
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