CN103166466A

CN103166466A - 一种半桥三电平直流变换电路

Info

Publication number: CN103166466A
Application number: CN2012100345474A
Authority: CN
Inventors: 樊忠; 周光林
Original assignee: XI'AN SHENG TANG POWER CO Ltd
Current assignee: XI'AN SHENG TANG POWER CO Ltd
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明涉及一种直流变换器，特别是一种半桥三电平直流变换电路。它至少包括：开关管Q1、Q2、Q3、Q4，开关管Q1、Q2、Q3、Q4每一个管子的漏极D和源极S分别并联有开关二极管D1-D4和电容C1、C2、C3、C4，Q1、Q2、Q3、Q4依次源极S和漏极D串联，Q1的漏极D接整流电压正端，Q4的源极S接整流电压负端，整流电压正负端之间串接两个分压电容C5、C6，在Q1和Q2的连接点以及Q3和Q4的连接点之间串接两个续流管D5、D6，其特征是：C5、C6连接点通过电容C7与变压器初级线圈的一端连接，变压器初级线圈的另一端通过电感L连接串接连接的续流管D5、D6的连接点，变压器次级有中心抽头端。

Description

一种半桥三电平直流变换电路

技术领域

本发明涉及一种直流变换器，特别是一种半桥三电平直流变换电路。

背景技术

现有的半桥三电平直流变换器如图1所示，C5、C6为两个分压电容，其容量相等，D5、D6为两个续流管，D1-D4分别为开关二极管，C1、C2、C3、C4为外接电容，L是谐振电感，C_SS是飞跨电容，该拓扑结构采用移向控制，Q1、Q4互补导通，Q2、Q3互补导通，并且Q1、Q4的驱动信号分别超前Q2、Q3一个相位，Q1、Q4称为超前管，Q2、Q3称为滞后管，驱动信号时序见图2。半桥三电平拓扑结构的通过控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4在变压器原边得到一个电压值为

的交流方波电压，经过变压器及整流电路后，得到电压值为

(K为变压器的变比)的直流脉动电压，经滤波后变为直流电压15V。在Q1和Q2同时导通时，变压器原边得到

的电压，在Q3和Q4同时导通时，变压器原边得到

电压。

其中飞跨电容和续流二极管的存在是为了实际电路中Q1和Q2、Q3和Q4由于管子的差异导致不能同时开通和关断，可能造成的开关管的电压降不均匀设置的。在此拓扑结构下稳态工作时，飞跨电容上的电压值稳定为在Q1和Q2同时导通时，变压器原边得到原边电流I_原原流经Q1和Q2，关断Q1，原边电流I_原给C1充电，同时通过C_SS给C4放电，可以使Q1零电压关断。当C4上的电压降为零，C1电压上升至

时，可以零电压开关Q4，此时变压器原边电压为零。

滤波电感L_f一般很大，近似认为原边电流I_原不变，零状态时认为进行恒流充电，当Q2关断时，I_原给C2充电，同时通过C_SS给C3放电，Q2可以实现零电压关断。当C3上的电压降为零，D3导通，零电压开通Q3，变压器原边得到

的电压。同样当Q3关断时，变压器原边电压在0和

的状态下进行切换，实现Q3零电压关断，Q2实现零电压开通。

但是图1电路加箝位二极管的拓扑结构存在着三个缺点：(1)当变压器原边电压为零，电感被箝位二极管短接，存在较大的损耗，(2)箝位二极管在一个周期中导通两次；(3)变压器出现直流磁化的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种损耗小，变压器不会出现直流磁化的现象和箝位二极管在一个周期中两次导通的一种半桥三电平直流变换电路。

本发明的目的是这样实现的，一种半桥三电平直流变换电路，它至少包括：开关管Q1、Q2、Q3、Q4，开关管Q1、Q2、Q3、Q4每一个管子的漏极D和源极S分别并联有开关二极管D1-D4和电容C1、C2、C3、C4，Q1、Q2、Q3、Q4依次源极S和漏极D串联，Q1的漏极D接整流电压正端，Q4的源极S接整流电压负端，整流电压正负端之间串接两个分压电容C5、C6，在Q1和Q2的连接点以及Q3和Q4的连接点之间串接两个续流管D5、D6，其特征是：C5、C6连接点通过电容C7与变压器初级线圈的一端连接，变压器初级线圈的另一端通过电感L连接串接连接的续流管D5、D6的连接点，变压器次级有中心抽头端。

所述的两个串联连接的续流管D5、D6两端并联有另外两次串联连接的续流管D7、D8。

本发明的优点是：本发明实现输入直流电压在0V-1000V电压范围内变化，验证此结构的可行性，同时改进后的拓扑结构的加箝位二极管的半桥三电平直流变换器拓扑结构的应用使得在开关管工作的一个周期只导通一次，从而减少电流应力，另外在原边电压为零时电感的导通损耗下，占空比丢失少，达到修正简化箝位二极管半桥三电平直流变换器拓扑结构存在的缺点。此改进后的拓扑结构的加箝位二极管的拓扑结构在零状态时通过电感的电流较小，从而使导通损耗减小，提升电源的效率；改进后的拓扑结构的加箝位二极管的拓扑结构中通过串联隔直电容，可以防止变压器直流磁化。

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是现有的半桥三电平直流变换器电路图；

图2是图1电路的驱动信号时序图；

图3改进后的拓扑结构的半桥三电平直流变换器电路结构图。

具体实施方式

如图3所示，图3改进后的拓扑结构的半桥三电平直流变换器电路结构图，它至少包括：开关管Q1、Q2、Q3、Q4，开关管Q1、Q2、Q3、Q4每一个管子的漏极D和源极S分别并联有开关二极管D1-D4和电容C1、C2、C3、C4，Q1、Q2、Q3、Q4依次源极S和漏极D串联，Q1的漏极D接整流电压正端，Q4的源极S接整流电压负端，整流电压正负端之间串接两个分压电容C5、C6，在Q1和Q2的连接点以及Q3和Q4的连接点之间串接两个续流管D5、D6，其特征是：C5、C6连接点通过电容C7与变压器初级线圈的一端连接，变压器初级线圈的另一端通过电感L连接串接连接的续流管D5、D6的连接点，变压器次级有中心抽头端。两个串联连接的续流管D5、D6两端并联有另外两次串联连接的续流管D7、D8。

图3的PWM脉冲由控制板的模块UC3875提供，通过驱动模块驱动IGBT，所用脉冲采用负电压脉冲保证了受控的IGBT的可靠关断，同时可以设置不同频率范围的脉宽。

改进前的拓扑结构和改进后的拓扑结构的比较分析，改进前后都可以消除输出整流管反向恢复带来的电压振荡和电压尖峰，区别在于超前管的关断，改进前的拓扑结构当超前管关断时，箝位二极管导通，将谐振电感短路，谐振电感不参与超前管关断后的工作，电流保持不变，直到滞后管关断。在改进后的拓扑结构中，当超前管关断时，箝位二极管不导通，谐振电感参与超前管关断后的工作，电流与原边电流相等，并有所减少。对于改进前的拓扑结构要实现超前管的零电压关断，必须是开通的开关管和截止的整流管电容上的电荷被释放，同时给关断的开关管的结电容充电，即是满足下面的公式

E > C_{i} \frac{{V_{in}}^{2}}{4}

(式1.1)

其中C_i表示开关管Q1-Q4的外加电容，此能量由滤波电感提供；对于改进后的拓扑结构，要实现超前管的零电压关断，需要将开通开关管结电容上的电荷和截止整流管结电容上的部分电荷被释放，同时给关断的开关管的结电容充电，其能量由谐振电感和输出滤波电容提供。

改进后的拓扑结构比较容易实现超前管的零电压关断。但是改进后的拓扑结构实现滞后管的零电压关断比改进前的拓扑结构实现滞后管的关断要稍微困难，因为改进后的拓扑结构的谐振电流较小。

由于零电压时，改进后的拓扑结构的谐振电流比改进前的拓扑结构的谐振电流小，原边回路的导通损耗小，从而提高效率。

两种结构的占空比问题，由于变压器原边谐振电感L的存在导致变压器副边占空比D_副边占空比要小于变压器原边占空比D_原边(D表示占空比)，忽略副边滤波电感电流的脉动，

(式1.2)

(K为变压器的变比，T_s为输出电压周期，I₀为带载电流，T_s为开关周期)，从式1.2可知，L越大，D_损失越大，V_m越小，D_损失越大。

谐振回路中的占空比丢失，与谐振电感电流从正向到负向折算到原边的滤波电感电流所需时间成正比，改进后的拓扑结构的谐振电感电流的正向值比改进前的拓扑结构小，占空比丢失较小。

改进后的拓扑结构中，仍可以通过控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4在变压器的原边可以得到一个交流方波电压，经过变压器和整流电路后，得到直流脉动电压，经过滤波电路后得到输出直流电压。在实际电路中，四只开关管存在差异性，使得变压器原边电压不可能为一个纯粹的交流电压，而是含有一定的直流分量，可能导致变压器铁芯直流磁化直至饱和，抑制直流分量最简单的方法是在变压器原边电路中串接隔直电容，隔直电容既可以与变压器串联，也可以与谐振电感串联，相对于改进前的拓扑结构拓扑结构，如果与谐振电感串联，假设隔直电容上的直流电压分量为正，在正半周，隔直电容将使谐振电感电流上升，在负半周使谐振电感电流下降，这样将使谐振电感电流将出现正负半周不对称的情况；如果隔直电容与变压器串联，那么，隔直电容上的直流分量会使原边电流正负半周不对称。

对于改进后的拓扑结构，如果隔直电容与谐振电感串联，则隔直电容上的直流电压分量会使谐振电感电流正负半周出现不对称，若隔直电容与变压器串联，那么隔直电容上的直流电压分量不会造成原边电流正负半周的不对称。

图3改进后的拓扑结构的半桥三电平拓扑结构后端有四个二极管分别起续流和箝位作用，该拓扑结构采用移相控制，移向控制由UC3875完成。

Claims

1.一种半桥三电平直流变换电路，它至少包括：开关管Q1、Q2、Q3、Q4，开关管Q1、Q2、Q3、Q4每一个管子的漏极D和源极S分别并联有开关二极管D1-D4和电容C1、C2、C3、C4，Q1、Q2、Q3、Q4依次源极S和漏极D串联，Q1的漏极D接整流电压正端，Q4的源极S接整流电压负端，整流电压正负端之间串接两个分压电容C5、C6，在Q1和Q2的连接点以及Q3和Q4的连接点之间串接两个续流管D5、D6，其特征是：C5、C6连接点通过电容C7与变压器初级线圈的一端连接，变压器初级线圈的另一端通过电感L连接串接连接的续流管D5、D6的连接点，变压器次级有中心抽头端。

2.根据权利要求1所述的一种半桥三电平直流变换电路，其特征是：所述的两个串联连接的续流管D5、D6两端并联有另外两次串联连接的续流管D7、D8。