CN112953231B - 一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的磁集成串联式反激电路 - Google Patents

一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的磁集成串联式反激电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，涉及功率电子变换领域，包含第一直流母线电容C1、第二直流母线电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管4、第一漏感Lk1、第二漏感Lk2和反激式变压器T；本发明电路结构简单，匝比小，能适应较高的输入电压，变换效率高，通过磁集成的方式使得两组原边绕组共同参与母线电容电压动态均衡的过程，减小了每组原边绕组的电流应力，在不额外增加硬件成本与控制复杂度的前提下，同时解决了漏感能量的回收、半桥直流母线电容电压均衡以及辅助供电的问题。

Description

一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的磁集成串联式反 激电路
技术领域
本发明涉及功率电子变换领域，尤其涉及一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路。
背景技术
反激变换器及半桥类功率变流器都在功率电子变换领域得到了广泛应用，均为电力电子变换技术的基本拓扑。
反激变换器具有结构简单，可实现电气隔离，能满足多路输出需求等诸多优点，广泛地应用于辅助电路供电场合，随着直流输入电压的不断提高，传统的反激变换器面临着电压应力高、漏感能量不可回收、原副边匝比高等问题。现有技术通常通过有源钳位或/和无源钳位的方案来有效抑制由于漏感中存储的能量所导致的电压尖峰的问题。然而，有源钳位技术会一定程度地增加控制复杂度，并降低次级侧整流的工作性能；无源钳位技术是通过增加电阻电容及二极管电路(RCD)电路来消耗漏感能量，这种方案不仅增加了电路的复杂度，还增加了功率损耗。
半桥结构电路由一组由电容构成的电容桥臂和另一组由开关管构成的开关桥臂构成，具有可用于较高输入电压、开关器件数量少、成本低等特点，被广泛地应用于直流/直流(DC/DC)、交流/直流(AC/DC)、直流/交流(DC/AC)等场合，然而，半桥结构中的由电容桥臂的电容电压均衡(通常简称为“均压”)问题一直受到广泛关注。现有的半桥结构母线电容电压均压的解决方案主要可分为硬件法和软件法。硬件法有：半桥母线电容独立供电、增加额外的电容电压均衡变换器或电压平衡器、在输出滤波器中增加特殊设计的滤波器引入反馈功率等；软件法主要是在控制算法中加入均压控制，在三电平变换器的空间矢量算法中合理应用小矢量、三相变换器输出中增加零序分量等。上述方法都会一定程度地增加硬件电路成本，或者增加控制复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中半桥结构中直流母线电容电压均衡的问题提供一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，包含第一直流母线电容C1、第二直流母线电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管4、第一漏感Lk1、第二漏感Lk2和反激式变压器T；所述反激式变压器T具有两组相同匝数的原边绕组N1和原边绕组N2以及根据辅助供电需求所配置的N组副边绕组N3、N4，且N≥3；
其中，第一直流母线电容C1的正极连接半桥变流器直流输入的正端，
第一直流母线电容C1的负极连接第二直流母线电容C2的正极，形成半桥电路的直流中点O，
第二直流母线电容C2的负极连接半桥变流器直流输入的负端；
第一开关管S1的漏极连接半桥变流器直流输入正端和第二二极管D2的阴极，
第一开关管S1的源极连接第一漏感Lk1的第一端和第一二极管D1的阴极，
第一漏感Lk1的第二端连接反激式变压器T第一组原边绕组N1的第一端，
第二开关管S2的漏极连接第二漏感Lk2的第二端和第二二极管D2的阳极，
第二开关管S2的源极连接半桥变流器直流输入的负端和第一二极管D1的阳极，
第二漏感Lk2的第一端连接反激式变压器T第二组原边绕组N2的第二端；
反激式变压器T的第一组原边绕组N1的第二端接反激式变压器T的第二组原边绕组N2 的第一端，并同半桥电路的直流中点O相连接；
每组副边供电绕组上均接有整流二极管和滤波电容，
副边供电绕组N3的第一端连接第三整流二极管D3的阳极，
副边供电绕组N3的第二端连接第三滤波电容C3的负极，
第三整流二极管D3的阴极连接第三滤波电容C3的正极，
第三滤波电容C3的正极和负极分别连接副边供电绕组N3的正极和负极，
副边供电绕组N4的第一端连接第四整流二极管D4的阳极，
副边供电绕组N4的第二端连接第四滤波电容C4的负极，
第四整流二极管D4的阴极连接第四滤波电容C4的正极，
第四滤波电容C4的正极和负极分别连接副边供电绕组N4的正极和负极。
作为本发明一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路的进一步优选方案，所述反激式变压器T的每组原边绕组第一端互为同名端，反激式变压器T的每组副边供电绕组的第一端与每组原边绕组的第二端互为同名端；
作为本发明一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路的进一步优选方案，所述反激式变压器的两组原边绕组的匝比为1：1；反激式变压器原副边匝比为半桥变流器直流输入电压与辅助供电电压之比的一半。
作为本发明一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路的进一步优选方案，所述第一漏感Lk1由所述反激式变压器的第一组原边绕组N1的漏感与独立电感串联构成；所述第二漏感Lk2由所述反激式变压器的第二组原边绕组N2的漏感与独立电感串联构成。
作为本发明一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路的进一步优选方案，所述第一开关管S1具有寄生电容,并联连接于所述第一开关管S1两端，所述第二开关管 S2具有寄生电容,并联连接于所述第二开关管S2两端，所述第一二极管D1具有寄生电容,并联连接于所述第一二极管D1两端，所述第二二极管D2具有寄生电容,并联连接于所述第二二极管D2两端。
作为本发明一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路的进一步优选方案，所述第一直流母线电容C1、第一功率开关管S1、第一漏感Lk1与反激式变压器T的第一组原边绕组N1组成了半桥变流器第一直流母线电容C1的释能通路；
第二直流母线电容C2、第二功率开关管S2、第二漏感Lk2与反激式变压器T的第二组原边绕组N2组成半桥变流器第二直流母线电容C2的释能通路；
第一直流母线电容C1、反激式变压器T的第二组原边绕组N2、第二漏感Lk2、第二二极管D2组成半桥变流器第一直流母线电容C1的第一储能通路；
第一直流母线电容C1、第一功率开关管S1、第一漏感Lk1与反激式变压器T的第一组原边绕组N1组成半桥变流器第一直流母线电容C1的第二储能通路；
第二直流母线电容C2、反激式变压器T的第一组原边绕组N1、第一漏感Lk1以及第一二极管D2组成半桥变流器第二直流母线电容C2的第一储能通路；
第二直流母线电容C2、第二功率开关管S2、第二漏感Lk2与反激式变压器T的第二组原边绕组N2组成半桥变流器第二直流母线电容C2的第二储能通路。
作为本发明一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路的进一步优选方案，所述第一开关管S1和第二开关管S2同步开关，即第一开关S1和第二开关S2同时导通、同时关断；当第一开关管S1、第二开关管S2同时导通时，若两个直流母线电容压差大于第一常数，电压较高的母线电容所对应的释能通路导通，电压较低的母线电容所对应的第二储能通路导通，电压较低的母线电容被充电；若两个直流母线电容压差小于第一常数，两个直流母线电容所对应的释能通路均导通，两个母线电容同时放电，向反激式变压器提供能量；若两直流母线电容压差等于第一常数，仅电压较高的母线电容所对应的释能通路导通，电压较高的母线电容向反激式变压器传输能量，电压较低的母线电容不作能量交换；当第一开关管S1、第二开关管S2同时关断时，两直流母线电容所对应的第二储能通路均导通，电压较高的直流母线电容所对应的第一储能通路电流优先下降到0，电压较低的直流母线电容所对应的第一储能通路电流需要更长的时间下降至0，较低电压的直流母线电容接收到更多的能量回馈；第一漏感Lk1与第一二极管D1的寄生电容、第一开关管S1的寄生电容发生谐振；第二漏感Lk2与第二二极管D2的寄生电容、第二开关管S2的寄生电容发生谐振；反激式变压器T的副边供电绕组上的整流二极管承受正向电压导通，向负载传输能量。
作为本发明一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路的进一步优选方案所述第一常数是与两直流母线电容压差、第一漏感、第二漏感相关的常数。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明的反激式电路，通过磁集成的方式使得两组原边绕组共同参与母线电容电压动态均衡过程，减小了每组原边绕组的电流应力；在不额外增加硬件成本与控制复杂度的前提下，同时解决了漏感能量回收、半桥直流母线电容电压均衡以及反激变换器的输出供电问题；
2、本发明采用更为简单的电路结构和控制方式，实现了反激变换器的变压器漏感能量的泄放与半桥电容的均压，却不增加额外的能量损耗，变换效率高；
3、本发明是一种磁集成串联式电路，体积小，变压器匝比小，具有承担较高直流输入电压的能力；
4、本发明的变压器原边开关管和二极管承受的电压应力为直流输入电压，小于普通的单管反激式变换器，能应用于较高直流输入电压的场合；
5、本发明中副边输出电压的大小反应了较低的直流母线电容电压，进而可通过检测副边电压实现直流母线电容的状态检测和实现直流中点电压偏差过大保护，无需直接检测直流母线电容的电压。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明中开关管S1和S2导通时的电路图；
图3是本发明中开关管S1和S2关断时的电路图；
图4是本发明中电容桥臂的上半部分直流母线电容电压较高时动态均压仿真图；
图5是本发明中电容桥臂的上半部分直流母线电容电压较高时放大1的仿真图；
图6是本发明中电容桥臂的上半部分直流母线电容电压较高时放大2的仿真图
图7是本发明中电容桥臂的上半部分直流母线电容电压较高时放大3的仿真图
图8是本发明应用于400V输入、24V辅助供电输出的动态均压波形；
图9是本发明应用于400V输入、24V辅助供电输出的放大1的仿真图；
图10是本发明应用于400V输入、24V辅助供电输出的放大2的仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，包含第一直流母线电容C1、第二直流母线电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一漏感Lk1、第二漏感Lk2和反激式变压器T；
本发明采用两组副边进行说明，副边包括第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第三整流二极管D3、第四整流二极管4。
所述反激式变压器T具有两组相同匝数的原边绕组N1和原边绕组N2以及根据输出供电需求所配置的N组副边绕组(N3、…)，N≥1；
其中，第一直流母线电容C1的正极连接半桥变流器直流输入的正端，
第一直流母线电容C1的负极连接第二直流母线电容C2的正极，形成半桥电路的直流中点O，
第二直流母线电容C2的负极连接半桥变流器直流输入的负端；
第一开关管S1的漏极连接半桥变流器直流输入正端和第二二极管D2的阴极，
第一开关管S1的源极连接第一漏感Lk1的第一端和第一二极管D1的阴极，
第一漏感Lk1的第二端连接反激式变压器T第一组原边绕组N1的第一端，
第二开关管S2的漏极连接第二漏感Lk2的第二端和第二二极管D2的阳极，
第二开关管S2的源极连接半桥变流器直流输入的负端和第一二极管D1的阳极，
第二漏感Lk2的第一端连接反激式变压器T第二组原边绕组N2的第二端；
反激式变压器T的第一组原边绕组N1的第二端接反激式变压器T的第二组原边绕组N2 的第一端，并同半桥电路的直流中点O相连接；
每组副边供电绕组上均接有整流二极管和滤波电容，
副边供电绕组N3的第一端连接第三整流二极管D3的阳极，
副边供电绕组N3的第二端连接第三滤波电容C3的负极，
第三整流二极管D3的阴极连接第三滤波电容C3的正极，
第三滤波电容C3的正极和负极分别连接副边供电绕组N3的正极和负极，
副边供电绕组N4的第一端连接第四整流二极管D4的阳极，
副边供电绕组N4的第二端连接第四滤波电容C4的负极，
第四整流二极管D4的阴极连接第四滤波电容C4的正极，
第四滤波电容C4的正极和负极分别连接副边供电绕组N4的正极和负极。
所述反激式变压器T的每组原边绕组第一端互为同名端，反激式变压器T的每组副边供电绕组的第一端与每组原边绕组的第二端互为同名端；
所述反激式变压器的两组原边绕组的匝比为1：1；反激式变压器原副边匝比为半桥变流器直流输入电压与辅助供电电压之比的一半。
所述第一漏感Lk1由所述反激式变压器的第一组原边绕组N1的漏感与独立电感串联构成；所述第二漏感Lk2由所述反激式变压器的第二组原边绕组N2的漏感与独立电感串联构成。
所述第一开关管S1具有寄生电容,并联连接于所述第一开关管S1两端，
所述第二开关管S2具有寄生电容,并联连接于所述第二开关管S2两端，
所述第一二极管D1具有寄生电容,并联连接于所述第一二极管D1两端，
所述第二二极管D2具有寄生电容,并联连接于所述第二二极管D2两端。
所述第一直流母线电容C1、第一功率开关管S1、第一漏感Lk1与反激式变压器T的第一组原边绕组N1组成了半桥变流器第一直流母线电容C1的释能通路；第二直流母线电容C2、第二功率开关管S2、第二漏感Lk2与反激式变压器T的第二组原边绕组N2组成半桥变流器第二直流母线电容C2的释能通路；第一直流母线电容C1、反激式变压器T的第二组原边绕组N2、第二漏感Lk2、第二二极管D2组成半桥变流器第一直流母线电容C1的第一储能通路；第一直流母线电容C1、第一功率开关管S1、第一漏感Lk1与反激式变压器T的第一组原边绕组N1组成半桥变流器第一直流母线电容C1的第二储能通路；第二直流母线电容C2、反激式变压器T的第一组原边绕组N1、第一漏感Lk1以及第一二极管D2组成半桥变流器第二直流母线电容C2的第一储能通路；第二直流母线电容C2、第二功率开关管S2、第二漏感Lk2与反激式变压器T的第二组原边绕组N2组成半桥变流器第二直流母线电容C2的第二储能通路。
所述第一开关管S1和第二开关管S2同步开关，即第一开关S1和第二开关S2同时导通、同时关断；当第一开关管S1、第二开关管S2同时导通时，若两个直流母线电容压差大于第一常数，电压较高的母线电容所对应的释能通路导通，电压较低的母线电容所对应的第二储能通路导通，电压较低的母线电容被充电；若两个直流母线电容压差小于第一常数，两个直流母线电容所对应的释能通路均导通，两个母线电容同时放电，向反激式变压器提供能量；若两直流母线电容压差等于第一常数，仅电压较高的母线电容所对应的释能通路导通，电压较高的母线电容向反激式变压器传输能量，电压较低的母线电容不作能量交换；当第一开关管S1、第二开关管S2同时关断时，两直流母线电容所对应的第二储能通路均导通，电压较高的直流母线电容所对应的第一储能通路电流优先下降到0，电压较低的直流母线电容所对应的第一储能通路电流需要更长的时间下降至0，较低电压的直流母线电容接收到更多的能量回馈；第一漏感Lk1与第一二极管D1的寄生电容、第一开关管S1的寄生电容发生谐振；第二漏感Lk2与第二二极管D2的寄生电容、第二开关管S2的寄生电容发生谐振；反激式变压器T的副边供电绕组上的整流二极管承受正向电压导通，向负载传输能量。
针对半桥直流母线电容电压不均的情况，该具有半桥母线电容电压均衡能力的磁集成串联式反激电路具有八种状态，分别是：
1、上半直流母线电容电压高于下半直流母线电容电压，且电压差值大于第一常数，两开关管同时导通时；
2、上半直流母线电容电压高于下半直流母线电容电压，且电压差值大于第一常数，两开关管同时关断时；
3、下半直流母线电容电压高于上半直流母线电容电压，且电压差值大于第一常数，两开关管同时导通时；
4、下半直流母线电容电压高于上半直流母线电容电压，且电压差值大于第一常数，两开关管同时关断时；
5、上半直流母线电容电压高于下半直流母线电容电压，且电压差值小于等于第一常数，两开关管同时导通时；
6、下半直流母线电容电压高于上半直流母线电容电压，且电压差值小于等于第一常数，两开关管同时导通时。对于半桥母线电压均压的情况，负载能量由两个母线电容均衡提供，辅助电源供电多余的功率通过二极管回馈至两组直流母线电容，此时具有两种状态；
7、上半直流母线电容电压等于下半直流母线电容电压，且两开关管同时导通时；
8、上半直流母线电容电压等于下半直流母线电容电压，且开关管关断时。
以下对上述8种状态进行说明。
状态1：上半直流母线电容电压Vc1高于下半直流母线电容电压Vc2，且电压差值ΔVc大于第一常数ΔV1，如式(1)所示，两开关管同时导通时。
Figure RE-GDA0003041773680000071
其中，Lm是反激变压器激磁电感。
上半第一直流母线电容C1、第一二极管D1、第一开关管S1和原边绕组N1形成释能第一直流母线电容C1释能通路。此时上半母线电容电压Vc1加至原边绕组N1及第一漏感Lk1上，绕组N1流过的电流in1线性上升，N2、N3、N4绕组电压根据变压器变比关系产生一定的感应电压，由于N2绕组感应电压大于下半母线电容电压Vc2，N2绕组和第二开关管S2，第二母线电容C2形成C2的第二储能通路，N2绕组电流反向线性上升，C1中的能量通过反激变压器T向C2传递，两组原边绕组N1和N2中电流变化斜率如式(2)。
Figure RE-GDA0003041773680000081
Figure RE-GDA0003041773680000082
由于副边绕组N3和N4同名端相反，D3～D4二极管反向截止，副边绕组无电流流过。当开关管占空比达到最大或者N1电流达到最大峰值时，开关管关断。该状态示意图如图2所示。
状态2：上半电容电压高于下半电容电压，且电压差值大于第一常数，开关管关断时。上半第一母线电容C1、第二二极管D2和原边绕组N2形成第一母线电容C1的第一储能通路，下半第二母线电容C2、第一二极管D1和原边绕组N1形成第二母线电容C2的第一储能通路；副边绕组N3与第三整流二极管D3、第三滤波电容C3组成一组辅助电源供电；副边绕组N4与第四整流二极管D4、第四滤波电容C4组成另一组辅助电源供电。绕组N1及第一漏感Lk1，绕组N2及第二漏感Lk2分别钳位至母线电容电压Vc2和Vc1，两组原边绕组中电流变化率如式(3)。
Figure RE-GDA0003041773680000083
Figure RE-GDA0003041773680000084
当绕组N2电流线性下降至0时，第一母线电容C1的储能通路停止导通，N1绕组电流以式(4)所示的斜率继续给第二母线电容C2储能，直至N1绕组电流下降至0，反激变压器T磁芯中能量释放完毕，等待开关管再次导通。N3、N4绕组电压根据变压器变比关系产生一定的感应电压，副边绕组输出电压与下半第二直流母线电容电压Vc2成比例，该状态示意图如图 3所示。
Figure RE-GDA0003041773680000085
状态3：下半电容电压高于上半电容电压，且电压差值大于第一常数ΔV1，开关管导通时。该状态工作过程与状态1类似。下半第二母线电容C2、第二二极管D2、第二开关管S2和原边绕组N2形成释能直流第二母线电容C2释能通路。此时下半母线电容电压Vc2加至原边绕组 N2及第二漏感Lk2上，绕组N2流过的电流in2线性上升，N1、N3、N4绕组电压根据变压器变比关系产生一定的感应电压，由于N1绕组感应电压大于上半母线电容电压Vc1，N1绕组和第一开关管S1，第一母线电容C1形成C1的第二储能通路，N1绕组电流反向线性上升，C2中的能量通过反激变压器T向C1传递。当开关管占空比达到最大或者N2电流达到最大峰值时，开关管关断。该状态示意图如图2所示。
状态4：下半电容电压高于上半电容电压，且电压差值大于第一常数，两开关管同时关断时；上半第一母线电容C1、第二二极管D2和原边绕组N2形成第一母线电容C1的第一储能通路，下半第二母线电容C2、第一二极管D1和原边绕组N1形成第二母线电容C2的第一储能通路；副边绕组N3与第三整流二极管D3、第三滤波电容C3组成一组辅助电源供电；副边绕组N4与第四整流二极管D4、第四滤波电容C4组成另一组辅助电源供电。绕组N1及第一漏感Lk1，绕组N2及第二漏感Lk2分别钳位至母线电容电压Vc2和Vc1。当绕组N1电流线性下降至0时，第二母线电容C2的第一储能通路停止导通，N2绕组电流继续第一母线电容C1 储能，直至N2绕组电流下降至0，反激变压器磁芯T中能量释放完毕，等待开关管再次导通。 N3、N4绕组电压根据变压器变比关系产生一定的感应电压，副边绕组输出电压与上半直流母线电容电压Vc1成比例，该状态示意图如图3所示。
状态5：上半直流母线电容电压高于下半直流母线电容电压，且电压差值小于等于第一常数ΔV1，两开关管同时导通时。上半第一直流母线电容C1、第一开关管S1、第一漏感Lk1 和反激式变压器T原边绕组N1形成第一母线电容C1释能通路；当两母线电容压差等于第一常数时，由下半第二母线电容C2、变压器原边绕组N2、第二漏感L2k以及开关管组成的通路上没有电流，此时第二直流母线电容C2不作能量交换，不向变压器磁芯释放能量，也没有充电储能过程；当两母线电容电压差值小于第一常数时，C2也向磁芯传输能量，由于电容压差的存在，C2向变压器传输的能量小于C1。此时由于副边绕组的感应电压，输出整流二极管 D3、D4承受反压截止，由输出滤波电容C3、C4为负载提供能量。当开关管占空比达到最大或者N1电流达到最大峰值时，开关管关断，该状态示意图如图2所示。
状态6：下半直流母线电容电压高于上半直流母线电容电压，且电压差值小于等于第一常数ΔV1，两开关管同时导通时。该状态工作过程与状态5相似。下半第二直流母线电容C2、第二开关管S2、第二漏感Lk2和反激式变压器T原边绕组N2形成第二母线电容C2释能通路；当两母线电容压差等于第一常数时，由上半第一母线电容C1、变压器原边绕组N1、第一漏感 Lk1以及第一开关管S1组成的储能通路上没有电流，此时电容C1不作能量交换，不向变压器磁芯释放能量，也没有充电储能过程；当两母线电容电压差值小于第一常数时，C1也向磁芯传输能量，由于压差的存在，电容C1向变压器传输的能量小于C2。此时由于副边绕组的感应电压，输出整流二极管D3、D4承受反压截止，由输出滤波电容C3、C4为负载提供能量。当开关管占空比达到最大或者N2电流达到最大峰值时，开关管关断，该状态示意图如图2所示。
状态7：上半直流母线电容电压等于下半直流母线电容电压，且两开关管开关管同时导通时。母线电容C1和C2通过各自的释能通路向变压器磁芯均衡地传输能量，此时由于副边绕组的感应电压，输出整流二极管D3、D4承受反压截止，由输出滤波电容C3、C4为负载提供能量。该状态示意图如图2所示。
状态8：上半直流母线电容电压等于下半直流母线电容电压，且开关管关断时。变压器通过两储能通路向两母线电容C1、C2均匀地释放能量，两储能通路的电流同时下降到0。此时副边整流二极管D3、D4承受正压导通，变压器向负载传递能量，并同时为滤波电容C3、 C4充电。该状态示意图如3所示。
为了更好地说明磁集成串联式反激电路的工作状态，图4、5、6、7为上半桥直流母线电容电压较高时的全过程仿真波形图，其中包含了状态1、2、5、7、8，下母线电容电压较高时的波形类似，不再重复。由图可以看出，初始时刻上母线电容电压C1高于下母线电容C2电压，随着电路的工作，两组母线电容电压趋近一致。从电压波形可看出，当母线电容压差大于第一常数时，低电压的母线电容在整个开关周期中存在两个储能过程，当母线电容压差小于第一常数时，低电压母线电容仅在开关管关断时存在一个储能过程，当母线电容电压相等时，反激电路的两条直流母线电容释能回路同时工作。
图8、9、10为本发明应用于400V输入的24V辅助电源实验测试波形，图中给出了上半桥直流母线电容电压较高时电容电压均衡全过程实验波形图，可以看出，初始时刻Vc1＞Vc2，随着电路的工作，C1和C2电压趋近一致。当母线电容压差大于第一常数时，低电压的母线电容在整个开关周期中存在两个储能过程，当母线电容电压相等时，反激电路的两条直流母线电容释能回路同时工作。
值得注意的是，反激式变压器T的原副边绕组匝比应满足1∶1的关系，即N1∶N2＝1∶1，并且在变压器设计中，反激式变压器的功率应满足
Figure RE-GDA0003041773680000101
其中Lm为绕组N1、N2的感值，Ip为最大峰值电流，f为开关频率，Po为辅助供电功率，Pc为均衡功率。
可以看出，采用一个电源系统中为控制电路供电的新型反激式辅助电源，通过磁集成的方式，在电路的工作中，反激式变压器能够从电压较高的母线电容中吸收能量，并传递给电压较低的母线电容，从而实现直流母线电容电压的动态均衡，同时不影响反激式辅助电源的正常供电，也不会产生电压尖峰。该技术方案在不增加系统硬件成本和控制复杂度且不影响电路自身性能的前提下，解决了半桥母线电压均衡的问题。
此外，除了半桥类拓扑的应用场合，在高电压、双极式直流供电系统、非半桥类变换器等场合中，同样也存在电容或其他储能元件(例如蓄电池)串联，抑或是功率变换器输出/ 输入串联的情况，上述场合同样也存在电压均衡的问题，本发明也适用于以上所述的各种场合。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，其特征在于：包含第一直流母线电容C1、第二直流母线电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第一漏感Lk1、第二漏感Lk2和反激式变压器T；所述反激式变压器T具有两组相同匝数的原边绕组N1和原边绕组N2以及根据辅助供电需求所配置的N组副边绕组N3、N4，且N≥3；
其中，第一直流母线电容C1的正极连接半桥电路直流输入的正端，
第一直流母线电容C1的负极连接第二直流母线电容C2的正极，形成半桥电路的直流中点O，
第二直流母线电容C2的负极连接半桥电路直流输入的负端，
第一开关管S1的漏极连接半桥电路直流输入正端和第二二极管D2的阴极，
第一开关管S1的源极连接第一漏感Lk1的第一端和第一二极管D1的阴极，
第一漏感Lk1的第二端连接反激式变压器T第一组原边绕组N1的第一端，
第二开关管S2的漏极连接第二漏感Lk2的第二端和第二二极管D2的阳极，
第二开关管S2的源极连接半桥电路直流输入的负端和第一二极管D1的阳极，
第二漏感Lk2的第一端连接反激式变压器T第二组原边绕组N2的第二端，
反激式变压器T的第一组原边绕组N1的第二端接反激式变压器T的第二组原边绕组N2的第一端，并同半桥电路的直流中点O相连接；
每组副边绕组上均接有整流二极管和滤波电容，
副边绕组N3的第一端连接第三整流二极管D3的阳极，
副边绕组N3的第二端连接第三滤波电容C3的负极，
第三整流二极管D3的阴极连接第三滤波电容C3的正极，
副边供电绕组N4的第一端连接第四整流二极管D4的阳极，
副边供电绕组N4的第二端连接第四滤波电容C4的负极，
第四整流二极管D4的阴极连接第四滤波电容C4的正极，
所述第一开关管S1和第二开关管S2同步开关，即第一开关S1和第二开关S2同时导通、同时关断；当第一开关管S1、第二开关管S2同时导通时，若两个直流母线电容压差大于第一常数，电压较高的母线电容所对应的释能通路导通，电压较低的母线电容所对应的第二储能通路导通，电压较低的母线电容被充电；若两个直流母线电容压差小于第一常数，两个直流母线电容所对应的释能通路均导通，两个母线电容同时放电，向反激式变压器提供能量；若两直流母线电容压差等于第一常数，仅电压较高的母线电容所对应的释能通路导通，电压较高的母线电容向反激式变压器传输能量，电压较低的母线电容不作能量交换；当第一开关管S1、第二开关管S2同时关断时，两直流母线电容所对应的第二储能通路均导通，电压较高的直流母线电容所对应的第一储能通路电流优先下降到0，电压较低的直流母线电容所对应的第一储能通路电流需要更长的时间下降至0，较低电压的直流母线电容接收到更多的能量回馈；第一漏感Lk1与第一二极管D1的寄生电容、第一开关管S1的寄生电容发生谐振；第二漏感Lk2与第二二极管D2的寄生电容、第二开关管S2的寄生电容发生谐振；反激式变压器T的副边供电绕组上的整流二极管承受正向电压导通，向负载传输能量。
2.根据权利要求1所述的一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，其特征在于：所述反激式变压器T的每组原边绕组第一端互为同名端，反激式变压器T的每组副边绕组的第一端与每组原边绕组的第二端互为同名端。
3.根据权利要求1所述的一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，其特征在于：所述反激式变压器的两组原边绕组的匝比为1：1；反激式变压器原副边匝比为半桥电路直流输入电压与辅助供电电压之比的一半。
4.根据权利要求1所述的一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，其特征在于：所述第一漏感Lk1由所述反激式变压器的第一组原边绕组N1的漏感与独立电感串联构成，所述第二漏感Lk2由所述反激式变压器的第二组原边绕组N2的漏感与独立电感串联构成。
5.根据权利要求1所述的一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，其特征在于：所述第一开关管S1具有寄生电容,并联连接于所述第一开关管S1两端，所述第二开关管S2具有寄生电容,并联连接于所述第二开关管S2两端，所述第一二极管D1具有寄生电容,并联连接于所述第一二极管D1两端，所述第二二极管D2具有寄生电容,并联连接于所述第二二极管D2两端。
6.根据权利要求1所述的一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，其特征在于：所述第一直流母线电容C1、第一开关管S1、第一漏感Lk1与反激式变压器T的第一组原边绕组N1组成了半桥电路第一直流母线电容C1的释能通路；所述第二直流母线电容C2、第二开关管S2、第二漏感Lk2与反激式变压器T的第二组原边绕组N2组成半桥电路第二直流母线电容C2的释能通路；所述第一直流母线电容C1、反激式变压器T的第二组原边绕组N2、第二漏感Lk2、第二二极管D2组成半桥电路第一直流母线电容C1的第一储能通路；所述第一直流母线电容C1、第一开关管S1、第一漏感Lk1与反激式变压器T的第一组原边绕组N1组成半桥电路第一直流母线电容C1的第二储能通路；所述第二直流母线电容C2、反激式变压器T的第一组原边绕组N1、第一漏感Lk1以及第一二极管D1组成半桥电路第二直流母线电容C2的第一储能通路；所述第二直流母线电容C2、第二开关管S2、第二漏感Lk2与反激式变压器T的第二组原边绕组N2组成半桥电路第二直流母线电容C2的第二储能通路。
7.根据权利要求1所述的一种具有半桥直流母线电容电压均衡能力的串联反激电路，其特征在于：所述第一常数是与两直流母线电容压差、第一漏感、第二漏感相关的常数。
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