CN101388609B - 低压宽输入推挽正激三电平直流变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种低压宽输入推挽正激三电平直流变换器及其控制方法，属直流变换器及其控制方法。本发明所述变换器由输入分压电容电路、第一和第二三电平支路、箝位电容、隔离变压器、整流桥及滤波电路组成。本发明所述控制方法：第一、第五功率开关管驱动信号互补；第四、第六功率开关管驱动信号互补，存在三电平和两电平2种工作模式，当处于三电平工作模式时，第二、第三功率开关管180°互补导通，第一、第四功率开关管PWM调制；当处于两电平工作模式时，第一、第四功率开关管常断，第五、第六功率开关管常通，第二、第三功率开关管PWM工作。本发明减小了导通损耗，提高了变换效率，而且省去了飞跨电容。

Description

低压宽输入推挽正激三电平直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电能变换装置的直流变换器及其控制方法，尤其涉及一种低压宽输入推挽正激三电平直流变换器及其控制方法。

背景技术

随着化石能源的不断紧缺和环境污染的不断加剧，基于新能源和可再生能源的分布式发电***已成为现在研究的热点，直直变换器是其中的一个重要组成部分。而新能源和可再生能源，如：燃料电池、光伏电池等，输出电压随负载和环境的变化而变化，变化范围较宽。传统推挽正激三电平直流变换器除可以降低功率开关管的电压应力外，由于可工作在三电平和两电平2种工作模式，也适合于宽输入电压的场合。但2种工作模式所有功率开关管电压应力之和与传统推挽正激直流变换器一样，为4倍的输入电压，而且传统的推挽正激三电平直流变换器一般需要飞跨电容箝位功率开关管的电压。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种低压宽输入推挽正激三电平直流变换器及其控制方法。

本发明低压宽输入推挽正激三电平直流变换器，包括输入分压电容电路和整流滤波电路，其中输入分压电容电路包括输入电源、第一输入分压电容、第二输入分压电容，整流滤波电路包括四个整流二极管即第一整流二极管至第四整流二极管、滤波电感、滤波电容；输入电源的正极连接第一输入分压电容的正端构成输入分压电容电路的正输出端，输入电源的负极连接第二输入分压电容的负端构成输入分压电容电路的负输出端，第一输入分压电容的负端连接第二输入分压电容的正端构成输入分压电容电路的中端；第一整流二极管的阴极分别接第三整流二极管的阴极和滤波电感的输入端，滤波电感的输出端接滤波电容的正端，滤波电容的负端接第四整流二极管的阳极和第二整流二极管的阳极，第二整流二极管的阴极接第一整流二极管的阳极，第四整流二极管的阴极接第三整流二极管的阳极；

还包括第一三电平支路、第二三电平支路、隔离变压器和一个箝位电容，其中第一三电平支路包括第一功率开关管、第二功率开关管和第五功率开关管，第二三电平支路包括第三功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管，隔离变压器包括第一原边绕组、第二原边绕组和副边绕组；第五功率开关管的源极接输入分压电容电路的中端，第五功率开关管的漏极分别接第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极，第一功率开关管的漏极分别接输入分压电容电路的正输出端和隔离变压器的第二原边绕组的异名端，第二功率开关管的源极分别接箝位电容的负端和隔离变压器的第一原边绕组的同名端，隔离变压器的第二原边绕组的同名端分别接箝位电容的正端和第三功率开关管的漏极，第三功率开关管的源极分别接第四功率开关管的漏极和第六功率开关管的源极，第六功率开关管的漏极接输入分压电容电路的中端，隔离变压器的第一原边绕组的异名端分别接第四功率开关管的源极和输入分压电容电路的负输出端，隔离变压器的副边绕组的同名端分别接第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阴极，隔离变压器的副边绕组的异名端分别接第三整流二极管的阳极和第四整流二极管阴极。

低压宽输入推挽正激三电平直流变换器的控制方法，将采样的低压宽输入推挽正激三电平直流变换器的输出电压与给定的基准电压经过电压环调节器后得到调节信号；将锯齿波发生器产生的第一锯齿波载波信号经过直流偏置电路得到第二锯齿波载波信号；

当低压宽输入推挽正激三电平直流变换器处于三电平模式，将所述调节信号与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第二功率开关管和第三功率开关管的开关信号，将第二功率开关管的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管的驱动信号，将第三功率开关管的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管的驱动信号，所述第二功率开关管的驱动信号与第三功率开关管的驱动信号为180°互补信号即第二功率开关管与第三功率开关管180°互补导通关断；将所述调节信号与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管和第四功率开关管的开关信号，将第一功率开关管的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管的PWM驱动信号即第一功率开关管为PWM调制，将第一功率开关管的开关信号分别经过第一反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管的驱动信号，将第四功率开关管的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管的PWM驱动信号即第四功率开关管为PWM调制且与第一功率开关管的驱动信号相差180°，将第四功率开关管的开关信号分别经过第二反相器和第六驱动电路得到第六功率开关管的驱动信号，其中第一功率开关管的驱动信号与第五功率开关管的驱动信号为互补信号即第一功率开关管与第五功率开关管交替导通、关断，第四功率开关管的驱动信号与第六功率开关管的驱动信号为互补信号即第四功率开关管与第六功率开关管交替导通、关断；

当低压宽输入推挽正激三电平直流变换器处于二电平模式，将所述调节信号与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第二功率开关管和第三功率开关管的开关信号，将第二功率开关管的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管的PWM驱动信号即第二功率开关管为PWM调制，将第三功率开关管的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管的PWM驱动信号即第三功率开关管为PWM调制且与第二功率开关管的驱动信号相差180°；将所述调节信号与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管和第四功率开关管的开关信号，将第一功率开关管的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管的低电平驱动信号即第一功率开关管常断，将第一功率开关管的开关信号分别经过第一反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管的高电平驱动信号即第五功率开关管常通，将第四功率开关管的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管的低电平驱动信号即第四功率开关管常断，将第四功率开关管的开关信号分别经过第二反相器和第六驱动电路得到第六功率开关管的高电平驱动信号即第六功率开关管常通。

本发明适合于低压宽输入的场合；无需飞跨电容箝位功率开关管的电压；可以减小两电平模式下第二功率开关管和第三功率开关管的电压应力，从而可以选择较低导通电阻的功率开关管，减小导通损耗。

附图说明

图1：本发明电路拓扑图；

图2：本发明控制原理图；

图3：本发明三电平工作模式主要波形示意图；

图4：本发明两电平工作模式主要波形示意图；

图5：本发明三电平工作模式和两电平工作模式下开关模态1等效电路结构示意图；

图6：本发明三电平工作模式下开关模态2等效电路结构示意图；

图7：本发明两电平工作模式下开关模态2等效电路结构示意图。

图中的主要符号名称：U_in：输入电源，C₁、C₂：第一、第二输入分压电容，S₁～S₆：第一至第六功率开关管，C：箝位电容，NP₁、NP₂、N_S：隔离变压器的第一、第二原边绕组和副边绕组，D₁～D₄：第一至第四输出整流二极管，L_f：滤波电感，C_f：滤波电容，R_L：负载，U_o：输出电压，u_AB：A与B两点间电压。

具体实施方式

如图1所示。低压宽输入推挽正激三电平直流变换器，包括输入分压电容电路1和整流滤波电路5，其中输入分压电容电路1包括输入电源U_in、第一输入分压电容C₁、第二输入分压电容C₂，整流滤波电路5包括四个整流二极管即第一整流二极管D₁至第四整流二极管D₄、滤波电感L_f、滤波电容C_f；输入电源U_in的正极连接第一输入分压电容C₁的正端构成输入分压电容电路1的正输出端，输入电源U_in的负极连接第二输入分压电容C₂的负端构成输入分压电容电路1的负输出端，第一输入分压电容C₁的负端连接第二输入分压电容C₂的正端构成输入分压电容电路1的中端；第一整流二极管D₁的阴极分别接第三整流二极管D₃的阴极和滤波电感L_f的输入端，滤波电感L_f的输出端接滤波电容C_f的正端，滤波电容C_f的负端接第四整流二极管D₄的阳极和第二整流二极管D₂的阳极，第二整流二极管D₂的阴极接第一整流二极管D₁的阳极，第四整流二极管D₄的阴极接第三整流二极管D₃的阳极；

还包括第一三电平支路2、第二三电平支路3、隔离变压器4和一个箝位电容C，其中第一三电平支路2包括第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第五功率开关管S₅，第二三电平支路3包括第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄和第六功率开关管S₆，隔离变压器4包括第一原边绕组N_P1、第二原边绕组N_P2和副边绕组N_S；第五功率开关管S₅的源极接输入分压电容电路1的中端，第五功率开关管S₅的漏极分别接第一功率开关管S₁的源极和第二功率开关管S₂的漏极，第一功率开关管S₁的漏极分别接输入分压电容电路1的正输出端和隔离变压器的第二原边绕组N_P2的异名端，第二功率开关管S₂的源极分别接箝位电容C的负端和隔离变压器的第一原边绕组N_P1的同名端，隔离变压器的第二原边绕组N_P2的同名端分别接箝位电容C的正端和第三功率开关管S₃的漏极，第三功率开关管S₃的源极分别接第四功率开关管S₄的漏极和第六功率开关管S₆的源极，第六功率开关管S₆的漏极接输入分压电容电路1的中端，隔离变压器的第一原边绕组N_P1的异名端分别接第四功率开关管S₄的源极和输入分压电容电路1的负输出端，隔离变压器的副边绕组N_S的同名端分别接第一整流二极管D₁的阳极和第二整流二极管D₂的阴极，隔离变压器的副边绕组N_S的异名端分别接第三整流二极管D₃的阳极和第四整流二极管D₄阴极。

如图2所示，所述的低压宽输入推挽正激三电平直流变换器的控制方法，将采样的低压宽输入推挽正激三电平直流变换器的输出电压U_o与给定的基准电压U_r经过电压环调节器后得到调节信号U_e；将锯齿波发生器产生的第一锯齿波载波信号经过直流偏置电路得到第二锯齿波载波信号；

当低压宽输入推挽正激三电平直流变换器处于三电平模式，将所述调节信号U_e与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃的开关信号，将第二功率开关管S₂的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管S₂的驱动信号，将第三功率开关管S₃的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管S₃的驱动信号，所述第二功率开关管S₂的驱动信号与第三功率开关管S₃的驱动信号为180°互补信号即第二功率开关管S₂与第三功率开关管S₃180°互补导通关断；将所述调节信号U_e与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄的开关信号，将第一功率开关管S₁的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管S₁的PWM驱动信号即第一功率开关管S₁为PWM调制，将第一功率开关管S₁的开关信号分别经过第一反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管S₅的驱动信号，将第四功率开关管S₄的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管S₄的PWM驱动信号即第四功率开关管S₄为PWM调制且与第一功率开关管S₁的驱动信号相差180°，将第四功率开关管S₄的开关信号分别经过第二反相器和第六驱动电路得到第六功率开关管S₆的驱动信号，其中第一功率开关管S₁的驱动信号与第五功率开关管S₅的驱动信号为互补信号即第一功率开关管S₁与第五功率开关管S₅交替导通、关断，第四功率开关管S₄的驱动信号与第六功率开关管S₆的驱动信号为互补信号即第四功率开关管S₄与第六功率开关管S₆交替导通、关断；

当低压宽输入推挽正激三电平直流变换器处于二电平模式，将所述调节信号U_e与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃的开关信号，将第二功率开关管S₂的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管S₂的PWM驱动信号即第二功率开关管S₂为PWM调制，将第三功率开关管S₃的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管S₃的PWM驱动信号即第三功率开关管S₃为PWM调制且与第二功率开关管S₂的驱动信号相差180°；将所述调节信号U_e与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄的开关信号，将第一功率开关管S₁的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管S₁的低电平驱动信号即第一功率开关管S₁常断，将第一功率开关管S₁的开关信号分别经过第一反相器和第五驱动电路S₅的高电平驱动信号即第五功率开关管S₅常通，将第四功率开关管S₄的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管S₄的低电平驱动信号即第四功率开关管S₄常断，将第四功率开关管S₄的开关信号分别经过第二反相器和第六驱动电路得到第六功率开关管S₆的高电平驱动信号即第六功率开关管S₆常通。

本发明的适合低压宽输入推挽正激三电平直流变换器主电路由输入分压电容电路1、第一、第二三电平支路2、3、箝位电容C、隔离变压器4、整流桥及滤波电路5组成。其中，分压电容C₁和C₂容量很大且相等，其电压均为输入电源U_in的电压U的一半，即U_c1＝U_c2＝U/2，可看作电压为U/2的电压源。

控制方法如下：不考虑功率开关管之间的死区，延时和功率开关管的开关时间，第一功率开关管S₁驱动信号和第五功率开关管S₅驱动信号互补；第四功率开关管S₄驱动信号和第六功率开关管S₆驱动信号互补。存在三电平和两电平2种工作模式，当处于三电平工作模式时，第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃180°互补导通，第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄以PWM工作方式进行工作；当处于两电平工作模式时，第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄常断即占空比为0，第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆常通即占空比为1，第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃以PWM工作方式进行工作。

在三电平工作模式下，第一、第四功率开关管S₁和S₄存在两种开关模式：一种是第一、第四功率开关管S₁和S₄分别与第五、第六功率开关管S₅和S₆同时关断，即变压器副边整流电压先出现1/2电平，后出现1电平；另一种是第一、第四功率开关管S₁和S₄分别与第五、第六功率开关管S₅和S₆同时开通，即变压器副边整流电压先出现1电平，后出现1/2电平。

以第一种功率开关管S₁和S₄的开关模式为例，结合图5～图6叙述本发明三电平模式下的具体工作原理。

由图3可知整个变换器在一个开关周期有4种开关模态，分别是[t₀以前]、[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₂，t₃]，其中[t₀以前，t₁]为前半周期，[t₁，t₃]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

在分析之前，作如下假设：①所有功率开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容和变压器均为理想元件，N_P1＝N_P2＝N_P，N_S/N_P＝n；③箝位电容C足够大，稳态时其电压近似恒定为U。

1.开关模态1[t₀以前][对应于图5]

t₀以前，第二、第五、第六功率开关管S₂、S₅、S₆导通，其它功率开关管关断。AB两点间电压为u_AB＝nU/2。第五、第六功率开关管S₅和S₆导通，保证了第一、第四功率开关管S₁和S₄承受的电压都为U/2，则第三功率开关管S₃承受的电压为3U/2，因此无需飞跨电容箝位第三功率开关管S₃的电压。副边第一、第四整流二极管D₁和D₄导通，第二、第三整流二极管D₂和D₃截止。原边向副边传递能量。

2.开关模态2[t₀，t₁][对应于图6]

t₀时刻关断第五功率开关管S₅，第一功率开关管S₁导通，第二、第六功率开关管S₂、S₆维持导通。第五功率开关管S₅承受的电压为U/2。u_AB电压上升到nU。原边向副边传递能量。

此后第三、第五功率开关管S₃和S₅导通，第一、第二功率开关管S₁和S₂关断，原边给副边提供能量。变换器开始另一半周期工作。

由图4可知在两电平工作模式下整个变换器在一个开关周期有4种开关模态，分别是[t₀以前]、[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₂，t₃]，其中[t₀以前，t₁]为前半周期，[t₁，t₃]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

1.开关模态1[t₀以前][对应于图5]

t₀以前，第二功率开关管S₂导通，AB两点间电压为u_AB＝nU/2。由于两电平工作模式下第五、第六功率开关管S₅和S₆常通，第一、第四功率开关管S₁和S₄常断，因此，第一、第四功率开关管S₁和S₄承受的电压都为U/2，则第三功率开关管S₃承受的电压为U，比三电平模式下电压应力减小U/2。副边第一、第四整流二极管D₁和D₄导通，第二、第三D₂和D₃截止。原边向副边传递能量。

2.开关模态2[t₀，t₁][对应于图7]

t₀时刻关断S₂，功率开关管S₁、S₂、S₃和S₄承受的电压都为U/2。u_AB电压下降到零，副边第一至第四整流二极管D₁～D₄导通，副边续流。

此后第三功率开关管S₃导通，原边给副边提供能量。变换器开始另一半周期工作。

由上面分析可知，两电平工作模式下功率开关管S₂和S₃的电压应力比传统三电平推挽正激直流变换器减小了U/2。

Claims (1)

1.一种低压宽输入推挽正激三电平直流变换器的控制方法，其特征在于：将采样的低压宽输入推挽正激三电平直流变换器的输出电压(U_o)与给定的基准电压(U_r)经过电压环调节器后得到调节信号(U_e)；将锯齿波发生器产生的第一锯齿波载波信号经过直流偏置电路得到第二锯齿波载波信号；

当低压宽输入推挽正激三电平直流变换器处于三电平模式，将所述调节信号(U_e)与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第二功率开关管(S₂)和第三功率开关管(S₃)的开关信号，将第二功率开关管(S₂)的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管(S₂)的驱动信号，将第三功率开关管(S₃)的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管(S₃)的驱动信号，所述第二功率开关管(S₂)的驱动信号与第三功率开关管(S₃)的驱动信号为180°互补信号即第二功率开关管(S₂)与第三功率开关管(S₃)180°互补导通关断；将所述调节信号(U_e)与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管(S₁)和第四功率开关管(S₄)的开关信号，将第一功率开关管(S₁)的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管(S₁)的PWM驱动信号即第一功率开关管(S₁)为PWM调制，将第一功率开关管(S₁)的开关信号分别经过第一反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管(S₅)的驱动信号，将第四功率开关管(S₄)的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管(S₄)的PWM驱动信号即第四功率开关管(S₄)为PWM调制且与第一功率开关管(S₁)的驱动信号相差180°，将第四功率开关管(S₄)的开关信号分别经过第二反相器和第六驱动电路得到第六功率开关管(S₆)的驱动信号，其中第一功率开关管(S₁)的驱动信号与第五功率开关管(S₅)的驱动信号为互补信号即第一功率开关管(S₁)与第五功率开关管(S₅)交替导通、关断，第四功率开关管(S₄)的驱动信号与第六功率开关管(S₆)的驱动信号为互补信号即第四功率开关管(S₄)与第六功率开关管(S₆)交替导通、关断；

当低压宽输入推挽正激三电平直流变换器处于二电平模式，将所述调节信号(U_e)与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第二功率开关管(S₂)和第三功率开关管(S₃)的开关信号，将第二功率开关管(S₂)的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管(S₂)的PWM驱动信号即第二功率开关管(S₂)为PWM调制，将第三功率开关管(S₃)的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管(S₃)的PWM驱动信号即第三功率开关管(S₃)为PWM调制且与第二功率开关管(S₂)的驱动信号相差180°；将所述调节信号(U_e)与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管(S₁)和第四功率开关管(S₄)的开关信号，将第一功率开关管(S₁)的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管(S₁)的低电平驱动信号即第一功率开关管(S₁)常断，将第一功率开关管(S₁)的开关信号分别经过第一反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管(S₅)的高电平驱动信号即第五功率开关管(S₅)常通，将第四功率开关管(S₄)的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管(S₄)的低电平驱动信号即第四功率开关管(S₄)常断，将第四功率开关管(S₄)的开关信号分别经过第二反相器和第六驱动电路得到第六功率开关管(S₆)的高电平驱动信号即第六功率开关管(S₆)常通。

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