一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，包含輸出電壓調(diào)節(jié)器、隔直電容電壓調(diào)節(jié)器、分壓電容電壓調(diào)節(jié)器、隔直電容電壓控制電路和分壓電容均壓控制電路、第一RS觸發(fā)器和第二RS觸發(fā)器；輸出電壓調(diào)節(jié)器和隔直電容電壓調(diào)節(jié)器分別經(jīng)隔直電容電壓控制電路與分壓電容均壓控制電路連接，分壓電容電壓調(diào)節(jié)器連接分壓電容均壓控制電路，分壓電容均壓控制電路的四個(gè)輸出端分別與上述2個(gè)RS觸發(fā)器的四個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)連接，2個(gè)觸發(fā)器的輸出端輸出開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明校正了半橋三電平直流變換器由于參數(shù)不對(duì)稱(chēng)引起的偏壓現(xiàn)象。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，屬于功率電子變換領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]三電平(Three level, TL)直流變換器具有主功率管電壓應(yīng)力低，輸入和輸出濾波器小等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合應(yīng)用于地鐵動(dòng)車(chē)輔助電源、船舶供電等高電壓輸入的功率變換場(chǎng)合。其中，半橋TL直流變換器不僅可以實(shí)現(xiàn)原副邊隔離，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，降低變換器的開(kāi)關(guān)損耗，提高變換效率，所以半橋TL直流變換器一直都被廣泛研究。
[0003]半橋TL直流變換器用兩只開(kāi)關(guān)管串聯(lián)來(lái)代替一只開(kāi)關(guān)管，從而將每只開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力降為輸入電壓Vin的一半。但相互串聯(lián)的兩只開(kāi)關(guān)管的特性及其驅(qū)動(dòng)電路特性不可能完全一致，當(dāng)兩只開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，它們所承擔(dān)的電壓可能不等。帶箝位二極管的半橋三電平直流變換器可以保證兩只開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力均為Vin/2，但是變換器正常工作的是外面的兩只開(kāi)關(guān)管必須先于對(duì)應(yīng)的里面兩只開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。帶飛跨電容的半橋三電平直流變換器解耦了兩只開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程，外面的兩只開(kāi)關(guān)管和里面的兩只開(kāi)關(guān)管分別互補(bǔ)導(dǎo)通，外面的開(kāi)關(guān)管和里面的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)序沒(méi)有限制。但是，當(dāng)輸入分壓電容和飛跨電容電壓不等時(shí)，存在開(kāi)關(guān)電容模態(tài)，回路產(chǎn)生很大的瞬時(shí)電流強(qiáng)迫箝位二極管導(dǎo)通均衡電容電壓，易造成箝位二極管損壞。
[0004]無(wú)箝位二極管和飛跨電容的四開(kāi)關(guān)半橋TL直流變換器本質(zhì)上是兩個(gè)橋臂串聯(lián)，分壓電容可以箝位原邊開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，降低了箝位二極管帶來(lái)的導(dǎo)通損耗，避免了二極管可能出現(xiàn)的可靠性問(wèn)題。但是在實(shí)際工作中，由于控制和驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)以及主功率管的特性不一致等因素造成正負(fù)半周期占空比不等以及續(xù)流時(shí)間不等，導(dǎo)致變換器的分壓電容和隔直電容電壓不一定為Vin/2，即存在偏壓?jiǎn)栴}。但是如果輸入分壓電容電壓不均以及隔直電容電壓不等于Vin/2，那么原邊開(kāi)關(guān)管以及副邊整流二極管的電壓應(yīng)力增加，影響電路的可靠工作。因此需要尋找控制策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入分壓電容均壓和隔直電容電壓等于輸入電壓一半的目的，保證變換器的可靠工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述【背景技術(shù)】存在的問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，實(shí)現(xiàn)輸入分壓電容均壓和隔直電容電壓等于輸入電壓一半的目的，保證變換器的可靠工作。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]—種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，包含輸出電壓調(diào)節(jié)器、隔直電容電壓調(diào)節(jié)器、分壓電容電壓調(diào)節(jié)器、隔直電容電壓控制電路和分壓電容均壓控制電路、第一 RS觸發(fā)器和第二 RS觸發(fā)器；所述隔直電容電壓控制電路包含兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，其中一個(gè)輸入端連接輸出電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，另一個(gè)輸入端連接隔直電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端；所述分壓電容均壓控制電路包含兩個(gè)均壓控制單元，每個(gè)均壓控制單元的輸入端連接隔直電容電壓控制電路的輸出端和分壓電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，第一均壓控制單元的輸出端連接第一 RS觸發(fā)器的輸入端，第二均壓控制單元連接第二 RS觸發(fā)器的輸入端，第一 RS觸發(fā)器和第二 RS觸發(fā)器的輸出端分別輸出開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0008]上述的輸出電壓調(diào)節(jié)器采用第一反相比較器，隔直電容電壓調(diào)節(jié)器采用第二反相比較器，分壓電容電壓調(diào)節(jié)器采用第三反相比較器，第一反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的輸出采樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的輸出基準(zhǔn)電壓；第二反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的隔直電容采樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的隔直電容基準(zhǔn)電壓；第三反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的分壓電容采樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的分壓電容基準(zhǔn)電壓。
[0009]上述的隔直電容電壓控制電路包含第一加法器和第一個(gè)減法器，第一加法器的同相端分別連接輸出電壓調(diào)節(jié)器的輸出端和隔直電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，它的反相端接地；第一減法器的反相端接隔直電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，它的同相端連接輸出電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，且該同相端接地。
[0010]上述的第一均壓控制單元包含第二加法器、第二減法器、第三減法器、第一上升沿捕獲脈沖發(fā)生器、第一下降沿捕獲脈沖發(fā)生器、第一比較器和第二比較器；第二加法器的同相端連接第一加法器的輸出端，它的反相端接地；第二減法器的反相端連接第二加法器的同相端，第二減法器的同相端連接第一加法器的輸出端，且該同相端接地；第一比較器的反相端連接第二加法器的輸出端，第一比較器的輸出端經(jīng)第一下降沿捕獲脈沖發(fā)生器與第一RS觸發(fā)器的R端連接，第二比較器的同相端連接第一比較器的同相端，且該同相端還接入第一三角載波信號(hào)，第二比較器的輸出端經(jīng)第一上升沿捕獲脈沖發(fā)生器與第一 RS觸發(fā)器的S端連接,第一 RS觸發(fā)器的Q端輸出開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0011]上述的第二均壓控制單元包含第三加法器、第三減法器、第二上升沿捕獲脈沖發(fā)生器、第二下降沿捕獲脈沖發(fā)生器、第三比較器和第四比較器；第三加法器的同相端分別連接第二減法器的反相端和分壓電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，它的反相端接地；第三減法器的反相端分別連接第三加法器的同相端和分壓電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端；第三比較器的反相端連接第三加法器的輸出端，第三比較器的輸出端經(jīng)第二上升沿捕獲脈沖發(fā)生器與第二 RS觸發(fā)器的S端連接；第四比較器的反相端連接第三減法器的輸出端，第四比較器的同相端連接第三比較器的同相端，且該同相端接入第二三角載波信號(hào)，第四比較器的輸出端經(jīng)第二下降沿捕獲脈沖發(fā)生器與第二 RS觸發(fā)器的R端連接，第二 RS觸發(fā)器的Q端輸出開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0012]采用上述的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是:
[0013]本發(fā)明提出了一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，校正了由于控制和驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)以及主電路及其寄生參數(shù)不對(duì)稱(chēng)引起的輸入分壓電容不均壓、隔直電容電壓不等于輸入電壓一半的偏壓現(xiàn)象。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明所針對(duì)的半橋三電平直流變換器的電路拓?fù)鋱D。
[0015]圖2是基于圖1的半橋三電平直流變換器的電路圖以及正常工作的波形圖。圖2包括 2-1，2-2。
[0016]圖3.1?3.4是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的四種工作模態(tài)圖。
[0017]圖4是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負(fù)半周占空比不等工作波形圖。
[0018]圖5是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負(fù)半周相位差不等于180°工作波形圖。
[0019]圖6是本發(fā)明的一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路圖。
[0020]圖7是本發(fā)明的一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路的工作波形圖。
[0021]圖8是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負(fù)半周占空比不等實(shí)驗(yàn)波形圖。
[0022]圖9是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負(fù)半周相位差不等于180°的實(shí)驗(yàn)波形圖。
[0023]圖10是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器經(jīng)本發(fā)明的電容電壓控制后的實(shí)驗(yàn)波形圖。圖10包括10-1; 10-2。
[0024]上述附圖中的主要符號(hào)名稱(chēng):
[0025]Cdl>Cd2分別為第一、第二分壓電容，Cb為隔直電容,Q1?Q4分別為第一?第四開(kāi)關(guān)管，D1?D4分別為第一?第四寄生二極管，C1?C4分別為第一?第四寄生電容，Te為主功率變壓器，Lf為輸出濾波電感，Cf為輸出濾波電容，&為輸出負(fù)載電阻。Vin為四開(kāi)關(guān)半橋三電平直流變換器的輸入電壓，Vcb為隔直電容Cb的電壓，Vcdl、Vcd2分別為分壓電容Cdl、Cd2的電壓，V0 f為輸出米樣電壓，Vo ref為輸出基準(zhǔn)電壓，Vea vo為電壓調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，Vcb f為隔直電容采樣電壓，Vcdn fA為隔直電容基準(zhǔn)電壓，Vea a為隔直電容電壓調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，Vmi
分壓電容采樣電壓，Vcdn f/2為分壓電容基準(zhǔn)電壓，Vea m為分壓電容調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，Veai為第一加法器輸出信號(hào)，Vea2為第一減法器輸出信號(hào)，Vea3為第二加法器輸出信號(hào)，Vea4為第二減法器輸出信號(hào)；VEA5為第三加法器輸出信號(hào)，Vea6為第三減法器輸出信號(hào)，Vteii> Vtei2為第一、第二三角載波信號(hào)，Ap A2、A3和A4為脈沖信號(hào)，Clock1, Clock2, Clock3和Clock4為時(shí)鐘信號(hào)，Q2jri為第二開(kāi)關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Q4jri為第四開(kāi)關(guān)管Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0027]如圖1所示的本發(fā)明所針對(duì)的半橋三電平直流變換器的電路拓?fù)鋱D，包含輸入分壓?jiǎn)卧?、四開(kāi)關(guān)半橋單元、主功率變壓器Tk和副邊負(fù)載單元；所述的輸入分壓?jiǎn)卧斎腚妷涸?、第一分壓電容Cdl和第二分壓電容Cd2，第一分壓電容Cdl的正極連接輸入電壓源的正極，第一分壓電容Cdl的負(fù)極連接第二分壓電容Cd2的正極，第二分壓電容Cd2的負(fù)極連接輸入電壓源的負(fù)極；所述的四開(kāi)關(guān)半橋單元包含隔直電容Cb、第一開(kāi)關(guān)管Q1、第二開(kāi)關(guān)管Q2、第三開(kāi)關(guān)管Q3和第四開(kāi)關(guān)管Q4以及與之一一對(duì)應(yīng)的第一?第四寄生二極管和第一?第四寄生電容，第一開(kāi)關(guān)管Q1的源極連接第二開(kāi)關(guān)管Q2的漏極，第二開(kāi)關(guān)管Q2的源極連接第三開(kāi)關(guān)管Q3的漏極，第三開(kāi)關(guān)管Q3的源極連接第四開(kāi)關(guān)管Q4的漏極，第一?第四開(kāi)關(guān)管的漏極分別連接第一?第四寄生二極管的陰極和第一?第四寄生電容的一端，第一?第四開(kāi)關(guān)管的源極分別連接第一?第四寄生二極管的陽(yáng)極和第一?第四寄生電容的另一端，第一開(kāi)關(guān)管Q1的漏極還連接第一分壓電容Cdl的正極，第二開(kāi)關(guān)管Q2與第三開(kāi)關(guān)管Q3的連接點(diǎn)與第一分壓電容Cdl和第二分壓電容Cd2的連接點(diǎn)連接，第一開(kāi)關(guān)管Q1與第二開(kāi)關(guān)管Q2的連接點(diǎn)與主功率變壓器Tk的原邊連接，第三開(kāi)關(guān)管Q3與第四開(kāi)關(guān)管Q4的連接點(diǎn)經(jīng)隔直電容Cb連接到主功率變壓器Tk的原邊；所述的副邊負(fù)載單元包含整流電路、輸出濾波電容Cf和輸出負(fù)載電阻&，主功率變壓器Tk的副邊連接整流電路后依次與輸出濾波電容Cf和輸出負(fù)載電阻&并聯(lián)。
[0028]如圖2-1所示基于圖1的半橋三電平直流變換器的電路圖，就是將圖1所示電路拓?fù)渲械恼麟娐肪唧w為全波整流電路。圖2-2所示為基于圖1的半橋三電平直流變換器的正常工作波形圖，波形圖的橫坐標(biāo)為時(shí)間t，縱坐標(biāo)由上到下依次是開(kāi)關(guān)管的占空比D，AB點(diǎn)電壓vAB,原邊電流ip，輸出濾波電感電流iu，整流二極管DK1、De2電流iDK1、iDK2。由該圖可見(jiàn)，理想情況下，驅(qū)動(dòng)完全對(duì)稱(chēng)，原邊電流ip對(duì)稱(chēng)，橋臂中點(diǎn)電壓Vab對(duì)稱(chēng)。變換器工作時(shí)，輸入分壓電容電壓均壓，隔直電容電壓等于輸入電壓的一半，原邊開(kāi)關(guān)管和副邊整流管電壓應(yīng)力均衡。
[0029]圖3是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的工作模態(tài)圖，圖3-1到3_4分別表示了四個(gè)模態(tài)的工作模態(tài)。
[0030]圖4是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負(fù)半周占空比不等工作波形圖。波形圖的橫坐標(biāo)為時(shí)間t，縱坐標(biāo)由上到下依次是開(kāi)關(guān)管的占空比D，AB點(diǎn)電壓vAB，原邊電流、，輸出濾波電感電流iw。正負(fù)半周占空比不等會(huì)造成隔直電容電壓不等于Vin/2，輸入分壓電容電壓不均，具體分析如下。
[0031 ] 假設(shè)Dp為正半周的占空比，Dn為負(fù)半周的占空比，Tpf為正半周續(xù)流時(shí)間，Tnf為負(fù)半周續(xù)流時(shí)間，Ts為開(kāi)關(guān)周期。當(dāng)變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，根據(jù)變壓器Tk磁通守恒可得下式:
[0032](Vin-Vcb).Dp.Ts = Vcb -Dn-Ts
[0033]當(dāng)正負(fù)半周占空比不等時(shí)，Dp幸Dn，可得隔直電容電壓Va:
【權(quán)利要求】
1.一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特征在于:該電路包含輸出電壓調(diào)節(jié)器、隔直電容電壓調(diào)節(jié)器、分壓電容電壓調(diào)節(jié)器、隔直電容電壓控制電路和分壓電容均壓控制電路、第一 RS觸發(fā)器和第二 RS觸發(fā)器；所述隔直電容電壓控制電路包含兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，其中一個(gè)輸入端連接輸出電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，另一個(gè)輸入端連接隔直電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端；所述分壓電容均壓控制電路包含第一均壓控制單元和第二均壓控制單元，每個(gè)均壓控制單元的輸入端均連接隔直電容電壓控制電路的輸出端和分壓電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，第一均壓控制單元的輸出端連接第一 RS觸發(fā)器的輸入端，第二均壓控制單元連接第二 RS觸發(fā)器的輸入端，第一 RS觸發(fā)器和第二 RS觸發(fā)器的輸出端分別輸出開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特征在于:所述的輸出電壓調(diào)節(jié)器采用第一反相比較器，隔直電容電壓調(diào)節(jié)器采用第二反相比較器，分壓電容電壓調(diào)節(jié)器采用第三反相比較器，第一反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的輸出采樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的輸出基準(zhǔn)電壓；第二反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的隔直電容采樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的隔直電容基準(zhǔn)電壓；第三反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的分壓電容采樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的分壓電容基準(zhǔn)電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特征在于:所述的隔直電容電壓控制電路包含第一加法器和第一減法器，第一加法器的同相端分別連接輸出電壓調(diào)節(jié)器的輸出端和隔直電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，它的反相端接地；第一減法器的反相端接隔直電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，它的同相端連接輸出電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，且該同相端接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特征在于:所述的第一均壓控制單元包含第二加法器、第二減法器、第三減法器、第一上升沿捕獲脈沖發(fā)生器、第一下降沿捕獲脈沖發(fā)生器、第一比較器和第二比較器；第二加法器的同相端連接第一加法器的輸出端，它的反相端接地；第二減法器的反相端連接第二加法器的同相端，第二減法器的同相端連接第一加法器的輸出端，且該同相端接地；第一比較器的反相端連接第二加法器的輸出端，第一比較器的輸出端經(jīng)第一下降沿捕獲脈沖發(fā)生器與第一RS觸發(fā)器的R端連接，第二比較器的同相端連接第一比較器的同相端，且該同相端還接入第一三角載波信號(hào)，第二比較器的輸出端經(jīng)第一上升沿捕獲脈沖發(fā)生器與第一 RS觸發(fā)器的S端連接,第一 RS觸發(fā)器的Q端輸出開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種針對(duì)半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特征在于:所述的第二均壓控制單元包含第三加法器、第三減法器、第二上升沿捕獲脈沖發(fā)生器、第二下降沿捕獲脈沖發(fā)生器、第三比較器和第四比較器；第三加法器的同相端分別連接第二減法器的反相端和分壓電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，它的反相端接地；第三減法器的反相端分別連接第三加法器的同相端和分壓電容電壓調(diào)節(jié)器的輸出端；第三比較器的反相端連接第三加法器的輸出端，第三比較器的輸出端經(jīng)第二上升沿捕獲脈沖發(fā)生器與第二 RS觸發(fā)器的S端連接；第四比較器的反相端連接第三減法器的輸出端，第四比較器的同相端連接第三比較器的同相端，且該同相端接入第二三角載波信號(hào)，第四比較器的輸出端經(jīng)第二下降沿捕獲脈沖發(fā)生器與第二 RS觸發(fā)器的R端連接，第二 RS觸發(fā)器的Q端輸出開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H02M3/28GK103701325SQ201310704910
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】金科, 虞曉陽(yáng), 劉志軍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)