CN109617441B - 三电平半桥型变换器及其换流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平半桥型变换器及其换流方法，三电平半桥型变换器，包括高频变压器以及连接在所述高频变压器两边的原边电路与副边电路；所述原边电路包括与高频变压器相连接的原边半桥式电路、与原边半桥式电路相连接的第一钳位桥臂和高压侧电源、与高压侧电源连接的第一电容电路以及连接在原边半桥式电路与高频变压器的原边之间的原边总电感；所述副边电路包括第一副边滤波电感、第二副边滤波电感、负载、输出滤波电容、第四副边二极管，所述第一副边滤波电感、第二副边滤波电感与所述高频变压器相互磁耦合。该三电平半桥型变换器，使副边电流在副边短路期间快速下降，进而大幅度减少占空比丢失，同时也提高了变换器的功率密度。

Description

三电平半桥型变换器及其换流方法

技术领域

本发明涉及变换器领域，尤其涉及一种三电平半桥型变换器及其换流方法。

背景技术

传统的两电平直流变换器结构简单，开关器件少，随着电网系统容量的逐渐增大，要求变换器的电压等级也有相应的提升，因此多电平尤其是三电平直流变换器的拓扑结构受到越来越多的重视，三电平直流变换器已经广泛应用于功率因数校正电路、软开关技术、电动汽车充电等领域，

现有的半桥三电平变换器超前管在换流中容易实现电压软开关，但是滞后管的电压软开关较难实现，尤其当变换器工作在轻载的时候，这种情况将更加突出，从而影响了带载范围；上下桥臂换流过程中，在原边电流从正向变化到负向，或从负向变化到正向的时段，变压器原边不足以为负载提供足够的储能，而造成变压器副边被短路，导致占空比的丢失；

另外，现有的原边电感大多采用饱和电感，功率密度有进一步提高的空间和需求，对减小占空比丢失的效果有待提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三电平半桥型变换器及其换流方法，该三电平半桥型变换器，使副边电流在副边短路期间快速下降，进而大幅度减少占空比丢失，同时也提高了变换器的功率密度。

其技术方案如下：

三电平半桥型变换器，其特征在于，包括高频变压器以及连接在所述高频变压器两边的原边电路与副边电路；所述原边电路包括与高频变压器相连接的原边半桥式电路、与原边半桥式电路相连接的第一钳位桥臂和高压侧电源、与高压侧电源连接的第一电容电路以及连接在原边半桥式电路与高频变压器的原边之间的原边总电感；所述副边电路包括第一副边滤波电感、第二副边滤波电感、负载、输出滤波电容、第四副边二极管，所述高频变压器的副边包括副边同名端、副边异名端，第一副边滤波电感、第二副边滤波电感的输入端分别与副边同名端经串联支路、副边异名端连接，第一副边滤波电感、第二副边滤波电感的输出端经串联二极管后与负载的输入端连接，输出滤波电容与负载的两端并联连接，负载的输出端经过第四副边二极管与副边异名端连接；所述第一副边滤波电感、第二副边滤波电感与所述高频变压器相互磁耦合。

所述副边电路还包括二次侧绕组，所述二次侧绕组包括第一整流二极管、第二整流二极管、第一高频开关管，所述副边同名端包括第一副边同名端、第二副边同名端，所述第一副边同名端依次与所述第一高频开关管、第一整流二极管、第一副边滤波电感的输入端串联连接，所述第二副边同名端依次与所述第二整流二极管、第一副边滤波电感的输入端串联连接。

所述二次侧绕组还包括第三整流二极管、寄生结电容，所述第三整流二极管与所述第一高频开关管反并联连接，所述寄生结电容与所述第一高频开关管并联连接。

所述副边电路还包括第一副边二极管、第二副边二极管、第三副边二极管，所述第一副边滤波电感、第二副边滤波电感的输出端分别与所述第一副边二极管、第二副边二极管串联后与所述负载的输入端连接，所述负载的输出端、第三副边二极管依次串联后与所述第一副边滤波电感的输入端连接。

所述原边电路还包括隔直电容，高频变压器的原边包括原边同名端、原边异名端，所述隔直电容与所述原边异名端串联连接，所述原边总电感与所述原边同名端串联连接。

所述原边半桥式电路包括第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管，所述第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管依次串联后与所述高压侧电源的两端并联连接，所述第二原边开关管、第三原边开关管之间引出输出端子与所述原边总电感连接。

所述原边半桥式电路还包括第一原边二极管、第二原边二极管、第三原边二极管、第四原边二极管、第一谐振电容、第二谐振电容、第三谐振电容、第四谐振电容，所述第一原边二极管、第二原边二极管、第三原边二极管、第四原边二极管分别与所述第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管反并联连接，所述第一谐振电容、第二谐振电容、第三谐振电容、第四谐振电容分别与所述第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管并联连接。

所述第一钳位桥臂包括第五原边二极管、第六原边二极管，所述第五原边二极管、第六原边二极管串联后并联于所述第二原边开关管的输入端与所述第三原边开关管的输出端。

所述第一电容电路包括第一母线电容、第二母线电容，所述第一母线电容、第二母线电容串联后并联于所述高压侧电源的两端。

三电平半桥型变换器的换流方法，包括以下步骤：

在t₀时刻之前，第一原边开关管与第二原边开关管导通，变换器处于状态+1；原边电流的流向由电源正极、第一原边开关管、第二原边开关管、原边总电感、高频变压器的原边电感线圈、电源中点；副边电流的流向由副边同名端流经第一高频开关管、第一整流二极管、第一副边滤波电感、第一副边二极管、负载、第四副边二极管、高频变压器的副边异名端。

在t₀至t₁时刻时，变换器为+1/0状态切换；在该模态t₀时刻第一原边开关管零电压关断，而高频变压器副边导通的情况不变；

在t₁至t₂时刻时，变换器处于零状态；在t₁之后，第五原边二极管自然导通，此时开通第四原边开关管为零电压导通,而高频变压器副边导通的情况不变；

在t₂至t₃时刻时，变换器为0/-1状态切换；在t₂时刻控制第二原边开关管零电压关断，在t₃时刻，第三原边二极管自然导通；

在t₃至t₄时刻时，变换器为-1状态；在t₃时刻，由于第三原边二极管处于自然导通状态，第三原边开关管的电压被箝位在0，此时第三原边开关管零电压开通，在t₄时刻，原边电流迅速下降到0，并开始由0到负迅速变化，第三原边二极管、第四原边二极管自然关断，第三原边开关管、第四原边开关管开始有电流通过；

在t₄至t₅时刻时，变换器为-1状态；在t₄时刻，原边电流迅速由零向负变化，第三原边开关管、第四原边开关管开始有电流通过，电源电压全部作用于原边总电感上，电流迅速向反方向增加，t₅时刻之前，由于此时电流值不足以维持负载电流，直到t₅时刻，电流值足以维持负载电流在原边的折算值，无负载电流流过；

在t₅至t₆时刻时，变换器为-1状态，下电源通过变压器给负载供电。

需要说明的是：

前述“第一、第二…”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于对名称的区分。

前述“t₀、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆”表示从第零时间点到第六时间点的顺序时间点。

下面对本发明的优点或原理进行说明：

1、本三电平半桥型变换器在后级全桥整流电路的每一条整流支路中串联一个滤波电感，然后将两个滤波电感和高频变压器通过磁耦合集成到一起，利用两条支路同时导通时存在的互感对两条支路中等效电感量的减小来降低等效电感量，从而使副边电流在副边短路期间快速下降，进而大幅度减少占空比丢失，其减小占空比丢失的效果好过采用饱和电感减小占空比丢失的效果；同时也提高了变换器的功率密度。

2、副边电路还包括二次侧绕组，在高频变压器的二次侧绕组有抽头，二次侧绕组包括第一整流二极管、第二整流二极管、第一高频开关管，在轻负载情况下通过改变二次侧绕组的匝数(变匝比)的方式来增加滞后管关断需要的能量，进而保证轻载下滞后管的零电压开关，从而拓宽带载范围，使其具有宽输出电压适应范围，又兼顾了增加原副边匝比和占空比的丢失增大之间的矛盾。

3、在轻负载情况下通过关断二次侧绕组串联的高频开关管来改变原副边匝比的方式来增加滞后管关断需要的能量，同时也解决了增加原副边匝比和占空比的丢失增大之间的矛盾。

4、原边半桥式电路包括第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管，由第一原边开关管、第四原边开关管构成超前臂，由第二原边开关管、第三原边开关管构成滞后臂，原边电路的导通与关断分别由第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管控制。

5、第一电容电路包括第一母线电容、第二母线电容，第一母线电容、第二母线电容可以保证电压的稳定，实现母线电容均压的效果。

6、本三电平半桥型变换器的换流方法共有十二个开关模态，其中前半个工作周期的七个工作模态如下：

在t₀时刻之前，第一原边开关管与第二原边开关管导通，变换器处于状态+1；原边电流的流向由电源正极、第一原边开关管、第二原边开关管、原边总电感、高频变压器的原边电感线圈、电源中点；副边电流的流向由副边同名端流经第一高频开关管、第一整流二极管、第一副边滤波电感、第一副边二极管、负载、第四副边二极管、高频变压器的副边异名端。

在t₀至t₁时刻时，变换器为+1/0状态切换；在该模态t₀时刻关断第一原边开关管，由于第一副边滤波电感和原边总电感的存在，原边电流不能突变，变压器原边电路形成两个电流回路，一个回路给第一谐振电容充电，另一个回路同时给第四谐振电容放电，原来通过第一原边开关管的电流转移到第一谐振电容和第四谐振电容支路中。由于第一谐振电容的作用，限制了第一原边开关管两端电压的上升，所以第一原边开关管零电压关断，而高频变压器副边导通的情况不变；

在t₁至t₂时刻时，变换器处于零状态；在t₁之后，第五原边二极管自然导通，此时开通第四原边开关管为零电压导通,但是第四原边开关管中并没有电流通过，原边电流经由第五原边二极管、第二原边开关管、原边总电感和高频变压器形成续流通路；高频变压器副边导通情况保持不变；

在t₂至t₃时刻时，变换器为0/-1状态切换；在t₂时刻控制第二原边开关管零电压关断，此时原边电流流经两个回路，一条回路给第二谐振电容充电，另一条回路给第三谐振电容放电。由于第二谐振电容、第三谐振电容的作用，第二原边开关管电压的上升受到了限制，所以第二原边开关管做到了零电压关断。A,B点之间的电压极性由零开始变负，导致高频变压器副边线圈变反，将使得副边的另一条支路经由第二副边滤波电感、第二副边二极管、第三副边二极管导通，此时变压器副边四个整流二极管经由两条滤波电感构成两条支路全部导通，A,B点之间的电压直接加在原边总电感上，此时原边总电感、第二谐振电容、第三谐振电容之间谐振。在t₃时刻，第二谐振电容上电压，完成了充电过程，同时第三谐振电容上电压也降为0，完成了放电过程，并联第三原边二极管自然导通；

在t₃至t₄时刻时，变换器为-1状态；在t₃时刻，由于第三原边二极管处于自然导通状态，第三原边开关管的电压被箝位在0，此时第三原边开关管零电压开通，虽然此时给出了第三原边开关管的开通信号，但是第三原边开关管中并没有电流通过，原边电流通过第三原边二极管续流；原边总电感中储存的能量返回给供电电源，此时副边的情况延续在t₁至t₂时刻的状态；电源电压全部作用于原边总电感上，电流迅速下降，在t₄时刻，原边电流迅速下降到0，并开始由0到负迅速变化，第三原边二极管、第四原边二极管自然关断，第三原边开关管、第四原边开关管中开始有电流通过；

在t₄至t₅时刻时，变换器为-1状态；在t₄时刻，原边电流迅速由零向负变化，第三原边开关管、第四原边开关管开始有电流通过，电源电压全部作用于原边总电感上，电流迅速向反方向增加，t₅时刻之前，由于此时电流值不足以维持负载电流，直到t₅时刻，电流值足以维持负载电流在原边的折算值，负载电流全部经由第二副边滤波电感、第二副边二极管、第三副边二极管构成的支路流通，由第一副边滤波电感、第一副边二极管、第四副边二极管构成的支路截止，无负载电流流过；由于t₅时刻之前，在高频变压器副边四个整流二极管经由两条滤波电感构成两条支路全部导通过程中由于两条滤波电感都有电流流过，所以等效电感很小，导致高频变压器二次侧两条支路的电流变化率都加大，导致负载侧等效电感值很小，所以该过程的过渡时间比传统的采用饱和电感的过渡时间要小的多，简要解释如下：由于两条副边支路不是同时导通时，两条支路的等效电感分别保持为耦合前的电感值第一副边滤波电感和第二副边滤波电感，在变压器副边四个整流二极管经由两条滤波电感构成两条支路全部导通过程中由于两条滤波电感都有电流流过，所以互感存在，所以由于互感的存在导致两条电感支路的等效电感量减少，使互感的平方快速下降，从而大幅度减少占空比丢失；

在t₅至t₆时刻时，变换器为-1状态，下电源通过变压器给负载供电；在t₆时刻，第四原边开关管关断，变换器进入到后半周期时间，工作原理与前半周期一致。

附图说明

图1是本发明实施例三电平半桥型变换器的电路示意图。

图2是本发明实施例三电平半桥型变换器的工作波形图。

附图标记说明：

10、高频变压器，111、第一副边同名端，112、第二副边同名端，12、副边异名端，13、原边同名端，14、原边异名端，20、原边电路，21、原边半桥式电路，211、第一原边开关管，212、第二原边开关管，213、第三原边开关管，214、第四原边开关管，215、第一原边二极管，216、第二原边二极管，217、第三原边二极管，218、第四原边二极管，221、第一谐振电容，222、第二谐振电容，223、第三谐振电容，224、第四谐振电容，23、第一钳位桥臂，231、第五原边二极管，232、第六原边二极管，24、高压侧电源，25、第一电容电路，251、第一母线电容，252、第二母线电容，26、原边总电感，27、隔直电容，30、副边电路，31、第一副边滤波电感，32、第二副边滤波电感，33、负载，34、输出滤波电容，351、第一副边二极管，352、第二副边二极管，353、第三副边二极管，354、第四副边二极管，361、第一整流二极管，362、第二整流二极管，363、第一高频开关管，364、第三整流二极管，365、寄生结电容。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，三电平半桥型变换器，包括高频变压器10以及连接在高频变压器10两边的原边电路20与副边电路30；原边电路20包括与高频变压器10相连接的原边半桥式电路21、与原边半桥式电路21相连接的第一钳位桥臂23和高压侧电源24、与高压侧电源连接的第一电容电路25以及连接在原边半桥式电路21与高频变压器10的原边之间的原边总电感26；副边电路30包括第一副边滤波电感31、第二副边滤波电感32、负载33、输出滤波电容34、第四副边二极管354，高频变压器10的副边包括副边同名端、副边异名端12，第一副边滤波电感31、第二副边滤波电感32的输入端分别与副边同名端经串联支路、副边异名端12连接，第一副边滤波电感31、第二副边滤波电感32的输出端经串联二极管后与负载33的输入端连接，输出滤波电容34与负载33的两端并联连接，负载33的输出端经过第四副边二极管354与副边异名端12连接；所述第一副边滤波电感31、第二副边滤波电感32与所述高频变压器10相互磁耦合。

其中，副边电路30还包括二次侧绕组，二次侧绕组包括第一整流二极管361、第二整流二极管362、第一高频开关管363、第三整流二极管364、寄生结电容365、第一副边二极管351、第二副边二极管352、第三副边二极管353，副边同名端包括第一副边同名端111、第二副边同名端112，第一副边同名端111依次与第一高频开关管363、第一整流二极管361、第一副边滤波电感31的输入端串联连接，第二副边同名端112依次与第二整流二极管362、第一副边滤波电感31的输入端串联连接；第三整流二极管364与第一高频开关管363反并联连接，寄生结电容365与第一高频开关管363并联连接；第一副边滤波电感31、第二副边滤波电感32的输出端分别与第一副边二极管351、第二副边二极管352串联后与负载33的输入端连接，负载33的输出端、第三副边二极管353依次串联后与第一副边滤波电感31的输入端连接。

原边电路20还包括隔直电容27，高频变压器10的原边包括原边同名端13、原边异名端14，隔直电容27与原边异名端14串联连接，原边总电感26与原边同名端13串联连接。

原边半桥式电路21包括第一原边开关管211、第二原边开关管212、第三原边开关管213、第四原边开关管214、第一原边二极管215、第二原边二极管216、第三原边二极管217、第四原边二极管218、第一谐振电容221、第二谐振电容222、第三谐振电容223、第四谐振电容224，第一原边开关管211、第二原边开关管212、第三原边开关管213、第四原边开关管214依次串联后与高压侧电源24的两端并联连接，第二原边开关管212、第三原边开关管213之间引出输出端子与原边总电感26连接；

第一原边二极管215、第二原边二极管216、第三原边二极管217、第四原边二极管218分别与第一原边开关管211、第二原边开关管212、第三原边开关管213、第四原边开关管214反并联连接，第一谐振电容221、第二谐振电容222、第三谐振电容223、第四谐振电容224分别与第一原边开关管211、第二原边开关管212、第三原边开关管213、第四原边开关管214并联连接。

第一钳位桥臂23包括第五原边二极管231、第六原边二极管232，第五原边二极管231、第六原边二极管232串联后并联于第二原边开关管212的输入端与第三原边开关管213的输出端。

第一电容电路25包括第一母线电容251、第二母线电容252，第一母线电容251、第二母线电容252串联后并联于高压侧电源24的两端。

三电平半桥型变换器的换流方法，包括以下步骤：

在t₀时刻之前，第一原边开关管211与第二原边开关管212导通，变换器处于状态+1；原边电流的流向由电源正极、第一原边开关管211、第二原边开关管212、原边总电感26、高频变压器10的原边电感线圈、电源中点；副边电流的流向由副边同名端流经第一高频开关管363、第一整流二极管361、第一副边滤波电感31、第一副边二极管351、负载33、第四副边二极管354、高频变压器10的副边异名端12。

在t₀至t₁时刻时，变换器为+1/0状态切换；在该模态t₀时刻第一原边开关管211零电压关断，而高频变压器10副边导通的情况不变；

在t₁至t₂时刻时，变换器处于零状态；在t₁之后，第五原边二极管231自然导通，此时开通第四原边开关管214为零电压导通,而高频变压器10副边导通的情况不变；

在t₂至t₃时刻时，变换器为0/-1状态切换；在t₂时刻控制第二原边开关管212零电压关断，在t₃时刻，第三原边二极管217自然导通；

在t₃至t₄时刻时，变换器为-1状态；在t₃时刻，由于第三原边二极管217处于自然导通状态，第三原边开关管213的电压被箝位在0，此时第三原边开关管213零电压开通，在t₄时刻，原边电流迅速下降到0，并开始由0到负迅速变化，第三原边二极管217、第四原边二极管218自然关断，第三原边开关管213、第四原边开关管214开始有电流通过；

在t₄至t₅时刻时，变换器为-1状态；在t₄时刻，原边电流迅速由零向负变化，第三原边开关管213、第四原边开关管214开始有电流通过，电源电压全部作用于原边总电感26上，电流迅速向反方向增加，t₅时刻之前，由于此时电流值不足以维持负载33电流，直到t₅时刻，电流值足以维持负载33电流在原边的折算值，无负载33电流流过；

在t₅至t₆时刻时，变换器为-1状态，下电源通过变压器给负载33供电；三电平半桥型变换器的工作波形图如图2所示。

本实施例具有如下优点：

1、本三电平半桥型变换器在后级全桥整流电路的每一条整流支路中串联一个滤波电感，然后将两个滤波电感和高频变压器10通过磁耦合集成到一起，利用两条支路同时导通时存在的互感对两条支路中等效电感量的减小来降低等效电感量，从而使副边电流在副边短路期间快速下降，进而大幅度减少占空比丢失，其减小占空比丢失的效果好过采用饱和电感减小占空比丢失的效果；同时也提高了变换器的功率密度。

2、副边电路30还包括二次侧绕组，在高频变压器10的二次侧绕组有抽头，二次侧绕组包括第一整流二极管361、第二整流二极管362、第一高频开关管363，在轻负载33情况下通过改变二次侧绕组的匝数(变匝比)的方式来增加滞后管关断需要的能量，进而保证轻载下滞后管的零电压开关，从而拓宽带载范围，使其具有宽输出电压适应范围，又兼顾了增加原副边匝比和占空比的丢失增大之间的矛盾。

3、在轻负载33情况下通过关断二次侧绕组串联的高频开关管来改变原副边匝比的方式来增加滞后管关断需要的能量，同时也解决了增加原副边匝比和占空比的丢失增大之间的矛盾。

4、原边半桥式电路21包括第一原边开关管211、第二原边开关管212、第三原边开关管213、第四原边开关管214，由第一原边开关管211、第四原边开关管214构成超前臂，由第二原边开关管212、第三原边开关管213构成滞后臂，原边电路20的导通与关断分别由第一原边开关管211、第二原边开关管212、第三原边开关管213、第四原边开关管214控制。

5、第一电容电路25包括第一母线电容251、第二母线电容252，第一母线电容251、第二母线电容252可以保证电压的稳定，实现母线电容均压的效果。

6、本三电平半桥型变换器的换流方法共有十二个开关模态，其中前半个工作周期的七个工作模态如下：

在t₀时刻之前，第一原边开关管211与第二原边开关管212导通，变换器处于状态+1；原边电流的流向由电源正极、第一原边开关管211、第二原边开关管212、原边总电感26、高频变压器10的原边电感线圈、电源中点；副边电流的流向由副边同名端流经第一高频开关管363、第一整流二极管361、第一副边滤波电感31、第一副边二极管351、负载33、第四副边二极管354、高频变压器10的副边异名端12。

在t₀至t₁时刻时，变换器为+1/0状态切换；在该模态t₀时刻关断第一原边开关管211，由于第一副边滤波电感31和原边总电感26的存在，原边电流不能突变，变压器原边电路20形成两个电流回路，一个回路给第一谐振电容221充电，另一个回路同时给第四谐振电容224放电，原来通过第一原边开关管211的电流转移到第一谐振电容221和第四谐振电容224支路中。由于第一谐振电容221的作用，限制了第一原边开关管211两端电压的上升，所以第一原边开关管211零电压关断，而高频变压器10副边导通的情况不变；

在t₁至t₂时刻时，变换器处于零状态；在t₁之后，第五原边二极管231自然导通，此时开通第四原边开关管214为零电压导通,但是第四原边开关管214中并没有电流通过，原边电流经由第五原边二极管231、第二原边开关管212、原边总电感26和高频变压器10形成续流通路；高频变压器10副边导通情况保持不变；

在t₂至t₃时刻时，变换器为0/-1状态切换；在t₂时刻控制第二原边开关管212零电压关断，此时原边电流流经两个回路，一条回路给第二谐振电容222充电，另一条回路给第三谐振电容223放电。由于第二谐振电容222、第三谐振电容223的作用，第二原边开关管212电压的上升受到了限制，所以第二原边开关管212做到了零电压关断。A,B点之间的电压极性由零开始变负，导致高频变压器10副边线圈变反，将使得副边的另一条支路经由第二副边滤波电感32、第二副边二极管352、第三副边二极管353导通，此时变压器副边四个整流二极管经由两条滤波电感构成两条支路全部导通，A,B点之间的电压直接加在原边总电感26上，此时原边总电感26、第二谐振电容222、第三谐振电容223之间谐振。在t₃时刻，第二谐振电容222上电压，完成了充电过程，同时第三谐振电容223上电压也降为0，完成了放电过程，并联第三原边二极管217自然导通；

在t₃至t₄时刻时，变换器为-1状态；在t₃时刻，由于第三原边二极管217处于自然导通状态，第三原边开关管213的电压被箝位在0，此时第三原边开关管213零电压开通，虽然此时给出了第三原边开关管213的开通信号，但是第三原边开关管213中并没有电流通过，原边电流通过第三原边二极管217续流；原边总电感26中储存的能量返回给供电电源，此时副边的情况延续在t₁至t₂时刻的状态；电源电压全部作用于原边总电感26上，电流迅速下降，在t₄时刻，原边电流迅速下降到0，并开始由0到负迅速变化，第三原边二极管217、第四原边二极管218自然关断，第三原边开关管213、第四原边开关管214中开始有电流通过；

在t₄至t₅时刻时，变换器为-1状态；在t₄时刻，原边电流迅速由零向负变化，第三原边开关管213、第四原边开关管214开始有电流通过，电源电压全部作用于原边总电感26上，电流迅速向反方向增加，t₅时刻之前，由于此时电流值不足以维持负载33电流，直到t₅时刻，电流值足以维持负载33电流在原边的折算值，负载33电流全部经由第二副边滤波电感32、第二副边二极管352、第三副边二极管353构成的支路流通，由第一副边滤波电感31、第一副边二极管351、第四副边二极管354构成的支路截止，无负载33电流流过；由于t₅时刻之前，在高频变压器10副边四个整流二极管经由两条滤波电感构成两条支路全部导通过程中由于两条滤波电感都有电流流过，所以等效电感很小，导致高频变压器10二次侧两条支路的电流变化率都加大，导致负载33侧等效电感值很小，所以该过程的过渡时间比传统的采用饱和电感的过渡时间要小的多，简要解释如下：由于两条副边支路不是同时导通时，两条支路的等效电感分别保持为耦合前的电感值第一副边滤波电感31和第二副边滤波电感32，在变压器副边四个整流二极管经由两条滤波电感构成两条支路全部导通过程中由于两条滤波电感都有电流流过，所以互感存在，所以由于互感的存在导致两条电感支路的等效电感量减少，使互感的平方快速下降，从而大幅度减少占空比丢失；

在t₅至t₆时刻时，变换器为-1状态，下电源通过变压器给负载33供电；在t₆时刻，第四原边开关管214关断，变换器进入到后半周期时间，工作原理与前半周期一致。

以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.三电平半桥型变换器，其特征在于，包括高频变压器以及连接在所述高频变压器两边的原边电路与副边电路；所述原边电路包括与高频变压器相连接的原边半桥式电路、与原边半桥式电路相连接的第一钳位桥臂和高压侧电源、与高压侧电源连接的第一电容电路以及连接在原边半桥式电路与高频变压器的原边之间的原边总电感；所述原边半桥式电路包括第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管，所述第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管依次串联后与所述高压侧电源的两端并联连接，所述第二原边开关管、第三原边开关管之间引出输出端子与所述原边总电感的第一端连接；所述原边总电感的第二端连接高频变压器的原边同名端，原边异名端连接电源中点和第一钳位桥臂中点；第一钳位桥臂的第一端连接所述第二原边开关管的输入端，第一钳位桥臂的第二端连接所述第三原边开关管的输出端；所述第一电容电路并联于所述高压侧电源的两端；所述副边电路包括第一副边滤波电感、第二副边滤波电感、负载、输出滤波电容、第三副边二极管、第四副边二极管，所述高频变压器的副边包括副边同名端、副边异名端，第一副边滤波电感的输入端经串联支路与副边同名端连接，第二副边滤波电感的输入端与副边异名端连接，第一副边滤波电感、第二副边滤波电感的输出端分别经串联二极管后与负载的输入端连接，输出滤波电容与负载的两端并联连接，负载的输出端经过第四副边二极管与副边异名端连接，负载的输出端还经过第三副边二极管与第一副边滤波电感的输入端连接；所述第一副边滤波电感、第二副边滤波电感与所述高频变压器相互磁耦合;

所述高频变压器的副边还包括二次侧绕组，所述串联支路包括第一整流二极管、第二整流二极管、第一高频开关管，所述副边同名端包括第一副边同名端、第二副边同名端，所述第一副边同名端依次与所述第一高频开关管、第一整流二极管、第一副边滤波电感的输入端串联连接，所述第二副边同名端依次与所述第二整流二极管、第一副边滤波电感的输入端串联连接。

2.如权利要求1所述的三电平半桥型变换器，其特征在于，所述串联支路还包括第三整流二极管、寄生结电容，所述第三整流二极管与所述第一高频开关管反并联连接，所述寄生结电容与所述第一高频开关管并联连接。

3.如权利要求1所述的三电平半桥型变换器，其特征在于，所述副边电路还包括第一副边二极管、第二副边二极管，所述第一副边滤波电感、第二副边滤波电感的输出端分别与所述第一副边二极管、第二副边二极管串联后与所述负载的输入端连接。

4.如权利要求1所述的三电平半桥型变换器，其特征在于，所述原边电路还包括隔直电容，所述隔直电容与所述原边异名端串联连接，所述原边总电感与所述原边同名端串联连接。

5.如权利要求1所述的三电平半桥型变换器，其特征在于，所述原边半桥式电路还包括第一原边二极管、第二原边二极管、第三原边二极管、第四原边二极管、第一谐振电容、第二谐振电容、第三谐振电容、第四谐振电容，所述第一原边二极管、第二原边二极管、第三原边二极管、第四原边二极管分别与所述第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管反并联连接，所述第一谐振电容、第二谐振电容、第三谐振电容、第四谐振电容分别与所述第一原边开关管、第二原边开关管、第三原边开关管、第四原边开关管并联连接。

6.如权利要求5所述的三电平半桥型变换器，其特征在于，所述第一钳位桥臂包括第五原边二极管、第六原边二极管，所述第五原边二极管、第六原边二极管串联后并联于所述第二原边开关管的输入端与所述第三原边开关管的输出端。

7.如权利要求6所述的三电平半桥型变换器，其特征在于，所述第一电容电路包括第一母线电容、第二母线电容，所述第一母线电容、第二母线电容串联后并联于所述高压侧电源的两端。

8.三电平半桥型变换器的换流方法，用于权利要求6或7所述的三电平半桥型变换器，其特征在于，包括以下步骤：

在t₀时刻之前，第一原边开关管与第二原边开关管导通，变换器处于状态+1；原边电流由电源正极、第一原边开关管、第二原边开关管、原边总电感、高频变压器的原边电感线圈流向电源中点；副边电流由副边同名端流经第一高频开关管、第一整流二极管、第一副边滤波电感、串联二极管、负载、第四副边二极管流向高频变压器的副边异名端；

在t₀至t₁时刻时，变换器为+1/0状态切换；在该模态t₀时刻第一原边开关管零电压关断，而高频变压器副边导通的情况不变；

在t₁至t₂时刻时，变换器处于零状态；在t₁之后，第五原边二极管自然导通，此时第四原边开关管为零电压导通,而高频变压器副边导通的情况不变；

在t₂至t₃时刻时，变换器为0/-1状态切换；在t₂时刻控制第二原边开关管零电压关断，在t₃时刻，第三原边二极管自然导通；

在t₃至t₄时刻时，变换器为-1状态；在t₃时刻，由于第三原边二极管处于自然导通状态，第三原边开关管的电压被箝位在0，此时第三原边开关管零电压开通，在t₄时刻，原边电流迅速下降到0，并开始由0到负迅速变化，第三原边二极管、第四原边二极管自然关断，第三原边开关管、第四原边开关管开始有电流通过；

在t₄至t₅时刻时，变换器为-1状态；在t₄时刻，原边电流迅速由零向负变化，第三原边开关管、第四原边开关管开始有电流通过，电源电压全部作用于原边总电感上，电流迅速向反方向增加，t₅时刻之前，电流值不足以维持负载电流，直到t₅时刻，电流值足以维持负载电流在原边的折算值，无负载电流流过；

在t₅至t₆时刻时，变换器为-1状态，下电源通过变压器给负载供电；变换器进入到后半周期时间，工作原理与前半周期一致。