專利名稱：帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器，屬電能變換裝置的直流變換器。
背景技術(shù)：
近年來，三電平直流變換器在高壓輸入場合的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，因?yàn)樗拈_關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半。三電平直流變換器可以分為兩類一類是1992年巴西Barbi教授提出的三電平直流變換器，用兩個開關(guān)管串聯(lián)來代替一個開關(guān)管以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，并引入箝位二極管和箝位電壓源確保兩個開關(guān)管電壓應(yīng)力均衡，但是這種三電平直流變換器本質(zhì)上是一個半橋變換器，存在橋臂直通問題。另一類是1997年美國學(xué)者Kutkut提出的三電平雙管正激直流變換器，它由兩個兩路雙管正激變換器輸入端串聯(lián)組成，共用一個高頻隔離變壓器，保留了雙管正激變換器無橋臂直通、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
在三電平雙管正激直流變換器原邊加入一對耦合電感可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。2004年徐德鴻教授通過在高頻隔離變壓器副邊繞組和整流電路輸入端之間接入的電感實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān)。這兩種方案均只實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的軟開關(guān)，而輸出整流二極管依然存在反向恢復(fù)問題，反向恢復(fù)引起電壓振蕩和電壓尖峰，輸出整流二極管很容易損壞，降低了變換器的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
1.本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種可有效地消除變換器副邊整流二極管的電壓尖峰和電壓振蕩，降低副邊整流二極管的電壓應(yīng)力，減小整流二極管的損耗，提高變換效率和可靠性的帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器。
2.帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器，包括輸入分壓電容電路的輸出連于由兩路雙管正激變換器電路串聯(lián)組成的變換電路的兩輸入端，其輸出端經(jīng)高頻隔離變壓器連于整流濾波電路。其特征在于，還包括在第一開關(guān)管和第一變壓器繞組之間以及在第三開關(guān)管和第二變壓器繞組之間加入一對耦合電感與組成的耦合電感電路，在變壓器原邊繞組和耦合電感交點(diǎn)處分別引出兩個箝位二極管與組成的二極管箝位電路。其中第一箝位二極管的陰極連于第一變壓器原邊繞組與第一耦合電感的交點(diǎn)，其陽極連于第二開關(guān)管的源極，第二箝位二極管的陰極連于第二變壓器原邊繞組與第二耦合電感的交點(diǎn)，其陽極連于第四開關(guān)管的源極。
本發(fā)明由于加入了箝位二極管，整流二極管不存在反向恢復(fù)造成的電壓振蕩和電壓尖峰，減小了整流二極管的損耗，同時利用耦合電感中存儲的能量實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，提高了變換器效率和功率密度。本發(fā)明還保留了雙管正激變換器無橋臂直通和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
四

附圖1是本發(fā)明的帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。附圖1中的標(biāo)號名稱1.輸入分壓電容電路。2.變換電路。3.耦合電感電路。4.二極管箝位電路。5.高頻隔離變壓器。6.整流濾波電路。
附圖2是本發(fā)明的帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器主要波形示意圖。
附圖3-10是各開關(guān)模態(tài)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。
上述附圖中的主要符號名稱Vin——電源電壓。Q1～Q4——功率開關(guān)管。C1～C4——功率開關(guān)管的寄生電容。D1～D4——功率開關(guān)管的體二極管。Df1～Df4——續(xù)流二極管。DC1～DC2——箝位二極管。Cd1～Cd2——輸入分壓電容。Tr——高頻隔離變壓器；變壓器原副邊變比為K。Lr1、Lr2——耦合電感。NP1、NP2——高頻隔離變壓器原邊繞組；NS1、NS2——高頻隔離變壓器副邊繞組。DR1、DR2——輸出整流二極管。CDR1、CDR2——輸出整流二極管的結(jié)電容。Lf——濾波電感。Cf——濾波電容。RLd——負(fù)載。Vo——輸出電壓。ILf——濾波電感電流。vrect——輸出整流電壓。iNp1、iNp2——通過高頻隔離變壓器原邊繞組NP1、NP2的電流。iDc1、iDc2——通過兩個箝位二極管DC1、DC2的電流。
五具體實(shí)施例方式
附圖1是帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。包括輸入分壓電容電路1的輸出連于由兩路雙管正激變換器電路串聯(lián)組成的變換電路2的兩輸入端，其輸出端經(jīng)高頻隔離變壓器5與連于整流濾波電路6。其特征在于，還包括在第一開關(guān)管Q1和第一變壓器原邊繞組NP1之間、第三開關(guān)管Q3和第二變壓器原邊繞組NP2之間加入一對耦合電感Lr1、Lr2組成的耦合電感電路3，且在變壓器原邊繞組NP1、NP2和耦合電感Lr1、Lr2交點(diǎn)處分別引出兩個箝位二極管DC1、DC2組成的二極管箝位電路4，其中第一箝位二極管DC1的陰極連于第一變壓器原邊繞組NP1與第一耦合電感Lr1的交點(diǎn)，其陽極連于第二開關(guān)管Q2的源極，第二箝位二極管DC2的陰極連于第二變壓器原邊繞組NP2與第二耦合電感Lr2的交點(diǎn)，陽極連于第四開關(guān)管Q4的源極。
控制方法如下兩路雙管正激變換器180°互補(bǔ)工作。開關(guān)管Q2和Q4為180°互補(bǔ)導(dǎo)通，開關(guān)管Q1和Q2同時開通，開關(guān)管Q1相對于開關(guān)管Q2提前一個相位關(guān)斷；開關(guān)管Q3和Q4同時開通，開關(guān)管Q3相對于開關(guān)管Q4提前一個相位關(guān)斷。開關(guān)管Q1和Q3PWM工作，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管Q1和Q3的脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓?？刂菩酒梢圆捎脙善?525。
下面以附圖1為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖2～10敘述本發(fā)明的具體工作原理。由附圖3可知整個變換器在一個開關(guān)周期有16種開關(guān)模態(tài)，分別是[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]、[t15，t16](見附圖2)，其中，[t0，t8]為前半周期，[t8，t16]為后半周期。下面對各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。
在分析之前，作如下假設(shè)①所有開關(guān)管和二極管均為理想器件，整流二極管DR1和DR2除外，它等效為一個理想二極管和一個電容并聯(lián)，以用來模擬反向恢復(fù)；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件；③輸入分壓電容Cd1和Cd2容量很大且相等，其電壓均為輸入電壓的一半，可看作電壓為Vin/2的電壓源。
1.開關(guān)模態(tài)1[t0，t1][對應(yīng)于附圖3]t0時刻，開關(guān)管Q1和Q2已經(jīng)開通，通過高頻隔離變壓器原邊繞組NP1的電流iNp1線性增加。由于電流iNp1不足以提供負(fù)載電流，副邊整流二極管DR1、DR2同時導(dǎo)通續(xù)流。
2.開關(guān)模態(tài)2[t1，t2][對應(yīng)于附圖4]t1時刻原邊電流iNp1上升到Io/K，整流二極管DR2截止。耦合電感Lr1、Lr2與整流二極管DR2的結(jié)電容CDR2諧振工作，給結(jié)電容CDR2充電，電流iNp1繼續(xù)增加。
3.開關(guān)模態(tài)3[t2，t3][對應(yīng)于附圖5]t2時刻，結(jié)電容CDR2的電壓上升到2Vin/K，此時二極管DC2、Df4導(dǎo)通，將變壓器原邊繞組電壓箝位在Vin/2，因此整流二極管DR2的電壓被箝位在2Vin/K。該模態(tài)中，電流iNp1保持不變。
4.開關(guān)模態(tài)4[t3，t4][對應(yīng)于附圖6]t3時刻電流iNp2下降到零，二極管DC2、Df4截止，變換器通過原邊繞組NP1向負(fù)載傳遞能量，整流二極管DR1流過全部負(fù)載電流。
5.開關(guān)模態(tài)5[t4，t5][對應(yīng)于附圖7]t4時刻開關(guān)管Q1關(guān)斷，此時變換器諧振工作，參與諧振的是耦合電感Lr1和Lr2、電容C1、C3和電容C4、整流二極管DR2的結(jié)電容CDR2。電容C1被充電，電容C3、C4和電容CDR2被放電，由于有電容C1、C3和電容C4，開關(guān)管Q1是零電壓關(guān)斷。
6.開關(guān)模態(tài)6[t5，t6][對應(yīng)于附圖8]t5時刻，電容C1被充電到Vin/2，電容C3和電容C4被放電到Vin/4，結(jié)電容CDR2被放電到零，此時二極管Df1和整流二極管DR2導(dǎo)通，變壓器繞組電壓被箝位在零。
7.開關(guān)模態(tài)7[t6，t7][對應(yīng)于附圖9]t6時刻開關(guān)管Q2關(guān)斷，耦合電感Lr1向耦合電感Lr2傳輸能量，耦合電感Lr1與電容C2諧振工作，開關(guān)管Q2兩端電壓上升；耦合電感Lr2與電容C3、C4諧振工作，開關(guān)管Q3、Q4兩端電壓下降。當(dāng)開關(guān)管Q3、Q4兩端電壓上升到Vin，電容C2、C3、C4使開關(guān)管Q2是零電壓關(guān)斷。。
8.開關(guān)模態(tài)8[t7，t8][對應(yīng)于附圖10]t7時刻，開關(guān)管Q2兩端電壓上升到Vin/2，開關(guān)管Q3、Q4兩端電壓下降到零，二極管Df1、Df2、D1、D2導(dǎo)通，此時可以零電壓開通開關(guān)管Q3、Q4。t8時刻，電流iNp1、iNp2下降為零。變換器開始另一半周期工作，其工作情況類似于上述的半個周期。
由以上描述可知，本發(fā)明的一種適用于高壓輸入的零電壓開關(guān)直流變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)①由于加了箝位二極管，副邊整流二極管不存在反向恢復(fù)造成的電壓振蕩和電壓尖峰，減小了整流二極管上的損耗，可以采用電壓定額較低的整流二極管，減小變換器的通態(tài)損耗，提高變換效率。
②開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半，適用于高壓輸入場合。
③利用耦合電感中存儲的能量實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，提高了變換器效率和功率密度。
④該變換器保留了雙管正激變換器無橋臂直通、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器，包括輸入分壓電容電路(1)的輸出連于由兩路雙管正激變換器電路串聯(lián)組成的變換電路(2)的兩輸入端，其輸出端經(jīng)高頻隔離變壓器(5)連于整流濾波電路(6)。其特征在于，還包括在第一開關(guān)管(Q1)和第一變壓器繞組(NP1)之間以及在第三開關(guān)管(Q3)和第二變壓器繞組(NP2)之間加入一對耦合電感(Lr1)與(Lr2)組成的耦合電感電路(3)，在變壓器原邊繞組(NP1)、(NP2)和耦合電感(Lr1)、(Lr2)交點(diǎn)處分別引出兩個箝位二極管(DC1)與(DC2)組成的二極管箝位電路(4)。其中第一箝位二極管(DC1)的陰極連于第一變壓器原邊繞組(NP1)與第一耦合電感(Lr1)的交點(diǎn)，其陽極連于第二開關(guān)管(Q2)的源極，第二箝位二極管(DC2)的陰極連于第二變壓器原邊繞組(NP2)與第二耦合電感(Lr2)的交點(diǎn)，其陽極連于第四開關(guān)管(Q4)的源極。
全文摘要
一種帶箝位二極管的零電壓開關(guān)三電平雙管正激直流變換器，屬直流變換器。包括輸入分壓電容電路(1)、兩路雙管正激變換器串聯(lián)電路(2)、高頻隔離變壓器(5)、整流及濾波電路(6)，還包括一對由耦合電感(L
文檔編號H02M3/335GK1716746SQ200510041368
公開日2006年1月4日 申請日期2005年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者毛賽君, 王慧貞, 龔春英, 嚴(yán)仰光 申請人:南京航空航天大學(xué)