CN111092555B - 一种三电平软开关高频谐振变换器 - Google Patents

一种三电平软开关高频谐振变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN111092555B
CN111092555B CN201911286308.6A CN201911286308A CN111092555B CN 111092555 B CN111092555 B CN 111092555B CN 201911286308 A CN201911286308 A CN 201911286308A CN 111092555 B CN111092555 B CN 111092555B
Authority
CN
China
Prior art keywords
resonant
capacitor
diode
inductor
switch tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911286308.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111092555A (zh
Inventor
顾玲
樊赫
李磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201911286308.6A priority Critical patent/CN111092555B/zh
Publication of CN111092555A publication Critical patent/CN111092555A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111092555B publication Critical patent/CN111092555B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33507—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters
    • H02M3/33523—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters with galvanic isolation between input and output of both the power stage and the feedback loop
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

本发明公开了一种三电平软开关高频谐振变换器。该变换器包括直流电源、输入滤波电感、第一开关管、第一谐振电容、第一谐振电感、第二谐振电容、第二谐振电感、第二开关管、第三谐振电容、第三谐振电感、第四谐振电容、第四谐振电感、第一隔直电容、变压器、第二隔直电容、第三隔直电容、第一二极管、第二二极管、第五谐振电容、第六谐振电容、输出滤波电感、输出滤波电容。本发明减小了开关损耗，提高了变换器效率，减小了开关管和二极管的电压应力，降低了高频工作下寄生参数的影响，具有电压增益宽的优点，并且能够在轻载情况下实现软开关。

Description

一种三电平软开关高频谐振变换器
技术领域
本发明涉及谐振变换器技术领域，特别是一种三电平软开关高频谐振变换器。
背景技术
三电平直流变换器是在三电平逆变器的基础上发展起来的，具有开关管电压应力低、输出滤波器体积小的优点，广泛应用于需要大功率电力电子装置的场合，成为现阶段的研究热点。但是传统三电平直流变换器存在轻载无法实现软开关、电压利用率低的缺点。
谐振变换器可以通过电感和电容谐振，实现软开关技术，能够在不增加开关损耗的前提下提高开关频率。谐振变换器主要包括准谐振变换器、多谐振变换器以及全谐振型变换器。其中准谐振变换器和多谐振变换器均为单管变换器，控制比较简单。零电压开关准谐振变换器的器件电压应力高，并且对于电路中二极管和开关管的开关条件，二者只能改善其一；零电压开关多谐振变换器能够同时改善两个器件的开关条件，但是传统的零电压开关多谐振变换器仍然具有开关管电压应力高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关损耗小、变换器效率高、开关管和二极管的电压应力小、电压增益宽、能够在轻载情况下实现软开关的高频谐振变换器。
实现本发明目的的一种技术方案为：一种三电平软开关高频谐振变换器，包括直流电源、输入滤波电感、第一开关管、第一谐振电容、第一谐振电感、第二谐振电容、第二谐振电感、第二开关管、第三谐振电容、第三谐振电感、第四谐振电容、第四谐振电感、第一隔直电容、变压器、第二隔直电容、第三隔直电容、第一二极管、第二二极管、第五谐振电容、第六谐振电容、输出滤波电感、输出滤波电容；
所述变压器包括原边绕组和副边绕组；
所述输入滤波电感的一端与直流电源的正端相连，输入滤波电感的另一端与第一开关管的漏极、第一谐振电容的一端、第一谐振电感的一端、第二谐振电感的一端相连，第二谐振电感的另一端与第二谐振电容的一端相连；第一谐振电感的另一端与变压器原边绕组的同名端相连，变压器原边绕组的异名端与第一隔直电容的一端、变压器副边绕组的异名端、第三隔直电容的一端相连，第一隔直电容的另一端与第三谐振电感的一端相连，第三谐振电感的另一端与第三谐振电容的一端、第四谐振电容的一端、第二开关管的源极、直流电源的负端相连，第四谐振电容的另一端与第四谐振电感的一端相连，第二开关管的漏极与第一开关管的源极、第一谐振电容的另一端、第二谐振电容的另一端、第三谐振电容的另一端、第四谐振电感的另一端相互连接；变压器副边绕组的同名端与第二隔直电容的一端相连，第二隔直电容的另一端与第一二极管的阴极、第五谐振电容的一端、输出滤波电感的一端相连，输出滤波电感的另一端与输出滤波电容的正端相连，输出滤波电容的负端与第二二极管的阳极、第六谐振电容的一端、第三隔直电容的另一端相连接，第二二极管的阴极与第一二极管的阳极、第五谐振电容的另一端、第六谐振电容的另一端相连，第一开关管的源极和第二开关管的漏极的连接点与第一二极管的阳极和第二二极管的阴极的连接点相连。
进一步地，所述第一开关管并联第一寄生体二极管，第一寄生体二极管的阳极与第一开关管的源极相连，第一寄生体二极管的阴极与第一开关管的漏极相连；
所述第二开关管并联第二寄生体二极管，第二寄生体二极管的阳极与第二开关管的源极相连，第二寄生体二极管的阴极与第二开关管的漏极相连。
进一步地，所述第一谐振电容容量等效为第一开关管结电容容量与并联在第一开关管漏源极之间的谐振电容的容量之和；所述第三谐振电容容量等效为第二开关管结电容容量与并联在第二开关管漏源极之间的谐振电容的容量之和；所述第五谐振电容容量等效为第一二极管结电容容量与并联在第一二极管两极间的谐振电容的容量之和；所述第六谐振电容容量等效为第二二极管结电容容量与并联在第二二极管两极间的谐振电容的容量之和；所述第一谐振电感容量等效为与变压器串联的谐振电感感值与二分之一变压器漏感感值之和；所述第三谐振电感容量等效为与变压器串联的谐振电感感值与二分之一变压器漏感感值之和。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过三电平结构降低了开关管和二极管的电压应力，谐振电感、谐振电容组成的谐振电路进一步降低了开关管的电压应力；采用输出滤波电感，减小了满足同样的输出电压纹波要求时所需的滤波电容；(2)可以同时实现开关管的零电压开通和二极管的零电流关断，减小了开关损耗，提高了变换器效率，更适合高频工作；(3)吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，既解决了高频工作下寄生参数影响明显的问题，又提高了变换器效率；(4)通过变压器匝比可以实现宽电压增益，并且可以在轻载情况下实现软开关。
附图说明
图1为本发明一种三电平软开关高频谐振变换器的结构示意图。
图2为本发明的等效电路图。图3为本发明实施例中变换器在工作模式1中的主要工作波形图。
图4为本发明实施例中变换器在工作模式2中的主要工作波形图。
图5为本发明实施例中变换器在工作模式1中开关模态[t0，t1]对应的等效电路图。
图6为本发明实施例中变换器在工作模式1中开关模态[t1，t2]、工作模式2中开关模态[t0，t1]对应的等效电路图。
图7为本发明实施例中变换器在工作模式1中开关模态[t2，t3]对应的等效电路图。
图8为本发明实施例中变换器在工作模式1中开关模态[t3，t4]、工作模式2中开关模态[t2，t3]对应的等效电路图。
图9为本发明实施例中变换器在工作模式1中开关模态[t4，t5]对应的等效电路图。
图10为本发明实施例中变换器在工作模式1中开关模态[t5，t6]、工作模式2中开关模态[t4，t5]对应的等效电路图。
图11为本发明实施例中变换器在工作模式1中开关模态[t6，t7]对应的等效电路图。
图12为本发明实施例中变换器在工作模式1中开关模态[t7，t8]、工作模式2中开关模态[t6，t7]对应的等效电路图。
图13为本发明实施例中变换器在工作模式2中开关模态[t1，t2]对应的等效电路图。
图14为本发明实施例中变换器在工作模式2中开关模态[t3，t4]对应的等效电路图。
图15为本发明实施例中变换器在工作模式2中开关模态[t5，t6]对应的等效电路图。
图16为本发明实施例中变换器在工作模式2中开关模态[t7，t8]对应的等效电路图。
图中附图标号说明：直流电源Vin、输入滤波电感Lin、第一开关管S1、第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第二开关管S2、第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2、第一隔直电容Cbp、变压器Tr、第二隔直电容Cbs1、第三隔直电容Cbs2、第一二极管D1、第二二极管D2、第五谐振电容Cd1、第六谐振电容Cd2、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Co，变压器Tr包括原边绕组np、副边绕组ns，输出电流Io，输出电压Vo，第一开关管栅源极驱动电压vgs1，第二开关管栅源极驱动电压vgs2，第一开关管漏源极电压vs1，第二开关管漏源极电压vs2，第二谐振电容两端电压vr1，第四谐振电容两端电压vr2，第一谐振电感电流iLs1，第二谐振电感电流ir1，第三谐振电感电流iLs2，第四谐振电感电流ir2，第一二极管两端电压vd1，第二二极管两端电压vd2。
具体实施方式
本发明提供一种三电平软开关高频谐振变换器，包括直流电源Vin、输入滤波电感Lin、第一开关管S1、第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第二开关管S2、第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2、第一隔直电容Cbp、变压器Tr、第二隔直电容Cbs1、第三隔直电容Cbs2、第一二极管D1、第二二极管D2、第五谐振电容Cd1、第六谐振电容Cd2、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Co；
所述变压器Tr包括原边绕组np和副边绕组ns；
所述输入滤波电感Lin的一端与直流电源Vin的正端相连，输入滤波电感Lin的另一端与第一开关管S1的漏极、第一谐振电容Cs1的一端、第一谐振电感Ls1的一端、第二谐振电感Lr1的一端相连，第二谐振电感Lr1的另一端与第二谐振电容Cr1的一端相连；第一谐振电感Ls1的另一端与变压器原边绕组np的同名端相连，变压器原边绕组np的异名端与第一隔直电容Cbp的一端、变压器副边绕组ns的异名端、第三隔直电容Cbs2的一端相连，第一隔直电容Cbp的另一端与第三谐振电感Ls2的一端相连，第三谐振电感Ls2的另一端与第三谐振电容Cs2的一端、第四谐振电容Cr2的一端、第二开关管S2的源极、直流电源Vin的负端相连，第四谐振电容Cr2的另一端与第四谐振电感Lr2的一端相连，第二开关管S2的漏极与第一开关管S1的源极、第一谐振电容Cs1的另一端、第二谐振电容Cr1的另一端、第三谐振电容Cs2的另一端、第四谐振电感Lr2的另一端相互连接；变压器副边绕组ns的同名端与第二隔直电容Cbs1的一端相连，第二隔直电容Cbs1的另一端与第一二极管D1的阴极、第五谐振电容Cd1的一端、输出滤波电感Lf的一端相连，输出滤波电感Lf的另一端与输出滤波电容Co的正端相连，输出滤波电容Co的负端与第二二极管D2的阳极、第六谐振电容Cd2的一端、第三隔直电容Cbs2的另一端相连接，第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极、第五谐振电容Cd1的另一端、第六谐振电容Cd2的另一端相连，第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极的连接点与第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极的连接点相连。
进一步地，所述第一开关管S1并联第一寄生体二极管Ds1，第一寄生体二极管Ds1的阳极与第一开关管S1的源极相连，第一寄生体二极管Ds1的阴极与第一开关管S1的漏极相连；
所述第二开关管S2并联第二寄生体二极管Ds2，第二寄生体二极管Ds2的阳极与第二开关管S2的源极相连，第二寄生体二极管Ds2的阴极与第二开关管S2的漏极相连。
进一步地，所述第一谐振电容Cs1容量等效为第一开关管S1结电容容量与并联在第一开关管S1源漏极之间的谐振电容的容量之和；所述第三谐振电容Cs2容量等效为第二开关管S2结电容容量与并联在第二开关管S2源漏极之间的谐振电容的容量之和；所述第五谐振电容Cd1容量等效为第一二极管D1结电容容量与并联在第一二极管D1两极间的谐振电容的容量之和；所述第六谐振电容Cd2容量等效为第二二极管D2结电容容量与并联在第二二极管D2两极间的谐振电容的容量之和；所述第一谐振电感Ls1容量等效为与变压器串联的谐振电感感值与二分之一变压器漏感感值之和；所述第三谐振电感Ls2容量等效为与变压器串联的谐振电感感值与二分之一变压器漏感感值之和。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
结合图1，本发明一种三电平软开关高频谐振变换器，包括直流电源Vin、输入滤波电感Lin、第一开关管S1、第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第二开关管S2、第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2、第一隔直电容Cbp、变压器Tr、第二隔直电容Cbs1、第三隔直电容Cbs2、第一二极管D1、第二二极管D2、第五谐振电容Cd1、第六谐振电容Cd2、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Co；
所述变压器Tr包括原边绕组np和副边绕组ns；
所述输入滤波电感Lin的一端与直流电源Vin的正端相连，输入滤波电感Lin的另一端与第一开关管S1的漏极、第一谐振电容Cs1的一端、第一谐振电感Ls1的一端、第二谐振电感Lr1的一端相连，第二谐振电感Lr1的另一端与第二谐振电容Cr1的一端相连，第一谐振电感Ls1的另一端与变压器原边绕组np的同名端相连，变压器原边绕组np的异名端与第一隔直电容Cbp的一端、变压器副边绕组ns的异名端、第三隔直电容Cbs2的一端相连，第一隔直电容Cbp的另一端与第三谐振电感Ls2的一端相连，第三谐振电感Ls2的另一端与第三谐振电容Cs2的一端、第四谐振电容Cr2的一端、第二开关管S2的源极、直流电源Vin的负端相连，第四谐振电容Cr2的另一端与第四谐振电感Lr2的一端相连，第二开关管S2的漏极与第一开关管S1的源极、第一谐振电容Cs1的另一端、第二谐振电容Cr1的另一端、第三谐振电容Cs2的另一端、第四谐振电感Lr2的另一端相互连接，变压器副边绕组ns的同名端与第二隔直电容Cbs1的一端相连，第二隔直电容Cbs1的另一端与第一二极管D1的阴极、第五谐振电容Cd1的一端、输出滤波电感Lf的一端相连，输出滤波电感Lf的另一端与输出滤波电容Co的正端相连，输出滤波电容Co的负端与第二二极管D2的阳极、第六谐振电容Cd2的一端、第三隔直电容Cbs2的另一端相连，第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极、第五谐振电容Cd1的另一端、第六谐振电容Cd2的另一端相连；第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极的连接点与第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极的连接点相连。
其中，第一开关管S1包括并联在其漏源极之间的第一寄生体二极管Ds1，第二开关管S2包括并联在其漏源极之间的第二寄生体二极管Ds2，第一谐振电容Cs1包括第一开关管S1本身的结电容以及外加并联在第一开关管S1两端的电容，第三谐振电容Cs2包括第二开关管S2本身的结电容以及外加并联在第二开关管S2两端的电容，第五谐振电容Cd1包括第一二极管D1本身的电容以及外加并联在第一二极管D1两端的电容，第六谐振电容Cd2包括第二二极管D2本身的电容以及外加并联在第二二极管D2两端的电容。
结合图3～图14描述三电平软开关高频谐振变换器的具体工作原理，此种变换器有两种工作模式，对应的主要工作波形分别如图3、图4所示。
设定：(1)所有电感、电容和变压器均为理想元件；(2)第一隔直电容Cbp足够大，近似认为是一个电压源Vin；第二隔直电容Cbs1足够大，近似认为是一个电压源(Vin-Vo)/2；第三隔直电容Cbs2足够大，近似认为是一个电压源(Vin+Vo)/2；(3)输出滤波电感Lf足够大，近似认为是一个电流源Io，Io为输出电流；(4)变压器匝比为1:1。
实施例1
在工作模式1中，开关管的占空比小于0.5，其主要波形示意图如图3所示，变换器在每个开关周期有8种开关模态，分别是[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]，对应的开关模态为图5～图12。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
1、开关模态1[t0，t1]
t0时刻，第一开关管S1关断，该开关模态的等效电路如图5所示，第一开关管S1和第二开关管S2均处于关断状态，第一二极管D1处于导通状态，第二二极管D2处于截止状态。此开关模态下第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1，第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2和第六谐振电容Cd2参与谐振。
2、开关模态2[t1，t2]
t1时刻，第三谐振电容Cs2两端电压谐振到零，在第三谐振电容Cs2完全放电状态下，第二开关管S2开通。该开关模态的等效电路如图6所示，第一开关管S1处于关断状态，第二开关管S2处于开通状态，第一二极管D1处于导通状态，第二二极管D2处于截止状态。此开关模态下第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第三谐振电感Ls2和第六谐振电容Cd2参与谐振，第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2为内部谐振。
3、开关模态3[t2，t3]
t2时刻，第一二极管D1截止。该开关模态的等效电路如图7所示，第一开关管S1处于关断状态，第二开关管S2处于开通状态，第一二极管D1和第二二极管D2均处于截止状态。此开关模态下第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第三谐振电感Ls2、第五谐振电容Cd1和第六谐振电容Cd2参与谐振，第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2为内部谐振。
4、开关模态4[t3，t4]
t3时刻，第六谐振电容Cd2两端电压谐振到零，在第六谐振电容Cd2完全放电状态下，第二二极管D2开通。该开关模态的等效电路如图8所示，第一开关管S1处于关断状态，第二开关管S2处于开通状态，第一二极管D1处于截止状态，第二二极管D2处于导通状态。此开关模态下第三谐振电感电流iLs2线性上升，其中：
Figure BDA0002318068020000071
此时第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第五谐振电容Cd1参与谐振，第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2为内部谐振。
5、开关模态5[t4，t5]
t4时刻，第二开关管S2关断。该开关模态的等效电路如图9所示，第一开关管S1和第二开关管S2均处于关断状态，第一二极管D1处于截止状态，第二二极管D2处于导通状态。此开关模态下第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2和第五谐振电容Cd1参与谐振。
6、开关模态6[t5，t6]
t5时刻，第一谐振电容Cs1两端电压谐振到零，第一谐振电容Cs1完全放电状态下，第一开关管S1开通。该开关模态的等效电路如图10所示，第一开关管S1处于开通状态，第二开关管S2处于关断状态，第一二极管D1处于截止状态，第二二极管D2处于开通状态。此开关模态下第一谐振电感Ls1、第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2和第五谐振电容Cd1参与谐振，第二谐振电容Cr1和第二谐振电感Lr1内部谐振。
7、开关模态7[t6，t7]
t6时刻，第二二极管D2截止。该开关模态的等效电路如图11所示，第一开关管S1处于开通状态，第二开关管S2处于关断状态，第一二极管D1和第二二极管D2均处于截止状态。第一谐振电感Ls1、第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2、第五谐振电容Cd1和第六谐振电容Cd2参与谐振，第二谐振电容Cr1和第二谐振电感Lr1内部谐振。
8、开关模态8[t7，t8]
t7时刻，第五谐振电容Cd1两端电压谐振到零，在第五谐振电容Cd1完全放电状态下，第一二极管D1导通。该开关模态的等效电路如图12所示，第一开关管S1处于开通状态，第二开关管S2处于关断状态，第一二极管D1处于导通状态，第二二极管D2处于截止状态。此开关模态下第一谐振电感电流iLs1线性下降，其中：
Figure BDA0002318068020000081
第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2、第六谐振电容Cd2参与谐振，第二谐振电容Cr1和第二谐振电感Lr1内部谐振。t8时刻，第一开关管S1关断，回到开关模态1。
实施例2
在工作模式2中，开关管的占空比大于0.5，其主要波形示意图如图4所示。由图4可知变换器在工作模式2每个开关周期有8种开关模态，分别是[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
1、开关模态1[t0，t1]
t0时刻，第一开关管S1关断。该开关模态的等效电路如图6所示，第一开关管S1处于关断状态，第二开关管S2处于开通状态，第一二极管D1处于导通状态，第二二极管D2处于截止状态。此开关模态下第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1、第三谐振电感Ls2和第六谐振电容Cd2参与谐振，第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2为内部谐振。
2、开关模态2[t1，t2]
t1时刻，第六谐振电容Cd2两端电压谐振到零，在第六谐振电容Cd2完全放电状态下，第二二极管D2导通。该开关模态的等效电路如图13所示，第一开关管S1处于关断状态，第二开关管S2处于开通状态，第一二极管D1和第二二极管D2均处于导通状态。此开关模态下第三谐振电感电流iLs2线性下降，其中：
Figure BDA0002318068020000091
第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1参与谐振，第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2为内部谐振。
3、开关模态3[t2，t3]
t2时刻，第一二极管截止。该开关模态的等效电路如图8所示，第一开关管S1处于关断状态，第二开关管S2处于开通状态，第一二极管D1处于截止状态，第二二极管D2处于导通状态。此开关模态下第三谐振电感电流iLs2仍为线性下降，其表达式为公式(1)所示，第一谐振电容Cs1、第一谐振电感Ls1、第二谐振电容Cr1、第二谐振电感Lr1和第五谐振电容Cd1参与谐振，第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2仍为内部谐振。
4、开关模态4[t3，t4]
t3时刻，第一谐振电容Cs1两端电压谐振到零，在第一谐振电容Cs1完全放电状态下，第一开关管S1开通。该开关模态的等效电路如图14所示，第一开关管S1和第二开关管S2均处于开通状态，第一二极管D1处于截止状态，第二二极管D2处于导通状态。此开关模态下第三谐振电感电流iLs2仍为线性下降，其表达式为公式(1)所示，第一谐振电感Ls1和第五谐振电容Cd1参与谐振，第二谐振电容Cr1和第二谐振电感Lr1为内部谐振，第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2也为内部谐振。
5、开关模态5[t4，t5]
t4时刻，第二开关管S2关断。该开关模态的等效电路如图10所示，第一开关管S1处于开通状态，第二开关管S2处于关断状态，第一二极管D1处于截止状态，第二二极管D2处于导通状态。此开关模态下第一谐振电感Ls1、第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2和第五谐振电容Cd1参与谐振，第二谐振电容Cr1和第二谐振电感Lr1为内部谐振。
6、开关模态6[t5，t6]
t5时刻，第五谐振电容Cd1两端电压谐振到零，在第五谐振电容Cd1完全放电状态下，第一二极管D1导通。该开关模态的等效电路如图15所示，第一开关管S1处于开通状态，第二开关管S2处于关断状态。第一二极管D1和第二二极管D2均处于导通状态。此开关模态下第一谐振电感电流iLs1线性上升，其中：
Figure BDA0002318068020000101
第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2参与谐振，第二谐振电容Cr1和第二谐振电感Lr1内部谐振。
7、开关模态7[t6，t7]
t6时刻，第二二极管D2进入截止状态。该开关模态的等效电路如图12所示，第一开关管S1处于开通状态，第二开关管S2处于关断状态，第一二极管D1处于导通状态，第二二极管D2处于截止状态。此开关模态下第一谐振电感电流iLs1线性上升，其表达式为公式(2)所示，第三谐振电容Cs2、第三谐振电感Ls2、第四谐振电容Cr2、第四谐振电感Lr2、第六谐振电容Cd2参与谐振，第二谐振电容Cr1和第二谐振电感Lr1内部谐振。
8、开关模态8[t7，t8]
t7时刻，第三谐振电容Cs2两端电压谐振到零，在第三谐振电容Cs2完全放电状态下，第二开关管S2导通。该开关模态的等效电路如图16所示，第一开关管S1和第二开关管S2均处于开通状态，第一二极管D1处于导通状态，第二二极管D2处于截止状态。此开关模态下第一谐振电感电流iLs1线性上升，其表达式为公式(2)所示，第三谐振电感Ls2和第六谐振电容Cd2参与谐振，第二谐振电容Cr1和第二谐振电感Lr1为内部谐振，第四谐振电容Cr2和第四谐振电感Lr2也为内部谐振。t8时刻，第一开关管S1关断，回到开关模态1。
综上所述，本发明通过三电平结构降低了开关管和二极管的电压应力，谐振电感、谐振电容组成的谐振电路进一步降低了开关管的电压应力；采用输出滤波电感，减小了满足同样的输出电压纹波要求时所需的滤波电容；可以同时实现开关管的零电压开通和二极管的零电流关断，减小了开关损耗，提高了变换器效率，更适合高频工作；吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，既解决了高频工作下寄生参数影响明显的问题，又提高了变换器效率；通过变压器匝比可以实现宽电压增益，并且可以在轻载情况下实现软开关。

Claims (3)

1.一种三电平软开关高频谐振变换器，其特征在于，包括直流电源(Vin)、输入滤波电感(Lin)、第一开关管(S1)、第一谐振电容(Cs1)、第一谐振电感(Ls1)、第二谐振电容(Cr1)、第二谐振电感(Lr1)、第二开关管(S2)、第三谐振电容(Cs2)、第三谐振电感(Ls2)、第四谐振电容(Cr2)、第四谐振电感(Lr2)、第一隔直电容(Cbp)、变压器(Tr)、第二隔直电容(Cbs1)、第三隔直电容(Cbs2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第五谐振电容(Cd1)、第六谐振电容(Cd2)、输出滤波电感(Lf)、输出滤波电容(Co)；
所述变压器(Tr)包括原边绕组(np)和副边绕组(ns)；
所述输入滤波电感(Lin)的一端与直流电源(Vin)的正端相连，输入滤波电感(Lin)的另一端与第一开关管(S1)的漏极、第一谐振电容(Cs1)的一端、第一谐振电感(Ls1)的一端、第二谐振电感(Lr1)的一端相连，第二谐振电感(Lr1)的另一端与第二谐振电容(Cr1)的一端相连；第一谐振电感(Ls1)的另一端与变压器原边绕组(np)的同名端相连，变压器原边绕组(np)的异名端与第一隔直电容(Cbp)的一端、变压器副边绕组(ns)的异名端、第三隔直电容(Cbs2)的一端相连，第一隔直电容(Cbp)的另一端与第三谐振电感(Ls2)的一端相连，第三谐振电感(Ls2)的另一端与第三谐振电容(Cs2)的一端、第四谐振电容(Cr2)的一端、第二开关管(S2)的源极、直流电源(Vin)的负端相连，第四谐振电容(Cr2)的另一端与第四谐振电感(Lr2)的一端相连，第二开关管(S2)的漏极与第一开关管(S1)的源极、第一谐振电容(Cs1)的另一端、第二谐振电容(Cr1)的另一端、第三谐振电容(Cs2)的另一端、第四谐振电感(Lr2)的另一端相互连接；变压器副边绕组(ns)的同名端与第二隔直电容(Cbs1)的一端相连，第二隔直电容(Cbs1)的另一端与第一二极管(D1)的阴极、第五谐振电容(Cd1)的一端、输出滤波电感(Lf)的一端相连，输出滤波电感(Lf)的另一端与输出滤波电容(Co)的正端相连，输出滤波电容(Co)的负端与第二二极管(D2)的阳极、第六谐振电容(Cd2)的一端、第三隔直电容(Cbs2)的另一端相连接，第二二极管(D2)的阴极与第一二极管(D1)的阳极、第五谐振电容(Cd1)的另一端、第六谐振电容(Cd2)的另一端相连，第一开关管(S1)的源极和第二开关管(S2)的漏极的连接点与第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阴极的连接点相连。
2.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，所述第一开关管(S1)并联第一寄生体二极管(Ds1)，第一寄生体二极管(Ds1)的阳极与第一开关管(S1)的源极相连，第一寄生体二极管(Ds1)的阴极与第一开关管(S1)的漏极相连；
所述第二开关管(S2)并联第二寄生体二极管(Ds2)，第二寄生体二极管(Ds2)的阳极与第二开关管(S2)的源极相连，第二寄生体二极管(Ds2)的阴极与第二开关管(S2)的漏极相连。
3.根据权利要求2所述的谐振变换器，其特征在于，所述第一谐振电容(Cs1)容量等效为第一开关管(S1)结电容容量与并联在第一开关管(S1)漏源极之间的谐振电容的容量之和；所述第三谐振电容(Cs2)容量等效为第二开关管(S2)结电容容量与并联在第二开关管(S2)漏源极之间的谐振电容的容量之和；所述第五谐振电容(Cd1)容量等效为第一二极管(D1)结电容容量与并联在第一二极管(D1)两极间的谐振电容的容量之和；所述第六谐振电容(Cd2)容量等效为第二二极管(D2)结电容容量与并联在第二二极管(D2)两极间的谐振电容的容量之和；所述第一谐振电感(Ls1)容量等效为与变压器串联的谐振电感感值与二分之一变压器漏感感值之和；所述第三谐振电感(Ls2)容量等效为与变压器串联的谐振电感感值与二分之一变压器漏感感值之和。
CN201911286308.6A 2019-12-13 2019-12-13 一种三电平软开关高频谐振变换器 Active CN111092555B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911286308.6A CN111092555B (zh) 2019-12-13 2019-12-13 一种三电平软开关高频谐振变换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911286308.6A CN111092555B (zh) 2019-12-13 2019-12-13 一种三电平软开关高频谐振变换器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111092555A CN111092555A (zh) 2020-05-01
CN111092555B true CN111092555B (zh) 2022-01-07

Family

ID=70395029

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911286308.6A Active CN111092555B (zh) 2019-12-13 2019-12-13 一种三电平软开关高频谐振变换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111092555B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1286521A (zh) * 2000-10-19 2001-03-07 南京航空航天大学 带钳位二极管的零电压开关三电平直流变换器
US6392902B1 (en) * 2000-08-31 2002-05-21 Delta Electronics, Inc. Soft-switched full-bridge converter
CN1523746A (zh) * 2003-09-03 2004-08-25 浙江大学 三电平llc串联谐振dc/dc变换器
CN1937380A (zh) * 2006-10-13 2007-03-28 南京航空航天大学 零电压开关半桥三电平直流变换器
CN103812359A (zh) * 2014-01-16 2014-05-21 深圳市保益新能电气有限公司 一种交流-直流变换电路及其控制方法
CN107332452A (zh) * 2017-08-08 2017-11-07 深圳市保益新能电气有限公司 一种交流‑直流变换电路控制方法及其电路
CN109104092A (zh) * 2018-09-28 2018-12-28 南京理工大学 低开关管电压应力电流型输出谐振变换器
CN109194140A (zh) * 2018-09-28 2019-01-11 南京理工大学 低开关管电压应力电压型输出谐振变换器

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6392902B1 (en) * 2000-08-31 2002-05-21 Delta Electronics, Inc. Soft-switched full-bridge converter
CN1286521A (zh) * 2000-10-19 2001-03-07 南京航空航天大学 带钳位二极管的零电压开关三电平直流变换器
CN1523746A (zh) * 2003-09-03 2004-08-25 浙江大学 三电平llc串联谐振dc/dc变换器
CN1937380A (zh) * 2006-10-13 2007-03-28 南京航空航天大学 零电压开关半桥三电平直流变换器
CN103812359A (zh) * 2014-01-16 2014-05-21 深圳市保益新能电气有限公司 一种交流-直流变换电路及其控制方法
CN107332452A (zh) * 2017-08-08 2017-11-07 深圳市保益新能电气有限公司 一种交流‑直流变换电路控制方法及其电路
CN109104092A (zh) * 2018-09-28 2018-12-28 南京理工大学 低开关管电压应力电流型输出谐振变换器
CN109194140A (zh) * 2018-09-28 2019-01-11 南京理工大学 低开关管电压应力电压型输出谐振变换器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Phase-Shift-Controlled Isolated Buck-Boost Converter With Active-Clamped Three-Level Rectifier (AC-TLR) Featuring Soft-Switching Within Wide Operation Range;Hongfei WU et al.;《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》;20160331;第31卷(第3期);第2372-2386页 *
半桥三电平LLC谐振变换器的轻载控制策略;王付胜等;《电器与能效管理技术》;20190930(第16期);第28-32页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111092555A (zh) 2020-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109217681B (zh) 一种双向谐振变换器
CN110224612B (zh) 不对称半桥变换器及控制方法
WO2021103415A1 (zh) 一种基于倍压整流电路的高增益准谐振dc-dc变换器
CN101527520B (zh) 基于llc串联谐振的单级单相ac-dc变换器
TWI382642B (zh) Resonant circuit with narrow operating frequency band and resonant power converter
CN204696926U (zh) 一种可调压定频llc谐振变换器
CN103312171A (zh) 隔离型软开关双管正激谐振dc/dc电路
CN201365204Y (zh) 基于llc串联谐振的单级单相ac-dc变换器
CN112087147B (zh) 一种变换器宽增益控制方法及其应用
CN111525809B (zh) 一种输出电压可调的高频混合型直流变换器
CN108123605B (zh) 电源变换电路的控制方法以及相关电源变换电路
CN111969847B (zh) 交错非隔离开关电容网络高增益软开关变换器及其控制方法
CN110190752B (zh) 一种双向clllc-dcx谐振变换器及其控制方法
CN104218813A (zh) 电感电容复合利用的级联型谐振dc-dc变换电路
CN104980037A (zh) 一种副边调整型定频谐振变换器及其控制方法
CN105450030A (zh) 双变压器变绕组隔离变换器及其控制方法
CN108199579B (zh) 一种带耦合电感的高变比软开关dc-dc降压变换器
CN110620515A (zh) 一种副边llc谐振电源变换电路
CN111682775B (zh) 一种副边串联lcd实现励磁能量转移的正激变换器
CN109104092B (zh) 低开关管电压应力电流型输出谐振变换器
CN108092515B (zh) 高频软开关谐振直流变换器及电压增益计算方法
CN216774624U (zh) 一种高电压增益软开关dc-dc变换器
CN217240596U (zh) Buck-Boost软开关电路
CN111092555B (zh) 一种三电平软开关高频谐振变换器
CN111555624B (zh) 双输出软开关电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant