專利名稱：磁集成自驅(qū)動倍流整流半橋三電平直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電能變換裝置的直流變換器，特別是指一種無飛跨電容和嵌位二極管的磁集成自驅(qū)動倍流整流半橋三電平直流變換器。
背景技術(shù)：
隨著人類生活水平的不斷提高，對電能的需求大幅度增加。低壓大電流輸出裝置得到飛速發(fā)展，如應(yīng)用于電鍍行業(yè)、通信行業(yè)和鐵路行業(yè)等，當(dāng)輸出功率小于2. 5KW時，通常采用兩相電源供電，當(dāng)輸出功率大于2. 5KW時，則采用三相電源供電，此時三相電源輸入經(jīng)過PFC電路，升壓到800VDC左右，再經(jīng)過DC-DC電路得到需要的直流電壓。選用常規(guī) DC-DC變換器，其主開關(guān)管電壓應(yīng)力在800V以上，需要選用1200V電壓應(yīng)力的開關(guān)管，若選用IGBT，其開關(guān)速度一般小于30KHz，會導(dǎo)致電路中的磁芯元件體積較大，降低了變換器的功率密度；若選用M0SFET，導(dǎo)通電阻較大，存在很大的導(dǎo)通損耗；為此可選用三電平半橋結(jié)構(gòu)，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力只有輸入電壓的一半，可以選擇電壓應(yīng)力在500V左右的M0SFET， 導(dǎo)通電阻較小，降低了導(dǎo)通損耗，并且可以大大提高開關(guān)頻率，提高了變換器的功率密度體積。目前在高壓輸入、低壓大電流輸出的場合應(yīng)用最多的是半橋三電平全波整流直流變換器，由于采用了諧振電感，可以在較寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)。但增大諧振電感會導(dǎo)致副邊占空比丟失，諧振電感較小又會使得變換器在輕載時不能實現(xiàn)軟開關(guān)，當(dāng)驅(qū)動占空比在正負半周不相等時，與飛跨電容連接的嵌位二極管則會產(chǎn)生瞬間大電流，影響了變換器的可靠性，應(yīng)用于低壓大電流輸出場合時，副邊整流二極管的損耗很大，嚴(yán)重影響變換器的效率?；谇笆龇治觯景l(fā)明人針對現(xiàn)有的半橋三電平直流變換器結(jié)構(gòu)進行研究改進， 本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種磁集成自驅(qū)動倍流整流半橋三電平直流變換器，其采用無飛跨電容和嵌位二極管結(jié)構(gòu)的半橋三電平拓撲降低了主開關(guān)管的電壓應(yīng)力，同時消除了目前常用的半橋三電平拓撲的嵌位二極管的可靠性問題；采用同步整流方案降低了副邊整流管的通態(tài)損耗；采用倍流整流技術(shù)進一步降低變壓器副邊通態(tài)損耗，提高效率；采用磁集成和自驅(qū)動方案簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和體積；主變壓器采用兩個變壓器原邊串聯(lián)副邊交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，將輸出濾波電感集成在主變壓器內(nèi)部，最終集成在一個磁芯里面，提高了變換器的功率密度。為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是—種磁集成自驅(qū)動倍流整流半橋三電平直流變換器，包括輸入分壓電容電路、半橋三電平橋臂、隔離變壓器及驅(qū)動電路和整流及濾波電路；輸入分壓電容電路包括直流電源和兩個輸入分壓電容，其中，第一、二分壓電容串聯(lián)后，第一分壓電容的另一端連接直流電源的正極作為輸入分壓電容電路的正輸出端，而第二分壓電容的另一端連接直流電源的負極作為輸入分壓電容電路的負輸出端，且所述第一、二分壓電容的容量相等；半橋三電平橋臂包括4個均帶有寄生體二極管和寄生電容的開關(guān)管和一個阻斷電容，所述開關(guān)管采用M0SFET，該4個開關(guān)管依次串聯(lián)后并聯(lián)在輸入分壓電容電路的正負輸出端；而阻斷電容的一端連接第三、四開關(guān)管的串聯(lián)點，另一端接入隔離變壓器及驅(qū)動電路；隔離變壓器及驅(qū)動電路包括兩個變壓器，每個變壓器均由一個原邊繞組、一個副邊繞組和一個驅(qū)動繞組組成，且副邊采用倍流整流方式，其中，第一變壓器的原邊繞組同名端連接第一、二開關(guān)管的串聯(lián)點，異名端連接第二變壓器的同名端，而第二變壓器的異名端連接阻斷電容的另一端；而第一變壓器的副邊繞組異名端連接第二變壓器的副邊繞組同名端，并連接變換器的正輸出端；第一變壓器的驅(qū)動繞組同名端和第二變壓器的驅(qū)動繞組異名端分別接地；整流及濾波電路包括兩個均帶有寄生體二極管和寄生電容的整流MOS管和一個濾波電容，其中，第一整流MOS管的漏極連接第一變壓器副邊繞組的同名端，柵極連接第一變壓器的驅(qū)動繞組異名端，而源極則連接第二整流MOS管的源極并連接變換器的負輸出端；第二整流MOS管的漏極連接第二變壓器副邊繞組的異名端，柵極連接第二變壓器的驅(qū)動繞組同名端；濾波電容并聯(lián)在變換器的正、負輸出端之間。采用上述方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點是，該變換器在輕載和重載都可以實現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS;采用同步整流技術(shù)，大大降低了副邊整流管的通態(tài)損耗; 采用磁集成和自驅(qū)動技術(shù)縮小了體積，降低了成本，簡化了電路結(jié)構(gòu)。


圖I是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的磁集成部分示意圖；圖3是本發(fā)明的主要波形示意圖；圖4至圖10是本發(fā)明各開關(guān)模態(tài)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。由于變壓器(Tki)的驅(qū)動繞組電壓的波形與變壓器(Tki)原邊電壓波形Vpi相同，變壓器CU的驅(qū)動繞組電壓的波形與變壓器(Tk2)原邊電壓波形Vp2相同，為了簡化電路，所以在各開關(guān)模態(tài)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖中省略了自驅(qū)動電路的部分。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。如圖I所示，本發(fā)明提供一種磁集成自驅(qū)動倍流整流半橋三電平直流變換器，包括輸入分壓電容電路I、半橋三電平橋臂2、隔離變壓器及驅(qū)動電路3和整流及濾波電路4， 下面分別介紹。輸入分壓電容電路I包括直流電源Vin和兩個輸入分壓電容Cdl、Cd2,其中,兩個分壓電容Cdl、Cd2依次串聯(lián)后再與直流電源Vin并聯(lián)，具體在本實施例中，分壓電容Cdl、Cd2串聯(lián)后，分壓電容Cdl的另一端連接直流電源Vin的正極作為輸入分壓電容電路I的正輸出端，而分壓電容Cd2的另一端連接直流電源Vin的負極作為輸入分壓電容電路I的負輸出端；所述分壓電容Cdl和Cd2的容量很大且相等，其電壓均為輸入電壓的一半，即Vedl = Vcd2 = NJ2, 可看作電壓為Vin/2的電壓源。半橋三電平橋臂2包括4個均帶有寄生體二極管Dp D2、D3、D4和寄生電容C1' C2、 C3、C4的開關(guān)管QpQyQ^Q4和一個阻斷電容cb，所述開關(guān)管采用M0SFET，該4個開關(guān)管依次串聯(lián)后并聯(lián)在輸入分壓電容電路I的正負輸出端，采用不對稱PWM控制；而阻斷電容Cb的一端連接開關(guān)管Q3、Q4的串聯(lián)點，另一端接入隔離變壓器及驅(qū)動電路3，在變換器穩(wěn)態(tài)工作時，阻斷電容Cb的電壓恒定為Vin/2。隔離變壓器及驅(qū)動電路3包括兩個變壓器TK1、TK2，每個變壓器均由一個原邊繞組、 一個副邊繞組和一個驅(qū)動繞組組成，且副邊采用倍流整流方式，其中，變壓器Tki的原邊繞組同名端連接開關(guān)管Q1A2的串聯(lián)點，異名端連接變壓器Tk2的同名端，而變壓器Tk2的異名端連接阻斷電容Cb的另一端；而變壓器Tki的副邊繞組異名端連接變壓器Tk2的副邊繞組同名端，該串聯(lián)點連接變換器的正輸出端，且VP1、VP2分別是變壓器TK1、TK2的輸入電壓，Lfl,Lf2 分別是變壓器TK1、Te2原邊勵磁電感折算到副邊的電感；變壓器Tki的驅(qū)動繞組同名端和變壓器Tk2的驅(qū)動繞組異名端分別接地。整流及濾波電路4包括兩個均帶有寄生體二極管DK1、De2和寄生電容CK1、Ce2的整流MOS管Qki、Qe2和一個濾波電容Cf，其中，整流MOS管Qki的漏極連接變壓器Tki副邊繞組的同名端，柵極連接變壓器Tki的驅(qū)動繞組異名端，而源極則連接整流MOS管Qk2的源極并連接變換器的負輸出端；整流MOS管Qk2的漏極連接變壓器Tk2副邊繞組的異名端，柵極連接變壓器Tk2的驅(qū)動繞組同名端；濾波電容Cf并聯(lián)在變換器的正、負輸出端之間。本發(fā)明所提供的直流變換器采用不對稱PWM控制，具體控制方法如下開關(guān)管Q1 和Q3的導(dǎo)通時間較長，而開關(guān)管Q2和Q4的導(dǎo)通時間較短，同時開關(guān)管Q1和Q2互補導(dǎo)通，開關(guān)管Q3和Q4互補導(dǎo)通，開關(guān)管Qp Q3的導(dǎo)通時間相等且相位相差180°，開關(guān)管Q2、Q4的導(dǎo)通時間相等且相位相差180°。下面將以圖I所示變換器結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合圖2至圖10敘述本發(fā)明的具體工作原理，其中，圖2是本實施例的磁集成部分示意圖，由圖3可知本實施例在半個開關(guān)周期有6 種開關(guān)模態(tài)，分別是[t(i 以前]、[t(|，tj , [t1； t2] , [t2, t3] , [t3, t4] , [t4, t5, [t5, t6],下面對各開關(guān)模態(tài)的工作情況進行具體分析。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；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件；③輸出電容足夠大，可近似認(rèn)為是一個直流電壓源V。，V。為輸出電壓。I、開關(guān)模態(tài)Utci以前][對應(yīng)于圖4]t0以前，開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q4導(dǎo)通，電源電壓Vin通過開關(guān)管Q1和Q4加到AB兩點，阻斷電容Cb兩端電壓為Vin/2。變壓器Tk2的驅(qū)動繞組的同名端為正電壓，整流MOS管 Qk2繼續(xù)開通，而變壓器Tki的驅(qū)動繞組的異名端為負電壓，整流MOS管Qki關(guān)斷。原邊電流 Ip通過變壓器Tki給Lfl充電，原邊電流ip通過Tk2給負載充電，同時Lf2向負載供電。2、開關(guān)模態(tài)2[tQ，tj [對應(yīng)于圖5]在h時刻，關(guān)斷開關(guān)管Q4，原邊電流ip給電容C4充電，給電容C3放電。由于電容 C4的存在，開關(guān)管Q4近似為零電壓關(guān)斷。變壓器Tk2的驅(qū)動繞組同名端電壓仍然為正電壓，整流MOS管Qk2仍然導(dǎo)通，變壓器Tki的驅(qū)動繞組異名端電壓線性上升，在h時刻之前達到整流MOS管Qki的柵極開啟電壓，整流MOS管Qki導(dǎo)通。副邊濾波電感Lfl和Lf2同時向負載提供能量，副邊濾波電感Lfl和Lf2的電流線性下降，當(dāng)Vra = O, Vc4 = Vin/2時，此模態(tài)結(jié)束。3、開關(guān)模態(tài)3[t1; t2][對應(yīng)于圖6]到達h時刻后，原邊電流流經(jīng)輸入電容Cdl、開關(guān)管Q1、變壓器Tki和Tk2、阻斷電容 Cb和二極管d3。此時可以零電壓開通開關(guān)管q3。原邊電流、近似為常數(shù)，此模態(tài)為續(xù)流模態(tài)，Vab = Vin/2。變壓器Tki的驅(qū)動繞組異名端電壓仍然為正電壓，整流MOS管Qki仍然導(dǎo)通； 變壓器Tk2的驅(qū)動繞組同名端電壓仍然為正電壓，整流皿^管(^2仍然導(dǎo)通。副邊濾波電感 Lfl和Lf2同時向負載提供能量，副邊濾波電感Lfl和Lf2的電流線性下降，變壓器原邊被箝位在零電壓。4、開關(guān)模態(tài)4 [t2，t3][對應(yīng)于圖7]在丨2時刻，關(guān)斷開關(guān)管Q1，原邊電容ip給電容C1充電，給電容C2放電。由于電容 C1的存在，開關(guān)管Q1近似為零電壓關(guān)斷。變壓器Tki的驅(qū)動繞組異名端電壓仍然為正電壓， 整流MOS管Qki仍然導(dǎo)通；變壓器Tk2的驅(qū)動繞組同名端電壓仍然為正電壓，整流MOS管Qk2 仍然導(dǎo)通。副邊濾波電感Lfl和Lf2同時向負載提供能量，副邊濾波電感Lfl和Lf2的電流線性下降，當(dāng)Vc2 = 0，Vci = Vin/2時，此模態(tài)結(jié)束。5、開關(guān)模態(tài)5 [t3，t4][對應(yīng)于圖8]到達t3時刻后，原邊電流流經(jīng)開關(guān)管Q3、二極管D2、變壓器Tki和Tk2、阻斷電容Cb。 此時可以零電壓開通開關(guān)管Q2。原邊電流ip線性減小，Vab = O。變壓器Tki的驅(qū)動繞組異名端電壓仍然為正電壓，整流MOS管Qki仍然導(dǎo)通；變壓器Tk2的驅(qū)動繞組同名端電壓仍然為正電壓，整流MOS管Qk2仍然導(dǎo)通。副邊濾波電感Lfl和Lf2同時向負載提供能量，副邊濾波電感Lfl和Lf2的電流線性下降。6、開關(guān)模態(tài)6[t4，t5][對應(yīng)于圖9]原邊電流ip正向減小，輸出濾波電感電流ilf2繼續(xù)下降。由于變壓器副邊漏感的作用，Vp2開始下降。當(dāng)Vp2在下降到Qk2的關(guān)斷閥值的時候，Qk2關(guān)斷。整流MOS管Qki仍然導(dǎo)通。副邊濾波電感Lfl和Lf2同時向負載提供能量，副邊濾波電感Lfl和Lf2的電流線性下降。7、開關(guān)模態(tài)6 [t5，t6][對應(yīng)于圖10]隨著原邊電流ip的負向增加和輸出濾波電感電流ilf2的下降，在t5時刻，原邊電流ip折算到副邊等于濾波電感電流i1K。原邊電流ip通過變壓器Tk2給Lf2充電，Lfl向負載供電。變壓器Tki的驅(qū)動繞組異名端電壓仍然為正電壓，整流MOS管Qki仍然導(dǎo)通。本發(fā)明的一個具體實例如下輸入直流電壓Vin = 800V ;輸出直流電壓V。= 28V ;輸出電流I0 = 100A ;變壓器Trl原副邊變比5. 5 ;變壓器Tr2原副邊變比5. 5 ;勵磁電感Lm = 280uH ;輸出濾波電容Cf = 2200uFX6 ；M0SFET QpQ2^Q4 SPW47N60C3 ;副邊整流管 Qei> Qe2 IPP041N12N3 ;開關(guān)頻率fs = IOOkHz。由以上描述可知，本發(fā)明提出的磁集成自驅(qū)動倍流整流半橋三電平直流變換器具有如下優(yōu)點①原邊主開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半；②原邊主開關(guān)管可以在寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)；
③無飛跨電容和嵌位二極管結(jié)構(gòu)，可靠性更高；④副邊采用同步整流和倍流整流電路，降低了副邊的通態(tài)損耗；⑤同步整流管的驅(qū)動采用自驅(qū)方式，簡化了電路結(jié)構(gòu)；⑥變換器僅采用一個磁芯，縮小了變換器的體積。以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁集成自驅(qū)動倍流整流半橋三電平直流變換器，其特征在于包括輸入分壓電容電路、半橋三電平橋臂、隔離變壓器及驅(qū)動電路和整流及濾波電路；輸入分壓電容電路包括直流電源和兩個輸入分壓電容，其中，第一、二分壓電容串聯(lián)后，第一分壓電容的另一端連接直流電源的正極作為輸入分壓電容電路的正輸出端，而第二分壓電容的另一端連接直流電源的負極作為輸入分壓電容電路的負輸出端，且所述第一、二分壓電容的容量相等；半橋三電平橋臂包括4個均帶有寄生體二極管和寄生電容的開關(guān)管和一個阻斷電容， 所述開關(guān)管米用M0SFET,該4個開關(guān)管依次串聯(lián)后并聯(lián)在輸入分壓電容電路的正負輸出端；而阻斷電容的一端連接第三、四開關(guān)管的串聯(lián)點，另一端接入隔離變壓器及驅(qū)動電路； 隔離變壓器及驅(qū)動電路包括兩個變壓器，每個變壓器均由一個原邊繞組、一個副邊繞組和一個驅(qū)動繞組組成，且副邊采用倍流整流方式，其中，第一變壓器的原邊繞組同名端連接第一、二開關(guān)管的串聯(lián)點，異名端連接第二變壓器的同名端，而第二變壓器的異名端連接阻斷電容的另一端；而第一變壓器的副邊繞組異名端連接第二變壓器的副邊繞組同名端， 并連接變換器的正輸出端；第一變壓器的驅(qū)動繞組同名端和第二變壓器的驅(qū)動繞組異名端分別接地；整流及濾波電路包括兩個均帶有寄生體二極管和寄生電容的整流MOS管和一個濾波電容，其中，第一整流MOS管的漏極連接第一變壓器副邊繞組的同名端，柵極連接第一變壓器的驅(qū)動繞組異名端，而源極則連接第二整流MOS管的源極并連接變換器的負輸出端；第二整流MOS管的漏極連接第二變壓器副邊繞組的異名端，柵極連接第二變壓器的驅(qū)動繞組同名端；濾波電容并聯(lián)在變換器的正、負輸出端之間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種磁集成自驅(qū)動倍流整流半橋三電平直流變換器，包括輸入分壓電容電路、半橋三電平橋臂、隔離變壓器及驅(qū)動電路和整流及濾波電路。該變換器采用無飛跨電容和嵌位二極管的半橋三電平拓撲降低了主開關(guān)管的電壓應(yīng)力，同時消除了目前常用半橋三電平拓撲的嵌位二極管的可靠性問題；采用同步整流方案降低了副邊整流管的通態(tài)損耗；采用倍流整流技術(shù)進一步降低變壓器副邊通態(tài)損耗，提高效率；采用磁集成和自驅(qū)動方案簡化了變換器的結(jié)構(gòu)和體積；主變壓器采用兩個變壓器原邊串聯(lián)副邊交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，將輸出濾波電感集成在主變壓器內(nèi)部，提高了變換器的功率密度。
文檔編號H02M3/315GK102611310SQ20121006018
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者劉志軍, 虞曉陽, 金科 申請人:南京航空航天大學(xué)