CN1215638C - 软开关三电平双正激直流－直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明的软开关三电平双正激直流-直流变换器是在现有的三电平双正激直流-直流变换器的高频变压器副边线圈与整流电路的输入端之间接入电感而构成。它包括高频变压器及接于高频变压器两个原边线圈的开关器件、电容、二极管和接于高频变压器副边线圈的整流电路构成的组合式双正激电路，其特征是在高频变压器副边线圈与整流电路的输入端之间接入电感。该变换器结构简单，其所有功率开关器件均工作在软开关状态，从而减小了开关损耗，可以提高电路效率，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。其电路无桥臂直通危险，可靠性高，无需输入电容均压控制，可用于分布式电源中前级整流装置为三相不控整流或三相功率因数校正电路。

Description

软开关三电平双正激直流-直流变换器
                           技术领域
本发明涉及直流-直流变换器，尤其是软开关三电平直流-直流变换器。
                           背景技术
目前，采用双正激电路组合而成的三电平直流-直流变换器如图1，它包括高频变压器Tx及接于高频变压器Tx两个原边线圈的开关器件S1-S4，电容Cs1-Cs4、二极管D1-D4和接于高频变压器Tx副边线圈的整流电路构成的组合式双正激电路，其中高频变压器Tx的两个原边线圈分别与S1、S2、D1、D2和S3、S4、D3、D4组成的单元1与单元2的桥臂中点相连，高频变压器Tx的副边绕组接由二极管构成的整流电路的输入端，图1中V1为直流输入电源，C1、C2为输入分压电容，Lf为输出滤波电感，C为输出滤波电容，R为负载。这种直流-直流变换器应用于高电压输入场合，虽然没有桥臂直通的危险，但电路工作在硬开关状态，器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，降低了电路效率。
                        发明内容
本发明的目的是提供一种在高输入直流电压的场合，使用安全可靠的软开关三电平双正激直流-直流变换器，以减小开关损耗，提高电路效率。
本发明的技术解决方案是：在现有的三电平双正激直流-直流变换器的高频变压器副边线圈与整流电路的输入端之间接入电感。
软开关三电平双正激直流—直流变换器，包括高频变压器及接于高频变压器两个原边线圈的开关器件S1-S4，电容Cs1-Cs4、二极管D1-D4和接于高频变压器副边线圈的整流电路构成的组合式双正激电路，其中，开关器件S1源极与二极管D1阴极相连，开关器件S1漏极与二极管D2阴极相连，开关器件S2漏极与二极管D2阳极相连，开关器件S2源极与二极管D1阳极相连，电容Cs1、Cs2两端分别与开关器件S1、S2的漏极和源极相连，高频变压器的一个原边线圈的两端分别与开关器件S1、二极管D1和开关器件S2、二极管D2组成的桥臂中点相连构成双正激电路单元；开关器件S3源极与二极管D3阴极相连，开关器件S3漏极与二极管D4阴极相连，开关器件S4漏极与二极管D4阳极相连，开关器件S4源极与二极管D3阳极相连，电容Cs3、Cs4两端分别与开关器件S3、S4的漏极和源极相连，高频变压器的另一个原边线圈的两端分别与开关器件S3、二极管D3和开关器件S4、二极管D4组成的桥臂中点相连构成另一双正激电路单元；两个双正激电路单元通过二极管D1阳极与开关器件S3漏极，开关器件S2源极与二极管D4阴极相连，其特征是在高频变压器副边线圈与整流电路的输入端之间接入电感。
上述接于高频变压器副边线圈的整流电路可以是全桥整流电路、全波整流电路或倍流整流电路。对于副边不同形式的整流电路，利用这个接入的电感在一个开关周期内储存的能量，可实现开关管的零电压软开关。
本发明的软开关三电平双正激直流-直流变换器，结构简单，其所有功率开关器件均工作在软开关状态，从而减小了开关损耗，可以提高电路效率，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。该变换器的电路无桥臂直通危险，可靠性高，无需输入电容均压控制，可用于分布式电源中前级整流装置为三相不控整流或三相功率因数校正电路。
                        附图说明
图1是现有的三电平直流-直流变换器；
图2是本发明一种具体电路实例；
图3是本发明另一种具体电路实例；
图4是本发明又一种具体电路实例；
图5是本发明中开关器件的控制脉冲时序图。
                       具体实施方式
本发明的软开关三电平双正激直流-直流变换器，是在现有的三电平双正激直流-直流变换器的高频变压器Tx副边线圈与整流电路的输入端之间接入电感Ls而构成。它包括高频变压器Tx及接于高频变压器Tx两个原边线圈Np的开关器件S1-S4，电容Cs1-Cs4、二极管D1-D4，接在高频变压器Tx原边部分的电路与现有的三电平直流-直流变换器接在高频变压器Tx原边部分的电路相同。图2所示实例中，在高频变压器的副边线圈Ns和由二极管D5-D8构成的全桥整流电路的输入端之间接一个电感Ls。全桥整流电路的输出端接由电感Lf、电容C组成的低通滤波器，电容C的两端接负载R。它可应用于高电压输入场合。图3所示，整流电路为由二极管D5、D6构成的全波整流电路，高频变压器具有两个副边绕组Ns，在每个副边线圈与整流二极管阳极的连接处各串接一个大小相同的电感Ls、Ls’。图4所示，整流电路为倍流整流形式，在高频变压器副边线圈Ns和由二极管D5、D6构成的倍流整流电路的输入端之间接电感Ls。对于副边不同形式的整流电路，利用接在高频变压器副边线圈和整流电路输入端之间的电感都可实现高频变压器原边开关管的软开关。
以下以图2为例，详细描述其工作过程，其他形式整流电路的电路工作过程类似，在此略去。
软开关三电平双正激直流-直流变换器前半个周期可分成6个阶段，后半个周期的工作情况与前半个周期类似。其中S1-S4的控制时序如图5，设输入电压为2E，高频变压器变比为n(Np/Ns)，两个原边线圈电流分别为ip1、ip2。
阶段1(t0-t1)
在t0时刻之前，S1、S2导通，S3、S4关断。整流二极管D5、D8导通，高频变压器的原边向负载提供能量。在t0时刻关断S1，ip1给Cs1充电，ip2给Cs3、Cs4放电。由于电容Cs1的存在，S1上的电压从零开始线性上升，因而S1是零电压关断的。S3、S4的电压从E开始线性下降。
阶段2(t1-t2)
在t1时刻，Cs1电压上升到E，S3、S4上的电压即Cs3、Cs4电压上升到E/2，于是D1自然导通，D6、D7、D5和D8导通。D1导通后，电流ip1经过S2、高频变压器原边和D1循环。
阶段3(t2-t3)
在t2时刻，关断S2，ip1给Cs2充电，同时ip2给Cs3、Cs4放电。由于整流管D5、D6、D7和D8是同时导通的，在这段时间里电感Ls和Cs2、Cs3、Cs4一起谐振工作。在t3时刻，Cs2的电压上升到E，Cs3、Cs4的电压下降到0，为S3、S4的零电压开通创造了条件。
阶段4(t3-t4)
在t3时刻，S3、S4体内反并联二极管导通，将S3、S4的电压箝位到零，这时向S3、S4施加驱动脉冲，S3、S4可零电压开通。ip1、ip2分别流过D1、D2和S3、S4体内反并联二极管，由于副边四个整流二极管同时导通，加在谐振电感两端电压是E/n，ip1、ip2线性下降。
阶段5(t4-t5)
到t4时刻ip1、ip2下降到零，D1、D2和S3、S4体内反并联二极管自动关断。电流ip2开始正向流过S3、S4，由于此时ip2仍不足以提供负载电流，负载电流仍由四个整流二极管提供回路。加在电感Ls上的电压是E/n，电流ip2反向线性增加。到t5时刻，ip2达到负载电流折算到原边的值，D5、D8关断，D6、D7流过全部负载电流。
从t6起电源给负载提供能量，后半个周期工作开始。工作情况与前半个周期相同。
综上所述，本发明利用电感Ls上的能量将开关管并联电容上的电压清到零，实现开关器件的零电压开通。通过增加Ls的值可以拓宽软开关的范围。

Claims (2)

1.软开关三电平双正激直流-直流变换器，包括高频变压器(Tx)及接于高频变压器(Tx)两个原边线圈的开关器件(S1-S4)，电容(Cs1-Cs4)、二极管(D1-D4)和接于高频变压器(Tx)副边线圈的整流电路构成的组合式双正激电路，其中，第一开关器件(S1)源极与第一二极管(D1)阴极相连，第一开关器件(S1)漏极与第二二极管(D2)阴极相连，第二开关器件(S2)漏极与第二二极管(D2)阳极相连，第二开关器件(S2)源极与第一二极管(D1)阳极相连，第一电容(Cs1)、第二电容(Cs2)两端分别与第一开关器件(S1)、第二开关器件(S2)的漏极和源极相连，高频变压器(Tx)的一个原边线圈的两端分别与第一开关器件(S1)、第一二极管(D1)和第二开关器件(S2)、第二二极管(D2)组成的桥臂中点相连构成双正激电路单元；第三开关器件(S3)源极与第三二极管(D3)阴极相连，第三开关器件(S3)漏极与第四二极管(D4)阴极相连，第四开关器件(S4)漏极与第四二极管(D4)阳极相连，第四开关器件(S4)源极与第三二极管(D3)阳极相连，第三电容(Cs3)、第四电容(Cs4)两端分别与第三开关器件(S3)、第四开关器件(S4)的漏极和源极相连，高频变压器(Tx)的另一个原边线圈的两端分别与第三开关器件(S3)、第三二极管(D3)和第四开关器件(S4)、第四二极管(D4)组成的桥臂中点相连构成另一双正激电路单元；两个双正激电路单元通过第一二极管(D1)阳极与第三开关器件(S3)漏极，第二开关器件(S2)源极与第四二极管(D4)阴极相连，其特征是在高频变压器(Tx)副边线圈与整流电路的输入端之间接入电感(Ls)。
2.根据权利要求1所述的软开关三电平双正激直流-直流变换器，其特征是所说的整流电路是全桥整流电路、全波整流电路或倍流整流电路。
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