專利名稱：零電壓零電流開關(guān)混合全橋型三電平直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的零電壓零電流開關(guān)混合型全橋三電平直流變換器，屬電能變換裝置的直流變換器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對電能變換器的要求越來越高，特別是對輸入功率因數(shù)的要求越來越高。經(jīng)三相功率因數(shù)校正后電路的輸出電壓一般可達(dá)760～800V，有時(shí)甚至達(dá)到1000V，這就要求提高后級的直流變換器的開關(guān)管電壓定額，使得很難選擇合適的功率開關(guān)管。而三電平直流變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，因此很容易選擇合適的開關(guān)管。
為了減小變換器的體積和重量，必須提高開關(guān)頻率，這就要求實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)(即零電壓開關(guān)或零電流開關(guān))，以減小開關(guān)損耗。目前已有軟開關(guān)三電平直流變換器可分為兩類零電壓開關(guān)和零電壓零電流開關(guān)。零電壓開關(guān)三電平直流變換器的外面兩只開關(guān)管可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，但里面的兩只開關(guān)管在負(fù)載較輕時(shí)不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)；對于零電壓零電流開關(guān)三電平直流變換器(專利號00219197.0)，其外面兩只開關(guān)管可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，里面兩只開關(guān)管可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。外面的兩只開關(guān)管可選用MOSFET，里面的兩只開關(guān)管可選用IGBT。對于目前器件水平來說，很容易購買到高壓的IGBT(比如1200V)，因此IGBT用在這里沒有發(fā)揮其優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的軟開關(guān)，能充分利用高壓開關(guān)管IGBT，同時(shí)又能減小輸入和輸出濾波器體積重量，且能改善變換器動(dòng)態(tài)特性的零電壓零電流開關(guān)混合型全橋三電平直流變換器。這種直流變換器包括輸入分壓電容電路，阻斷電容電路，隔離變壓器，整流濾波電路，其特點(diǎn)是，逆變橋電路由三電平逆變橋臂和兩電平逆變橋臂所組成。由于該直流變換器的一個(gè)橋臂為三電平橋臂，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半，可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，因此可以選用MOSFET；另一個(gè)橋臂為兩電平橋臂，由兩個(gè)開關(guān)管組成，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓，可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，因此可以選用IGBT；該變換器輸出整流電壓波形的交流分量很小，因此可以大大減小輸出濾波器，從而減小濾波器的體積和重量，并且改善變換器的動(dòng)態(tài)特性；該變換器的輸入電流脈動(dòng)很小，因此可以減小輸入濾波器。


附圖1、本發(fā)明的電路組成示意圖。
附圖2-6、本發(fā)明的幾種不同組成形式的電路實(shí)施例圖。
附圖7、本發(fā)明的主要波形示意圖。
附圖8-15、本發(fā)明各開關(guān)模態(tài)的等效電路示意圖。
附圖1中各虛線框內(nèi)的標(biāo)號名稱1、輸入分壓電容電路，2、三電平逆變橋臂，3、兩電平逆變橋臂，4、阻斷電容電路，5、隔離變壓器，6、整流濾波電路。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)附圖1-6敘述本發(fā)明的具體組成。
附圖1是本發(fā)明的基本電路組成示意圖，在輸入分壓電容電路1中，分壓電容Cin1和Cin2的容量相等，且很大，它們的電壓均為輸入電源電壓Vin的一半，即Vcin1＝Vcin2＝Vin/2。
三電平逆變橋臂2的構(gòu)成是，四只開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4分別反向并聯(lián)二極管D1、D2、D3、D4再并聯(lián)結(jié)電容(或外接電容)C1、C2、C3、C4，其中開關(guān)管Q1與Q4組成超前管，Q2與Q3組成的滯后管上分別并聯(lián)兩個(gè)串聯(lián)的續(xù)流二極管D7、D8和聯(lián)結(jié)電容Css，并聯(lián)電容Css的作用在于將兩對開關(guān)管Q1與Q4和Q2與Q3的開關(guān)過程連接起來。在變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電容Css上的電壓恒定為Vin/2。Q1、Q2、Q3、Q4的電壓應(yīng)力均為輸入電壓的一半，可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，因此可以選用MOSFET開關(guān)管。
兩電平逆變橋臂3，由兩只開關(guān)管Q5與Q6和兩個(gè)二極管D5與D6所組成。兩個(gè)二極管D5、D6既可分別與相應(yīng)的開關(guān)管Q5、Q6串聯(lián)(如圖1所示)，也可分別與Q5、Q6并聯(lián)(如附圖2～6所示)，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓，可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，因此可以選用高壓開關(guān)管IGBT。
阻斷電容電路4，用來實(shí)現(xiàn)Q5與Q6零電流開關(guān)。
隔離變壓器5與整流濾波電路6均可采用現(xiàn)有技術(shù)。
附圖2是在圖1中的隔離變壓器5原邊串聯(lián)一只飽和電感Ls。
附圖3是將圖1中的阻斷電容Cb移到隔離變壓器5副邊，與一個(gè)開關(guān)管Qb相串聯(lián)，Qb的S極與輸出整流兩個(gè)二極管DR1、DR2的陰極相連，阻斷電容Cb的另一端與隔離變壓器5副邊繞組的中心抽頭相連。
附圖4是將圖1中的阻斷電容Cb去掉，在整流濾波電路6中加入兩只二極管Db1和Db2以及一只電容Cb1。即一只二極管Db1與一只電容Cb1串聯(lián)后并聯(lián)在隔離變壓器副邊的輸出端，另一只二極管Db2跨接在二極管Db1、電容Cb1的串接點(diǎn)與濾波電感Lf、濾波電容Cf的串接點(diǎn)之間。
附圖5同樣將圖1中的阻斷電容Cb去掉，在整流濾波電路6中加入兩只電容Cb1和Cb2以及三只二極管Db1、Db2、和Db3，即一只二極管Db1與一只電容Cb1串聯(lián)后并接在隔離變壓器副邊輸出端，另一只電容Cb2。與第二只二極管Db2串聯(lián)后并接在整流濾波電路的輸入端，第三只二極管Db3跨接上述兩串聯(lián)電路的串接點(diǎn)上。
附圖6將圖1中的阻斷電容Cb移到整流濾波電路中，同時(shí)在隔離變壓器5中增加兩個(gè)副邊繞組，與三個(gè)二極管Da1、Da2、和Da3共同組成電流復(fù)位電路。
附圖2-6與附圖1相比沒有本質(zhì)上的差異，但附圖3、附圖4和附圖5可較好抑制輸出整流管上的電壓尖峰。
下面以附圖1為例，結(jié)合附圖7～15敘述本發(fā)明的具體工作原理，由附圖7可知整個(gè)變換器在一個(gè)開關(guān)周期中有14種開關(guān)模態(tài)，分別以〔t0時(shí)刻〕、〔t0 t1〕、〔t1t2〕、〔t2t3〕、〔t3t4〕、〔t4t5〕、〔t5t6〕、〔t6t7〕、〔t7t8〕、〔t8t9〕、〔t9t10〕、〔t10t11〕、〔t11t12〕、〔t12t13〕〔t13t14〕(見附圖7〕，其中，〔t0t7〕為前半周期，〔t7t14〕為后半周期。下面對〔t0t7〕的各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。在附圖7中，作了如下假設(shè)a)兩只輸入分壓電容分別以兩個(gè)電壓為Vin/2的電壓源替代，輸出濾波電路以一個(gè)電流為輸出電流I0的電流源替代。1、開關(guān)模態(tài)0〔t0時(shí)刻之前〕〔對應(yīng)于附圖8〕在t0時(shí)刻以前，Q1、Q2和Q6導(dǎo)通，vAB＝Vin，原邊給負(fù)載供電，原邊電流ip給阻斷電容Cb充電。輸出整流管DR1導(dǎo)通，DR2截止。在t0時(shí)刻，ip＝Ip0＝I0/K，其中K為變壓器原副邊匝比。Cb的電壓為Vcb(t0)。2、開關(guān)模態(tài)1〔t0t1〕〔對應(yīng)于附圖9〕t1時(shí)刻關(guān)斷Q1，ip給C1充電，同時(shí)通過電容Css給C4放電。由于有C1和C4，Q1是零電壓關(guān)斷。此時(shí)L1k和Lf相串聯(lián)，ip近似保持Ip0不變。ip繼續(xù)給Cb充電。C1的電壓線性上升，C4的電壓線性下降。在t1時(shí)刻，C1的電壓上升到Vin/2時(shí)，C4的電壓下降到0，A點(diǎn)電位為Vin/2，D7自然導(dǎo)通。3、開關(guān)模態(tài)2〔t1t2〕〔對應(yīng)于附圖10〕當(dāng)D7導(dǎo)通后，C4的電壓被箝在0，因此可以零電壓開通Q4。Q4與Q1驅(qū)動(dòng)信號之間的死區(qū)時(shí)間td(14)＞t01。在此段時(shí)間里，vAB＝Vin/2，原邊繼續(xù)給負(fù)載供電，ip給Cb充電。4、開關(guān)模態(tài)3〔t2t3〕〔對應(yīng)于附圖11〕t2時(shí)刻關(guān)斷Q2，ip給C2充電，同時(shí)通過電容Css給C3放電。由于有C2和C3，Q2是零電壓關(guān)斷。此時(shí)L1k和Lf相串聯(lián)，ip＝Ip0。Ip繼續(xù)給Cb充電，由于Cb很大，可認(rèn)為其電壓在這段時(shí)間里基本不變。C2的電壓線性上升，C3的電壓線性下降。在t3時(shí)刻，C2的電壓上升到Vin/2，C3的電壓下降到0，D3自然導(dǎo)通。5、開關(guān)模態(tài)4〔t3t4〕〔對應(yīng)于附圖12〕當(dāng)D3導(dǎo)通后，C3的電壓被箝在0，因此可以零電壓開通Q3。在這段時(shí)間里，D3、D6和Q6導(dǎo)通，vAB＝0。vcb使ip開始減小，ip不足以提供負(fù)載電流，因此DR1和DR2同時(shí)導(dǎo)通，這樣變壓器原、副邊繞組電壓均為零。此時(shí)vcb全部加在Llk上，ip減小，vcb上升。由于Llk較小，而Cb較大，因此可認(rèn)為vcb在這個(gè)開關(guān)模態(tài)中基本不變，ip近似線減小。在ip下降到零。開關(guān)模態(tài)的持續(xù)時(shí)間為6、開關(guān)模態(tài)5〔t4t5〕〔對應(yīng)于附圖13〕在此開關(guān)模態(tài)中，ip有反向流動(dòng)的趨勢，但是D6的存在使ip保持在零，此時(shí)vB＝-Vcbp。兩個(gè)整流管同時(shí)導(dǎo)通，均分負(fù)載電流。7、開關(guān)模態(tài)6〔t5t6〕〔對應(yīng)于附圖14〕t5時(shí)刻關(guān)斷Q6，此時(shí)Q6中并沒有電流流過，因此Q6是零電流關(guān)斷。在很小的延時(shí)后，開通Q5，由于Llk的存在，ip不能突變，Q6是零電流開通。由于ip不足以于提供負(fù)載電流，兩個(gè)整流管依然同時(shí)導(dǎo)通，變壓器的原、副邊繞組被鉗在零電壓。此時(shí)加在Llk上的電壓為-(Vin＋Vcbp)，ip從零開始反方向線性增加。在t6時(shí)刻，ip反方向增加到折算到原邊的負(fù)載電流I0/K。該開關(guān)模態(tài)的時(shí)間為8、開關(guān)模態(tài)7〔t6t7〕〔對應(yīng)附圖14〕從t6時(shí)刻開始，原邊為負(fù)載提供能量，同時(shí)給Cb反向充電。DR1關(guān)斷，所有負(fù)載電流均流過DR2。
在t7時(shí)刻，關(guān)斷Q4，開始另一個(gè)半周期〔t7t14〕，其工作的情況類似于前面描述的〔t0t7〕。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例如下輸入交流電壓380V/50HZ交流電，經(jīng)過整流濾波后得到直流電壓為Vin＝530VDC；輸出直流電壓為V0＝54VDC；輸出電流I0＝50A；變壓器原副邊匝比K＝7；輸出濾波電感為Lf＝10μH；輸出濾波電容為Cf＝10000μF；聯(lián)結(jié)電容Css為2.2μF；開關(guān)管Q1-Q4(包括其反并二極管D1-D4和結(jié)電容C1-C4)為MOSFET(型號為IRF460)；開關(guān)管Q5和Q6為IGBT(型號為CT60AM-20)；二極管D5、D6、D7、和D8為DSEI130-06A；輸出整流二極管DR1和DR2為MEK95-06DA；開關(guān)頻率為fs＝50kHZ。
由以上描述可知，本發(fā)明提出的帶鉗位二極管的三電平零電壓開關(guān)直流變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)1、該變換器的一個(gè)橋臂為三電平橋臂，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半，可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，因此可以選用MOSFET；2、另一個(gè)橋臂為兩電平橋臂，由兩個(gè)開關(guān)管組成，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓，可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，因此可以選用IGBT。
3、該變換器輸出整流電壓波形的交流分量很小，因此可以大大減小輸出濾波器，從而減小濾波器的體積和重量，并且改善變換器的動(dòng)態(tài)特性。
4、該變換器的輸入電流脈動(dòng)很小，因此可以減小輸入濾波器。
權(quán)利要求
1.一種零電壓零電流開關(guān)混合型全橋三電平直流變換器包括輸入分壓電容電路、阻斷電容電路、隔離變壓器、整流濾波電路，其特征在于，還包括連于輸入分壓電容電路與隔離變壓器之間的三電平逆變橋臂和兩電平逆變橋臂。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的零電壓零電流開關(guān)混合型全橋三電平直流變換器，其特征在于，三電平逆變橋臂的組成是，四只開關(guān)管各自分別反向并聯(lián)二極管和電容，在第二個(gè)開關(guān)管的陰極與第三個(gè)開關(guān)管的陽極之間并聯(lián)互相串聯(lián)的二個(gè)二極管，二個(gè)二極管的串接點(diǎn)連于輸入分壓電容電路的兩個(gè)電容的串接點(diǎn)。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的零電壓零電流開關(guān)混合型全橋三電平直流變換器，其特征在于，兩電平逆變橋臂由兩只開關(guān)管各自分別串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)二極管所組成。
全文摘要
一種零電壓零電流開關(guān)混合型全橋三電平直流變換器屬于直流變換器。包括輸入分壓電容電路1、阻斷電容4、隔離變壓器5、整流濾波電路6、其特點(diǎn)是還包括三電平橋臂2與兩電平橋臂3。三電平橋臂,其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半,可在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),可選用MOSFET;兩電平橋臂其開關(guān)管的電壓應(yīng)力輸入電壓,可在很寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān),可選用IGBT,且體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02M3/335GK1336715SQ0112718
公開日2002年2月20日 申請日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月7日
發(fā)明者阮新波, 李斌 申請人:南京航空航天大學(xué)