專利名稱：推挽正激三電平直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的推挽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)：
近年來(lái)，三電平直流變換器在高壓場(chǎng)合的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，因?yàn)樗墓β书_關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半；有的三電平變換器還能減小輸出濾波器，因?yàn)檩敵鰹V波器兩端的高頻交流分量較小。但三電平變換器在低壓輸入高壓輸出場(chǎng)合的研究還很少，而且采用的控制都是使輸出整流后的三電平波形先出現(xiàn)高的電平，然后再出現(xiàn)其一半電壓的電平，這樣在低壓輸入高壓輸出的場(chǎng)合，由于變壓器漏感，二極管的反向恢復(fù)等引起的輸出整流二極管的電壓尖峰，會(huì)增加輸出整流二極管的電壓定額。推挽正激直流變換器由于能減小輸入濾波器也受到了廣泛的關(guān)注，但在寬范圍低壓輸入高壓輸出的場(chǎng)合，占空比變化很大，輸出濾波器大。

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，研制一種可有效地減小副邊整流二極管的電壓定額，減小整流二極管上的損耗，提高變換效率；減小輸入和輸出濾波器；且能實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管軟開關(guān)的推挽正激三電平直流變換器。
本發(fā)明推挽正激三電平直流變換器由輸入分壓電容電路的輸出連于兩個(gè)由三電平支路與隔離變壓器的一個(gè)原邊繞組串聯(lián)所組成的電路兩輸入端，隔離變壓器的副邊繞組連于整流及濾波電路，其特征在于將隔離變壓器第一個(gè)原邊繞組的異名端與輸入電源的負(fù)極相連接，該原邊繞組同名端連于一個(gè)三電平支路的一端，該三電平支路的另一端與輸入電源的正極相連接形成一個(gè)串聯(lián)回路和隔離變壓器第二個(gè)原邊繞組的異名端與輸入電源的正極相連接，該原邊繞組同名端連于另一個(gè)三電平支路的一端，該三電平支路的另一端與輸入電源的負(fù)極相連接形成另一個(gè)串聯(lián)回路相并聯(lián)，且箝位電容連于隔離變壓器的原邊繞組與三電平支路交點(diǎn)處，飛跨電容連于兩三電平支路中功率開關(guān)管的連接點(diǎn)處。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點(diǎn)是，由于控制方法采用使輸出整流后的三電平波形先出現(xiàn)一半的電平，然后再出現(xiàn)整個(gè)高電平，減小了副邊整流二極管的電壓定額，減小整流二極管上的損耗；減小了輸入和輸出濾波器，減小原邊功率管的電壓應(yīng)力；輸入三電平支路中的二極管采用帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管代替，大大減小了導(dǎo)通損耗，且該功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)；提高變換效率。
四

圖1是本發(fā)明的推挽正激三電平直流變換器電路原理示意2是本發(fā)明的三電平工作模式主要波形示意圖。
圖3是本發(fā)明的兩電平工作模式主要波形示意圖。
圖4-9是各開關(guān)模態(tài)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。
上述附圖中的主要符號(hào)名稱Vin、電源電壓。C1、C2、輸入分壓電容。S1～S6、功率開關(guān)管。DS1～DS6、各功率開關(guān)管的反并聯(lián)二極管。Cc、飛跨電容。NP1、NP2、NS分別是隔離變壓器的兩個(gè)原邊繞組和副邊繞組。D1～D4、輸出整流二極管。Lf、濾波電感。Cf、濾波電容。RL、負(fù)載。Vo、輸出電壓。vAB、A與B兩點(diǎn)間電壓。
五具體實(shí)施例方式
根據(jù)附圖敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。由圖1可知，本發(fā)明的推挽正激三電平直流變換器主電路由輸入分壓電容電路1、兩個(gè)三電平支路2、3、飛跨電容Cc、箝位電容C、隔離變壓器、整流橋及濾波電路4組成。其中分壓電容C1和C2容量很大且相等，其電壓均為輸入電壓Vin的一半，即Vc1＝Vc2＝Vin/2，可看作電壓為Vin/2的電壓源。三只功率開關(guān)管S1、S2、S5及其反并聯(lián)二極管DS1、DS2、DS5組成一個(gè)三電平支路2；三只功率開關(guān)管S3、S4、S6及其反并聯(lián)二極管DS3、DS4、DS6組成另一三電平支路3。NP1、NP2、NS分別是隔離變壓器的兩個(gè)原邊繞組和副邊繞組。整流橋及濾波電路4由四個(gè)輸出整流二極管D1～D4、輸出濾波電感Lf、輸出濾波電容Cf、負(fù)載RL組成。
控制方法如下不考慮相互之間的死區(qū)和延時(shí)，功率開關(guān)管S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)是功率開關(guān)管S1驅(qū)動(dòng)信號(hào)和功率開關(guān)管S5驅(qū)動(dòng)信號(hào)相或；功率開關(guān)管S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是功率開關(guān)管S4驅(qū)動(dòng)信號(hào)和功率開關(guān)管S6驅(qū)動(dòng)信號(hào)相或。功率開關(guān)管S1和S4PWM工作，且分別與功率開關(guān)管S2和S3同時(shí)關(guān)斷，故定義功率開關(guān)管S1和S4為斬波管。
當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，功率開關(guān)管S1和S4PWM工作，功率開關(guān)管S2、S3180°互補(bǔ)導(dǎo)通，功率開關(guān)管S5、S6實(shí)現(xiàn)零電壓開通，零電壓關(guān)斷。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)，功率開關(guān)管S1和S4的脈寬將減小到零，功率開關(guān)管S2、S3與功率開關(guān)管S5、S6PWM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)。
在三電平模式下，功率開關(guān)管S5和S6分別滯后于功率開關(guān)管S2和S3一個(gè)很小的時(shí)間導(dǎo)通，目的是為了實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管S5和S6的零電壓開通，功率開關(guān)管S1和S4分別和功率開關(guān)管S5和S6之間存在一定的死區(qū)，目的是為了實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管S5和S6的零電壓關(guān)斷，從而減小功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高變換效率。在功率開關(guān)管S5的負(fù)極和功率開關(guān)管S6的正極之間跨接飛跨電容Cc，其作用在于將兩對(duì)功率開關(guān)管的開關(guān)過程連接起來(lái)，將功率開關(guān)管S2和S3的電壓箝在3Vin/2。在變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，飛跨電容Cc上的電壓恒定為Vin/2。在兩電平模式下，功率開關(guān)管S5和S6分別滯后于功率開關(guān)管S2和S3一個(gè)很小的時(shí)間導(dǎo)通，目的是為了實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管S5和S6的零電壓開通，功率開關(guān)管S2和S3分別和功率開關(guān)管S5和S6之間存在一定的死區(qū)，目的是為了實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管S5和S6的零電壓關(guān)斷，從而減小功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高變換效率。
結(jié)合圖4～9敘述本發(fā)明的具體工作原理。由圖2可知整個(gè)變換器在3L模式中一個(gè)開關(guān)周期有10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](見圖2)，其中，[t0以前，t4]為前半周期，[t4，t9]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所有功率開關(guān)管和二極管均為理想器件，不考慮開關(guān)時(shí)間，導(dǎo)通壓降；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件，NP1＝NP2＝NP，NS/NP＝n；③飛跨電容Cc足夠大，穩(wěn)態(tài)時(shí)其電壓基本不變，為Vin/2；④箝位電容C足夠大，穩(wěn)態(tài)時(shí)其電壓基本不變，為Vin。
1.開關(guān)模態(tài)1[t0以前][對(duì)應(yīng)于圖4]t0以前，功率開關(guān)管S1和S2導(dǎo)通，AB兩點(diǎn)間電壓為vAB＝nVin。副邊輸出整流二極管D1和D4導(dǎo)通，D2和D3截止。原邊向副邊傳遞能量。
2.開關(guān)模態(tài)2[t0，t1][對(duì)應(yīng)于圖5]t0時(shí)刻關(guān)斷功率開關(guān)管S1和S2，此時(shí)功率開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力有兩種情況第一種情況功率開關(guān)管S1承受的電壓為零，功率開關(guān)管S2關(guān)斷后只承受電壓Vin，功率開關(guān)管S3承受的電壓為Vin/2，功率開關(guān)管S5承受的電壓為Vin/2不變；第二種情況功率開關(guān)管S1和S2承受的電壓都為Vin/2，功率開關(guān)管S3承受的電壓為Vin，功率開關(guān)管S5承受的電壓為零。以第一種情況(對(duì)應(yīng)圖2)為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行闡述。vAB電壓下降到零，副邊輸出整流二極管D1～D4導(dǎo)通，副邊續(xù)流。
3.開關(guān)模態(tài)3[t1，t2][對(duì)應(yīng)于圖6]
在t1時(shí)刻，功率開關(guān)管S3開通，二極管DS6導(dǎo)通，電壓vAB＝nVin/2，副邊輸出整流二極管D2和D3導(dǎo)通，D1和D4截止。飛跨電容Cc與箝位電容C將功率開關(guān)管S2承受的電壓箝在3Vin/2，功率開關(guān)管S1承受的電壓仍為零，功率開關(guān)管S5承受的電壓為Vin/2不變，副邊輸出整流二極管D1承受電壓為nVin/2，比副邊整流二極管先承受電壓為nVin再加變壓器漏感等引起的尖峰電壓所承受的電壓應(yīng)力低得多。功率開關(guān)管開通前只承受電壓Vin/2，而推挽正激直流變壓器功率開關(guān)管開通前承受的電壓為2Vin，減小了開通損耗。原邊向副邊傳遞能量。
4.開關(guān)模態(tài)4[t2，t3][對(duì)應(yīng)于圖7]t2時(shí)刻開通功率開關(guān)管S6，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，其他同開關(guān)模態(tài)3。
5.開關(guān)模態(tài)5[t3，t4][對(duì)應(yīng)于圖6]t3時(shí)刻關(guān)斷功率開關(guān)管S6，二極管DS6導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管S6的零電壓關(guān)斷，其他同開關(guān)模態(tài)3。
此后功率開關(guān)管S3和S4導(dǎo)通，原邊給副邊提供能量。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。
由圖3可知整個(gè)變換器在2L模式中一個(gè)開關(guān)周期有8種開關(guān)模態(tài)，其中，[t0以前，t3]為前半周期，[t3，t7]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。
1.開關(guān)模態(tài)1[t0以前][對(duì)應(yīng)于圖8]t0以前，功率開關(guān)管S2和S5導(dǎo)通，AB兩點(diǎn)間電壓為vAB＝nVin/2。副邊輸出整流二極管D1和D4導(dǎo)通，D2和D3截止。功率開關(guān)管S1承受的電壓為Vin/2。原邊向副邊傳遞能量。
2.開關(guān)模態(tài)2[t0，t1][對(duì)應(yīng)于圖9]t0時(shí)刻關(guān)斷功率開關(guān)管S5，二極管DS5導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管S5的零電壓關(guān)斷，其他同開關(guān)模態(tài)1。
3.開關(guān)模態(tài)3[t1，t2][對(duì)應(yīng)于圖5]t1時(shí)刻關(guān)斷功率開關(guān)管S2，功率開關(guān)管S1和S2承受的電壓都為Vin/2，功率開關(guān)管S3承受的電壓為Vin，功率開關(guān)管S5承受的電壓保持在零。vAB電壓下降到零，副邊輸出整流二極管D1～D4導(dǎo)通，副邊續(xù)流。
4.開關(guān)模態(tài)4[t2，t3][對(duì)應(yīng)于圖6]在t1時(shí)刻，功率開關(guān)管S3開通，二極管DS6導(dǎo)通，電壓vAB＝nVin/2，副邊輸出整流二極管D2和D3導(dǎo)通，D1和D4截止。飛跨電容Cc與箝位電容C將功率開關(guān)管S2承受的電壓箝在3Vin/2，功率開關(guān)管S1承受的電壓仍為零，功率開關(guān)管S5承受的電壓為Vin/2不變，副邊輸出整流二極管D1承受電壓為nVin/2。原邊向副邊傳遞能量。
從上面的分析可知，推挽正激三電平直流變換器，無(wú)論是在3L模式還是在2L模式，都可以很好的減小輸出整流二極管的電壓尖峰，減小輸入輸出濾波器。
由以上描述可知，本發(fā)明提出的推挽正激三電平直流變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)①減小了功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，功率開關(guān)管S5和S6實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)；②輸出整流波形中高頻分量小，可以減小輸出濾波器，從而減小輸出濾波器的重量和體積，并且改善變換器的動(dòng)態(tài)特性；③適合于寬輸入電壓，低壓輸入高壓輸出的場(chǎng)合；④該變換器的輸入電流脈動(dòng)小，因此可以減小輸入濾波器；⑤將輸入三電平支路中的二極管用功率開關(guān)管代替，減小了導(dǎo)通損耗，且不會(huì)增加開關(guān)損耗，提高了變換效率。
⑥在該控制方式下，橋式三電平變換器的三電平支路中靠輸入母線的功率開關(guān)管必須先關(guān)斷，否則三電平支路中另外一個(gè)功率開關(guān)管承受的電壓為Vin，而推挽正激三電平變換器不存在這樣的問題。
權(quán)利要求
1.一種推挽正激三電平變換器主電路，由輸入分壓電容電路(1)的輸出連于由三電平支路(2)與隔離變壓器的第一個(gè)原邊繞組(NP1)串聯(lián)回路和三電平支路(3)與隔離變壓器的第二個(gè)原邊繞組(NP2)串聯(lián)回路所組成的電路兩輸入端，箝位電容(C)兩端分別連于隔離變壓器的第一個(gè)原邊繞組(NP1)與三電平支路(2)交點(diǎn)和隔離變壓器的第二個(gè)原邊繞組(NP2)與三電平支路(3)交點(diǎn)，飛跨電容(Cc)連于兩三電平支路(2)、(3)中功率開關(guān)管的連接點(diǎn)處，隔離變壓器的副邊繞組(NS)連于整流及濾波電路(4)，其特征在于將隔離變壓器第一個(gè)原邊繞組(NP1)的異名端與輸入電源(Vin)的負(fù)極相連接，該原邊繞組(NP1)同名端連于三電平支路(2)的一端，該三電平支路(2)的另一端與輸入電源(Vin)的正極相連接形成一個(gè)串聯(lián)回路和隔離變壓器第二個(gè)原邊繞組(NP2)的異名端與輸入電源(Vin)的正極相連接，該原邊繞組(NP2)同名端連于三電平支路(3)的一端，該三電平支路(3)的另一端與輸入電源(Vin)的負(fù)極相連接形成另一個(gè)串聯(lián)回路相并聯(lián)。
全文摘要
一種涉及推挽正激三電平直流變換器，由輸入分壓電容電路(1)、三電平支路(2)、(3)、隔離變壓器的三個(gè)繞組(N
文檔編號(hào)H02M3/337GK1773827SQ20051009515
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者姚志壘, 肖嵐, 嚴(yán)仰光 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)