CN1361584A - 多电平箝位式直流变换器 - Google Patents

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Abstract

多电平箝位式直流变换器,包括接在直流输入端与直流输出端之间的开关电路－电抗器串联支路,所述开关电路由至少两个功率开关管串联构成;所述开关电路的一端经一二极管并联由数量与功率开关管数量相同的电容串联组成的输入电压分压支路,电容分压支路的各分压点分别经箝位二极管与开关电路中相应的功率开关管串联点连接。本发明降低了对高压大功率器件的耐压要求,可用于高压直流供电系统的功率变换器。

Description

多电平箝位式直流变换器
本发明涉及一种直流变换器，尤其是一种多电平箝位式直流变换器，属于高压大功率直流-直流变换技术。
目前，用于铁路电车等电压高、功率大、变动范围大(对于600V直流变化范围可达400-800V)的高压直流供电系统的功率变换器，一般采用以下方法：
一种选用高压1500V以上大功率器件来实现，其存在高压大功率器件成本较高的不足。传统buck DC/DC变换器如图1所示，图中：Q1为功率开关管，可用晶体管、MOSFET IGBT来实现；D1为二极管，C1为电容器，L为电抗器，S为控制端。在S端施加如图2所示脉宽调制信号，控制信号的脉冲宽度则可控制输出电压。当图1中的Q1关断时，两端电压峰值为Vin+L3di/dt，Vin为输入电压，L3为图1中线路A段的分布电感，对于800V输入，一般Q1耐压要求为1200V-1500V。
另一种方法是采用多个低耐压值的开关器件串联，其存在静态和动态均压问题，其均压电路使系统复杂损耗增加，效率下降。
鉴于上述，本发明的目的是提供一种多电平箝位式直流变换器，它可降低对高压大功率器件的耐压要求。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种多电平箝位式直流变换器，包括接在直流输入端与直流输出端之间的开关电路-电抗器串联支路，其特征在于：
所述开关电路由至少两个功率开关管串联构成；
所述开关电路的一端经一二极管并联由数量与功率开关管数量相同的电容串联组成的输入电压分压支路，电容分压支路的各分压点分别经箝位二极管与开关电路中相应的功率开关管串联点连接。
所述电容分压支路并接在直流输入端两端，所述开关电路的前端接直流电源正输入端，开关电路的后端一路经反向二极管接直流电源地端，另一路接电抗器，电抗器的另一端作为直流电源输出正端。
所述电抗器的前端接直流电源正输入端，电抗器的后端一路接开关电路的前端，另一路接正向二极管，该二极管的阴极作为直流电源输出正端，所述电容分压支路接在该二级到阴极与电源地之间，开关电路的后端接电源地。
本发明的优点是：
1.由于本发明采用多电平箝位方式，将电路中的关断电压分摊在几个功率管上，故可大幅度降低功率器件的耐压要求；
2.由于多电平箝位电路仅由损坏极少的电容、二极管构成，故具有电路简单、损耗小、效率高的优点。
下面结合附图和实施例详细说明：
图1为传统直流变换器的电路图；
图2是脉宽调制信号的波形图；
图3-图6为本发明的实施例图。
本发明提出了针对高压大功率直流输入情况的一种新思路-多电平箝位方式，彻底解决上述问题，同时给出了几种采用多电平箝位方式实现直流功率交换的拓扑结构。
本发明直流变换器包括接在直流输入端与直流输出端之间的开关电路-电抗器串联支路，该开关电路由至少两个功率开关管串联构成；开关电路的一端经一二极管并联由数量与功率开关管数量相同的电容串联组成的输入电压分压支路，电容分压支路的各分压点分别经箝位二极管与开关电路中相应的功率开关管串联点连接。
以下以buck DC/DC变换为例说明多电平箝位的工作原理。在此种电路中，电容分压支路并接在直流输入端两端，开关电路的前端接直流电源正输入端，开关电路的后端一路经反向二极管接直流电源地端，另一路接电抗器，电抗器的另一端作为直流电源输出正端。
二电平箝位式buck DC/DC变换器如图3所示：Q2、Q3为功率开关管，可用晶体管MOSFET IGBT实现，D2为二极管，C2为输出电容，C3、C4是分压电容，D3是箝位二极管，C3、C4、D3组成箝位电路。S1、S2控制信号相同，如图2为脉宽调制信号，其电压变换关系与传统buck DC/DC变换器相同。
Q2、Q3导通时，电路工作同传统buck变换器，Q2、Q3关断时，Q2两端电压为Uin-U1+L5di/dt，Q3两端电压为U1+L6 di/dt。
其中：U1为图3中A点电压，L5、L6为相应线路分布电感。
取C3＝C4，则U1＝1/2Uin，则Q2、Q3两端电压为1/2Uin+相应分布电感引起的尖峰，对于800V输入，Q2、Q3可选用耐压仅为600-1000V的功率器件。
采用上述思路还可组成三电平、四电平箝位电路，如图4、图5所示。
另外上述思路还可应用于boost等其它DC/DC变换器。在此种电路中，电抗器的前端接直流电源正输入端，电抗器的后端一路接开关电路的前端，另一路接正向二极管，该二极管的阴极作为直流电源输出正端，电容分压支路接在该二级到阴极与电源地之间，开关电路的后端接电源地。多电平箝位式boost电路如图6所示。
传统boost电路功率开关耐压为Uout+线路寄生电感引起的尖峰，二电平箝位boost电路功率开关耐压为1/2Uout+线路寄生电感引起的尖峰。三电平箝位boost电路功率开关耐压为1/3Uout+线路寄生电感引起的尖峰。
由上述实施例可知，本发明采用的多电平箝位方式确实可大幅度降低功率器件耐压要求。
以上叙述和实施例仅为说明本发明，并非用来限制本发明的专利范围，因此，任何基于本发明和现有技术所作的非实质性的改进，当属本发明的专利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多电平箝位式直流变换器，包括接在直流输入端与直流输出端之间的开关电路-电抗器串联支路，其特征在于：
所述开关电路由至少两个功率开关管串联构成；
所述开关电路的一端经一二极管并联由数量与功率开关管数量相同的电容串联组成的输入电压分压支路，电容分压支路的各分压点分别经箝位二极管与开关电路中相应的功率开关管串联点连接。
2.如权利要求1所述的多电平箝位式直流变换器，其特征在于：所述电容分压支路并接在直流输入端两端，所述开关电路的前端接直流电源正输入端，开关电路的后端一路经反向二极管接直流电源地端，另一路接电抗器，电抗器的另一端作为直流电源输出正端。
3.如权利要求1所述的多电平箝位式直流变换器，其特征在于：所述电抗器的前端接直流电源正输入端，电抗器的后端一路接开关电路的前端，另一路接正向二极管，该二极管的阴极作为直流电源输出正端，所述电容分压支路接在该二级到阴极与电源地之间，开关电路的后端接电源地。
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