專利名稱：串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率變換器及其控制方法，特別涉及一種串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器及其控制方法。
背景技術(shù)：
進(jìn)行高壓輸入如三相交流電380V的直流變換，經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正，電壓輸出往往會(huì)達(dá)到700-800V。在煤礦井下，電網(wǎng)電壓等級(jí)存在交流660V或1140V，經(jīng)過(guò)整流后會(huì)達(dá)到 1000V甚者2000V。針對(duì)以這些高電壓等級(jí)作為輸入電源的直流-直流功率變換器，如果采取單個(gè)移相全橋功率變換器，則功率開(kāi)關(guān)管的耐壓值會(huì)達(dá)到2000V以上。不僅功率開(kāi)關(guān)器件成本高，而且限制了開(kāi)關(guān)頻率提高。為了選用耐壓值較低的功率開(kāi)關(guān)管來(lái)解決高壓輸入直流變換的問(wèn)題，目前主要采用三電平直流功率變換器技術(shù)方案、功率開(kāi)關(guān)管直接串聯(lián)技術(shù)方案以及功率變換器的輸入串聯(lián)方案這3種方案。第三類方案必須解決串聯(lián)模塊輸入電壓的均壓?jiǎn)栴}，普遍方法是每個(gè)模塊有獨(dú)立的控制器，并給該控制器增加專門(mén)的均壓控制環(huán)，這就增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺陷，提供一種可以適用于高電壓輸入、高電壓輸出場(chǎng)合的功率變換拓?fù)溲b置，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和整機(jī)成本，提高系統(tǒng)可靠性的串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器及其控制方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，包括全橋功率變換器及其移相控制電路，所述全橋功率變換器包括具有相同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的第一模塊和第二模塊，以及第一模塊和第二模塊共用的移相控制電路，其中第一模塊包括并聯(lián)于其輸入端的第一輸入濾波電容和并聯(lián)于其輸出端的第一輸出濾波電容，第二模塊包括并聯(lián)于其輸入端的第二輸入濾波電容和并聯(lián)于其輸出端的第二輸出濾波電容，第一模塊和第二模塊的輸入端相互串聯(lián)，第一模塊和第二模塊的輸出端也相互串聯(lián)，即輸入電壓加在相互串聯(lián)的第一輸入濾波電容和第二輸入濾波電容上，而輸出電壓加在相互串聯(lián)的第一輸出濾波電容和第二輸出濾波電容上；移相控制電路輸出有PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，第一模塊和第二模塊的功率開(kāi)關(guān)管共用相同的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明單相串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其中所述第一模塊和第二模塊為帶有飽和電感的零電壓零電流全橋功率變換器。本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其中所述第一模塊和第一模塊第二模塊為零電壓零電流開(kāi)關(guān)全橋功率變換器。本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其中所述移相控制電路包括取樣電路、移相驅(qū)動(dòng)控制電路、放大電路和4個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器，其中取樣電路包括并聯(lián)接在全橋功率變換器輸出端的兩個(gè)取樣電阻，取樣信號(hào)由兩個(gè)取樣電阻的連接點(diǎn)輸出至移相驅(qū)動(dòng)控制電路，移相驅(qū)動(dòng)控制電路輸出的4個(gè)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)分別接至放大電路的4個(gè)輸入端，放大電路的第一輸出端和第二輸出端分別接至第一驅(qū)動(dòng)變壓器和第二驅(qū)動(dòng)變壓器的輸入端，放大電路的第三輸出端和第四輸出端分別接至第三驅(qū)動(dòng)變壓器和第四驅(qū)動(dòng)變壓器的輸入端，第一驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端和第三驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端分別接至第一模塊功率開(kāi)關(guān)管的控制端， 第二驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端和第四驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端分別接至第二模塊功率開(kāi)關(guān)管的控制端。 本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其中所述移相驅(qū)動(dòng)控制電路采用型號(hào)為UC3875的芯片構(gòu)成。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器的控制方法，其中全橋功率變換器設(shè)置具有相同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的第一模塊和第二模塊，以及所述第一模塊和第二模塊共用的移相控制電路，所述移相控制電路設(shè)置取樣電路、移相驅(qū)動(dòng)控制電路、放大電路和4個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器，該控制方法包括；1)將所述第一模塊和第二模塊的輸入端相互串聯(lián)，所述第一模塊和第二模塊的輸出端也相互串聯(lián)，所述移相控制電路輸出有PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述第一模塊和第二模塊的功率開(kāi)關(guān)管共用該相同的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；2)將由全橋功率變換器輸出端的兩個(gè)取樣電阻獲得的取樣信號(hào)輸出至所述移相驅(qū)動(dòng)控制電路，所述移相驅(qū)動(dòng)控制電路輸出4個(gè)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)分別接至所述放大電路的4 個(gè)輸入端，所述放大電路的第一輸出端和第二輸出端分別接至第一驅(qū)動(dòng)變壓器和第二驅(qū)動(dòng)變壓器的輸入端，所述放大電路的第三輸出端和第四輸出端分別接至第三驅(qū)動(dòng)變壓器和第四驅(qū)動(dòng)變壓器的輸入端，所述第一驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端和第三驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端分別接至所述第一模塊功率開(kāi)關(guān)管的控制端，所述第二驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端和第四驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端分別接至所述第二模塊功率開(kāi)關(guān)管的控制端。本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器及其控制方法的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于由于采用了串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，設(shè)置了兩個(gè)全橋功率變換器共用的一套移相控制電路，該控制電路輸出兩路完全相同的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)全橋功率變換器對(duì)應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)管，兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)電氣隔離，從而實(shí)現(xiàn)了一種解決高壓輸入高壓輸出的功率變換拓?fù)?，適用于高電壓輸入、高電壓輸出場(chǎng)合，并且電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和整機(jī)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。下面將結(jié)合實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器的方框圖；圖2是帶有飽和電感的零電壓零電流全橋功率變換器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是零電壓開(kāi)關(guān)全橋功率變換器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效電路圖；圖5是本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器實(shí)施例的電路原理圖；圖6是移相控制電路的電路原理圖；圖7是放大電路的電路原理圖；
圖8是驅(qū)動(dòng)變壓器的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，包括全橋功率變換器及其移相控制電路。全橋功率變換器包括具有相同結(jié)構(gòu)的第一模塊和第二模塊，按照相同參數(shù)設(shè)計(jì)制造。其中第一模塊包括并聯(lián)于其輸入端的第一輸入濾波電容Cl和并聯(lián)于其輸出端的第一輸出濾波電容Col，第二模塊包括并聯(lián)于其輸入端的第二輸入濾波電容C2和并聯(lián)于其輸出端的第二輸出濾波電容Co2。第一模塊和第二模塊的輸入端相互串聯(lián)，第一模塊和第二模塊的輸出端也相互串聯(lián)，即輸入電壓加在相互串聯(lián)的第一輸入濾波電容Cl和第二輸入濾波電容C2上，而輸出電壓加在相互串聯(lián)的第一輸出濾波電容Col和第二輸出濾波電容Co2上。移相控制電路輸出有PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，第一模塊和第二模塊的功率開(kāi)關(guān)管共用相同的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用的移相控制策略如附圖4。在本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器的具體實(shí)施例中，全橋功率變換器由兩個(gè)零電壓零電流全橋功率變換器輸入端相互串聯(lián)、輸出端也相互串聯(lián)組成，用一片 UC3875控制芯片實(shí)現(xiàn)移相控制輸出占空比信號(hào)分給兩個(gè)全橋功率變換器模塊。參照?qǐng)D2和圖3，全橋功率變換器的基本工作原理采用現(xiàn)有技術(shù)，簡(jiǎn)述如下當(dāng)變換器橋臂斜對(duì)角兩只主功率開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸入電源將能量傳送到輸出端，與此同時(shí)原邊阻斷電容Cb由原邊電流充電，其上電壓Vcb從一個(gè)方向向另一個(gè)方向線性變化，飽和電感處于飽和狀態(tài)。在超前臂開(kāi)關(guān)管狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程完成后原邊處于續(xù)流階段時(shí)，阻斷電容上的電壓近似保持恒定，極性與原邊電流相同，恰好成為一個(gè)反向阻斷電壓源，使得原邊電流迅速下降到零。原邊電流下降到零后，將試圖向反方向變化，但這時(shí)飽和電感已退出飽和，呈現(xiàn)出很大的感性，阻止了電流的進(jìn)一步流動(dòng)，使電流保持在零。在變換器的整個(gè)工作狀態(tài)中，利用功率開(kāi)關(guān)管的寄生電容和變壓器的漏感諧振，從而使功率開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓的導(dǎo)通和零電流關(guān)斷。盡管兩個(gè)模塊共用占空比信號(hào)D，移相控制的全橋功率變換器存在其特有的占空比丟失現(xiàn)象。占空比丟失是因?yàn)樽儞Q器中存在諧振電感，原邊電流在從正(負(fù))向變化到負(fù) (正)向時(shí)，由于原邊電流不足以提供負(fù)載電流，負(fù)邊的整流管均導(dǎo)通，負(fù)載處于續(xù)流狀態(tài)， 從而副邊電壓就丟失了這一部分的方波電壓，也就是說(shuō)變壓器副邊占空比會(huì)比變壓器原邊占空比小。變壓器副邊的占空比是有效占空比，受變壓器原邊漏感、輸入電壓、輸出電流、等參數(shù)不完全一致的影響，第一模塊的有效占空比Deffl和第二模塊的有效占空比Deff2并不相同。因此對(duì)于兩個(gè)模塊的輸入電壓Vinl和Vin2和輸出電壓Uol和Uo2有如下公式U01 = VinlNDeffl (1)U02 = Vin2NDeff2 (2)其中N為Ns/Np，Ns是變壓器副邊繞組匝數(shù)，Np是變壓器原邊繞組匝數(shù)，兩個(gè)變壓器具有相同的匝比N。兩個(gè)模塊具有相同的輸出電流Ιο。設(shè)Plossl和Ploss2分別為兩個(gè)模塊的損耗功率，該損耗包括開(kāi)關(guān)管、輸出整流二極管、變壓器、電感等器件的損耗功率，損耗功率和輸出功率具有一定的關(guān)系，定義為Plossl = λ1( 0 0)υ0 Ι0 (3)Ploss2 = λ2( 02 0)υ02Ι0 (4)其中λ 1(UolIo)和λ 2(Uo2Io)分別表示為兩個(gè)模塊在對(duì)應(yīng)的輸出功率下的損耗系數(shù)。 為了方便，將λ·-表示為λ2(υ。2Ι。)表示為λ2。一般功率變換器的損耗功率與輸出功率之間并不具有線性特征，所以入工和λ2并不是一個(gè)固定的數(shù)值，而是隨著輸出功率變化而變化的系數(shù)。參照?qǐng)D5和圖6，按照功率相等原則將輸出功率及損耗功率等效到變壓器原邊，并以電流源表示，如果要輸入平均電壓Uin穩(wěn)定，且Vinl和Vin2穩(wěn)定，則電容Cl和電容 C2的平均電流Ia = Ic2 = 0，兩個(gè)模塊串聯(lián)，兩個(gè)模塊的總輸入電流均為Iin，因此有
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，包括全橋功率變換器及其移相控制電路，其特征在于所述全橋功率變換器包括具有相同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的第一模塊和第二模塊， 以及所述第一模塊和第二模塊共用的移相控制電路，其中所述第一模塊包括并聯(lián)于其輸入端的第一輸入濾波電容(Cl)和并聯(lián)于其輸出端的第一輸出濾波電容(Col)，所述第二模塊包括并聯(lián)于其輸入端的第二輸入濾波電容(C2)和并聯(lián)于其輸出端的第二輸出濾波電容 (Co2)，所述第一模塊和第二模塊的輸入端相互串聯(lián)，所述第一模塊和第二模塊的輸出端也相互串聯(lián)，即輸入電壓加在相互串聯(lián)的所述第一輸入濾波電容(Cl)和第二輸入濾波電容 (C2)上，而輸出電壓加在相互串聯(lián)的所述第一輸出濾波電容(Col)和第二輸出濾波電容 (Co2)上；所述移相控制電路輸出有PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述第一模塊和第二模塊的功率開(kāi)關(guān)管共用該相同的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其特征在于其中所述第一模塊和第二模塊為帶有飽和電感的零電壓零電流全橋功率變換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其特征在于其中所述第一模塊和第一模塊第二模塊為零電壓開(kāi)關(guān)全橋功率變換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其特征在于 其中所述移相控制電路包括取樣電路、移相驅(qū)動(dòng)控制電路、放大電路和4個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器，其中所述取樣電路包括并聯(lián)接在全橋功率變換器輸出端的兩個(gè)取樣電阻(RIO、R20)，取樣信號(hào)(VJ由兩個(gè)所述取樣電阻(R10、R20)的連接點(diǎn)輸出至所述移相驅(qū)動(dòng)控制電路，所述移相驅(qū)動(dòng)控制電路輸出4個(gè)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)(OUTA、OUTB、OUTC和0UTD)分別接至所述放大電路的4個(gè)輸入端，所述放大電路的第一輸出端(A)和第二輸出端(B)分別接至第一驅(qū)動(dòng)變壓器(Tl)和第二驅(qū)動(dòng)變壓器(T2)的輸入端，所述放大電路的第三輸出端(C)和第四輸出端 (D)分別接至第三驅(qū)動(dòng)變壓器(T3)和第四驅(qū)動(dòng)變壓器(T4)的輸入端，所述第一驅(qū)動(dòng)變壓器 (Tl)的輸出端(A2+、A2-、B2+、B2_)和第三驅(qū)動(dòng)變壓器(T3)的輸出端(C2+、C2_、D2+、D2_) 分別接至所述第一模塊功率開(kāi)關(guān)管的控制端，所述第二驅(qū)動(dòng)變壓器(T2)的輸出端(Al+、 Al-、Bi+、Bl-)和第四驅(qū)動(dòng)變壓器(T4)的輸出端(C1+、C1-D1+、D1_)分別接至所述第二模塊功率開(kāi)關(guān)管的控制端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其特征在于其中所述移相驅(qū)動(dòng)控制電路采用型號(hào)為UC3875的芯片構(gòu)成。
6.一種串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器的控制方法，其特征在于全橋功率變換器設(shè)置具有相同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的第一模塊和第二模塊，以及所述第一模塊和第二模塊共用的移相控制電路，所述移相控制電路設(shè)置取樣電路、移相驅(qū)動(dòng)控制電路、放大電路和4個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器，該控制方法包括；1)將所述第一模塊和第二模塊的輸入端相互串聯(lián)，所述第一模塊和第二模塊的輸出端也相互串聯(lián)，所述移相控制電路輸出有PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述第一模塊和第二模塊的功率開(kāi)關(guān)管共用該相同的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；2)將由全橋功率變換器輸出端的兩個(gè)取樣電阻獲得的取樣信號(hào)輸出至所述移相驅(qū)動(dòng)控制電路，所述移相驅(qū)動(dòng)控制電路輸出4個(gè)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)分別接至所述放大電路的4個(gè)輸入端，所述放大電路的第一輸出端和第二輸出端分別接至第一驅(qū)動(dòng)變壓器和第二驅(qū)動(dòng)變壓器的輸入端，所述放大電路的第三輸出端和第四輸出端分別接至第三驅(qū)動(dòng)變壓器和第四驅(qū)動(dòng)變壓器的輸入端，所述第一驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端和第三驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端分別接至所述第一模塊功率開(kāi)關(guān)管的控制端，所述第二驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端和第四驅(qū)動(dòng)變壓器的輸出端分別 接至所述第二模塊功率開(kāi)關(guān)管的控制端。
全文摘要
本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器，其中全橋功率變換器包括具有相同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的兩個(gè)模塊。第一模塊包括并聯(lián)于其輸入端的第一輸入濾波電容和并聯(lián)于其輸出端的第一輸出濾波電容，第二模塊包括并聯(lián)于其輸入端的第二輸入濾波電容和并聯(lián)于其輸出端的第二輸出濾波電容。移相控制電路輸出兩個(gè)模塊的功率開(kāi)關(guān)管共用的相同PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明同時(shí)提供了串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器的控制方法。本發(fā)明串聯(lián)輸入串聯(lián)輸出的全橋功率變換器及其控制方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了一種解決高壓輸入高壓輸出的功率變換拓?fù)?，適用于高電壓輸入、高電壓輸出場(chǎng)合，并且電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和整機(jī)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號(hào)H02M3/335GK102158095SQ20111013603
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者盧其威, 楊子靖, 林帥, 王聰, 程紅, 鄒甲 申請(qǐng)人:盧其威