CN114900047A - 一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器，其具体的组成包括第一至第四开关管，第一至第七电容，第一、第二续流二极管，第一至第六整流二极管，第一、第二隔离变压器，第一、第二滤波电感，该直流变换器有效地解决了现有三电平直流变换器普遍存在的开关管零电压开关范围窄、原边环流损耗、输出滤波需求大等问题。本发明具有软开关范围宽、无环流损耗、原副边功率连续传递、转换效率高等优点。

Description

一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器。
背景技术
直流变换器是现代电力电子变换器的重要组成部分，广泛应用于工业生产、交通运输、航天航空等不同领域的辅助直流电源系统。三电平直流变换器具有开关管的电压应力仅为输入电压一半的特点，在高电压输入的场合有着广泛的应用。而副边倍流整流的结构，在低电压、大电流输出的场合也有着较为出色的表现。但因传统的倍流整流三电平直流变换器具有软开关范围窄、原边的环流损耗较大，以及存在占空比丢失等问题，工作时存在较大的损耗，整体装置的功率密度及传输效率都是相对比较低的，与如今国家所倡导的节能减排的要求相违背。因此，需要针对以上问题对传统倍流整流三电平直流变换器进行改进，使其朝着高效率、高功率密度、高可靠性等方向发展。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器，希冀能够解决现有技术的不足之处。
发明内容
本发明的目的在于解决传统三电平直流变换器存在的问题，提出了一种基于双变压器的混合式三电平拓扑结构。通过共用三电平变换器的两个开关管，并与引入的第二变压器和分压电容，构成了一个新的半桥结构；该集成的半桥结构满占空比运行，与三电平变换器一同工作，保证了原副边功率传递的连续性，进而有助于减少因占空比丢失造成的传递损耗以及输出滤波需求；通过在原边的三电平结构中引入隔直电容，变换器在非占空比时段可及时将三电平变压器的原边电流减小到零，从而有效的减小原边的环流损耗，提高直流变换器的转换效率；通过利用第二变压器中的励磁电流，增强滞后臂开关管的软开关能力，拓宽了开关管的软开关范围，有效减小了开关损耗。
本发明解决以上问题所采用的技术方案是：
一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器，其具体的组成包括第一至第四开关管，第一至第七电容，第一、第二续流二极管，第一至第六整流二极管，第一、第二隔离变压器，第一、第二滤波电感；所述第一、第二、第四、第五电容和第一至第四开关管与第一、第二变压器构成三电平集成半桥逆变电路，正向并联在所述直流电源正负输出端；所述第一变压器包含一个原边绕组和两个副边绕组，所述第一变压器的原边绕组的同名端与所述第三电容的一端相连，非同名端与所述第一续流二极管、第二续流二极管的连接点相连，所述第一变压器的第一副边绕组的两端分别与所述第三整流二极管的阳极和所述第五整流二极管的阳极、第二变压器的第一副边绕组连接点相连，所述第一变压器的第二副边绕组的两端分别与所述第四整流二极管的阳极和第六整流二极管的阳极、第二变压器的第二副边绕组连接点相连；所述第二变压器包含一个原边绕组和两个副边绕组，所述第二变压器的原边绕组的同名端与所述第二、第三开关管、第三电容的连接点相连，非同名端与所述第四、第五电容的连接点相连，所述第二变压器的第一副边绕组的两端分别与所述第五整流二极管的阳极、第一变压器的第一副边绕组连接点和第六电容、第二变压器的第二副边绕组连接点相连，所述第二变压器的第二副边绕组的两端分别与所述第六整流二极管的阳极、第一变压器的第二副边绕组连接点和第六电容、第二变压器的第一副边绕组连接点相连；所述第四电容的另一端与所述第二开关管、所述第一续流二极管的阴极的连接点相连，所述第五电容的另一端与所述第四开关管、所述第二续流二极管的阳极的连接点相连，所述第一、第二滤波电感的一端与所述第六电容的一端相连，作为输出电压的正端，所述第六电容的另一端与所述第二变压器的第一副边绕组、第二副边绕组的共同连接点相连接，作为输出电压的负端。
其中，还包括第七电容，所述第七电容一端与所述第二变压器的第一副边绕组、第二副边绕组的共同连接点相连接，另一端与所述第五、六整流二极管的阴极连接点相连接。
其中，所述第一、二整流二极管的阳极与所述第五、六整流二极管的阴极相连接。
其中，所述第一、第二滤波电感的另一端分别与所述第一、二整流二极管的阴极连接。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：所提出变换器的原边开关管与常规三电平变换器采用相同的移相控制模式；通过共用三电平变换器的两个开关管，并与引入的第二变压器和分压电容，构成了一个新的半桥结构，该集成的半桥结构满占空比运行，保证了原副边功率传递的连续性，解决了环流问题，减小了输出滤波需求，同时可以充分利用辅助变压器的励磁电流拓宽开关管的软开关范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器的电路连接示意图；
其中：Vin为直流电源，Q1、Q2、Q3、Q4分别为第一至第四开关管，其结电容分别为C1、C2、C3、C4，Cd1、Cd2、Cb、Css1、Css2、Co1、Co2分别为第一至第七电容，Tr1、Tr2分别为第一、第二变压器， np1、np2分别为第一、第二变压器的初级绕组，ns1为第一变压器的次级绕组，ns2为第二变压器的次级绕组，D1、D2分别为第一、第二续流二极管，DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6分别为第一至第六整流二极管，L1、L2为第一、第二滤波电感，R为负载电阻；
图2为本发明的简化等效电路图，其中Llk1为Tr1的漏感，Llk2为Tr2的漏感，Lm2为Tr2的励磁电感；
图3为本发明提供给图2的主要工作波形示意图；
图4~13是本发明提供给图2在不同模态下的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
本发明实施例的一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器，包括第一至第七电容，第一至第四开关管（MOSFET），第一、第二续流二极管，第一至第六整流二极管，第一、第二隔离变压器和第一、第二滤波电感。
其中，第一、第二、第四、第五电容和第一至第四开关管与第一、第二变压器构成三电平集成半桥逆变电路，正向并联在直流电源正负输出端；第一变压器包含一个原边绕组和两个副边绕组，第一变压器的原边绕组的同名端与第三电容的一端相连，非同名端与第一续流二极管、第二续流二极管的连接点相连，第一变压器的第一副边绕组的两端分别与第三整流二极管的阳极和第五整流二极管的阳极、第二变压器的第一副边绕组连接点相连，第一变压器的第二副边绕组的两端分别与第四整流二极管的阳极和第六整流二极管的阳极、第二变压器的第二副边绕组连接点相连；第二变压器包含一个原边绕组和两个副边绕组，第二变压器的原边绕组的同名端与第二、第三开关管、第三电容的连接点相连，非同名端与第四、第五电容的连接点相连，第二变压器的第一副边绕组的两端分别与第五整流二极管的阳极、第一变压器的第一副边绕组连接点和第六电容、第二变压器的第二副边绕组连接点相连，第二变压器的第二副边绕组的两端分别与第六整流二极管的阳极、第一变压器的第二副边绕组连接点和第六电容、第二变压器的第一副边绕组连接点相连；第四电容的另一端与第二开关管、第一续流二极管的阴极的连接点相连，第五电容的另一端与第四开关管、第二续流二极管的阳极的连接点相连，第一、第二电感的一端与第六电容的一端相连，作为输出电压的正端，第六电容的另一端与所述第二变压器的第一副边绕组、第二副边绕组的共同连接点相连接，作为输出电压的负端。
具体的，Cd1、Cd2、Q1~Q4开关管、Tr1、Cb和D1、D2构成了三电平变换器的原边结构，通过共用Q2、Q3与Tr2、Css1、Css2在三电平变换器中集成了半桥结构，在副边， Tr1、Tr2的副边绕组、Co2、DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6和L1、L2构成新型的倍流整流电路。
下面以附图2简化的等效电路，结合附图3~10叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器在一个开关周期有20种开关模态，分别是[t0~t1]、[t1~t2]、[t2~t3]、[t3~t4]、[t4~t5]、[t5~t6]、[t6~t7]、[t7~t8]、[t8~t9]、[t9~t10]、[t10~t11]、[t11~t12]、[t12~t13]、[t13~t14]、[t15~t16]、[t16~t17]、[t17~t18]、[t18~t19]、[t19~t20]、，其中，[t0~t10]为前半周期，[t10~t20]为后半周期，下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
为简化分析，作如下假设：1）所有器件均为理想器件；2）开关管的寄生器件只考虑体二极管和结电容；3）忽略Tr1变压器的励磁电感，其漏感为Llkl；4）Tr2的励磁电感为Lm2，漏感为Llk2；5）输出电容Co1和稳压电容Co2等效为恒压源；6）输出电感L1、L2的值为Lo。
开关模态1 [t0~t1] (对应于附图4)：Q1、Q2、DR2、DR3、DR5导通，该时段为占空比时段，三电平变压器Tr1和半桥变压器Tr2均向输出侧传输能量。励磁电流Im2线性增加，原副边电流近似为恒定值。
开关模态2 [t1~t2] (对应于附图5)：在t1时刻，Q1关断，由于滤波电感能量被映射到原边，Q1、Q4的结电容线性充放电。整流电压Vr1，Tr1变压器原副边电压均开始下降。
开关模态3 [t2~t3] (对应于附图6)：在t2时刻，Q1、Q4的结电容完成充放电。Q4的体二极管导通续流，为实现软开关创造条件。Tr1变压器原副边电压下降到0，隔直电容Cb的电压作用到Llk1上，使Tr1原边电流开始迅速下降。续流二极管D1开始导通。DR1正向导通，与DR5将Tr1的副边绕组短路。整流电压Vr1下降至VCo2。此时流过DR1和DR5电流在增大，流过DR3电流在减小。
开关模态4 [t3~t4] (对应于附图7)：在t3时刻，Q4零电压开通。Tr1原边电流和DR3的电流继续减小，DR1和DR5的电流继续增大。
开关模态5 [t4~t5] (对应于附图8)：在t4时刻，Tr1原边电流下降到0。同时整流二极管DR1、DR5与DR3的换流结束，DR3自然关断。Tr1原边电流下降到0。仅半桥变压器Tr2向副边传输功率。
开关模态6 [t5~t6] (对应于附图9)：在t5时刻，Q2关断，ip2对Q2、Q3的结电容进行线性充放电。A点电位随C3两端电压的下降而下降，因此Tr1原边绕组两端电压反向线性增加，DR4两端的反向电压随之线性下降。
开关模态7 [t6~t7] (对应于附图10)：在t6时刻，DR4两端的反向电压下降到0，开始导通。DR2、DR4开始换流，其中DR4的电流增加，DR1的电流减小。ip1反向线性增大，ip2线性减小。
开关模态8 [t7~t8] (对应于附图11)：在t7时刻，Q2、Q3的结电容完成充放电。Q3的体二极管导通续流。Tr1的原边电流继续反向线性增加。DR4的电流继续增大，DR1的电流继续减小。Tr2的原边电流线性减小，DR5的电流也随之减小。
开关模态9 [t8~t9] (对应于附图12)：在t8时刻，DR2、DR4换流结束。Tr1开始向副边传递能量。ip2继续减小，DR5的电流也随之继续减小。
开关模态10 [t9~t10] (对应于附图13)：在t9时刻，Q3零电压开通。Tr2的原边电流线性减小到0后，反向继续增大。在t10时刻，DR5自然关断，Tr2也开始向输出端传递能量。变换器再次进入占空比时段，进入到后半周期。
后半周期[t10~t20]的工作原理与前半周期[t0~t10]基本相同，只是电流、电压反方向相反，不再重复叙述。
由以上描述可知，本发明提出的一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器具有如下优点：所有开关管均能够在一个较大的负载范围内实现零电压开关；通过共用开关管，构成的集成半桥结构可做到满占空比工作，实现了原副边功率传递的连续性，消除了原边换流损耗，有效减小了占空比丢失导致的损耗，同时减小了输出滤波电感需求；集成半桥中的变压器的励磁电流，有助于拓宽开关管的软开关范围。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器，其特征在于，包括直流电源、第一至第四开关管，第一至第六电容，第一、第二续流二极管，第一至第六整流二极管，第一、第二变压器，第一、第二滤波电感；
所述第一、第二、第四、第五电容和第一至第四开关管与第一、第二变压器构成三电平集成半桥逆变电路，正向并联在所述直流电源正负输出端；
所述第一变压器包含一个原边绕组和两个副边绕组，所述第一变压器的原边绕组的同名端与所述第三电容的一端相连，非同名端与所述第一续流二极管、第二续流二极管的连接点相连，所述第一变压器的第一副边绕组的两端分别与所述第三整流二极管的阳极和所述第五整流二极管的阳极、第二变压器的第一副边绕组连接点相连，所述第一变压器的第二副边绕组的两端分别与所述第四整流二极管的阳极和第六整流二极管的阳极、第二变压器的第二副边绕组连接点相连；
所述第二变压器包含一个原边绕组和两个副边绕组，所述第二变压器的原边绕组的同名端与所述第二、第三开关管、第三电容的另一端的连接点相连，非同名端与所述第四、第五电容的连接点相连，所述第二变压器的第一副边绕组的两端分别与所述第五整流二极管的阳极、第一变压器的第一副边绕组连接点和第六电容、第二变压器的第二副边绕组连接点相连，所述第二变压器的第二副边绕组的两端分别与所述第六整流二极管的阳极、第一变压器的第二副边绕组连接点和第六电容、第二变压器的第一副边绕组连接点相连；
所述第四电容的另一端与所述第二开关管、所述第一续流二极管的阴极的连接点相连，所述第五电容的另一端与所述第四开关管、所述第二续流二极管的阳极的连接点相连，所述第一、第二滤波电感的一端与所述第六电容的一端相连，作为输出电压的正端，所述第六电容的另一端与所述第二变压器的第一副边绕组、第二副边绕组的共同连接点相连接，作为输出电压的负端。
2.根据权利要求1所述的基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器，其特征在于，还包括第七电容，所述第七电容一端与所述第二变压器的第一副边绕组、第二副边绕组的共同连接点相连接，另一端与所述第五、六整流二极管的阴极连接点相连接。
3.根据权利要求2所述的基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器，其特征在于，所述第一、二整流二极管的阳极与所述第五、六整流二极管的阴极相连接。
4.根据权利要求3所述的基于双变压器结构的混合式三电平直流变换器，其特征在于，所述第一、第二滤波电感的另一端分别与所述第一、二整流二极管的阴极连接。
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