三電平反激變換器主電路拓?fù)涞闹谱鞣椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種三電平反激變換器主電路拓?fù)?，該拓?fù)涫窃趩喂芊醇ぷ儞Q器的基礎(chǔ)上，將直流側(cè)的輸入電容用兩箝位電容、相串聯(lián)的形式替代；將開(kāi)關(guān)管也用兩開(kāi)關(guān)管、相串聯(lián)的形式替代，并在兩電容的中點(diǎn)和兩開(kāi)關(guān)管的中點(diǎn)之間正向串入一只箝位二極管，通過(guò)這些改變使得三電平反激變換器每個(gè)開(kāi)關(guān)管上的最大電壓應(yīng)力均為單管反激變換器開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力的二分之一；輸出側(cè)的整流二極管的電壓應(yīng)力呈階梯狀，的關(guān)斷尖峰也是疊加在階梯電壓的低電平上，可以減小設(shè)計(jì)電壓定額時(shí)留出的裕量，因此三電平反激變換器主電路拓?fù)涓m用于高壓輸入高壓輸出的直流--直流電能變換場(chǎng)合。
【專利說(shuō)明】三電平反激變換器主電路拓?fù)?br> 【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主電路拓?fù)?，該拓?fù)溥m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?jiǎn)潔，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(kāi)關(guān)電源的重要電路拓?fù)鋸V泛適用，但由于反激變換器的隔離變壓器兼起儲(chǔ)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(huì)在開(kāi)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Akira Nabae教授提出，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),每個(gè)開(kāi)關(guān)管只承受一半的直流側(cè)電壓；在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，還具有開(kāi)關(guān)損耗低等特點(diǎn)，因此適合用于高壓輸入的電能變換場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了使反激變換器能在高壓輸入、高壓輸出的場(chǎng)合應(yīng)用，本發(fā)明提出一種三電平反激變換器主電路拓?fù)?，該拓?fù)淇梢杂行У臏p小變換器中輸入側(cè)開(kāi)關(guān)管和輸出側(cè)整流二極管的電壓應(yīng)力或電壓尖峰，拓寬了反激類變換器的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:提供一種三電平反激變換器主電路拓?fù)?，輸入電?E)的正極分別與第一箝位電容(C1)的正極和第一開(kāi)關(guān)管(S1)的漏極相連；輸入電源(E)的負(fù)極分別與第二箝位電容(C2)的負(fù)極和變壓器(T)原邊繞組的繞組同名端相連；箝位二極管(D2)的陽(yáng)極分別與第一箝位電容(C1)的負(fù)極和第二箝位電容(C2)的正極相連；箝位二極管(D2)的陰極分別與第一開(kāi)關(guān)管(S1)的源極和第二開(kāi)關(guān)管(S2)的漏極相連；第二開(kāi)關(guān)管(S2)的源極與變壓器(T)原邊繞組的非繞組同名端相連；變壓器(T)副邊繞組的繞組同名端與整流二極管(D1)的陽(yáng)極相連；整流二極管(D1)的陰極分別與輸出濾波電容(C。)的正極和負(fù)載一端相連；變壓器(T)副邊繞組的非繞組同名端分別與輸出濾波電容(C。)的負(fù)極和負(fù)載的另一端相連。
[0006]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(shí)，用第三開(kāi)關(guān)管S3代替輸出端整流二極管Dp
[0007]本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0008]變換器輸入側(cè)的變壓器原邊繞組上電壓呈現(xiàn)三電平，相同電源電壓下，輸入側(cè)兩開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓應(yīng)力約為單管反激變換器的一半，適用于高壓輸入的應(yīng)用場(chǎng)合；變換器輸出側(cè)的整流二極管(或第三開(kāi)關(guān)管)上電壓應(yīng)力也為三電平形式，通過(guò)合理的控制，可以使整流二極管(或第三開(kāi)關(guān)管)的電壓尖峰疊加在其電壓應(yīng)力的低電平上，可以減小設(shè)計(jì)整流二極管(或第三開(kāi)關(guān)管)電壓定額時(shí)留出的裕量，從而減小整流二極管(或第三開(kāi)關(guān)管)的電壓額定值，適用于高壓輸出的應(yīng)用場(chǎng)合?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1三電平反激變換器主電路拓?fù)鋱D(輸出側(cè)二極管整流)；
[0010]圖2三電平反激變換器主電路拓?fù)鋱D(輸出側(cè)同步整流)；
[0011]圖3三電平反激變換器模態(tài)圖；
[0012]圖4三電平反激變換器主要波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
[0014]如圖4所示，給出了本發(fā)明在一種控制方案中的控制時(shí)序和主要波形示意圖，圖中從上至下波形分別為:第一開(kāi)關(guān)管S1的柵源電壓波形Ugsl ;第二開(kāi)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(kāi)關(guān)管S1的漏源電壓波形Udsl ;第二開(kāi)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 ;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(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可分為3種工作模態(tài)，如圖3所示，分別對(duì)應(yīng)和[t2，t3]三個(gè)時(shí)間段。以下簡(jiǎn)要介紹各工作模態(tài)時(shí)變換器的工作原理:
[0015]模態(tài)1:
[0016]如圖3(a)所示，在Ltc^t1]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(kāi)關(guān)管S1的柵源電壓為零，S1處于關(guān)斷狀態(tài)；第二開(kāi)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。，其中N為變壓器副邊對(duì)原邊的變比，U。為輸出電壓平均值；由于D1截止，副邊繞組電流is為零；另外還可以看到在這個(gè)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。
[0017]模態(tài)2:
[0018]如圖3(b)所示，在[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(kāi)關(guān)管S1和第二開(kāi)關(guān)管S2的柵源電壓均為高電平，Sp S2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“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(gè)階段由于Sp S2都導(dǎo)通，所以Sp S2承受的電壓應(yīng)力為零。
[0019]模態(tài)3:
[0020]如圖3(c)所示，在[t2，t3]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(kāi)關(guān)管S1和第二開(kāi)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(guò)，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(gè)階段由于S1、S2都關(guān)斷，所以S1、S2承受的電壓應(yīng)力均為(NUJE)/2。
[0021]由以上分析可知，三電平反激變換器主電路在使用合適的控制策略情況下，其開(kāi)關(guān)管S1、S2上的最大電壓應(yīng)力為(NUJE)/2，而單管反激變換器中的開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力為NU0+E,由于開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力小一半，因此適合用于高壓輸入的應(yīng)用場(chǎng)合；輸出端的整流二極管D1上的電壓應(yīng)力呈階梯狀，模態(tài)I中應(yīng)力較小約為1.5U。，模態(tài)2中應(yīng)力較大約為2U。，雖然最大的電壓應(yīng)力2U。與單管反激變換器中的整流二極管電壓應(yīng)力相同，但D1從導(dǎo)通向關(guān)斷轉(zhuǎn)變時(shí)，先要經(jīng)過(guò)模態(tài)I階段，因此可以得到關(guān)斷的電壓尖峰必然是疊加在1.5U。上，而不會(huì)疊加到2U。上，這樣就有利于設(shè)計(jì)二極管電壓參數(shù)時(shí)選用較小耐壓等級(jí)的整流二極管，因此適合用于高壓輸出的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0022]另外為了能提高三電平反激變換器的變換效率，可以用第三開(kāi)關(guān)管(S3)代替輸出端整流二極管D1，第三開(kāi)關(guān)管S3的柵源控制電壓，跟第二開(kāi)關(guān)管S2的柵源控制電壓互補(bǔ)導(dǎo)通即可，工作原理跟二極管整流類似，在此不再重復(fù)。
[0023]綜上所述，本發(fā)明解決了反激變換器不能在高壓輸入、高壓輸出應(yīng)用場(chǎng)合使用的技術(shù)問(wèn)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(jià)值。
【權(quán)利要求】
1.三電平反激變換器主電路拓?fù)?，其特征在?輸入電源(E)的正極分別與第一箝位電容(C1)的正極和第一開(kāi)關(guān)管(S1)的漏極相連；輸入電源(E)的負(fù)極分別與第二箝位電容(C2)的負(fù)極和變壓器(T)原邊繞組的繞組同名端相連；箝位二極管(D2)的陽(yáng)極分別與第一箝位電容(C1)的負(fù)極和第二箝位電容(C2)的正極相連；箝位二極管(D2)的陰極分別與第一開(kāi)關(guān)管(S1)的源極和第二開(kāi)關(guān)管(S2)的漏極相連；第二開(kāi)關(guān)管(S2)的源極與變壓器(T)原邊繞組的非繞組同名端相連；變壓器(T)副邊繞組的繞組同名端與整流二極管(D1)的陽(yáng)極相連；整流二極管(D1)的陰極分別與輸出濾波電容(C。)的正極和負(fù)載一端相連；變壓器(T)副邊繞組的非繞組同名端分別與輸出濾波電容(C。)的負(fù)極和負(fù)載的另一端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平反激變換器主電路拓?fù)?，其特征在?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(shí)，用第三開(kāi)關(guān)管(S3)代替輸出端整流二極管(D1)0
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK103546041SQ201310521177
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)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(mèng)劍 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)