三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法，該控制方法是對三電平反激變換器中的兩個開關(guān)管中的第一開關(guān)管采用后通先斷的控制方式，柵源控制波形為，而第二開關(guān)管采用先通后斷的控制方式，柵源控制波形為；該控制方法可使每個開關(guān)管上的最大電壓應(yīng)力均為單管反激變換器開關(guān)管電壓應(yīng)力的二分之一，其中承受的電壓呈階梯狀，關(guān)斷電壓尖峰是疊加在階梯電壓的低電平上，可以減小設(shè)計電壓定額時留出的裕量；輸出側(cè)的整流二極管的電壓應(yīng)力也呈階梯狀，二極管關(guān)斷尖峰可疊加在階梯電壓的低電平上，可以減小設(shè)計電壓定額時留出的裕量，因此該控制方法可充分發(fā)揮三電平反激變換器的電路優(yōu)勢，使其適用于高壓輸入高壓輸出的直流--直流電能變換場合。
【專利說明】三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法，該控制方法有利于降低變換器的電壓應(yīng)力，使變換器適用于高壓直流輸入、高壓直流輸出的中小功率電能變換領(lǐng)域，屬于電力電子直流--直流變換范疇。
【背景技術(shù)】
[0002]反激變換器可靠性高，電路拓?fù)浜啙?，輸入輸出電氣隔離，升/降壓范圍寬，易于多路輸出，因此被作為開關(guān)電源的重要電路拓?fù)渌鶑V泛適用；但由于反激變換器的隔離變壓器兼起儲能電感的作用，變壓器漏感大，若負(fù)載功率較大，較多的漏感能量會在開關(guān)管和整流二極管上產(chǎn)生較高的電壓尖峰；所以通常情況下反激變換器適用于輸入和輸出電壓都不高的中小功率的直流-直流變換領(lǐng)域。
[0003]三電平結(jié)構(gòu)由日本的AkiraNabae教授提出，由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，每個開關(guān)管只承受一半的直流側(cè)電壓；在開關(guān)管開關(guān)過程中，還具有開關(guān)損耗低等特點，因此適合用于高壓輸入的電能變換場合。
[0004]為了使反激變換器能在高壓輸入、高壓輸出的場合應(yīng)用，本發(fā)明結(jié)合三電平反激變換器主電路拓?fù)?，給出了一種優(yōu)化的控制方法，充分發(fā)揮了三電平反激變換器的特點，具有較好的實際應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法，通過這種控制可以使三電平反激變換器中開關(guān)管和輸出二極管所承受的電壓尖峰有所減小，更加適用于高壓輸入、高壓輸出的電能變換場合，拓寬了三電平反激變換器的應(yīng)用范圍。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0007]一種三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法，其特征在于:變換器中的第一開關(guān)管的柵源控制波形Ugsl和第二開關(guān)管的柵源控制波形Ugs2占空比不同，Ugs2占空比必須大于Ugsi的占空比，從控制時序上看Ugsl滯后Ugs2跳變?yōu)楦唠娖?，并且超前Ugs2跳變?yōu)榈碗娖剑谶@種控制方法中第一開關(guān)管處于后通先斷的工作狀態(tài)，第二開關(guān)管處于先通后斷的工作狀態(tài)。
[0008]進(jìn)一步改進(jìn)在于:三電平反激變換器在同步整流模式下工作，在該模式工作時，用第三開關(guān)管S3代替輸出整流二極管D1，第三開關(guān)管S3的柵源控制波形Ugs3與第二開關(guān)管S2的柵源控制波形Ugs2互補導(dǎo)通。
[0009]本發(fā)明與非優(yōu)化的三電平反激變換器控制方法相比，具有以下技術(shù)效果，如圖3，圖4和圖5所示:
[0010]從第一開關(guān)管S1漏源電壓波形Udsl可以看到，關(guān)斷時本發(fā)明Udsl為E2，其中E為電源電壓；而采用不優(yōu)化控制方法Udsl為(NUJE)/2，其中N為變壓器副邊對原邊的變比，U。為變換器輸出電壓平均值。因此本發(fā)明中S1的關(guān)斷電壓尖峰是疊加在E2上，而不是疊加在數(shù)值將近高一倍的(NUJE)/2上，于是S1可選取耐壓值較低的開關(guān)管。[0011]從第二開關(guān)管S2漏源電壓波形Uds2可以看到，關(guān)斷時本發(fā)明Uds2始終保持為(NUJE) /2，而采用不優(yōu)化控制方法Uds2先為NUJE，后下降到(NUJE) /2，因此本發(fā)明中S2的關(guān)斷電壓應(yīng)力僅為非優(yōu)化控制方法的一半，于是S2可選取耐壓值較低的開關(guān)管。
[0012]本發(fā)明允許同步整流技術(shù)在其中應(yīng)用，使用同步整流技術(shù)只需要將整流二極管換成第三開關(guān)管，S3的控制電壓波形Ugs3與S2的控制電壓波形Ugs2互補，采用同步整流技術(shù)可以有效提高變換器的變換效率。
[0013]從整流二極管上電壓波形Udi或同步整流管漏源電壓波形Uds3可以看到，關(guān)斷時uD1或Uds3先為較低的電平E/2N+U。，然后才變?yōu)檩^高的電平E/N+U。，所以二極管關(guān)斷電壓尖峰是加在E/2N+U。上，因此D1或S3可選取耐壓值較低的管子。
[0014]根據(jù)上述的分析結(jié)果，如果在兩種控制方案下，使用相同耐壓值的開關(guān)管和二極管，很顯然本發(fā)明中的控制方法可以使變換器能承受更高的輸入電壓和獲得更高的輸出電壓，因此適合用于高壓輸入高壓輸出的直流電能變換場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1三電平反激變換器主電路拓?fù)洌?br> [0016]圖2三電平反激變換器優(yōu)化控制波形圖；
[0017]圖3優(yōu)化控制方法主要波形示意圖(輸出側(cè)二極管整流)；
[0018]圖4優(yōu)化控制方法主要波形示意圖(輸出側(cè)同步整流)；
[0019]圖5非優(yōu)化控制方法主要波形示意圖；
[0020]圖6三電平反激變換器主電路拓?fù)鋱D(輸出側(cè)二極管整流)；
[0021]圖7三電平反激變換器主電路拓?fù)鋱D(輸出側(cè)同步整流)。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0023]如圖3所示，圖中從上至下波形分別為:第一開關(guān)管S1的柵源電壓波形Ugsl ;第二開關(guān)管S2的柵源電壓波形Ugs2 ;變壓器T原邊繞組電流波形ip ;變壓器T副邊繞組電流波形is ;變壓器T原邊繞組電壓波形uTp ;第一開關(guān)管S1的漏源電壓波形Udsl ;第二開關(guān)管S2的漏源電壓波形Uds2和整流二極管D1上電壓波形uD1 ;假設(shè)變換器工作在電流連續(xù)情況下，該三電平反激變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)可分為4種工作模態(tài)，分別對應(yīng)[h，tj、[t1； t2]、[t2，t3]和[t3，t4]四個時間段，以下簡要介紹各工作模態(tài)時變換器的工作原理:
[0024]模態(tài)1:
[0025][t0, tj階段，第一箝位電容C1和第二箝位電容C2均分電源電壓E ;第一開關(guān)管S1的柵源電壓為零，S1處于關(guān)斷狀態(tài)；第二開關(guān)管S2的柵源電壓為高電平，S2處于導(dǎo)通狀態(tài)；箝位二極管D2導(dǎo)通；于是C2上的電壓E/2加在變壓器T原邊繞組上，原邊繞組電流ip線性增加；變壓器T副邊繞組上感應(yīng)出的電壓極性是上負(fù)下正，其方向與輸出電壓U。方向一致，所以可以得到整流二極管D1是承受反偏電壓截止的，反偏電壓的幅值為E/2N+U。；由于D1截止，副邊繞組電流is為零；另外還可以看到在這個階段S1漏源承受的電壓應(yīng)力為E/2，S2承受的電壓應(yīng)力為零。
[0026]模態(tài)2:[0027][t1； t2]階段，第一箝位電容C1和第二箝位電容C2均分電源電壓E ;第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2的柵源電壓均為高電平，SpS2都處于導(dǎo)通狀態(tài)；由于S1導(dǎo)通，箝位二極管D2承受反壓，處于關(guān)斷狀態(tài)；于是電源電壓E加在變壓器T原邊繞組上，原邊繞組電流ip線性增加，但電流上升斜率比模態(tài)I期間要大；變壓器T副邊繞組上感應(yīng)出的電壓極性仍舊是上負(fù)下正，其方向與輸出電壓U。方向一致，所以可以得到整流二極管D1是承受反偏電壓截止的，但反偏電壓的幅值為E/N+U。；由于D1截止，副邊繞組電流is為零；在這個階段由于S:、S2都導(dǎo)通，所以S^S2*受的電壓應(yīng)力為零。
[0028]模態(tài)3:
[0029][t2，t3]階段，第一開關(guān)管S1關(guān)斷；第二開關(guān)管S2保持導(dǎo)通；該模態(tài)跟模態(tài)I完全一樣，在此不做重復(fù)。
[0030]模態(tài)4:
[0031][t3，t4]階段，第一箝位電容C1和第二箝位電容C2均分電源電壓E ;第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2的柵源電壓均為零，SpS2都處于關(guān)斷狀態(tài)；由于SpS2都關(guān)斷，箝位二極管D2上不可能有電流流過，所以D2處于關(guān)斷狀態(tài)；于是變壓器T原邊繞組電流ip為零；變壓器T副邊繞組上的電壓極性變?yōu)樯险仑?fù)，所以可以得到整流二極管D1是承受正向電壓導(dǎo)通的，變壓器向負(fù)載釋放能量，副邊繞組電流^線性減小辦上的壓降為零，變壓器副邊繞組上的電壓等于輸出電壓；變壓器原邊繞組上的電壓為輸出電壓折算到原邊的電壓；在這個階段由于S、S2都關(guān)斷，所以Sp S2承受的電壓應(yīng)力均為(NUJE)/2。
[0032]圖5為非優(yōu)化控制方法下三電平反激變換器的控制時序和主要波形圖。對比圖6和圖5可以看到，不同的控制方法所起到的實際效果是不一樣的，本發(fā)明可以使51的關(guān)斷電壓尖峰疊加在電平E/2上，而不是疊加在數(shù)值將近高一倍的電平(NUJE)/2上；可以使S2的關(guān)斷電壓應(yīng)力從電平NUJE下降到電平(NUJE)/2，下降了一半；可以使二極管關(guān)斷電壓尖峰是加在E/2N+U。上，而不是疊加在數(shù)值較高的電平E/N+U。；另外還能使用同步整流技術(shù)，用第三開關(guān)管S3代替整流二極管D1有利于提高變換器的變換效率。
[0033]綜上所述， 本發(fā)明使得變換器更適合在高壓輸入、高壓輸出應(yīng)用場合使用的技術(shù)問題，拓寬了反激變換器的應(yīng)用范圍，具有一定的工程應(yīng)用價值。
【權(quán)利要求】
1.三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法，其特征在于:變換器中的第一開關(guān)管(S1)的柵源控制波形Ugsl和第二開關(guān)管(S2)的柵源控制波形Ugs2占空比不同，Ugs2占空比必須大于Ugsl的占空比，從控制時序上看Ugsl滯后Ugs2跳變?yōu)槁勲娖?，并且超ugs2跳變?yōu)榈碗娖剑谶@種控制方法中第一開關(guān)管(S1)處于后通先斷的工作狀態(tài)，第二開關(guān)管(S2)處于先通后斷的工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法，其特征在于:三電平反激變換器在同步整流模式下工作，在該模式工作時，用第三開關(guān)管(S3)代替輸出整流二極管(D1),第三開關(guān)管(S3)的柵源控制波形Ugs3與第二開關(guān)管(S2)的柵源控制波形Ugs2互補導(dǎo)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平反激變換器的優(yōu)化控制方法，其特征在于:該三電平反激變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)分為四種工作模態(tài)，分別對應(yīng)[V tj、[t1； t2]、[t2，t3]和[t3，t4]四個時間段。
【文檔編號】H02M3/28GK103560672SQ201310520753
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】馬海嘯, 葉海云, 孫夢劍 申請人:南京郵電大學(xué)