CN1336715A

CN1336715A - 零电压零电流开关混合全桥型三电平直流变换器

Info

Publication number: CN1336715A
Application number: CN01127182A
Authority: CN
Inventors: 阮新波; 李斌
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2002-02-20
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: CN1120561C

Abstract

一种零电压零电流开关混合型全桥三电平直流变换器属于直流变换器。包括输入分压电容电路1、阻断电容4、隔离变压器5、整流滤波电路6、其特点是还包括三电平桥臂2与两电平桥臂3。三电平桥臂,其开关管的电压应力为输入电压的一半,可在很宽的负载范围内实现零电压开关,可选用MOSFET;两电平桥臂其开关管的电压应力输入电压,可在很宽负载范围内实现零电流开关,可选用IGBT,且体积小、重量轻、动态特性好等优点。

Description

零电压零电流开关混合型全桥三电平直流变换器

技术领域

本发明的零电压零电流开关混合型全桥三电平直流变换器，属电能变换装置的直流变换器。

背景技术

随着电力电子技术的发展，对电能变换器的要求越来越高，特别是对输入功率因数的要求越来越高。经三相功率因数校正后电路的输出电压一般可达760～800V，有时甚至达到1000V，这就要求提高后级的直流变换器的开关管电压定额，使得很难选择合适的功率开关管。而三电平直流变换器开关管的电压应力为输入直流电压的一半，因此很容易选择合适的开关管。

为了减小变换器的体积和重量，必须提高开关频率，这就要求实现开关管的软开关(即零电压开关或零电流开关)，以减小开关损耗。目前已有软开关三电平直流变换器可分为两类：零电压开关和零电压零电流开关。零电压开关三电平直流变换器的外面两只开关管可在很宽的负载范围内实现零电压开关，但里面的两只开关管在负载较轻时不能实现零电压开关；对于零电压零电流开关三电平直流变换器(专利号：00219197.0)，其外面两只开关管可在很宽的负载范围内实现零电压开关，里面两只开关管可在很宽的负载范围内实现零电流开关。外面的两只开关管可选用MOSFET，里面的两只开关管可选用IGBT。对于目前器件水平来说，很容易购买到高压的IGBT(比如1200V)，因此IGBT用在这里没有发挥其优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在宽负载范围内实现开关的软开关，能充分利用高压开关管IGBT，同时又能减小输入和输出滤波器体积重量，且能改善变换器动态特性的零电压零电流开关混合型全桥三电平直流变换器。这种直流变换器包括输入分压电容电路，阻断电容电路，隔离变压器，整流滤波电路，其特点是，逆变桥电路由三电平逆变桥臂和两电平逆变桥臂所组成。由于该直流变换器的一个桥臂为三电平桥臂，其开关管的电压应力为输入电压的一半，可在很宽的负载范围内实现零电压开关，因此可以选用MOSFET；另一个桥臂为两电平桥臂，由两个开关管组成，其开关管的电压应力为输入电压，可在很宽的负载范围内实现零电流开关，因此可以选用IGBT；该变换器输出整流电压波形的交流分量很小，因此可以大大减小输出滤波器，从而减小滤波器的体积和重量，并且改善变换器的动态特性；该变换器的输入电流脉动很小，因此可以减小输入滤波器。

附图说明

附图1、本发明的电路组成示意图。

附图2-6、本发明的几种不同组成形式的电路实施例图。

附图7、本发明的主要波形示意图。

附图8-15、本发明各开关模态的等效电路示意图。

附图1中各虚线框内的标号名称：1、输入分压电容电路，2、三电平逆变桥臂，3、两电平逆变桥臂，4、阻断电容电路，5、隔离变压器，6、整流滤波电路。

具体实施方式

根据附图1-6叙述本发明的具体组成。

附图1是本发明的基本电路组成示意图，在输入分压电容电路1中，分压电容Cin₁和Cin₂的容量相等，且很大，它们的电压均为输入电源电压Vin的一半，即Vcin₁＝Vcin₂＝Vin/2。

三电平逆变桥臂2的构成是，四只开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别反向并联二极管D₁、D₂、D₃、D₄再并联结电容(或外接电容)C₁、C₂、C₃、C₄，其中开关管Q₁与Q₄组成超前管，Q₂与Q₃组成的滞后管上分别并联两个串联的续流二极管D₇、D₈和联结电容C_ss，并联电容C_ss的作用在于将两对开关管Q₁与Q₄和Q₂与Q₃的开关过程连接起来。在变换器稳态工作时，电容C_ss上的电压恒定为Vin/2。Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的电压应力均为输入电压的一半，可在很宽的负载范围内实现零电压开关，因此可以选用MOSFET开关管。

两电平逆变桥臂3，由两只开关管Q₅与Q₆和两个二极管D₅与D₆所组成。两个二极管D₅、D₆既可分别与相应的开关管Q₅、Q₆串联(如图1所示)，也可分别与Q₅、Q₆并联(如附图2～6所示)，其开关管的电压应力为输入电压，可在很宽的负载范围内实现零电流开关，因此可以选用高压开关管IGBT。

阻断电容电路4，用来实现Q₅与Q₆零电流开关。

隔离变压器5与整流滤波电路6均可采用现有技术。

附图2是在图1中的隔离变压器5原边串联一只饱和电感L_s。

附图3是将图1中的阻断电容C_b移到隔离变压器5副边，与一个开关管Q_b相串联，Q_b的S极与输出整流两个二极管D_R1、D_R2的阴极相连，阻断电容C_b的另一端与隔离变压器5副边绕组的中心抽头相连。

附图4是将图1中的阻断电容C_b去掉，在整流滤波电路6中加入两只二极管D_b1和D_b2以及一只电容C_b1。即一只二极管D_b1与一只电容C_b1串联后并联在隔离变压器副边的输出端，另一只二极管D_b2跨接在二极管D_b1、电容C_b1的串接点与滤波电感L_f、滤波电容C_f的串接点之间。

附图5同样将图1中的阻断电容C_b去掉，在整流滤波电路6中加入两只电容C_b1和C_b2以及三只二极管D_b1、D_b2、和D_b3，即一只二极管D_b1与一只电容C_b1串联后并接在隔离变压器副边输出端，另一只电容C_b2。与第二只二极管D_b2串联后并接在整流滤波电路的输入端，第三只二极管D_b3跨接上述两串联电路的串接点上。

附图6将图1中的阻断电容C_b移到整流滤波电路中，同时在隔离变压器5中增加两个副边绕组，与三个二极管D_a1、D_a2、和D_a3共同组成电流复位电路。

附图2-6与附图1相比没有本质上的差异，但附图3、附图4和附图5可较好抑制输出整流管上的电压尖峰。

下面以附图1为例，结合附图7～15叙述本发明的具体工作原理，由附图7可知整个变换器在一个开关周期中有14种开关模态，分别以〔t₀时刻〕、〔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〕(见附图7〕，其中，〔t₀ t₇〕为前半周期，〔t₇ t₁₄〕为后半周期。下面对〔t₀ t₇〕的各开关模态的工作情况进行具体分析。在附图7中，作了如下假设：a)两只输入分压电容分别以两个电压为V_in/2的电压源替代，输出滤波电路以一个电流为输出电流I₀的电流源替代。1、开关模态0〔t₀时刻之前〕〔对应于附图8〕

在t₀时刻以前，Q₁、Q₂和Q₆导通，v_AB＝V_in，原边给负载供电，原边电流i_p给阻断电容C_b充电。输出整流管D_R1导通，D_R2截止。在t₀时刻，i_p＝I_p0＝I₀/K，其中K为变压器原副边匝比。C_b的电压为V_cb(t₀)。2、开关模态1〔t₀ t₁〕〔对应于附图9〕

t₁时刻关断Q₁，i_p给C₁充电，同时通过电容C_ss给C₄放电。由于有C₁和C₄，Q₁是零电压关断。此时L_1k和L_f相串联，i_p近似保持I_p0不变。i_p继续给C_b充电。C₁的电压线性上升，C₄的电压线性下降。在t₁时刻，C₁的电压上升到V_in/2时，C₄的电压下降到0，A点电位为V_in/2，D₇自然导通。3、开关模态2〔t₁ t₂〕〔对应于附图10〕

当D₇导通后，C₄的电压被箝在0，因此可以零电压开通Q₄。Q₄与Q₁驱动信号之间的死区时间t_d(14)＞t₀₁。在此段时间里，v_AB＝V_in/2，原边继续给负载供电，i_p给C_b充电。4、开关模态3〔t₂ t₃〕〔对应于附图11〕t₂时刻关断Q₂，i_p给C₂充电，同时通过电容C_ss给C₃放电。由于有C₂和C₃，Q₂是零电压关断。此时L_1k和L_f相串联，i_p＝I_p0。I_p继续给C_b充电，由于C_b很大，可认为其电压在这段时间里基本不变。C₂的电压线性上升，C₃的电压线性下降。在t₃时刻，C₂的电压上升到V_in/2，C₃的电压下降到0，D₃自然导通。5、开关模态4〔t₃ t₄〕〔对应于附图12〕

当D₃导通后，C₃的电压被箝在0，因此可以零电压开通Q₃。在这段时间里，D₃、D₆和Q₆导通，v_AB＝0。v_cb使i_p开始减小，i_p不足以提供负载电流，因此D_R1和D_R2同时导通，这样变压器原、副边绕组电压均为零。此时v_cb全部加在L_lk上，i_p减小，v_cb上升。由于L_lk较小，而C_b较大，因此可认为v_cb在这个开关模态中基本不变，i_p近似线减小。在i_p下降到零。开关模态的持续时间为：6、开关模态5〔t₄ t₅〕〔对应于附图13〕

在此开关模态中，i_p有反向流动的趋势，但是D₆的存在使i_p保持在零，此时v_B＝-V_cbp。两个整流管同时导通，均分负载电流。7、开关模态6〔t₅ t₆〕〔对应于附图14〕

t₅时刻关断Q₆，此时Q₆中并没有电流流过，因此Q₆是零电流关断。在很小的延时后，开通Q₅，由于L_lk的存在，i_p不能突变，Q₆是零电流开通。由于i_p不足以于提供负载电流，两个整流管依然同时导通，变压器的原、副边绕组被钳在零电压。此时加在L_lk上的电压为-(V_in＋V_cbp)，i_p从零开始反方向线性增加。在t₆时刻，i_p反方向增加到折算到原边的负载电流I₀/K。该开关模态的时间为：8、开关模态7〔t₆ t₇〕〔对应附图14〕

从t₆时刻开始，原边为负载提供能量，同时给C_b反向充电。D_R1关断，所有负载电流均流过D_R2。

在t₇时刻，关断Q₄，开始另一个半周期〔t₇ t₁₄〕，其工作的情况类似于前面描述的〔t₀ t₇〕。

本发明的一个具体实例如下：输入交流电压380V/50HZ交流电，经过整流滤波后得到直流电压为V_in＝530VDC；输出直流电压为V₀＝54VDC；输出电流I₀＝50A；变压器原副边匝比K＝7；输出滤波电感为L_f＝10μH；输出滤波电容为C_f＝10000μF；联结电容C_ss为2.2μF；开关管Q₁-Q₄(包括其反并二极管D₁-D₄和结电容C₁-C₄)为MOSFET(型号为IRF460)；开关管Q₅和Q₆为IGBT(型号为CT60AM-20)；二极管D₅、D₆、D₇、和D₈为DSEI130-06A；输出整流二极管D_R1和D_R2为MEK95-06DA；开关频率为f_s＝50kHZ。

由以上描述可知，本发明提出的带钳位二极管的三电平零电压开关直流变换器具有如下优点：

1、该变换器的一个桥臂为三电平桥臂，其开关管的电压应力为输入电压的一半，可在很宽的负载范围内实现零电压开关，因此可以选用MOSFET；

2、另一个桥臂为两电平桥臂，由两个开关管组成，其开关管的电压应力为输入电压，可在很宽的负载范围内实现零电流开关，因此可以选用IGBT。

3、该变换器输出整流电压波形的交流分量很小，因此可以大大减小输出滤波器，从而减小滤波器的体积和重量，并且改善变换器的动态特性。

4、该变换器的输入电流脉动很小，因此可以减小输入滤波器。

Claims

1、一种零电压零电流开关混合型全桥三电平直流变换器包括输入分压电容电路、阻断电容电路、隔离变压器、整流滤波电路，其特征在于，还包括连于输入分压电容电路与隔离变压器之间的三电平逆变桥臂和两电平逆变桥臂。

2、依据权利要求1所述的零电压零电流开关混合型全桥三电平直流变换器，其特征在于，三电平逆变桥臂的组成是，四只开关管各自分别反向并联二极管和电容，在第二个开关管的阴极与第三个开关管的阳极之间并联互相串联的二个二极管，二个二极管的串接点连于输入分压电容电路的两个电容的串接点。

3、依据权利要求1或2所述的零电压零电流开关混合型全桥三电平直流变换器，其特征在于，两电平逆变桥臂由两只开关管各自分别串联或并联一个二极管所组成。