專利名稱：零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器，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(duì)電能變換器的要求越來越高，特別是對(duì)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(jí)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。1992年巴西學(xué)者Pinheiro提出了零電壓開關(guān)三電平直流變換器，該變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，因此適用于高輸入電壓的場合。但是該變換器本質(zhì)上是個(gè)半橋變換器，其輸出濾波器上的電壓為兩電平波形。2003年阮新波教授提出了全橋、復(fù)合式全橋三電平直流變換器，輸出濾波器上的電壓為三電平波形，可以減小輸出濾波器的體積和重量。但是這些三電平變換器均存在橋臂直通的危險(xiǎn)，降低了變換器的可靠性，需要設(shè)置開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間，并加入防止橋臂直通的保護(hù)電路，增加了電路的復(fù)雜性。因此不適合應(yīng)用對(duì)變換器可靠性要求高的場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述變換器的缺陷，提出一種零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的橋臂直通問題，提高變換器的可靠性。
本發(fā)明的零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器，由輸入分壓電容電路的輸出連于由三電平橋臂與兩電平橋臂所組成的電路兩輸入端，其輸出端經(jīng)高頻隔離變壓器連于整流及濾波電路的兩路雙管正激變換器交錯(cuò)并聯(lián)電路，其特征在于兩路雙管正激變換器共用一個(gè)高頻隔離變壓器，高頻隔離變壓器的兩個(gè)原邊繞組的異名端與三電平橋臂相連接，同名端各自經(jīng)諧振電感與兩電平橋臂相連接。三電平橋臂開關(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)；兩電平橋臂開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓，可利用諧振電感的能量在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點(diǎn)是，由于變換器每個(gè)橋臂都由開關(guān)管和反向二極管串聯(lián)構(gòu)成，因此不存在傳統(tǒng)橋式三電平變換器功率管直通問題，提高了變換器的可靠性。各開關(guān)管不需要設(shè)死區(qū)時(shí)間；不需加入加入防止橋臂直通的保護(hù)電路。
四

附圖1是本發(fā)明的零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器主電路結(jié)構(gòu)示意圖附圖2是本發(fā)明的3L工作模式主要波形示意圖。
附圖3是本發(fā)明的2L工作模式主要波形示意圖。
附圖4-14是各開關(guān)模態(tài)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖15是零電壓開關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
上述附圖中的主要符號(hào)名稱Vin——電源電壓。Cd1、Cd2——輸入分壓電容。Q1～Q8——功率開關(guān)管。C1～C8——功率開關(guān)管的寄生電容。D1～D8——功率開關(guān)管的體二極管。Df1、Df2、Df3、Df4、Df5、Df6——續(xù)流二極管。Lr1、Lr2——諧振電感。Tr——高頻隔離變壓器；變壓器原副邊變比為K。NP1、NP2——高頻隔離變壓器原邊繞組；NS1、NS2——高頻隔離變壓器副邊繞組。DR1、DR2——輸出整流二極管。Lf——濾波電感。Cf——濾波電容。RLd——負(fù)載。Vo——輸出電壓。
五具體實(shí)施例方式
附圖1是零電壓開關(guān)復(fù)合式雙管正激三電平直流變換器結(jié)構(gòu)示意圖。由輸入分壓電容電路1、三電平橋臂電路2、兩電平橋臂電路3、高頻隔離變壓器4、整流及濾波電路5組成。兩路雙管正激變換器交錯(cuò)并聯(lián)電路，一路由輸入分壓電容電路，功率開關(guān)管Q1、Q2、Q6，二極管D3、D4、D5、Df3、Df4，高頻隔離變壓器Tr原邊繞組NP1和諧振電感Lr1組成一路雙管正激變換器；由輸入分壓電容電路，功率開關(guān)管Q3、Q4、Q5，二極管D1、D2、D6、Df3、Df4，高頻隔離變壓器Tr原邊繞組NP1和諧振電感Lr1組成另外一路雙管正激變換器。其特征是，兩路雙管正激變換器共用一個(gè)高頻隔離變壓器(Tr)，頻隔離變壓器(Tr)的兩個(gè)原邊繞組(NP1)、(NP2)的異名端與三電平橋臂2相連接，同名端各自經(jīng)諧振電感(Lr1)、(Lr2)與兩電平橋臂3相連接，變換器每個(gè)橋臂都由功率開關(guān)管與反向二極管串聯(lián)構(gòu)成。其中分壓電容Cd1和Cd2容量很大且相等，其電壓均為輸入電壓Vin的一半，即Vcd1＝Vcd2＝Vin/2，可看作電壓為Vin/2的電壓源。四只開關(guān)管Q1-Q4及其體二極管D1-D4和寄生電容C1-C4續(xù)流二極管Df1、Df2和Df3、飛跨電容Css1組成三電平橋臂電路；開關(guān)管Q5和Q6及其體二極管D5和D6、寄生電容C5和C6、續(xù)流二極管Dr1組成兩電平橋臂電路。輸出整流二極管DR1和DR2，輸出濾波電感Lr和輸出濾波電容Cr組成整流濾波電路。
控制方法如下開關(guān)管Q2和Q3為180°互補(bǔ)導(dǎo)通，開關(guān)管Q5和Q6為180°互補(bǔ)導(dǎo)通，且分別相對(duì)于開關(guān)管Q3和Q2滯后一個(gè)相位，故定義開關(guān)管Q2和Q3為超前管，開關(guān)管Q5和Q6為滯后管。開關(guān)管Q1和Q4分別同相位于開關(guān)管Q2和Q3PWM工作，故定義開關(guān)管Q1和Q4為斬波管。
當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，開關(guān)管Q1和Q4PWM工作，開關(guān)管Q2、Q3與開關(guān)管Q6、Q5之間有一個(gè)較小的固定相位差，將開關(guān)管Q2、Q3實(shí)現(xiàn)ZVS和開關(guān)管Q5、Q6實(shí)現(xiàn)ZVS分離開來。此時(shí)輸出整流后的電壓為三電平波形，稱之為三電平模式(3L模式)。當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，開關(guān)管Q1和Q4的脈寬將減小到零，開關(guān)管Q1、Q3與開關(guān)管Q6、Q5移相工作，此時(shí)輸出整流后的電壓為兩電平波形，稱之為兩電平模式(2L模式)。
斬波管Q1、Q4與超前管Q2、Q3通過濾波電感和諧振電感實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，滯后管Q5和Q6則通過諧振電感的能量來實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，從而減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高變換效率。
下面以附圖1為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖2～18敘述本發(fā)明的具體工作原理。由附圖2可知整個(gè)變換器在3L模式中一個(gè)開關(guān)周期有16種開關(guān)模態(tài)，分別是t0以前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15](見附圖3)，其中，[t0以前，t7]為前半周期，[t7，t15]為后半周期。下面對(duì)各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。
在分析之前，作如下假設(shè)①所有開關(guān)管和二極管均為理想器件；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件；③輸入分壓電容Cd1、Cd2足夠大并且相等，可以將它們看作Vin/2的電壓源。④濾波電感Lf足夠大，可等效為電流為輸出電流I0的電流源。
1.開關(guān)模態(tài)1[t0以前][對(duì)應(yīng)于附圖4]t0以前，開關(guān)管Q1、Q2和Q6導(dǎo)通。副邊整流管DR1導(dǎo)通，整流管DR2截止，變換器通過變壓器繞組NP1向負(fù)載傳遞能量。
2.開關(guān)模態(tài)2[t0，t1][對(duì)應(yīng)于附圖5]t0時(shí)刻關(guān)斷開關(guān)管Q1，原邊電流iNp1給電容C1充電。此時(shí)續(xù)流二極管Df3導(dǎo)通，原邊電流iNp1給電容C3、C4放電。電容C1、電容C3和電容C4使開關(guān)管Q1近似為零電壓關(guān)斷。到t1時(shí)刻，開關(guān)管Q1兩端電壓上升到Vin/2，二極管Df1自然導(dǎo)通，開關(guān)模態(tài)2結(jié)束。
3.開關(guān)模態(tài)3[t1，t2][對(duì)應(yīng)于附圖6]在t1時(shí)刻，二極管Df1導(dǎo)通，二極管Df3截止，開關(guān)管Q3、Q4的電壓被箝位在Vin/4。原邊繼續(xù)向副邊傳遞能量。
4.開關(guān)模態(tài)4[t2，t3][對(duì)應(yīng)于附圖7]t2時(shí)刻關(guān)斷開關(guān)管Q2，電流iNp1給電容C2充電，此時(shí)續(xù)流二極管Df3導(dǎo)通，原邊電流iNp1給電容C3、C4放電。電容C2、C3和C4使開關(guān)管Q2近似為零電壓關(guān)斷。在t3時(shí)刻，開關(guān)管Q2兩端電壓上升到Vin/2，開關(guān)管Q3、Q4兩端電壓下降到零，模態(tài)4結(jié)束。
5.開關(guān)模態(tài)5[t3，t4][對(duì)應(yīng)于附圖8]t3時(shí)刻，二極管D3和D4導(dǎo)通，將開關(guān)管Q3、Q4兩端電壓箝位在零，此時(shí)可以零電壓開通開關(guān)管Q3和Q4。
6.開關(guān)模態(tài)6[t4，t5][對(duì)應(yīng)于附圖9]在t4時(shí)刻，零電壓關(guān)斷開關(guān)管Q6，電流iNp1給電容C6充電，同時(shí)通過續(xù)流二極管Df4給電容C5放電。原邊電流iNp1與電容C5、C6諧振工作并下降，電流iNp2從零開始上升，由于電流iNp1不足以提供負(fù)載電流，整流二極管DR1和DR2同時(shí)導(dǎo)通，變壓器的原副邊電壓被箝位在零。
7.開關(guān)模態(tài)7[t5，t6][對(duì)應(yīng)于附圖10]在t5時(shí)刻，開關(guān)管Q6兩端電壓上升為Vin，開關(guān)管Q5兩端電壓下降到零，此時(shí)二極管D5導(dǎo)通，可以零電壓開通開關(guān)管Q5。副邊兩個(gè)整流管依然同時(shí)導(dǎo)通，變壓器原邊繞組和副邊繞組電壓均為零。電流iNp1、電流iNp2分別線性下降和上升。
8.開關(guān)模態(tài)8[t6，t7][對(duì)應(yīng)于附圖11]在t5時(shí)刻，電流iNp1下降為零，電流iNp2上升到折算至原邊的負(fù)載電流I0/K，整流二極管DR1截止，整流二極管DR2流過全部負(fù)載電流。變換器通過變壓器繞組NP2向負(fù)載傳遞能量。變換器開始另一半周期工作，其工作情況類似于上述的半個(gè)周期。
由附圖3可知整個(gè)變換器在2L模式中一個(gè)開關(guān)周期也有14種開關(guān)模態(tài)，其中，[t0以前，t6]為前半周期，[t6，t13]為后半周期。在前半周期中，[t0以前，t3]時(shí)段的工作情況與3L模式下[t1，t5]時(shí)段相同，這里不再重復(fù)。下面對(duì)[t3，t6]時(shí)段的三個(gè)開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。
1.開關(guān)模態(tài)1[t3，t4][對(duì)應(yīng)于附圖12]在t3時(shí)刻，開關(guān)管Q6兩端電壓上升為Vin，開關(guān)管Q5兩端電壓下降到零，此時(shí)二極管D5導(dǎo)通，可以零電壓開通開關(guān)管Q5。這段時(shí)間電流iNp2給電容C6充電，同時(shí)給電容C1、C2放電。當(dāng)開關(guān)管Q4兩端電壓上升為Vin/2時(shí)，續(xù)流二極管D12導(dǎo)通，開關(guān)模態(tài)1結(jié)束，此時(shí)開關(guān)管Q1、Q2兩端電壓下降為Vin/4。
2.開關(guān)模態(tài)2[t4，t5][對(duì)應(yīng)于附圖13]由于變壓器原副邊電壓仍為零，故電壓Vin/2分別加在諧振電感Lr2和Lr2兩端，電流iNp1電流iNp2分別線性下降和上升。
3.開關(guān)模態(tài)2[t5，t6][對(duì)應(yīng)于附圖14]在t5時(shí)刻，電流iNp1下降為零，電流iNp2上升到折算至原邊的負(fù)載電流Io/K，整流二極管DR1截止，整流二極管DR2流過全部負(fù)載電流。變換器通過變壓器繞組NP2向負(fù)載傳遞能量。變換器開始另一半周期工作，其工作情況類似于上述的半個(gè)周期。
由以上描述可知，本發(fā)明提出的零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)①該變換器的一個(gè)橋臂是為三電平橋臂，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)。
②另一個(gè)橋臂是為兩電平橋臂，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓，可利用諧振電感的能量在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。
③該變換器的兩個(gè)橋臂都是由開關(guān)管和一個(gè)反向二極管串聯(lián)構(gòu)成，因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上不存在橋臂直通的危險(xiǎn)，保留了雙管正激變換器可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
④輸出整流波形中高頻分量小，可以減小輸出濾波器，從而減小濾波的重量和體積，并且改善變換器的動(dòng)態(tài)特性；⑤該變換器的輸入電流脈動(dòng)很小，輸入電流近似為一直流電流，因此可以大大減小輸入濾波器。
⑥可以降低輸出整流二極管的電壓應(yīng)力，提高了變換器的可靠性。
附圖15是零電壓開關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器三電平橋臂的開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半，而兩電平橋臂的開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓，因而無法適合高壓輸入的應(yīng)用場合。將兩電平橋臂的兩個(gè)開關(guān)管分別用兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)管代替，并在兩電平橋臂兩組串聯(lián)開關(guān)管的串聯(lián)接點(diǎn)之間連接兩個(gè)串聯(lián)的二極管Df5、Df6，兩個(gè)串聯(lián)二極管的串聯(lián)接點(diǎn)與兩個(gè)分壓電容的串聯(lián)接點(diǎn)相連，將開關(guān)管的電壓應(yīng)力箝位在輸入電壓的一半，就在電路拓?fù)渖蠘?gòu)成了零電壓開關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器，從而可以適應(yīng)高壓輸入的場合。
權(quán)利要求
1.一種零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器，包括輸入分壓電容電路(1)的輸出連于由三電平橋臂(2)與兩電平橋臂(3)所組成的電路兩輸入端，其輸出端經(jīng)高頻隔離變壓器(4)連于整流及濾波電路(5)，構(gòu)成兩路雙管正激變換器交錯(cuò)并聯(lián)電路，一路由輸入分壓電容電路(1)，三個(gè)功率開關(guān)管(Q1)、(Q2)、(Q6)，五個(gè)二極管(D3)、(D4)、(D5)、(Df3)、(Df4)，高頻隔離變壓器(Tr)原邊繞組(NP1)和諧振電感(Lr1)組成一路雙管正激變換器；由輸入分壓電容電路(1)，三個(gè)功率開關(guān)管(Q3)、(Q4)、(Q5)，五個(gè)二極管(D1)、(D2)、(D6)、(Df3)、(Df4)，高頻隔離變壓器(Tr)原邊繞組(NP2)和諧振電感(Lr2)組成另外一路雙管正激變換器。其特征在于，兩路雙管正激變換器共用一個(gè)高頻隔離變壓器(Tr)，頻隔離變壓器(Tr)的兩個(gè)原邊繞組(NP1)、(NP2)的異名端與三電平橋臂(2)相連接，同名端各自經(jīng)諧振電感(Lr1)、(Lr2)與兩電平橋臂(3)相連接，變換器每個(gè)橋臂都由功率開關(guān)管與反向二極管串聯(lián)構(gòu)成。
2.一種零電壓開關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器，其特征在于，將權(quán)利要求1所述的零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器的兩電平橋臂(3)的兩個(gè)功率開關(guān)管(Q5)與(Q6)分別用兩個(gè)串聯(lián)的功率開關(guān)管代替，并在兩電平橋臂兩組串聯(lián)功率開關(guān)管的串聯(lián)接點(diǎn)之間連接兩個(gè)串聯(lián)的二極管(Df5)、(Df6)，兩個(gè)串聯(lián)二極管的串聯(lián)接點(diǎn)與兩個(gè)分壓電容的串聯(lián)接點(diǎn)相連。
全文摘要
一種涉及零電壓開關(guān)復(fù)合式交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激三電平直流變換器，屬電能變換裝置的直流變換器，包括輸入分壓電容(1)、三電平橋臂(2)、兩電平橋臂(3)、高頻隔離變壓器(4)、整流及濾波電路(5)，其特點(diǎn)是兩路雙管正激變換器共用一個(gè)高頻隔離變壓器，高頻隔離變壓器的兩個(gè)原邊繞組一端與三電平橋臂相連接，另一端與兩電平橋臂相連接。每個(gè)橋臂都由開關(guān)管和反向二極管串聯(lián)構(gòu)成，因此不存在橋式三電平變換器功率管直通問題，大大提高了變換器的可靠性。該變換器適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車的燃料電池、光伏發(fā)電、通訊電源等寬輸入電壓場合，輸出整流波形中高頻分量小，可以減小輸出濾波電感，輸入電流脈動(dòng)很小，輸入電流近似為一直流電流，因此可以大大減小輸入濾波器，還能降低輸出整流二極管的電壓應(yīng)力，提高了變換器的可靠性。
文檔編號(hào)H02M3/335GK1725617SQ200510041128
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者王慧貞, 毛賽君, 冀春英, 嚴(yán)仰光 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)