CN103746563A - 双桥宽负载范围zvs三电平直流变换器、开关电源 - Google Patents

双桥宽负载范围zvs三电平直流变换器、开关电源 Download PDF

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Abstract

一种双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器，采用8只自关断器件，2个隔直电容，2个高频变压器以及输出整流滤波单元组成，两组直流变换器共用一组输入直流母线。其优点是：1）结构简单，变压器原边不需要额外的钳位器件；2）器件承受电压应力低，每个开关器件承受Uin/2的电压应力，适用于高压直流变换；3）控制简单，采用成熟的移相控制方式，具有很强的实用性；4）输出波形为三电平，可大大降低输出波形中的谐波含量，在相同的滤波器条件下，可大大降低开关频率，提高电路效率。5）通过添加两个谐振电感，拓展原边自关断器件的软开关范围，可大大降低自关断器件的开关损耗，该电路可广泛应用于直流开关电源领域。

Description

双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器、开关电源
技术领域
本发明涉及一种双桥宽负载范围ZVS（零电压开关）三电平直流变换器拓扑，该电路可用于直流开关电源领域。
背景技术
三电平技术是电力电子技术的热门技术。在电力电子应用中，受到器件电压定额的影响，电路中不可避免采用器件串联的结构形式，为了解决器件串联的静态、动态均压问题必须附加均压电路。随着均压电路的加入以及器件数量的增加，电路自然具备多种工作模式以及多个输出电平，通过工作模式的组合得到更好的输出特性。三电平直流变换器的研究始于1992年，该类型电路广泛应用于高压直流变换领域，中国专利200610096757是该类技术之一。2004年，巴西学者提出了一种新型三电平直流变换器，该电路采用输入电容作为原边钳位电路，大大简化了电路结构，具有良好的应用前景。但该类电路存在三个问题：
其一，输出波形仍然是两电平波形，对于减小输出滤波器体积以及输入电容纹波等方面没有改善；
其二，原边自关断器件软开关范围小；
最后，传统的移相控制技术无法应用于该电路。
发明内容
本发明的目的是提出一种双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换电路，解决了背景技术输出波形仍然是两电平波形、原边自关断器件软开关范围小、无法使用移相控制的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器，其特殊之处是：
包括8只自关断器件S1～S8，2个隔直电容CBL1、CBL2，4个电容Cin1～Cin4，2个高频变压器T1、T2，1个电感L1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Do1～Do4，电感Lout，电容Cout；
其中：
S1的集电极、S5的集电极以及Cin1的一端联接于1，作为电路的正极输入端；
CBL2的一端以及T2的原边绕组T2p的同名端联接于2；
S5的发射极、S6的集电极以及CBL2的另一端联接于3；
Cin1的另一端、Cin2的一端以及L1的一端联接于4；
S1的发射极、S2的集电极、L1的另一端以及CBL1的一端联接于5；
CBL1的另一端以及T1的原边绕组T1p的同名端联接于6；
S2的发射极、S3的集电极、S6的发射极、S7的集电极、Cin2的另一端以及Cin3的一端联接于7；
S7的发射极、S8的集电极、T2的原边绕组T2p的另一端以及L2的一端联接于8；
Cin3的另一端、Cin4的一端以及L2的另一端联接于9；
S3的发射极、S4的集电极以及变压器T1的原边绕组T1p的另一端联接于10；
S4的发射极、S8的发射极与Cin4的另一端联接于11，作为电路的负极输入端；
T1和T2副边串行联接，且T1的副边绕组T1s的另一端与T2的副边绕组T2s的同名端联接于12；
T1副边绕组T1s的同名端、Do1的阳极以及Do2的阴极联接与13；
T2副边绕组T2s的另一端、Do3的阳极以及Do4的阴极联接与14；
Do1的阴极、Do3的阴极以及Lout的一端联接于15；
Lout的另一端、Cout的一端联接于16，作为电路的正极输出端；
Do2的阳极、Do4的阳极以及Cout的另一端联接于17，作为电路的负极输出端。
一种应用本发明直流变换器的开关电源，其特殊之处是：
包括二极管整流电路、电感Lin、双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器；
所述双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器包括8只自关断器件S1～S8，2个隔直电容CBL1、CBL2，4个电容Cin1～Cin4，2个高频变压器T1、T2，1个电感L1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Do1～Do4，电感Lout，电容Cout；
其中：
二极管整流电路的交流侧接三相交流电源；
二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接；
电感Lin的另一端、S1的集电极、S5的集电极以及Cin1的一端联接于1；
CBL2的一端以及T2的原边绕组T2p的同名端联接于2；
S5的发射极、S6的集电极以及CBL2的另一端联接于3；
Cin1的另一端、Cin2的一端以及L1的一端联接于4；
S1的发射极、S2的集电极、L1的另一端以及CBL1的一端联接于5；
CBL1的另一端以及T1的原边绕组T1p的同名端联接于6；
S2的发射极、S3的集电极、S6的发射极、S7的集电极、Cin2的另一端以及Cin3的一端联接于7；
S7的发射极、S8的集电极、T2的原边绕组T2p的另一端以及L2的一端联接于8；
Cin3的另一端、Cin4的一端以及L2的另一端联接于9；
S3的发射极、S4的集电极以及变压器T1的原边绕组T1p的另一端联接于10；
二极管整流电路的直流侧负极、S4的发射极、S8的发射极与Cin4的另一端联接于11；
T1和T2副边串行联接，且T1的副边绕组T1s的另一端与T2的副边绕组T2s的同名端联接于12；
T1副边绕组T1s的同名端、Do1的阳极以及Do2的阴极联接与13；
T2副边绕组T2s的另一端、Do3的阳极以及Do4的阴极联接与14；
Do1的阴极、Do3的阴极以及Lout的一端联接于15；
Lout的另一端、Cout的一端联接于16，作为电路的正极输出端；
Do2的阳极、Do4的阳极以及Cout的另一端联接于17，作为电路的负极输出端。
本发明的优点：
1、结构简单，变压器原边不需要额外的钳位器件；
2、器件承受电压应力低，每个开关器件承受Uin/2的电压应力，适用于高压直流变换；
3、控制简单，采用成熟的移相控制方式，具有很强的实用性；
4、输出波形为三电平，可大大降低输出波形中的谐波含量，在相同的滤波器条件下，可大大降低开关频率，提高电路效率。
5、通过添加两个谐振电感，拓展原边自关断器件的软开关范围，可大大降低自关断器件的开关损耗，该电路可广泛应用于直流开关电源领域。
附图说明
图1是本发明直流变换器的电路结构图。
图2是本发明直流变换器在Uin/k模式下导通原理图。
图3是本发明直流变换器在Uin/2k模式下导通原理图。
图4是本发明直流变换器在-Uin/k模式下导通原理图。
图5是本发明直流变换器在-Uin/2k模式下导通原理图。
图6是本发明直流变换器变压器副边输出波形原理示意图。
图7是本发明开关电源的电路结构图。
具体实施方式
双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器变压器原边电路特征是：
S1的集电极、S5的集电极与Cin1的一端联接于1；CBL2的一端与T2的原边绕组T2p的同名端联接于2；S5的发射极、S6的集电极及CBL2的另一端联接于3；Cin1的另一端、Cin2的一端与L1的一端联接于4；S1的发射极、S2的集电极、L1的另一端以及CBL1的一端联接于5；CBL1的另一端与T1的原边绕组T1p的同名端联接于6；S2的发射极、S3的集电极、S6的发射极、S7的集电极、Cin2的另一端以及Cin3的一端联接于7；S7的发射极、S8的集电极、T2的原边绕组T2p的另一端以及L2的一端联接于8；Cin3的另一端、Cin4的一端与L2的另一端联接于9；S3的发射极、S4的集电极以及变压器T1的原边绕组T1p的另一端联接于10；S4的发射极、S8的发射极与Cin4的一端联接于11。
双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器变压器副边特征是：
T1和T2副边串行联接。T1的副边绕组T1s的另一端与T2同名端联接于12；T1副边绕组T1s的一同名端与Do1的阳极以及Do2的阴极联接与13；T2副边绕组T2s的另一端与Do3的阳极以及Do4的阴极联接与14；Do1和Do3的阴极与Lout的一端联接于15；Lout的另一端、Cout的一端联接于16；Do2的阳极、Do4的阳极以及Cout的另一端联接于17。
实施例1
本例是采用双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器的开关电源。
参见图7，三相交流电源经过二极管整流电路Din1-Din6变成直流，直流侧正极经过电感Lin与所述电路的1端联接；直流侧的负极与所述电路的11端相连；图中变压器为高频变压器。
经过控制CBL1和CBL2两端电压可控制为Uin/2，其主要工作状态简述如下：
参见图2，开关S1、S4、S5、S8导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为Uin/2；变压器T2原边绕组两端承受的电压为Uin/2，变换器变压器副边串联输出Uin/k电平。
参见图3，开关S1、S5、S8、D3导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为0；变压器T2原边绕组两端承受的电压为Uin/2，变换器变压器副边串联输出Uin/2k电平。
参见图4，开关S2、S3、S6、S7导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为-Uin/2；变压器T2原边绕组两端承受的电压为-Uin/2，变换器变压器副边串联输出-Uin/k电平。
参见图5，开关S2、S6、S7、D4导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为0；变压器T2原边绕组两端承受的电压为-Uin/2，变换器变压器副边串联输出-Uin/2k电平。
参见图6，为变换器变压器副边输出波形。

Claims (2)

1.一种双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器，其特征在于：
包括8只自关断器件S1～S8，2个隔直电容CBL1、CBL2，4个电容Cin1～Cin4，2个高频变压器T1、T2，1个电感L1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Do1～Do4，电感Lout，电容Cout；
其中：
S1的集电极、S5的集电极以及Cin1的一端联接于1，作为电路的正极输入端；
CBL2的一端以及T2的原边绕组T2p的同名端联接于2；
S5的发射极、S6的集电极以及CBL2的另一端联接于3；
Cin1的另一端、Cin2的一端以及L1的一端联接于4；
S1的发射极、S2的集电极、L1的另一端以及CBL1的一端联接于5；
CBL1的另一端以及T1的原边绕组T1p的同名端联接于6；
S2的发射极、S3的集电极、S6的发射极、S7的集电极、Cin2的另一端以及Cin3的一端联接于7；
S7的发射极、S8的集电极、T2的原边绕组T2p的另一端以及L2的一端联接于8；
Cin3的另一端、Cin4的一端以及L2的另一端联接于9；
S3的发射极、S4的集电极以及变压器T1的原边绕组T1p的另一端联接于10；
S4的发射极、S8的发射极与Cin4的另一端联接于11，作为电路的负极输入端；
T1和T2副边串行联接，且T1的副边绕组T1s的另一端与T2的副边绕组T2s的同名端联接于12；
T1副边绕组T1s的同名端、Do1的阳极以及Do2的阴极联接与13；
T2副边绕组T2s的另一端、Do3的阳极以及Do4的阴极联接与14；
Do1的阴极、Do3的阴极以及Lout的一端联接于15；
Lout的另一端、Cout的一端联接于16，作为电路的正极输出端；
Do2的阳极、Do4的阳极以及Cout的另一端联接于17，作为电路的负极输出端。
2.一种开关电源，其特征在于：
包括二极管整流电路、电感Lin、双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器；
所述双桥宽负载范围ZVS三电平直流变换器包括8只自关断器件S1～S8，2个隔直电容CBL1、CBL2，4个电容Cin1～Cin4，2个高频变压器T1、T2，1个电感L1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Do1～Do4，电感Lout，电容Cout；
其中：
二极管整流电路的交流侧接三相交流电源；
二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接；
电感Lin的另一端、S1的集电极、S5的集电极以及Cin1的一端联接于1；
CBL2的一端以及T2的原边绕组T2p的同名端联接于2；
S5的发射极、S6的集电极以及CBL2的另一端联接于3；
Cin1的另一端、Cin2的一端以及L1的一端联接于4；
S1的发射极、S2的集电极、L1的另一端以及CBL1的一端联接于5；
CBL1的另一端以及T1的原边绕组T1p的同名端联接于6；
S2的发射极、S3的集电极、S6的发射极、S7的集电极、Cin2的另一端以及Cin3的一端联接于7；
S7的发射极、S8的集电极、T2的原边绕组T2p的另一端以及L2的一端联接于8；
Cin3的另一端、Cin4的一端以及L2的另一端联接于9；
S3的发射极、S4的集电极以及变压器T1的原边绕组T1p的另一端联接于10；
二极管整流电路的直流侧负极、S4的发射极、S8的发射极与Cin4的另一端联接于11；
T1和T2副边串行联接，且T1的副边绕组T1s的另一端与T2的副边绕组T2s的同名端联接于12；
T1副边绕组T1s的同名端、Do1的阳极以及Do2的阴极联接与13；
T2副边绕组T2s的另一端、Do3的阳极以及Do4的阴极联接与14；
Do1的阴极、Do3的阴极以及Lout的一端联接于15；
Lout的另一端、Cout的一端联接于16，作为电路的正极输出端；
Do2的阳极、Do4的阳极以及Cout的另一端联接于17，作为电路的负极输出端。
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