CN112510984A - 软开关ac-dc维也纳变换器拓扑结构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种软开关AC‑DC维也纳变换器拓扑结构及控制方法，该结构包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一主开关S1、第二主开关S2、第一输出直流环节电容器C01和第一输出直流环节电容器C01，该变换器还包括有源缓冲电路，该有源缓冲电路包括缓冲电感LS、第一辅助有源开关SS1、第一缓冲电容CS1、第二辅助有源开关SS2和第二缓冲电容CS2，所述的缓冲电感LS依次通过第一辅助有源开关SS1和第一缓冲电容CS1与第一整流二极管D1的负极连接，并依次通过第二辅助有源开关SS2和第二缓冲电容CS2与第二整流二极管D2的负极连接，而且依次通过第一主开关S1和第二主开关S2接地。与现有技术相比，本发明具有降低整流二极管的反向恢复损耗、避免振铃问题等优点。

Description

软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构及控制方法
技术领域
本发明涉及电路拓扑技术，尤其是涉及一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构及控制方法。
背景技术
在现有文献中，有许多电路拓扑采用有源和无源缓冲电路来产生半导体器件和整流二极管的软开关条件。这些缓冲电路用于限制二极管电流的变化率，并为电路的半导体元件创造软开关条件。
现有的采用有源缓冲电路的变换器电路，除了开关导通和整流器关断的软开关外，还具有减小的电流和电压应力的功能，然而，有源缓冲电路的辅助开关具有较高的电流应力，并且在硬开关条件下工作，在现有技术描述的boost拓扑中，主开关和辅助开关都在软开关条件下工作，但是，其主开关的电压应力比采用有源缓冲电路的变换器电路(通过适当选择缓冲电感值和开关频率来控制)中的要高，此外，门极驱动电路的要求复杂且昂贵。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构及控制方法及控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构，包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一主开关S1、第二主开关S2、第一输出直流环节电容器C01和第一输出直流环节电容器C01，该结构还包括有源缓冲电路，该有源缓冲电路包括缓冲电感LS、第一辅助有源开关SS1、第一缓冲电容CS1、第二辅助有源开关SS2和第二缓冲电容CS2，所述的缓冲电感LS依次通过第一辅助有源开关SS1和第一缓冲电容CS1与第一整流二极管D1的负极连接，并依次通过第二辅助有源开关SS2和第二缓冲电容CS2与第二整流二极管D2的负极连接，而且依次通过第一主开关S1和第二主开关S2接地。
所述的第一辅助有源开关SS1采用N沟道MOSFET管，第一辅助有源开关SS1和第一缓冲电容CS1用以为缓冲电感中存储的剩余能量提供放电路径。
所述的第二有源辅助开关SS2采用N沟道MOSFET管，第二辅助有源开关SS2和第二缓冲电容CS2用以为缓冲电感中存储的剩余能量提供放电路径。
所述的缓冲电感LS与第一有源辅助开关SS1的源极连接，所述的第一缓冲电容CS1设置在第一有源辅助开关SS1的漏极与第一整流二极管D1负极之间。
所述的缓冲电感LS与第二辅助有源开关SS2的源极连接，所述的第二缓冲电容CS2设置在第二有源辅助开关SS2的漏极与第二整流二极管D2负极之间。
所述的第一主开关S1和第二主开关S2均采用N沟道MOSFET管，第一主开关S1的源极与第二主开关S2的源极连接，第二主开关S2的漏极接地。
一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构的控制方法，在输入电压的正半周期间，当第一整流二极管D1和第一辅助有源开关Ss1关闭时，第一主开关S1的电流Is1与输入电流Ii相等，当第一主开关S1断开时，其电压从零线性增加到V0+Vsc1，第一辅助有源开关Ss1的电压从V0+Vsc1降至零，当整流二极管D1两端的开关电压超过第一整流二极管D1的导通电压V0时，第一整流二极管D1开始导通，而缓冲电感Ls的电流则开始减小，当主开关S1上的电压达到V0+Vs1，且第一有源辅助开关Ss1上的反并联二极管导通时，第一有源辅助开关Ss1导通，缓冲电感Ls上开始有电流流过。
根据输入电流Ii＝缓冲电感电流iLs+第一整流二极管D1电流iD1，在缓冲电感电流iLs继续减小过程中，第一整流二极管D1电流iD1继续以相等的速率增加，当缓冲电感电流iLs达到零电平时，第一有源辅助开关Ss1的反并联二极管停止导通，则在缓冲电感电流iLs达到零之前打开第一有源辅助开关Ss1，开启第一有源辅助开关Ss1后，缓冲电感电流iLs继续通过第一有源辅助开关Ss1反向流动，此时，第一整流二极管D1的电流iD1继续以相同速率增加。
在输入电压的正半周期间，当第一有源辅助开关Ss1断开时，缓冲电感电流iLs流过主开关S1的输出电容，使其电压从V0+Vsc1降至零，此时，缓冲电感电流iLs从负值增加到零，第一整流二极管D1电流iD1减小到输入电流电平Ii，缓冲电感Ls中储存的能量大于第一主开关S1的输出电容所需的能量。
当缓冲电感Ls中储存的能量足够使第一主开关S1的输出电容放电时，第一主开关S1的反并联二极管开始导通，缓冲电感电流iLs线性增加到零，第一主开关S1在反并联二极管导通时在ZVS处导通，当第一主开关S1接通时，缓冲电感电流iLs线性增加，第一整流二极管D1的电流iD1以相等速率线性减小，第一整流二极管D1的电流iD1的递减率由缓冲电感Ls的值决定，则有：
Figure BDA0002833986960000031
其中，V0为导通电压。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
在本发明提出的电路技术中，辅助开关的缓冲电感通过控制整流二极管的电流的变化速率来降低整流二极管的反向恢复损耗，另外，缓冲电感中储存的能量被用来在主开关打开前将输出电容放电至零，从而产生零电容导通开关损耗，当主开关断开时，有源缓冲电路的辅助开关和缓冲电容器为缓冲电感中存储的剩余能量提供放电路径，该电路拓扑结构有效地解决了整流二极管结电容与缓冲电感相互作用引起的振铃问题。
附图说明
图1为本发明的结构电路图。
图2为AC-DC变换器在输入电压的正半周期间的工作阶段，其中，图(2a)为第一阶段，图(2b)为第二阶段，图(2c)为第三阶段，图(2d)为第四阶段，图(2e)为第五阶段，图(2f)为第六阶段，图(2g)为第七阶段，图(2h)为第八阶段。
图3为输入电压的正半周期间对应的控制波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供了一种通过在维也纳整流电路拓扑中采用有源缓冲电路来降低整流二极管与半导体元件相关的反向恢复损耗和开关损耗的电路，该电路不会对整流二极管施加任何额外的电压应力，并且该电路拓扑可以应用于高压大功率交直流转换系统中。
如图1所示，图1为采用有源缓冲电路的软开关AC-DC维也纳变换器的电路结构，有源缓冲器降低了整流二极管的反向恢复损耗，实现了半导体主开关的零电压开关，有源缓冲电路由一个辅助有源开关和一个缓冲电容和一个缓冲电感组成，通过控制整流二极管的di/dt速率，为半导体主开关和辅助有源开关创造软开关条件，缓冲电感通过控制整流二极管电流的变化速率di/dt来降低反向恢复损耗，缓冲电感连接在整流二极管和半导体主开关的串联路径上，缓冲电感中储存的能量用于在开关转动之前对半导体主开关的输出电容放电，从而防止其电容导通损耗，缓冲电路中串联的辅助有源开关和缓冲电容，在开关关断时，将缓冲电感中储存的能量放电给输出直流环节电容器。
为了简化分析，线路电感L被恒流源Ii取代，输出直流环节电容被直流电压源取代。另外，假设半导体开关的导通状态电阻为零，但整流二极管的输出电容和反向恢复电荷不为零。图2显示了在输入电压的正半周期间所提出的AC-DC转换器的工作阶段，而其相应的关键操作波形如图3所示。
当整流二极管D1和第一辅助有源开关Ss1关闭时，主开关S1的电流与输入电流Ii相等，在主开关S1关闭之前分别阻断电压V0(整流二极管的导通电压)以及V0+Vsc1(结电容电压)。当主开关S1断开时，其电压从零线性增加到V0+Vsc1。辅助有源开关Ss1的电压从V0+Vsc1降至零，当整流二极管D1两端的开关电压超过V0电平时，整流二极管D1开始导通，而缓冲电感Ls的电流则开始减小，当主开关S1上的电压达到V0+Vs1，且有源辅助开关Ss1上的反并联二极管导通时，Ss1可以导通，缓冲电感Ls上开始有电流流过。
由于输入电流Ii＝iLs+iD1，缓冲电感电流iLs继续减小，而整流二极管D1的电流iD1继续以相等的速率增加，当iLs达到零电平时，有源辅助开关Ss1的反并联二极管停止导通，因此需要在iLs达到零之前打开有源辅助开关Ss1，开启有源辅助开关Ss1后，iLs继续通过有源辅助开关反向流动，因此，整流二极管D1的电流iD1继续以相同速率增加，其大小则超过了输入电流Ii，除非有源辅助开关Ss1关闭，存储在辅助电容Cs1中的能量通过有源辅助开关Ss1返回辅助电感Ls。
当有源辅助开关Ss1关闭时，缓冲电感电流iLs流过主开关S1的输出电容器，使其电压从V0+Vsc1降至零，因此，缓冲电感电流iLs从负值会增加到零，iD1会减小到输入电流电平Iin，缓冲电感Ls中储存的能量应大于放电主开关S1的输出电容所需的能量，否则主开关电压Vs1不会完全归零，并发生振荡，除非主开关电压Vs1达到最小值后接通主开关S1。
当缓冲电感能量足够使S1的输出电容放电时，主开关S1的反并联二极管开始导通，缓冲电感电流iLs线性增加到零，主开关S1在反并联二极管导通时可以在零电压开关ZVS处导通。当主开关S1接通时，缓冲电感电流iLs线性增加，而整流二极管D1的电流iD1以相等速率线性减小，整流二极管D1的电流iD1的递减率由缓冲电感Ls的值决定，于是有：
Figure BDA0002833986960000051
缓冲电感Ls值越高，需要的diD1/dt速率越小，因此，反向恢复损失也会更小。
线性增加的缓冲电感电流iLs达到Iin电平时，线性减小的整流二极管D1的电流iD1达到零电流值，并且由于剩余的存储电荷而继续反向减小，从而在超过输入电流Ii电平的开关电流中产生过冲，如果不应用适当的缓冲电感Ls，这种过冲会更大，并可能损坏设备。
除了在整流二极管阻断电压之前必须恢复的剩余电荷外，它还具有一个可以与缓冲电感Ls串联谐振的结电容SC1，这会导致寄生振铃并增加整流二极管的电压应力。这个问题通过一个重型RCD缓冲器来解决，主开关S1和有源辅助开关Ss1的电压应力相似，等于V0+Vsc1。为了使电压应力保持在合理的范围内，选择穿过Cs1的电压是很重要的。Cs1上的电压取决于负载、线路电压Vin、开关频率fs和缓冲电感值Ls，如下所示
Figure BDA0002833986960000052
对于给定的输入电流I0、线路电压Vin和V0，通过降低Lsfs可以降低Cs1上的电压。

Claims (10)

1.一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构，包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一主开关S1、第二主开关S2、第一输出直流环节电容器C01和第一输出直流环节电容器C01，其特征在于，该结构还包括有源缓冲电路，该有源缓冲电路包括缓冲电感LS、第一辅助有源开关SS1、第一缓冲电容CS1、第二辅助有源开关SS2和第二缓冲电容CS2，所述的缓冲电感LS依次通过第一辅助有源开关SS1和第一缓冲电容CS1与第一整流二极管D1的负极连接，并依次通过第二辅助有源开关SS2和第二缓冲电容CS2与第二整流二极管D2的负极连接，而且依次通过第一主开关S1和第二主开关S2接地。
2.根据权利要求1所述的一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构，其特征在于，所述的第一辅助有源开关SS1采用N沟道MOSFET管，第一辅助有源开关SS1和第一缓冲电容CS1用以为缓冲电感中存储的剩余能量提供放电路径。
3.根据权利要求2所述的一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构，其特征在于，所述的第二有源辅助开关SS2采用N沟道MOSFET管，第二辅助有源开关SS2和第二缓冲电容CS2用以为缓冲电感中存储的剩余能量提供放电路径。
4.根据权利要求3所述的一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构，其特征在于，所述的缓冲电感LS与第一有源辅助开关SS1的源极连接，所述的第一缓冲电容CS1设置在第一有源辅助开关SS1的漏极与第一整流二极管D1负极之间。
5.根据权利要求3所述的一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构，其特征在于，所述的缓冲电感LS与第二辅助有源开关SS2的源极连接，所述的第二缓冲电容CS2设置在第二有源辅助开关SS2的漏极与第二整流二极管D2负极之间。
6.根据权利要求4所述的一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构，其特征在于，所述的第一主开关S1和第二主开关S2均采用N沟道MOSFET管，第一主开关S1的源极与第二主开关S2的源极连接，第二主开关S2的漏极接地。
7.一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于，在输入电压的正半周期间，当第一整流二极管D1和第一辅助有源开关Ss1关闭时，第一主开关S1的电流Is1与输入电流Ii相等，当第一主开关S1断开时，其电压从零线性增加到V0+Vsc1，第一辅助有源开关Ss1的电压从V0+Vsc1降至零，当整流二极管D1两端的开关电压超过第一整流二极管D1的导通电压V0时，第一整流二极管D1开始导通，而缓冲电感Ls的电流则开始减小，当主开关S1上的电压达到V0+Vs1，且第一有源辅助开关Ss1上的反并联二极管导通时，第一有源辅助开关Ss1导通，缓冲电感Ls上开始有电流流过。
8.根据权利要求7所述的一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于，根据输入电流Ii＝缓冲电感电流iLs+第一整流二极管D1电流iD1，在缓冲电感电流iLs继续减小过程中，第一整流二极管D1电流iD1继续以相等的速率增加，当缓冲电感电流iLs达到零电平时，第一有源辅助开关Ss1的反并联二极管停止导通，则在缓冲电感电流iLs达到零之前打开第一有源辅助开关Ss1，开启第一有源辅助开关Ss1后，缓冲电感电流iLs继续通过第一有源辅助开关Ss1反向流动，此时，第一整流二极管D1的电流iD1继续以相同速率增加。
9.根据权利要求8所述的一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于，在输入电压的正半周期间，当第一有源辅助开关Ss1断开时，缓冲电感电流iLs流过主开关S1的输出电容，使其电压从V0+Vsc1降至零，此时，缓冲电感电流iLs从负值增加到零，第一整流二极管D1电流iD1减小到输入电流电平Ii，缓冲电感Ls中储存的能量大于第一主开关S1的输出电容所需的能量。
10.根据权利要求9所述的一种软开关AC-DC维也纳变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于，当缓冲电感Ls中储存的能量足够使第一主开关S1的输出电容放电时，第一主开关S1的反并联二极管开始导通，缓冲电感电流iLs线性增加到零，第一主开关S1在反并联二极管导通时在ZVS处导通，当第一主开关S1接通时，缓冲电感电流iLs线性增加，第一整流二极管D1的电流iD1以相等速率线性减小，第一整流二极管D1的电流iD1的递减率由缓冲电感Ls的值决定，则有：
Figure FDA0002833986950000021
其中，V0为导通电压。
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CN113098303A (zh) * 2021-04-02 2021-07-09 常州天曼智能科技有限公司 一种新型zvszcs维也纳整流器
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