CN112054689A - 一种隔离三电平直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离三电平直流变换器，第一开关管集电极和第二开关管发射极分别连接第一输入电容的两端，第三开关集电极和第四开关管发射极分别连接第二输入电容两端，第二开关管极和第三开关管与变压器一次侧绕组并联，变压器一次侧绕组和第三开关管之间接入一个隔直电容，包括两个相同的有源换流辅助电路，包括一个辅助电感、一个电容和一个开关管，辅助电感一端连接电容一端，电容另一端连接开关管集电极，两个辅助电感另一端分别连接第二开关管集电极和第四开关管集电极；两个开关管发射极分别连接第二开关管发射极和第四开关管发射极。本发明辅助电流不随占空比变化，便于参数设计且能够实现全负载范围ZVS软开关。

Description

一种隔离三电平直流变换器
技术领域
本发明涉及一种隔离三电平直流变换器，特别是一种含有有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平ZVS软开关直流变换器，属于直流变换器软开关技术领域。
背景技术
为了提高隔离三电平变换器开关频率减小变换器体积以及提高变换器效率，零电压开关(Zero Voltage Switching，ZVS)软开关技术被广泛研究及应用。在隔离三电平变换器中，负载较大时可以实现自然ZVS软开关，而且通过增加变压器漏感可以增大自然ZVS软开关范围。但是自然ZVS软开关范围较小，且变压器漏感增大会带来较大的占空比丢失，较大的环流以及输出整流装置会产生电压尖峰。
为了在不增加漏感的情况下拓宽ZVS软开关范围，学者们提出了许多ZVS方法。I.O.Lee,G.W.Moon等作者在文章《Analysis and Design of a Three-Level LLC SeriesResonant Converter for High-and Wide-Input-Voltage Applications》、《Three-LevelResonant Converter with Double LLC Resonant Tanks for High-Input-VoltageApplications》中采用谐振三电平变换器。主开关管可以实现全负载范围ZVS软开关，而且整流二极管可以实现ZCS关断。但是谐振变换器频率的变化给变换器的设计及控制带来困难。X.Ruan,B.Li,J.Wang,J.Li在文章《Zero-Voltage-Switching PWM Three-LevelConverter with Current Doubler Rectifier》中，采用倍流变换器实现ZVS，该变换器还能够消除整流二极管电压震荡问题。该变换器具有两个输出滤波电感并且电感电流交错并联，主开关管寄生电容被输出滤波电感映射到变压器一次侧电流放电，可以实现宽范围ZVS软开关。但是为了实现大范围ZVS软开关，输出滤波电感应设计的较小，而较小的滤波电感会带来较大的输出电流纹波。Y.Shi,X.Yang在文章《Wide Range Soft Switching PWMThree-Level DC–DC Converters Suitable for Industrial Applications》中采用换流辅助电路使三电平DC/DC变换器在不增加漏感情况下实现全负载范围ZVS软开关。如图1所示，Y.Shi,X.Yang在论文中提出的换流辅助电路由一个电感LA和两个电容CA组成。该换流辅助电路的辅助电流iA幅值随占空比变化，如图2所示。由图2可以看出，为了在较小占空比时实现ZVS软开关，辅助电感LA必须取较小的值，但是较小的LA会导致占空比在0.5附近时出现较大的辅助电流。如果辅助电流较大，导通损耗以及开关管电流应力就会增加。而且在恒流充电阶段，如果充电电流足够大，变换器可以实现自然ZVS软开关，则该辅助换流电路就不需要了。该换流辅助电路存在以下两个问题：1.辅助电流随占空比变化，为变换器设计带来困难，甚至无法实现全负载范围软开关；2.当变换器实现自然ZVS软开关时，无法停止辅助换流电路，造成效率的下降。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种实现全负载范围ZVS软开关的隔离三电平直流变换器，以提高变换器效率。
为解决上述技术问题，本发明的一种隔离三电平直流变换器，包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管的集电极和第二开关管的发射极分别连接第一输入电容的两端，第三开关管的集电极和第四开关管的发射极分别连接第二输入电容的两端，第一输入电容和第二输入电容相等，第二开关管极和第三开关管与变压器的一次侧绕组并联，变压器的一次侧绕组和第三开关管之间接入一个隔直电容，包括两个相同的有源换流辅助电路，所述有源换流辅助电路包括一个辅助电感、一个电容和一个开关管，辅助电感的一端连接电容的一端，电容的另一端连接开关管的集电极，两个辅助电感的另一端分别连接第二开关管的集电极和第四开关管的集电极；两个开关管的发射极分别连接第二开关管的发射极和第四开关管的发射极。
本发明还包括：
第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的等效并联电容相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.换流辅助电路的辅助电流不随占空比变化，便于辅助电路参数设计且能够实现全负载范围ZVS软开关；
2.变换器能够实现自然ZVS软开关时，停止辅助换流电路工作，提高效率。
附图说明
图1是基于换流辅助电路的四开关管隔离三电平DC/DC变换器；
图2是换流辅助电路的辅助电流随占空比变化曲线；
图3是基于有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平直流变换器；
图4是有源换流辅助电路工作原理图；
图5是基于有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平DC/DC变换器主要波形；
图6是时间区间1(t0-t1)的等效电路图；
图7是时间区间2(t1-t2)的等效电路图；
图8是时间区间3(t2-t3)的等效电路图；
图9是时间区间4(t3-t4)的等效电路图；
图10是时间区间5(t4-t5)的等效电路图；
图11是时间区间6(t5-t6)的等效电路图；
图12是时间区间7(t6-t7)的等效电路图；
图13是时间区间8(t7-t8)的等效电路图；
图14是时间区间9(t8-t9)的等效电路图；
图15是时间区间10(t9-t10)的等效电路图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明实现四开关管隔离三电平DC/DC变换器的全负载范围ZVS软开关，以提高变换器效率，提出有源换流辅助电路拓扑，该换流辅助电路的辅助电流不随占空比变化，便于辅助电路参数设计，便于实现全负载范围ZVS软开关，且在变换器实现自然ZVS软开关时，停止辅助换流电路工作，提高效率。
本发明提出的基于有源换流辅助电路的宽范围ZVS四开关管隔离三电平DC/DC变换器拓扑结构如图3所示。两个有源换流辅助电路被用在四开关管隔离三电平DC/DC变换器中，有源换流辅助电路由一个小的辅助电感LA，一个电容CA以及一个开关管SA组成。辅助电感LA是一个小的谐振电感，电容CA足够大以至于电容两端电压可以认为在一个周期内不变。Lr是变压器漏感，Cb是隔直电容。C1～C4是主开关管等效并联电容，包括开关管寄生电容以及并联的缓冲电容。提出的含有有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平变换器，主开关管S1～S4可在全负载范围内实现ZVS软开关。提出的有源换流辅助电路的具体分析如下。
以上半桥有源换流辅助电路为例，对该辅助电路的工作原理进行详细的分析。如图4所示，开关管S1，S2被互补带有死区的PWM信号驱动。在S2关闭之前，辅助开关管SA1被打开，此时辅助电流iA1将会线性增长，如式(1)所示。由于iA1从零开始增长，开关管SA1实现了零电流开通。
Figure BDA0002657085620000031
式中VCA1为电容CA1电压，LA为辅助电感，t为时间。
辅助电流iA1将一直增加直到开关管S2被关闭。从SA1开通到S2关闭这段时间内，辅助电流iA1从零增加至最大值iA_peak,该电流将用于实现开关管S1的零电压开通。在S2关闭后，辅助电流iA1将对C1放电，对C2充电。一旦C1端电压下降至零，续流二极管D1将会导通，此时S1具备了零电压开通条件，如图4所示。
忽略在从S2关断至S1零电压开通时间内辅助电流iA1的变化。在S1零电压开通后，辅助电流iA1将会线性下降，如式(2)所示。
Figure BDA0002657085620000041
式中iA_peak为辅助电流iA1的最大值，Vin为输入直流电压，VCA1为电容CA1电压，LA为辅助电感，t为时间。
辅助电流iA1将一直减小直到开关管S1被关闭。在S1关闭后，辅助开关管SA1同时被关闭。辅助电流iA1已经反向，将会流过续流二极管DA1，因此开关管SA1实现了零电压关断。此时，反向的辅助电流iA1将对C2放电，对C1充电。一旦C2端电压下降至零，续流二极管D2将会导通,S2具备了零电压开通条件，如图4所示。
由以上分析可知，提出的有源换流辅助电路可以实现所有主开关管的ZVS软开关，且辅助开关管实现了ZCS开通，ZVS关断。Y.Shi,X.Yang在文章《Wide Range SoftSwitching PWM Three-Level DC–DC Converters Suitable for IndustrialApplications》中提出的辅助换流电路不同，辅助电流iA1是可以控制的。而且在稳态时，如果辅助开关管SA1保持关闭，则辅助电流为零，也就是说，当负载电流足够大，可以通过自身漏感实现自然ZVS软开关时，可以关闭有源换流辅助电路。在负载电流较小时，无法实现自然ZVS软开关，可以开启有源换流辅助电路，通过控制可以使辅助电流iA1的最大值保持固定，不随占空比变化。以上特点意味着，本发明提出的有源换流辅助电路可以在最小导通损耗的情况下实现变换器全负载范围的ZVS软开关。
下面分析基于有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平DC/DC变换器的ZVS软开关实现过程。图3是四开关管隔离三电平DC/DC变换器ZVS软开关拓扑，标出了电压、电流的正方向，图中Cd1、Cd2是相等的两个输入电容，S1～S4是四开关管隔离三电平DC/DC变换器的主开关管，D1～D4为开关管的反并联二极管，C1～C4为开关管等效并联电容。T是高频变压器，该变压器一次侧一个绕组，二次侧有两个匝数相等的绕组，且一次侧与二次侧匝比为n1：n2，Lr为高频变压器漏感，Lm为变压器激磁电感。Cb为隔直电容，DR1、DR2为整流二极管，Lo为输出滤波电感、Co为输出滤波电容，RL为负载。
图5是基于有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平直流变换器的主要波形，将一个周期分为10个时间区间，每个时间区间的等效电路图如图6～图15所示。在分析之前做如下假设：1)忽略二极管及开关管压降；2)稳态时，在一个PWM周期内Cd1，Cd2，Cb以及CA1和CA2端电压保持不变，VCd1＝VCd2＝Vin/2，Vb＝Vin/2；3)输出滤波电感Lo足够大，以至于输出电流Io可以看作恒定；4)变压器激磁电感足够大，以至于激磁电流可以忽略不计；5)等效并联电容C1＝C2＝C3＝C4＝Cs，辅助电感LA1＝LA2＝LA。每个时间区间的详细分析如下：
(1)时间区间1(t0-t1)，该时间区间等效电路图如图6所示。
在此时间区，S1，S4开通，能量由输入滤波电容传递至负载。辅助电流iA1开始下降，如式(2)所示。在t1时刻，S1与辅助开关管SA1同时被关闭。反向的辅助电流iA1将对C2放电，对C1充电。由于并联的缓冲电容C1限制了开关管S1集电极-发射极电压VS1的增长，S1被零电压关断。在SA1关断时，辅助电流iA1将流过续流二极管DA1，SA1属于零电压关断。
(2)时间区间2(t1-t2)，该时间区间等效电路图如图7所示。
在此时间段内，电流iA1(t1)和iLr(t1)对C2放电，C1充电。由于此时间段较小，iA1在此时间段的变化量可以忽略不计。一旦电压VS2下降到零，S2到达零电压开启条件。
(3)时间区间3(t2-t3)，该时间区间等效电路图如图8所示。
在t2时刻，尽管S2零电压开通，电流iLr将会流过S2的续流二极管D2，变换器进入了续流阶段。辅助电流iA1将由负的最大值开始线性增加，直到电流为零，如式(3)所示。
Figure BDA0002657085620000051
式中iA_peak为辅助电流iA1的最大值，VCA1为电容CA1电压，LA为辅助电感，t为时间。
(4)时间区间4(t3-t4)，该时间区间等效电路图如图9所示。
在t3时刻，辅助开关SA2开启，辅助电流iA2开始由零增加，如式(4)所示。由于iA2在SA2开启时为零，因此SA2属于零电流开通。在t4时刻，S4零电压关闭，电流iA2将达到最大值iA_peak。
Figure BDA0002657085620000052
式中VCA2为电容CA2电压，LA为辅助电感，t为时间。
(5)时间区间5(t4-t5)，该时间区间等效电路图如图10所示。
在此时间区间，辅助电流iA2与电流iLr对C4充电，C3放电。由于等效并联电容C4限制了VS4的增长速度，S4实现零电压关闭。由于变压器绕组电压被变压器二次侧整流二极管钳位至零，iLr将以谐振的方式对C4充电，对C3放电。由于此段时间比较短，可以忽略iA2在此时间段的变化。一旦VS3减小到零，S3具备了零电压开通的条件。
(6)时间区间6(t5-t6)，该时间区间等效电路图如图11所示。
在此时间段，开关管S2，S3开通，能量由隔直电容Cb传输至负载。此时电流iLr由正变负，流过S2，S3。辅助电流iA2将由iA_peak减小至-iA_peak，如式(5)所示。在t6时刻，S3和SA2被同时关闭。电流iA2与电流iLr将会对C3充电，对C4放电。由于等效并联电容C3的存在，S3实现了零电压关断。在SA2关闭时，辅助电流iA2将会流过续流二极管DA2，因此SA2属于零电压关断。
Figure BDA0002657085620000061
式中iA_peak为辅助电流iA2的最大值，Vin为输入直流电压，VCA2为电容CA2电压，LA为辅助电感，t为时间。
(7)时间区间7(t6-t7)，该时间区间等效电路图如图12所示。
此时间区间与时间区间2相似。在t6时刻，S3关闭，电流iA2(t6)和电流iLr(t6)将会对C3充电，对C4放电。由于此时间区间较短，电流iA2在此时间段的变化可以忽略不计。一旦VS4下降至零，S4就具备了零电压开启的条件。
(8)时间区间8(t7-t8)，该时间区间等效电路图如图13所示。
此时间区间与时间区间3相似。在t7时刻，S4被零电压开通，但是电流iLr将会流过续流二极管D4，变换器进入了续流阶段。辅助电流iA2将由负的最大值开始线性增加，直到电流为零，如式(6)所示。
Figure BDA0002657085620000062
式中iA_peak为辅助电流iA2的最大值，VCA2为电容CA2电压，LA为辅助电感，t为时间。
(9)时间区间9(t8-t9)，该时间区间等效电路图如图14所示。
此时间区间与时间区间4相似。在t8时刻，辅助开关SA1开启，辅助电流iA1开始由零增加，如式(1)所示。由于iA1在SA1开启时为零，SA1属于零电流开通。在t9时刻，S2零电压关闭，电流iA1将达到最大值iA_peak。
(10)时间区间10(t9-t10)，该时间区间等效电路图如图15所示。
此时间区间与时间区间5相似。电流iA1与电流iLr对C2充电，C1放电。由于等效并联电容C2限制了VS2的增长速度，S2实现了零电压关闭。由于变压器绕组电压被二次侧整流二极管钳位至零，iLr将以谐振的方式对C2充电，对C1放电。由于此段时间比较短，可以忽略iA1在此时间段的变化。一旦VS1减小到零，S1具备了零电压开通的条件。在S1开通后，一个新的周期开始。
通过以上的分析可知，采用有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平DC/DC变换器实现了所有主开关管的ZVS软开关，通过设计合适的辅助电流iA，所有主开关管可在全负载范围内实现ZVS软开关。辅助开关管实现了零电流开通，零电压关断。

Claims (2)

1.一种隔离三电平直流变换器，包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管的集电极和第二开关管的发射极分别连接第一输入电容的两端，第三开关管的集电极和第四开关管的发射极分别连接第二输入电容的两端，第一输入电容和第二输入电容相等，第二开关管极和第三开关管与变压器的一次侧绕组并联，变压器的一次侧绕组和第三开关管之间接入一个隔直电容，其特征在于：包括两个相同的有源换流辅助电路，所述有源换流辅助电路包括一个辅助电感、一个电容和一个开关管，辅助电感的一端连接电容的一端，电容的另一端连接开关管的集电极，两个辅助电感的另一端分别连接第二开关管的集电极和第四开关管的集电极；两个开关管的发射极分别连接第二开关管的发射极和第四开关管的发射极。
2.根据权利要求1所述的一种隔离三电平直流变换器，其特征在于：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的等效并联电容相等。
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