CN1396697A - 交错并联正激三电平变换器 - Google Patents

Abstract

一种交错并联正激三电平变换器属直流变换器，它由直流输入电压(1)，分压电容(2)，交错并联(Interleave)正激变换电路(3)，整流滤波电路(4)所组成。其特点是：能在整流后输出三电平电压波形。该变换器由于加在输出电感上的交流分量比传统直流—直流变换器要小，故可以有效的减小滤波电感，应用于负载动态变化很高的变换器，还可以有效的减小输出滤波电容，从而可以大大减小滤波器的体积。

Description

交错并联正激三电平变换器

技术领域

本发明的交错并联正激三电平变换器涉及的是电能变换装置，尤其是直流变换器。

背景技术

现有的直流—直流(DC-DC)变换器中，整流滤波后的输出电压波形一般都为高电平和零电平两电压波形，为了减小直流输出滤波电感的体积和重量，通常采用提高开关频率或多相交错并联(Interleave)技术。然而，就目前的功率半导体发展水平来说，开关频率的提高会给效率的提高带来困难；而采用多相交错并联(Interleave)技术，由于相数过多，使得其控制电路复杂，可靠性降低，成本提高。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前现有技术的不足，提供一种交错并联(Interleave)正激三电平变换器，使电路本身的结构特点就能在相同的开关频率和相数时，减小输出滤波电感；在动态响应要求很高的直流变换器中，采用交错并联(Interleave)正激三电平变换器还可减小输出滤波电容，从而减小输出滤波器的体积，降低成本，提高可靠性。

本发明的交错并联正激三电平变换器，由直流输入电压连于分压电路后，连于交错并联正激变换电路，其输出再连于整流滤波电路所组成。

本发明与现有技术相比，能在整流后输出三电平电压波形，使得加在输出滤波电感上的电压交流分量，比现有的直流—直流变换器可大大减小，因而滤波电感就可有效地减小；同时，在某些场合下，比如在动态响应要求很高的直流变换器中，还可减小输出滤波电容，从而减小了输出滤波器的体积。降低了成本，提高了可靠性。

附图说明：图1.交错并联正激三电平变换器的组成框图图2.交错并联正激三电平变换器原理图图3.交错并联正激三电平变换器主要波形示意图图4～7.为交错并联正激三电平变换器各开关模态的等效电路结构示意图图1中各框图内名称分别是：1.直流输入电压2.分压电路3.交错并联正激变换电路4.整流滤波电路图2.中的标号1～4及名称与图1中标号1～4及名称一致。图2.中的符号名称：V_in—输入直流电压              C₁、C₂—分压电路电容Q₁～Q₄—开关管                T₁、T₂—工作变压器D₁～D₄—二极管                D_R1～D_R3—整流二极管L_f—滤波电感                   C_f—滤波电容R_ld—负载                      V_o—输出电压I_L—电感电流图3.中符号名称：t，t₁～t₁₀—时间              T_s—周期I_o—输出电流                   V_T1、V_T2—工作变压器上的T₁、T₂原边电压V_AB—图2中A、B两点之间的电压   N—工作变压器原副边匝比V_o、I_o为输出电压、电流其它符号名称与图1致。图4～7.中的符号名称，见下面具体实施方式中的相应说明。

具体实施方式：根据上述附图叙述本发明的具体实施方式及工作原理和工作过程：

图1是本发明的组成框图，图2是本发明的实施例原理图，由图1与图2可知，本发明的组成是直流输入电压V_in连于由分压电容C₁、C₂(C₁＝C₂)组成的分压电路2后，再连于交错并联正激变换电路3，电路3为交错并联正激变换桥，其中由开关管Q₁、Q₃与工作变压器T₁及二极管D₁、D₃组成交错并联正激变换桥的一路，开关管Q₂、Q₄与工作变压器T₂及二极管D₂、D₄组成交错并联正激变换桥的另一路，工作变压器T₁、T₂均由一个复位绕组，一个原边绕组和一个副边绕组组成。交错并联正激变换电路3的输出连于整流滤波电路4，其中由整流二极管D_R1、D_R2、D_R3组成整流电路；由滤波电感L_f与滤波电容C_f组成滤波电路。本发明采用交错并联(Interleave)技术是为了解决分压电容的偏压问题。下面根据图3～7.叙述本发明的具体工作原理和工作过程：

整个变换器在一个开关周期中有6种开关模态，如图3所示，下面结合附图4～7.对各开关模态的工作进行具体分析。①开关模态1(对应于[0，t₁]时刻，其等效电路见附图4)

此时，Q₁和Q₃导通。原边电流i_p1流经Q₁、变压器T₁和原边绕组及Q₃。整流管D_R1导通，D_R3截止。T₁原边给负载供电，此时加在T₁原边的电压为V_in。同时D₄导通，T₂处于复位状态，副边输出负压，D_R2截止。此时v_AB＝V_in/N，N为变压器原边与副边的匝比。②开关模态2/3(对应于[t₁，t₂]，[t₂，T_s/2]其等效电路见附图5)

在t₁时刻关断Q₁，D₁导通。I_p1流过C₂、D₁、T₁和Q₃。在这段时间里，T₁原边给负载供电，C₂的电压由于放电而减小，C₁的电压会有所增加，加在T₁原边的电压基本为V_in/2。此时副边仍是D_R1导通，D_R3截止，D_R2仍承受反压而截止。等到t₂时刻，D₄截止，T₂变压器复位结束，此时T₂副边输出为0电压，D_R2仍截止，具体t₂的长短由变压器原边和复位绕组匝比决定，但其不能超过T_s/2。到T_s/2时刻，Q₃截止，变压器T₁进入复位，T₂开始供电，进入下一个开关模态。此时v_AB＝V_in/2N。③开关模态4(对应于[T_s/2，t₃]，其等效电路见附图6)

Q₂和Q₄开通。原边电流i_p2流经Q₂、变压器T₂原边绕组和Q₄。此时加在T₂原边绕组的电压为V_in，T₂原边给负载供电。同时D₃导通，T₁处于复位状态。副边D_R2导通，D_R1和D_R3承受反压而截止。此时v_AB＝V_in/N。④开关模态5/6(对应于[t₃，t₄]，[t₄，T_s]，其等效电路见附图7)

t₃时刻，Q₄截止，D₂导通。原边电流i_p2流经C₁、Q₂、T₂原边绕组和D₂，此时加在T₂原边绕组的电压为V_in/2，T₂原边继续给负载供电。副边D_R2继续导通，D_R1和D_R3承受反压而截止。到t₄时刻，D₃截止，T₁复位结束，此时T₁副边输出0电压，D_R1和D_R3仍截止。等到了Ts时刻，Q₂也截止，整个工作周期结束。进入下一个循环周期，Q₁和Q₃开通，T₂进入复位状态，T₁开始给负载供电。此时v_AB＝V_in/2N。

另外需要说明的是，在上述开关模态中D_R3似乎并没有什么作用，但在实际工作中考虑到开关之间有死区时间，在这段时间内，D_R3可起到续流保护作用。

由上分析可以看出，由于在输出滤波器上的电压波形多出一个V_in/2N，使得电感上的交流电压分量大大减小了，从而实现了减小电感的目的。

本发明的一个具体实施例子如下：

输入电压36～72V直流电压，输入直流电压为V_o＝0.8V；输出电流为：I_o＝100A；变换器原、副边匝比为N_T1＝24；变压器原、副边匝比为N_T2＝1；输出滤波电感为L_f＝100nH；输出滤波电容为C_f＝8600uF；负载电流变化率60～70A/us。

开关管为MOSFETQ₁/Q₄：Si4488EY(100V/7.9A)，Q₂/Q₃：Si4488DY(150V/5A)；输出整流管为同步整流管STV160NF02L(20V/160A)；复位二极管为D₃/D₄：SMBYW200-01(200V/1A)；钳位二极管D₁/D₂：STPR820F(200V/1A)；分压电容C₁/C₂＝680uF；开关频率为f_s＝300KHz。

从以上的描述中可以得知，本发明提出的Interleave正激三电平变换器有以下几项优点：①可以在整流后输出三电平电压波形，从而减小输出滤波电感。②在负载动态变化要求很高的变换器中，输出滤波电感的减小还可以减小输出滤波电容，从而使输出滤波器体积大大减小。

Claims (3)

1.一种交错并联正激三电平变换器，其特征在于：直流输入电压(1)连于分压电路(2)后，再连于交错并联正激变换电路(3)，然后再连于整流滤波电路(4)所组成的。

2.依据权利要求1.所述的交错并联正激变换器，其特征在于：交错并联正激变换电路为交错并联正激变换桥，由开关管Q₁、Q₃与工作变压器T₁及二极管D₁、D₃组成交错并联正激变换桥的一路；由开关管Q₂、Q₄与工作变压器T₂及二极管D₂、D₄组成交错并联正激变换桥的另一路。

3.依据权利要求2.所述的交错并联正激变换器，其特征在于：工作变压器由一个复位绕组，一个原边绕组和一个副边绕组所组成。

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