CN215580913U - 一种隔离型三电平dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电路设计技术领域，具体涉及一种隔离型三电平DC/DC变换器，依据本申请的隔离型三电平DC/DC变换器，在同一工况下使DC/DC变换器适合宽输入高电压的应用场合；两个桥臂上的开关管的电压应力均为输入电压的一半；整流二极管的电压应力仅为输出电压，可在全负载范围内实现零电压开关。

Description

一种隔离型三电平DC/DC变换器

技术领域

本实用新型涉及电路设计技术领域，具体涉及一种隔离型三电平DC/DC变换器。

背景技术

随着国家对新能源汽车及充电桩的大利扶持，且新能源汽车具有无污染且运行稳定的优点。在新能源汽车的相关技术中,充电技术和电池技术是新能源汽车发展的重要部分。其中电池技术更多依赖于新材料,决定汽车的可靠性和续航能力；而新能源汽车充电技术则直接影响用户的体验,关系到新能源汽车的推广和应用。目前常用的新能源汽车充电方式有直流和交流两类,交流充电需要在新能源车载内安装充电设备,受限于体积和成本,其充电功率较小且充电的时间比较久；而直流充电桩需要建设在固定的充电站,与汽车相互独立,因此直流充电桩的功率一般较大且充电时间短。以外的直流充电桩输出电压范围较窄、偏离工作点时效率较低,难以满足市场上参差不齐的动力电池类型。

实用新型内容

为了解决现有技术中直流充电桩输出的电压范围窄的技术问题，本申请提供一种隔离型三电平DC/DC变换器。

一种隔离型三电平DC/DC变换器,包括：第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、谐振电感Lr、谐振电容Cr、高频隔离变压器Tr、全桥整流电路、滤波电容Cf、母线正极BUS+、母线负极BUS-、BUS中点N；

所述第一晶体管T1的漏极与母线正极BUS+连接，其源极与第二晶体管T2的漏极连接；所述第二晶体管T2的源极与第三晶体管T3的漏极连接，第三晶体管T3的源极与第四晶体管T4的漏极连接，第四晶体管T4的源极与母线负极BUS-连接；所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4分别并联在所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4的源极和漏极的两端；

所述第五晶体管T5的漏极与母线正极BUS+连接，其源极与第六晶体管T6的漏极连接；所述第六晶体管T6的源极与第七晶体管T7的漏极连接，第七晶体管T7的源极与第八晶体管T8的漏极连接，第八晶体管T2的源极与母线负极BUS-连接；所述第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8分别并联在所述第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8的漏极和源极的两端；

所述第九电容C9的一端与母线正极BUS+连接，另一端与第十电容C10的一端连接，第十电容C10的另一端与母线负极BUS-连接；

所述第二晶体管的源极与谐振电感Lr的一端连接，谐振电感Lr的另一端连接与所述谐振电容Cr的一端连接，谐振电容Cr的另一端与所述高频隔离变压器Tr的原边线圈的一端连接，高频隔离变压器Tr的原边线圈的另一端与第六晶体管的源极连接；所述高频隔离变压器Tr的副边的两端分别与所述全桥整流电路的输入端连接，全桥整流电路的输出端分别与所述滤波电容Cf的两端连接；

所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8的栅极用于和控制器连接，控制器用于输出PWM控制信号以控制各个晶体管的导通和关断。

在一种实施例中，所述全桥整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4以及电感Lf；

所述第一二极管D1的正极与所述高频隔离变压器Tr副边的一端连接，第一二极管D1的副极与电感Lf的一端连接，电感Lf的另一端与电容Cf的一端连接，电容Cf的另一端与第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极与第一二极管D1的正极连接；

所述第四二极管D4的正极与所述第三二极管D3的正极连接，第四二极管D4的负极与所述第二二极D2的正极连接，所述第二二极管D2的负极与所述电感Lf的一端连接；所述高频隔离变压器Tr副边的另一端与所述第二二极管的正极连接。

在一种实施例中，还包括第五二极管D51、第六二极管D6、第十一电容C11；

所述第六二极管D6的正极与所述第三晶体管的源极连接，第六二极管D6的负极与所述第五二极管D5的正极连接，第五二极管D5的负极与所述第十一电容C11的一端连接，第十一电容C11的另一端与所述第三晶体管T3的源极连接。

在一种实施例中，还包括第七二极管D7、第八二极管D8和第十二电容C12；

所述第八二极管D8的正极与第七晶体管的源极连接，第八二极管D8的负极与所述第七二极管的D7的正极连接，第七二极管D7的负极与所述第十二电容C12的一端连接，第十二电容C12的另一端与所述第七晶体管T7的源极连接；

所述BUS中点N与所述第七二极管D7的正极连接。

依据上述实施例的隔离型三电平DC/DC变换器，在同一工况下使DC/DC变换器适合宽输入高电压的应用场合；两个桥臂上的开关管的电压应力均为输入电压的一半；整流二极管的电压应力仅为输出电压，可在全负载范围内实现ZVS(零电压开关)。

附图说明

图1为本申请实施例的变换器整体结构示意图；

图2为本申请实施例的变换器中晶体管的驱动信号波形图；

图3为本申请实施例的变换器在一种情形下的电流流向示意图；

图4为本申请实施例的变换器在一种情形下的电流流向示意图；

图5为本申请实施例的变换器在一种情形下的电流流向示意图；

图6为本申请实施例的变换器在一种情形下的电流流向示意图；

图7为本申请实施例的变换器在一种情形下的电流流向示意图；

图8为本申请实施例的变换器在一种情形下的电流流向示意图；

图9为本申请实施例的变换器在一种情形下的电流流向示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。

实施例一：

请参考图1，本实施例提供一种隔离型三电平DC/DC变换器,其主要包括母线上的电容C9和C10、两组三电平桥臂、谐振电感Lr、谐振电容Cr、高频隔离变压器Tr、全桥整流电路、滤波电容Cf。通过PWM信号控制两组三电平桥臂，使得同一工况下DC/DC变换器的适合宽输入高电压的应用场合；两个桥臂上的开关管的电压应力均为输入电压的一半；整流二极管的电压应力仅为输出电压，可在全负载范围内实现ZVS；同时滤波器得到的能量减少以节约能耗。

具体的，本实施例的变换器包括：第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、谐振电感Lr、谐振电容Cr、高频隔离变压器Tr、全桥整流电路、滤波电容Cf、母线正极BUS+、母线负极BUS-、BUS中点N。

其中，第一晶体管T1的漏极与母线正极BUS+连接，其源极与第二晶体管T2的漏极连接；第二晶体管T2的源极与第三晶体管T3的漏极连接，第三晶体管T3的源极与第四晶体管T4的漏极连接，第四晶体管T4的源极与母线负极BUS-连接；第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4分别并联在第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4的源极和漏极的两端。

第五晶体管T5的漏极与母线正极BUS+连接，其源极与第六晶体管T6的漏极连接；第六晶体管T6的源极与第七晶体管T7的漏极连接，第七晶体管T7的源极与第八晶体管T8的漏极连接，第八晶体管T2的源极与母线负极BUS-连接；第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8分别并联在所述第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8的漏极和源极的两端；

第九电容C9的一端与母线正极BUS+连接，另一端与第十电容C10的一端连接，第十电容C10的另一端与母线负极BUS-连接；

第二晶体管的源极与谐振电感Lr的一端连接，谐振电感Lr的另一端连接与谐振电容Cr的一端连接，谐振电容Cr的另一端与高频隔离变压器Tr的原边线圈的一端连接，高频隔离变压器Tr的原边线圈的另一端与第六晶体管的源极连接；高频隔离变压器Tr的副边的两端分别与全桥整流电路的输入端连接，全桥整流电路的输出端分别与滤波电容Cf的两端连接。

第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8的栅极与控制器连接，控制器用于输出PWM控制信号以控制各个晶体管的导通和关断。

本实施例的变换器，输入BUS电压作用在两个支撑电容C9、C10上，每个电容上的电压为UBUS/2。变换电路开关部分由T1、T2、T3、T4和T5、T6、T7、T8两个桥臂组成，桥臂的中点分别为A和B,A通过谐振电感Lr和谐振电容Cr连接隔离变压器的原边线圈(也叫初级线圈)一端，隔离变压器Tr的原边线圈另一端连接B，变压器次级经过全桥全波整流电路连接励磁电感Lf及滤波电容Cf输出。隔离型三电平直流变换电路拓采用T2、T7、T8的驱动同步，并驱动滞后T1；T3、T5、T6的驱动同步，并滞后T4。T2、T7、T8与T3、T5、T6互补50％，T1与T4互补50％的PWM控制方式,该控制方案，通过调整T1与T2、T7、T8及T4与T3、T5、T6的相位差实现VA的占空比从0到1,从而调节输出电压。其中，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8的驱动信号波形如图2所示。

本实施例的变换器，在硬件电路设计同一工况下使DC/DC变换器的适合宽输入高电压的应用场合；两个桥臂上的开关管的电压应力均为输入电压的一半；整流二极管的电压应力仅为输出电压；可在全负载范围内实现零电压开关。

其中，如图1，本实施例的全桥整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4以及电感Lf。第一二极管D1的正极与高频隔离变压器Tr副边的一端连接，第一二极管D1的副极与电感Lf的一端连接，电感Lf的另一端与电容Cf的一端连接，电容Cf的另一端与第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极与第一二极管D1的正极连接。第四二极管D4的正极与第三二极管D3的正极连接，第四二极管D4的负极与第二二极D2的正极连接，第二二极管D2的负极与电感Lf的一端连接；高频隔离变压器Tr副边的另一端与第二二极管的正极连接。

其中，本实施例的变换器还包括第五二极管D51、第六二极管D6、第十一电容C11；第六二极管D6的正极与第三晶体管的源极连接，第六二极管D6的负极与第五二极管D5的正极连接，第五二极管D5的负极与第十一电容C11的一端连接，第十一电容C11的另一端与第三晶体管T3的源极连接。

其中，本实施例的变换器还包括第七二极管D7、第八二极管D8和第十二电容C12。第八二极管D8的正极与第七晶体管的源极连接，第八二极管D8的负极与第七二极管的D7的正极连接，第七二极管D7的负极与所述第十二电容C12的一端连接，第十二电容C12的另一端与所述第七晶体管T7的源极连接；BUS中点N与所述第七二极管D7的正极连接。

以下结合图2中的驱动信号波形对各个时序下电路中电流的流向进行说明。

①t₀-t₁时刻：T1、T2、T7、T8导通，T4、T3、T5、T6关断，此时的电流流向如图3所示，此时A点和B点之间的电压U_AB＝U_bus；U_bus为BUS母线之间的电压。原边电流等于输出电流/K(K变压器变比)，整流管D1、D4导通，D2、D3截止。电容C9、C10均分输入电压，C9、C10上的电压分别为Vbus/2；其中C9通过T1、C10、D6向电容C9充电，C10通过D7、C12、T8向电容C10充电，分别充至Vbus/2。

②t₁时刻：t₁时刻T1关断，原边电流从T1中转移到C1中,此时C1电容充电，C4放电，T1是零电压关断,在该阶段谐振电感与滤波电感串联，滤波电感感量大，电流基本不变的电流流向如图4所示。

③t₁-t₂时刻：经过一段时间C4电压下降到零，T4并联二极管自然导通续，此时的电流流向如图5所示。

在t₂时刻同时关断T2、T7、T8。在第一个桥臂，初级电流从T2转移到C2中，给C2充电，C3放电，T2实现零电压关断，A点电压下降；在第T5、T6、T7、T8桥臂，初级电流从T7、T8中转移到C5、C6、C7、C8中，对C7、C8充电，对C5、C6放电，因此T7、T8实现零电压关断，B点电压上升。所以电压UAB逐渐下降，直至下降到零，此时的电流流向如图6所示。

U_AB降为零，变压器Tr初级绕组电压降为零，同时次级绕组电压也降为零，变压器各绕组电压将维持为零。此时谐振电感的电流继续对C2、C7、C8充电，对C3、C5、C6放电，直到C3、C5、C6电压降为零，此时的电流流向如图7所示。

C3、C5、C6电压降为零，谐振电感Lr的电流仍未降到零，T3并联二极管、T5并联二极管、T6并联二极管自然导通，初级电流继续减小，此时的电流流向如图8所示。

④t₂时刻：T3、T4、T5、T6开通，初级电流开始反向增加。此时初级电流还没达到折算的原边的输出电流值，变压器各绕组电压仍维持为零。此时的电流流向如图9所示。

⑤t₂-t₃时刻，由于初级电流达到负载电流折算到初级的值Ip0，整流二极管D1、D4关断，由变压器向负载提供能量，变换器开始另半个周期的开关过程。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (4)

1.一种隔离型三电平DC/DC变换器,其特征在于，包括：第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、谐振电感Lr、谐振电容Cr、高频隔离变压器Tr、全桥整流电路、滤波电容Cf、母线正极BUS+、母线负极BUS-、BUS中点N；

所述第一晶体管T1的漏极与母线正极BUS+连接，其源极与第二晶体管T2的漏极连接；所述第二晶体管T2的源极与第三晶体管T3的漏极连接，第三晶体管T3的源极与第四晶体管T4的漏极连接，第四晶体管T4的源极与母线负极BUS-连接；所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4分别并联在所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4的源极和漏极的两端；

所述第五晶体管T5的漏极与母线正极BUS+连接，其源极与第六晶体管T6的漏极连接；所述第六晶体管T6的源极与第七晶体管T7的漏极连接，第七晶体管T7的源极与第八晶体管T8的漏极连接，第八晶体管T2的源极与母线负极BUS-连接；所述第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8分别并联在所述第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8的漏极和源极的两端；

所述第九电容C9的一端与母线正极BUS+连接，另一端与第十电容C10的一端连接，第十电容C10的另一端与母线负极BUS-连接；

所述第二晶体管的源极与谐振电感Lr的一端连接，谐振电感Lr的另一端连接与所述谐振电容Cr的一端连接，谐振电容Cr的另一端与所述高频隔离变压器Tr的原边线圈的一端连接，高频隔离变压器Tr的原边线圈的另一端与第六晶体管的源极连接；所述高频隔离变压器Tr的副边的两端分别与所述全桥整流电路的输入端连接，全桥整流电路的输出端分别与所述滤波电容Cf的两端连接；

所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第七晶体管T7、第八晶体管T8的栅极用于和控制器连接，控制器用于输出PWM控制信号以控制各个晶体管的导通和关断。

2.如权利要求1所述的隔离型三电平DC/DC变换器,其特征在于，所述全桥整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4以及电感Lf；

所述第一二极管D1的正极与所述高频隔离变压器Tr副边的一端连接，第一二极管D1的副极与电感Lf的一端连接，电感Lf的另一端与电容Cf的一端连接，电容Cf的另一端与第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极与第一二极管D1的正极连接；

所述第四二极管D4的正极与所述第三二极管D3的正极连接，第四二极管D4的负极与所述第二二极管D2的正极连接，所述第二二极管D2的负极与所述电感Lf的一端连接；所述高频隔离变压器Tr副边的另一端与所述第二二极管的正极连接。

3.如权利要求2所述的隔离型三电平DC/DC变换器,其特征在于，还包括第五二极管D51、第六二极管D6、第十一电容C11；

所述第六二极管D6的正极与所述第三晶体管的源极连接，第六二极管D6的负极与所述第五二极管D5的正极连接，第五二极管D5的负极与所述第十一电容C11的一端连接，第十一电容C11的另一端与所述第三晶体管T3的源极连接。

4.如权利要求3所述的隔离型三电平DC/DC变换器,其特征在于，还包括第七二极管D7、第八二极管D8和第十二电容C12；

所述第八二极管D8的正极与第七晶体管的源极连接，第八二极管D8的负极与所述第七二极管的D7的正极连接，第七二极管D7的负极与所述第十二电容C12的一端连接，第十二电容C12的另一端与所述第七晶体管T7的源极连接；

所述BUS中点N与所述第七二极管D7的正极连接。

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