專(zhuān)利名稱(chēng)：三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流變換器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流—直流變換器。具體說(shuō)是涉及三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流變換器電路。
背景技術(shù)：
常規(guī)的buck、boost、buck-boost和CUK四種三電平直流—直流變換器，分別具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的單元電路，每個(gè)單元電路包括功率開(kāi)關(guān)管S，續(xù)流二極管D，一般為硬開(kāi)關(guān)工作。近年來(lái)，相繼研究了一些軟開(kāi)關(guān)電路，主要有兩種一種是在變換器中附加有源和無(wú)源元件，實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開(kāi)關(guān)，由于采用元件數(shù)量多，且需額外的檢測(cè)，故控制復(fù)雜，成本高，可靠性差；另一種是附加含電阻的無(wú)源緩沖電路，其能量損耗大，工作時(shí)能量消耗在電阻上，導(dǎo)致電路工作效率下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供附加元件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，無(wú)需額外的檢測(cè)和控制，且無(wú)能量損耗的三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流—直流變換器電路。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，對(duì)于具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元，且每個(gè)單元電路包括有功率開(kāi)關(guān)管S，續(xù)流二極管D的buck或boost或buck-boost或CUK電路，采取在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管的接點(diǎn)處接入電感，功率開(kāi)關(guān)管并聯(lián)由第一電容和第一二極管構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管與功率開(kāi)關(guān)管方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感一端相連，在續(xù)流二極管的兩端并聯(lián)由第二電容和第二二極管構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管與續(xù)流二極管方向一致，第二電容與續(xù)流二極管的接點(diǎn)與電感的另一端相連，在第一電容和第一二極管的接奌與第二電容和第二二極管的接點(diǎn)間接入第三二極管，第一、第二、第三這三個(gè)二極管的極性相一致。
工作時(shí)，電感和兩個(gè)電容之間的諧振實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷，以及續(xù)流二極管的零電壓關(guān)斷和零電壓開(kāi)通。同時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期電容收集這些諧振能量，并最終將其轉(zhuǎn)移到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了吸收電路的無(wú)損運(yùn)行。
本發(fā)明的三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流—直流變換器電路附加元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，無(wú)需額外的檢測(cè)和控制，電路中無(wú)能量損耗元件，可提高三電平直流—直流變換器的效率，且換流過(guò)程中，功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)無(wú)電壓過(guò)沖，續(xù)流二極管開(kāi)通時(shí)無(wú)電流過(guò)沖。另外功率開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管的并聯(lián)回路均為最小環(huán)，即僅由一個(gè)二極管和一個(gè)電容構(gòu)成，可使關(guān)斷時(shí)的電壓應(yīng)力為最小。


圖1是本發(fā)明在BUCK直流—直流變換器中的應(yīng)用實(shí)例；圖2是本發(fā)明在BOOST直流一直流變換器中的應(yīng)用實(shí)例；圖3是本發(fā)明在BUCK-BOOST直流—直流變換器中的應(yīng)用實(shí)例；圖4是本發(fā)明在CUK直流—直流變換器中的應(yīng)用實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流—直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元的buck電路，每個(gè)單元包括功率開(kāi)關(guān)管S、續(xù)流二極管D，其特征是在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管S和續(xù)流二極管D的接點(diǎn)處接入電感Ls，功率開(kāi)關(guān)管S并聯(lián)由第一電容Cs和第一二極管Ds構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管Ds與功率開(kāi)關(guān)管S方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感Ls一端相連，在續(xù)流二極管D的兩端并聯(lián)由第二電容Co和第二二極管Dc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管Dc與續(xù)流二極管D方向一致，第二電容Co與續(xù)流二極管D的接點(diǎn)與電感Ls的另一端相連，在第一電容Cs和第一二極管Ds的接奌與第二電容Co和第二二極管Dc的接點(diǎn)間接入第三二極管Do，第一、第二、第三這三個(gè)二極管Ds、Dc、Do的極性相一致。
參見(jiàn)圖2，三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流—直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元的boost電路，每個(gè)單元包括功率開(kāi)關(guān)管S、續(xù)流二極管D，其特征是在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管S和續(xù)流二極管D的接點(diǎn)處接入電感Ls，功率開(kāi)關(guān)管S并聯(lián)由第一電容Cs和第一二極管Ds構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管Ds與功率開(kāi)關(guān)管S方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感Ls一端相連，在續(xù)流二極管D的兩端并聯(lián)由第二電容Co和第二二極管Dc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管Dc與續(xù)流二極管D方向一致，第二電容Co與續(xù)流二極管D的接點(diǎn)與電感Ls的另一端相連，在第一電容Cs和第一二極管Ds的接奌與第二電容Co和第二二極管Dc的接點(diǎn)間接入第三二極管Do，第一、第二、第三這三個(gè)二極管Ds、Dc、Do的極性相一致。
參見(jiàn)圖3，三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流—直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元的buck-boost電路，每個(gè)單元包括功率開(kāi)關(guān)管S、續(xù)流二極管D，其特征是在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管S和續(xù)流二極管D的接點(diǎn)處接入電感Ls，功率開(kāi)關(guān)管S并聯(lián)由第一電容Cs和第一二極管Ds構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管Ds與功率開(kāi)關(guān)管S方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感Ls一端相連，在續(xù)流二極管D的兩端并聯(lián)由第二電容Co和第二二極管Dc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管Dc與續(xù)流二極管D方向一致，第二電容Co與續(xù)流二極管D的接點(diǎn)與電感Ls的另一端相連，在第一電容Cs和第一二極管Ds的接奌與第二電容Co和第二二極管Dc的接點(diǎn)間接入第三二極管Do，第一、第二、第三這三個(gè)二極管Ds、Dc、Do的極性相一致。
參見(jiàn)圖4，三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流一直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元的CUK電路，每個(gè)單元包括功率開(kāi)關(guān)管S、續(xù)流二極管D，其特征是在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管S和續(xù)流二極管D的接點(diǎn)處接入電感Ls，功率開(kāi)關(guān)管S并聯(lián)由第一電容Cs和第一二極管Ds構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管Ds與功率開(kāi)關(guān)管S方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感Ls一端相連，在續(xù)流二極管D的兩端并聯(lián)由第二電容Co和第二二極管Dc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管Dc與續(xù)流二極管D方向一致，第二電容Co與續(xù)流二極管D的接點(diǎn)與電感Ls的另一端相連，在第一電容Cs和第一二極管Ds的接奌與第二電容Co和第二二極管Dc的接點(diǎn)間接入第三二極管Do，第一、第二、第三這三個(gè)二極管Ds、Dc、Do的極性相一致。
三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流—直流變換器電路的工作情況，以圖2電路為例，其存在兩種換流情況，即每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管與續(xù)流二極管之間換流。由于電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，僅以一個(gè)單元的換流過(guò)程為例分析如下功率開(kāi)關(guān)管S開(kāi)通，續(xù)流二極管D關(guān)斷的換流過(guò)程換流之前，電路處于功率開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷、續(xù)流二極管D續(xù)流的穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管S開(kāi)通時(shí)，由于諧振電感Ls的存在，功率開(kāi)關(guān)管S的電流從零開(kāi)始以一定斜率線性上升，即功率開(kāi)關(guān)管S實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通，同時(shí)續(xù)流二極管D的電流值從輸入電流開(kāi)始以相同的斜率線性減小，直至續(xù)流二極管D關(guān)斷。此時(shí)，第二電容Co端電壓為零。第一電容Cs、第三二極管Do、第二電容Co、電感Ls開(kāi)始諧振，續(xù)流二極管D端電壓從零諧振上升，實(shí)現(xiàn)續(xù)流二極管D的零電壓關(guān)斷。第一電容Cs放電至零，第一二極管Ds自然導(dǎo)通，VCs保持恒定為零，電感Ls、第一二極管Ds、第三二極管Do、第二電容Co開(kāi)始第二個(gè)諧振過(guò)程，當(dāng)電容Co的電流減小到零時(shí)，第二個(gè)諧振過(guò)程結(jié)束，第一二極管Ds、第三二極管Do自然關(guān)斷。之后，第二電容Co和第一電容Cs上的電壓均保持不變，電路進(jìn)入功率開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。
功率開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，續(xù)流二極管D開(kāi)通的換流過(guò)程功率開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷后，輸入電流經(jīng)第一二極管Ds對(duì)第一電容Cs充電，功率開(kāi)關(guān)管S的管電壓從零上升，即實(shí)現(xiàn)了功率開(kāi)關(guān)管S的零電壓關(guān)斷。第一電容Cs充電至與上輸出電容端電壓相等時(shí)，第三二極管Do、第二二極管Dc自然導(dǎo)通，VCs保持恒定，電感Ls電流經(jīng)第一二極管Ds、第三二極管Do、第二二極管Dc向輸出端諧振放電，電流值從輸入電流逐漸減小，同時(shí)第二電容Co經(jīng)第二二極管Dc放電，VCo減小。當(dāng)?shù)诙娙軨o端電壓減小到零時(shí)，續(xù)流二極管D自然導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了續(xù)流二極管D的零電壓開(kāi)通。之后，Ls的電流繼續(xù)經(jīng)第一二極管Ds、第三二極管Do、第二二極管Dc放電減小，直到變?yōu)榱?，第一二極管Ds、第三二極管Do、第二二極管Dc關(guān)斷，換流過(guò)程結(jié)束，電路處于負(fù)載電流通過(guò)續(xù)流二極管D輸出的穩(wěn)定狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元的buck電路，每個(gè)單元包括功率開(kāi)關(guān)管(S)、續(xù)流二極管(D)，其特征是在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管(S)和續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)處接入電感(Ls)，功率開(kāi)關(guān)管(S)并聯(lián)由第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管(Ds)與功率開(kāi)關(guān)管(S)方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感(Ls)一端相連，在續(xù)流二極管(D)的兩端并聯(lián)由第二電容(Co)和第二二極管(Dc)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管(Dc)與續(xù)流二極管(D)方向一致，第二電容(Co)與續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)與電感(Ls)的另一端相連，在第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)的接奌與第二電容(Co)和第二二極管(Dc)的接點(diǎn)間接入第三二極管(Do)，第一、第二、第三三個(gè)二極管(Ds、Dc、Do)的極性相一致。
2.三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元的boost電路，每個(gè)單元包括功率開(kāi)關(guān)管(S)、續(xù)流二極管(D)，其特征是在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管(S)和續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)處接入電感(Ls)，功率開(kāi)關(guān)管(S)并聯(lián)由第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管(Ds)與功率開(kāi)關(guān)管(S)方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感(Ls)一端相連，在續(xù)流二極管(D)的兩端并聯(lián)由第二電容(Co)和第二二極管(Dc)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管(Dc)與續(xù)流二極管(D)方向一致，第二電容(Co)與續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)與電感(Ls)的另一端相連，在第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)的接奌與第二電容(Co)和第二二極管(Dc)的接點(diǎn)間接入第三二極管(Do)，第一、第二、第三三個(gè)二極管(Ds、Dc、Do)的極性相一致。
3.三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元的buck-boost電路，每個(gè)單元包括功率開(kāi)關(guān)管(S)、續(xù)流二極管(D)，其特征是在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管(S)和續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)處接入電感(Ls)，功率開(kāi)關(guān)管(S)并聯(lián)由第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管(Ds)與功率開(kāi)關(guān)管(S)方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感(Ls)一端相連，在續(xù)流二極管(D)的兩端并聯(lián)由第二電容(Co)和第二二極管(Dc)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管(Dc)與續(xù)流二極管(D)方向一致，第二電容(Co)與續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)與電感(Ls)的另一端相連，在第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)的接奌與第二電容(Co)和第二二極管(Dc)的接點(diǎn)間接入第三二極管(Do)，第一、第二、第三三個(gè)二極管(Ds、Dc、Do)的極性相一致。
4.三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元的CUK電路，每個(gè)單元包括功率開(kāi)關(guān)管(S)、續(xù)流二極管(D)，其特征是在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管(S)和續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)處接入電感(Ls)，功率開(kāi)關(guān)管(S)并聯(lián)由第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管(Ds)與功率開(kāi)關(guān)管(S)方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感(Ls)一端相連，在續(xù)流二極管(D)的兩端并聯(lián)由第二電容(Co)和第二二極管(Dc)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管(Dc)與續(xù)流二極管(D)方向一致，第二電容(Co)與續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)與電感(Ls)的另一端相連，在第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)的接奌與第二電容(Co)和第二二極管(Dc)的接點(diǎn)間接入第三二極管(Do)，第一、第二、第三三個(gè)二極管(Ds、Dc、Do)的極性相一致。
全文摘要
“三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流變換器電路”是對(duì)于具有兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)單元，且每個(gè)單元電路包括有功率開(kāi)關(guān)管，續(xù)流二極管的buck或boost或buck－boost或CUK電路，采取在每個(gè)單元的功率開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管的接點(diǎn)處接入電感，功率開(kāi)關(guān)管并聯(lián)由第一電容和第一二極管構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管與功率開(kāi)關(guān)管方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感一端相連，在續(xù)流二極管的兩端并聯(lián)由第二電容和第二二極管構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管與續(xù)流二極管方向一致，第二電容與續(xù)流二極管的接點(diǎn)與電感的另一端相連，在第一電容和第一二極管的接點(diǎn)與第二電容和第二二極管的接點(diǎn)間接入第三二極管，三個(gè)二極管的極性相一致。本發(fā)明附加元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需額外檢測(cè)和控制，電路中無(wú)能量損耗元件。
文檔編號(hào)H02M3/10GK1400728SQ0213642
公開(kāi)日2003年3月5日 申請(qǐng)日期2002年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月5日
發(fā)明者何湘寧 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)