CN1400728A - 三电平无源软开关直流变换器电路 - Google Patents

三电平无源软开关直流变换器电路 Download PDF

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Abstract

“三电平无源软开关直流变换器电路”是对于具有两个完全对称单元，且每个单元电路包括有功率开关管，续流二极管的buck或boost或buck－boost或CUK电路，采取在每个单元的功率开关管和续流二极管的接点处接入电感，功率开关管并联由第一电容和第一二极管构成的串联电路，其第一二极管与功率开关管方向一致，且两者接点与电感一端相连，在续流二极管的两端并联由第二电容和第二二极管构成的串联电路，其第二二极管与续流二极管方向一致，第二电容与续流二极管的接点与电感的另一端相连，在第一电容和第一二极管的接点与第二电容和第二二极管的接点间接入第三二极管，三个二极管的极性相一致。本发明附加元件少，结构简单，无需额外检测和控制，电路中无能量损耗元件。

Description

三电平无源软开关直流变换器电路
                           技术领域
本发明涉及直流—直流变换器。具体说是涉及三电平无源软开关直流变换器电路。
                           背景技术
常规的buck、boost、buck-boost和CUK四种三电平直流—直流变换器，分别具有两个完全对称的单元电路，每个单元电路包括功率开关管S，续流二极管D，一般为硬开关工作。近年来，相继研究了一些软开关电路，主要有两种：一种是在变换器中附加有源和无源元件，实现功率器件的软开关，由于采用元件数量多，且需额外的检测，故控制复杂，成本高，可靠性差；另一种是附加含电阻的无源缓冲电路，其能量损耗大，工作时能量消耗在电阻上，导致电路工作效率下降。
                           发明内容
本发明的目的是提供附加元件数量少，结构简单，成本低，无需额外的检测和控制，且无能量损耗的三电平无源软开关直流—直流变换器电路。
本发明的技术解决方案是，对于具有两个完全对称单元，且每个单元电路包括有功率开关管S，续流二极管D的buck或boost或buck-boost或CUK电路，采取在每个单元的功率开关管和续流二极管的接点处接入电感，功率开关管并联由第一电容和第一二极管构成的串联电路，其第一二极管与功率开关管方向一致，且两者接点与电感一端相连，在续流二极管的两端并联由第二电容和第二二极管构成的串联电路，其第二二极管与续流二极管方向一致，第二电容与续流二极管的接点与电感的另一端相连，在第一电容和第一二极管的接奌与第二电容和第二二极管的接点间接入第三二极管，第一、第二、第三这三个二极管的极性相一致。
工作时，电感和两个电容之间的谐振实现了开关管的零电流开通和零电压关断，以及续流二极管的零电压关断和零电压开通。同时，每个开关周期电容收集这些谐振能量，并最终将其转移到负载，实现了吸收电路的无损运行。
本发明的三电平无源软开关直流—直流变换器电路附加元件少，结构简单，成本低，无需额外的检测和控制，电路中无能量损耗元件，可提高三电平直流—直流变换器的效率，且换流过程中，功率开关管关断时无电压过冲，续流二极管开通时无电流过冲。另外功率开关管和续流二极管的并联回路均为最小环，即仅由一个二极管和一个电容构成，可使关断时的电压应力为最小。
                          附图说明
图1是本发明在BUCK直流—直流变换器中的应用实例；
图2是本发明在BOOST直流一直流变换器中的应用实例；
图3是本发明在BUCK-BOOST直流—直流变换器中的应用实例；
图4是本发明在CUK直流—直流变换器中的应用实例。
                       具体实施方式
参见图1，三电平无源软开关直流—直流变换器电路，具有两个完全对称单元的buck电路，每个单元包括功率开关管S、续流二极管D，其特征是在每个单元的功率开关管S和续流二极管D的接点处接入电感Ls，功率开关管S并联由第一电容Cs和第一二极管Ds构成的串联电路，其第一二极管Ds与功率开关管S方向一致，且两者接点与电感Ls一端相连，在续流二极管D的两端并联由第二电容Co和第二二极管Dc构成的串联电路，其第二二极管Dc与续流二极管D方向一致，第二电容Co与续流二极管D的接点与电感Ls的另一端相连，在第一电容Cs和第一二极管Ds的接奌与第二电容Co和第二二极管Dc的接点间接入第三二极管Do，第一、第二、第三这三个二极管Ds、Dc、Do的极性相一致。
参见图2，三电平无源软开关直流—直流变换器电路，具有两个完全对称单元的boost电路，每个单元包括功率开关管S、续流二极管D，其特征是在每个单元的功率开关管S和续流二极管D的接点处接入电感Ls，功率开关管S并联由第一电容Cs和第一二极管Ds构成的串联电路，其第一二极管Ds与功率开关管S方向一致，且两者接点与电感Ls一端相连，在续流二极管D的两端并联由第二电容Co和第二二极管Dc构成的串联电路，其第二二极管Dc与续流二极管D方向一致，第二电容Co与续流二极管D的接点与电感Ls的另一端相连，在第一电容Cs和第一二极管Ds的接奌与第二电容Co和第二二极管Dc的接点间接入第三二极管Do，第一、第二、第三这三个二极管Ds、Dc、Do的极性相一致。
参见图3，三电平无源软开关直流—直流变换器电路，具有两个完全对称单元的buck-boost电路，每个单元包括功率开关管S、续流二极管D，其特征是在每个单元的功率开关管S和续流二极管D的接点处接入电感Ls，功率开关管S并联由第一电容Cs和第一二极管Ds构成的串联电路，其第一二极管Ds与功率开关管S方向一致，且两者接点与电感Ls一端相连，在续流二极管D的两端并联由第二电容Co和第二二极管Dc构成的串联电路，其第二二极管Dc与续流二极管D方向一致，第二电容Co与续流二极管D的接点与电感Ls的另一端相连，在第一电容Cs和第一二极管Ds的接奌与第二电容Co和第二二极管Dc的接点间接入第三二极管Do，第一、第二、第三这三个二极管Ds、Dc、Do的极性相一致。
参见图4，三电平无源软开关直流一直流变换器电路，具有两个完全对称单元的CUK电路，每个单元包括功率开关管S、续流二极管D，其特征是在每个单元的功率开关管S和续流二极管D的接点处接入电感Ls，功率开关管S并联由第一电容Cs和第一二极管Ds构成的串联电路，其第一二极管Ds与功率开关管S方向一致，且两者接点与电感Ls一端相连，在续流二极管D的两端并联由第二电容Co和第二二极管Dc构成的串联电路，其第二二极管Dc与续流二极管D方向一致，第二电容Co与续流二极管D的接点与电感Ls的另一端相连，在第一电容Cs和第一二极管Ds的接奌与第二电容Co和第二二极管Dc的接点间接入第三二极管Do，第一、第二、第三这三个二极管Ds、Dc、Do的极性相一致。
三电平无源软开关直流—直流变换器电路的工作情况，以图2电路为例，其存在两种换流情况，即每个单元的功率开关管与续流二极管之间换流。由于电路结构的对称性，仅以一个单元的换流过程为例分析如下：
功率开关管S开通，续流二极管D关断的换流过程：
换流之前，电路处于功率开关管S关断、续流二极管D续流的稳定工作状态。当功率开关管S开通时，由于谐振电感Ls的存在，功率开关管S的电流从零开始以一定斜率线性上升，即功率开关管S实现了零电流开通，同时续流二极管D的电流值从输入电流开始以相同的斜率线性减小，直至续流二极管D关断。此时，第二电容Co端电压为零。第一电容Cs、第三二极管Do、第二电容Co、电感Ls开始谐振，续流二极管D端电压从零谐振上升，实现续流二极管D的零电压关断。第一电容Cs放电至零，第一二极管Ds自然导通，VCs保持恒定为零，电感Ls、第一二极管Ds、第三二极管Do、第二电容Co开始第二个谐振过程，当电容Co的电流减小到零时，第二个谐振过程结束，第一二极管Ds、第三二极管Do自然关断。之后，第二电容Co和第一电容Cs上的电压均保持不变，电路进入功率开关管S导通的稳定运行状态。
功率开关管S关断，续流二极管D开通的换流过程：
功率开关管S关断后，输入电流经第一二极管Ds对第一电容Cs充电，功率开关管S的管电压从零上升，即实现了功率开关管S的零电压关断。第一电容Cs充电至与上输出电容端电压相等时，第三二极管Do、第二二极管Dc自然导通，VCs保持恒定，电感Ls电流经第一二极管Ds、第三二极管Do、第二二极管Dc向输出端谐振放电，电流值从输入电流逐渐减小，同时第二电容Co经第二二极管Dc放电，VCo减小。当第二电容Co端电压减小到零时，续流二极管D自然导通，实现了续流二极管D的零电压开通。之后，Ls的电流继续经第一二极管Ds、第三二极管Do、第二二极管Dc放电减小，直到变为零，第一二极管Ds、第三二极管Do、第二二极管Dc关断，换流过程结束，电路处于负载电流通过续流二极管D输出的稳定状态。

Claims (4)

1.三电平无源软开关直流变换器电路，具有两个完全对称单元的buck电路，每个单元包括功率开关管(S)、续流二极管(D)，其特征是在每个单元的功率开关管(S)和续流二极管(D)的接点处接入电感(Ls)，功率开关管(S)并联由第一电容(Cs)和第一二极管(Ds)构成的串联电路，其第一二极管(Ds)与功率开关管(S)方向一致，且两者接点与电感(Ls)一端相连，在续流二极管(D)的两端并联由第二电容(Co)和第二二极管(Dc)构成的串联电路，其第二二极管(Dc)与续流二极管(D)方向一致，第二电容(Co)与续流二极管(D)的接点与电感(Ls)的另一端相连，在第一电容(Cs)和第一二极管(Ds)的接奌与第二电容(Co)和第二二极管(Dc)的接点间接入第三二极管(Do)，第一、第二、第三三个二极管(Ds、Dc、Do)的极性相一致。
2.三电平无源软开关直流变换器电路，具有两个完全对称单元的boost电路，每个单元包括功率开关管(S)、续流二极管(D)，其特征是在每个单元的功率开关管(S)和续流二极管(D)的接点处接入电感(Ls)，功率开关管(S)并联由第一电容(Cs)和第一二极管(Ds)构成的串联电路，其第一二极管(Ds)与功率开关管(S)方向一致，且两者接点与电感(Ls)一端相连，在续流二极管(D)的两端并联由第二电容(Co)和第二二极管(Dc)构成的串联电路，其第二二极管(Dc)与续流二极管(D)方向一致，第二电容(Co)与续流二极管(D)的接点与电感(Ls)的另一端相连，在第一电容(Cs)和第一二极管(Ds)的接奌与第二电容(Co)和第二二极管(Dc)的接点间接入第三二极管(Do)，第一、第二、第三三个二极管(Ds、Dc、Do)的极性相一致。
3.三电平无源软开关直流变换器电路，具有两个完全对称单元的buck-boost电路，每个单元包括功率开关管(S)、续流二极管(D)，其特征是在每个单元的功率开关管(S)和续流二极管(D)的接点处接入电感(Ls)，功率开关管(S)并联由第一电容(Cs)和第一二极管(Ds)构成的串联电路，其第一二极管(Ds)与功率开关管(S)方向一致，且两者接点与电感(Ls)一端相连，在续流二极管(D)的两端并联由第二电容(Co)和第二二极管(Dc)构成的串联电路，其第二二极管(Dc)与续流二极管(D)方向一致，第二电容(Co)与续流二极管(D)的接点与电感(Ls)的另一端相连，在第一电容(Cs)和第一二极管(Ds)的接奌与第二电容(Co)和第二二极管(Dc)的接点间接入第三二极管(Do)，第一、第二、第三三个二极管(Ds、Dc、Do)的极性相一致。
4.三电平无源软开关直流变换器电路，具有两个完全对称单元的CUK电路，每个单元包括功率开关管(S)、续流二极管(D)，其特征是在每个单元的功率开关管(S)和续流二极管(D)的接点处接入电感(Ls)，功率开关管(S)并联由第一电容(Cs)和第一二极管(Ds)构成的串联电路，其第一二极管(Ds)与功率开关管(S)方向一致，且两者接点与电感(Ls)一端相连，在续流二极管(D)的两端并联由第二电容(Co)和第二二极管(Dc)构成的串联电路，其第二二极管(Dc)与续流二极管(D)方向一致，第二电容(Co)与续流二极管(D)的接点与电感(Ls)的另一端相连，在第一电容(Cs)和第一二极管(Ds)的接奌与第二电容(Co)和第二二极管(Dc)的接点间接入第三二极管(Do)，第一、第二、第三三个二极管(Ds、Dc、Do)的极性相一致。
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