CN1630173A - 复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种涉及带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平直流变换器，由输入分压电容(1)、三电平桥臂(2)、两电平桥臂(3)、隔离变压器(4)、整流及滤波电路(5)，其特点是隔离变压器原边绕组与三电平逆变桥臂相连，谐振电感与两电平逆变桥臂相连。在隔离变压器(T_r)原边绕组与谐振电感(L_r)交点处引出两个箝位二极管构成箝位电路(6)，两个箝位二极管分别连于变换器直流输入的正母线与负母线。这两种直流变换器均适合应用于宽输入电压场合，输出整流波形中高频分量小，可以减小输出滤波电感，不仅实现了开关管的零电压开关，而且还可消除输出整流管的反向恢复引起的电压振荡，降低输出整流管的电压应力，并且消除了输出整流管因反向恢复引起的损耗。

Description

复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平直流变换器

技术领域

本发明的复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平直流变换器也称为带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器和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

近年来，三电平直流变换器在高压场合的应用受到了广泛的关注，因为它的开关管电压应力仅为输入电压的一半。为了提高效率和减小变换器的重量与体积，近年来出现了很多软开关三电平直流变换器电路拓扑。零电压开关三电平直流变换器通过变压器的漏感和开关管的结电容来实现开关管的软开关。零电压零电流开关三电平直流变换器的其中两只开关管可以实现零电压开关，另外两只开关管则可以实现零电流开关。这些变换器均只实现了开关管的软开关，而输出整流管依然存在反向恢复问题，反向恢复引起电压振荡，输出整流管要承受电压尖峰，很容易损坏。

零电压开关复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平直流变换器，具有开关管的电压应力为输入电压的一半，可在宽负载范围内实现零电压开关，输出整流波形中高频分量小，可以减小输出滤波电感，输入电流近似为一直流电流，可以减小输入滤波器等优点。但同样存在输出整流管反向恢复引起整流管上产生电压尖峰问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，研制一种带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平变换器，可以有效地去除副边整流电压尖峰，减小整流二极管上的损耗，提高变换效率。

本发明的带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平变换器，复合式全桥三电平直流变换器由输入分压电容电路的输出连于由三电平逆变桥臂与两电平逆变桥臂所组成的桥式电路两输入端，其输出端经隔离变压器连于整流及滤波电路，其特征在于将隔离变压器的原边绕组一端与三电平逆变桥臂输出端相连接，原边绕组另一端连于谐振电感的一端，谐振电感另一端与两电平逆变桥臂输出端相连接，且在隔离变压器的原边绕组与谐振电感交点处连接两个互相串联的箝位二极管，两个箝位二极管分别连接于变换器直流输入的正母线与负母线，构成箝位电路，其极性为一个二极管D_c1的阴极接正母线，另一个二极管D_c2的阳极接负母线。

带箝位二极管的零电压开关全桥三电平直流变换器和零电压开关复合式全桥三电平直流变换器结构类似，只把复合式全桥三电平直流变换器中的两电平桥臂中的每个开关管用两个串联的同时开通和关断的开关管代替，再增加一个飞跨电容和两个飞跨二极管。即所述的两电平逆变桥臂的每个桥臂由两个串联的开关管组成，并且在一个桥臂的两个串联开关管的串接点与另一桥臂的两个串联开关管的串接点之间连接一个飞跨电容；在两个分压电容的串接点与一个桥臂的两个串联开关管的串接点之间正向连接一个飞跨二极管；在两个分压电容的串接点与另一个桥臂的两个串联开关管的串接点之间反向连接一个飞跨二极管。

我们将复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平直流变换器中隔离变压器的原边绕组与三电平桥臂相连接，谐振电感与两电平桥臂相连接的这种结构定义为“T_r-lead”型结构。

本发明与现有技术相比的主要技术特点是，由于加了箝位二极管电路，消除了因输出整流管的反向恢复而引起的电压振荡和电压尖峰，降低了输出整流管的电压应力，并且消除了输出整流管因反向恢复引起的损耗，提高了变换效率。

由于带箝位二极管的零电压开关全桥三电平直流变换器和带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器的工作原理相似，下面仅以带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器为例，阐述它们的工作原理。

附图说明

附图1是本发明的带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器电路结构示意图

附图2是本发明的带箝位二极管的零电压开关全桥三电平直流变换器电路结构示意图

附图3是本发明的3L工作模式主要波形示意图。

附图4是本发明的2L工作模式主要波形示意图。

附图5-18是各开关模态的等效电路结构示意图。

上述附图中的主要符号名称：V_in、电源电压。C_d1、C_d2、输入分压电容。Q₁～Q₈、开关管。C₁～C₈、寄生电容。D₁～D₈、体二极管。D_f1、D_f2、D_f3、D_f4、续流二极管。C_ss1、C_ss2、飞跨电容。L_r、谐振电感。T_r、隔离变压器。D_c1、D_c2、箝位二极管。D_R1、D_R2、输出整流二极管。L_f、滤波电感。G_f、滤波电容。R_Ld、负载。V_o、输出电压。v_AB、A与B两点间电压。

具体实施方式

附图1-2叙述本发明的电路组成结构，附图1是带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器结构示意图，附图2是带箝位二极管的零电压开关全桥三电平直流变换器结构示意图。以附图1的带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器为例，由输入分压电容电路1、三电平逆变桥臂电路2、两电平逆变桥臂电路3、隔离变压器4、整流桥及滤波电路5、箝位电路6组成。其中分压电容C_d1和C_d2容量很大且相等，其电压均为输入电压V_in的一半，即V_cd1＝V_cd2＝V_in/2，可看作电压为V_in/2的电压源。四只开关管Q₁-Q₄及其体二极管D₁-D₄和寄生电容C₁-C₄、续流二极管D_f1和D_f2、飞跨电容C_ss1组成三电平逆变桥臂电路；开关管Q₅和Q₆及其体二极管D₅和D₆、寄生电容C₅和C₆组成两电平逆变桥臂电路。L_r为谐振电感，D_c1和D_c2为箝位二极管，D_R1和D_R2是输出整流二极管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容，R_Ld是负载。

控制方法如下：开关管Q₂和Q₃为180°互补导通，开关管Q₅和Q₆为180°互补导通，且分别相对于开关管Q₃和Q₂滞后一个相位，故定义开关管Q₂和Q₃为超前管，开关管Q₅和Q₆为滞后管。开关管Q₁和Q₄分别同相位于开关管Q₂和Q₃PWM工作，故定义开关管Q₁和Q₄为斩波管。

当输入电压较低时，开关管Q₁和Q₄PWM工作，开关管Q₂、Q₃与开关管Q₆、Q₅之间有一个较小的固定相位差，将开关管Q₂、Q₃实现ZVS和开关管Q₅、Q₆实现ZVS分离开来。此时输出整流后的电压为三电平波形，称之为三电平模式(3L模式)。当输入电压较高时，开关管Q₁和Q₄的脉宽将减小到零，开关管Q₂、Q₃与开关管Q₆、Q₅移相工作，此时输出整流后的电压为两电平波形，称之为两电平模式(2L模式)。

斩波管Q₁、Q₄与超前管Q₂、Q₃通过滤波电感和谐振电感实现零电压开关，滞后管Q₅和Q₆则通过谐振电感的能量来实现零电压开关，从而减小开关管的开关损耗，提高变换效率。在三电平逆变桥臂电路中还加有续流管D_f1、D_f2，并在续流二极管D_f1的阴极和续流二极管D_f2的阳极之间跨接飞跨电容C_ss1，其作用在于将两对开关管的开关过程连接起来。在变换器稳态工作时，飞跨电容C_ss1上的电压恒定为V_in/2。

下面以附图1为主电路结构，结合附图3～18叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器在3L模式中一个开关周期有20种开关模态，分别是[t₀以前]、[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]、[t₁₄，t₁₅]、[t₁₅，t₁₆]、[t₁₆，t₁₇]、[t₁₇，t₁₈]、[t₁₈，t₁₉](见附图3)，其中，[t₀以前，t₉]为前半周期，[t₉，t₁₉]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所有开关管和二极管均为理想器件，整流二极管D_R1和D_R2除外，它等效为一个理想二极管和一个电容并联，以用来模拟反向恢复；②所有电感、电容和变压器均为理想元件；③飞跨电容C_ss1足够大，稳态时其电压基本不变，为V_in/2。

1。开关模态1[t₀以前][对应于附图5]

t₀以前，开关管Q₁、Q₂和Q₆导通，AB两点间电压为v_AB＝V_in。副边整流管D_R1导通，整流管D_R2截止。原边向副边传递能量。

2。开关模态2[t₀，t₁][对应于附图6]

t₀时刻关断开关管Q₁，原边电流i_p给电容C₁充电，同时通过飞跨电容C_ss1给电容C₄放电。电容C₁和电容C₄使开关管Q₁近似为零电压关断。由于电压v_AB下降，二极管D_c2立即导通，将电压v_CB箝在零，电压v_AC下降，副边电压相应下降，整流管D_R2结电容C_DR2的电压也下降，结电容C_DR2被放电。这样输出滤波电感电流一部分给结电容C_DR2放电，其余部分折算到原边给电容C₁充电和电容C₄放电。因此原边电流i_p在t₀时刻阶跃下降，而谐振电感电流i_Lr保持不变，其高于电流i_p的部分流过二极管D_c2。到t₁时刻，电压v_C1上升到V_in/2，二极管D_f1自然导通，A点电位降为V_in/2，开关模态2结束。

3。开关模态3[t₁，t₂][对应于附图7]

在t₁时刻，二极管D_f1导通，电压v_AB＝V_in/2，电流i_p在t₁时刻阶跃上升为I₁。此时若电压V_o＞V_in/2K，K为变压器原副边匝比，则电流i_p在电压V_o的作用下下降，而谐振电感电流i_Lr保持不变，其高于电流i_p的部分仍流过二极管D_c2；此时若电压V_o＜V_in/2K，则电流i_p在电压V_in/2的作用下上升，而谐振电感电流i_Lr与电流i_p保持相等，二极管D_c2关断。原边继续向副边传递能量。附图7给出了电压V_o＞V_in/2K情况。

4。开关模态4[t₂，t₃][对应于附图8]

t₂时刻关断开关管Q₂，电流i_p给电容C₂充电，同时通过飞跨电容C_ss1给电容C₃放电。电容C₂和电容C₃使开关管Q₂近似为零电压关断。电压v_AB下降，同前面的开关模态1一样，二极管D_c2将导通，将电压v_CB箝在零，电压v_AC下降，副边电压相应下降，整流管D_R2结电容C_DR2的电压也下降，结电容C_DR2被放电。这样输出滤波电感电流一部分给结电容C_DR2放电，其余部分折算到原边给电容C₂充电和电容C₃放电。因此电流i_p在t₂时刻阶跃下降，而谐振电感电流i_Lr保持不变，其高于电流i_p的部分流过二极管D_c2。到t₃时刻，电压v_C2＝V_in/2，v_C3＝0，v_AB＝0。

5。开关模态5[t₃，t₄][对应于附图9]

电压v_AB＝0，二极管D₃和D₄导通，此时可以零电压开通开关管Q₃和Q₄。二极管D_c2导通，电流i_p与谐振电感电流i_Lr均不变。二极管D_c2中的电流是电流i_p与谐振电感电流i_Lr的差值。此时，副边两个整流管同时导通。

6。开关模态6[t₄，t₅][对应于附图10]

在t₄时刻，零电压关断开关管Q₆，电流i_Lr给电容C₆充电，同时给电容C₅放电。电压v_AB由零变为负，此时电压v_CB＝-v_C6。谐振电感L_r和电容C₅、C₆谐振工作。电流i_p继续保持不变，谐振电感电流i_Lr与电流i_p的差值从二极管D_c2中流过。到t₅时刻，电压v_C5＝0，电压v_C6＝V_in，二极管D₅自然导通。

7。开关模态7[t₅，t₆][对应于附图11]

二极管D₅导通后，可以零电压开通开关管Q₅。电流i_p仍保持不变，副边两个整流管依然同时导通，变压器原边绕组和副边绕组电压均为零，因此电压V_in全部加在谐振电感L_r两端，谐振电感电流i_Lr线性下降。在t₆时刻，谐振电感电流i_Lr下降到与变压器原边电流相等，二极管D_c2自然关断。

8。开关模态8[t₆，t₇][对应于附图12]

t₆时刻开始，电压V_in仍加在谐振电感两端，谐振电感电流i_Lr与电流i_p以相等的斜率下降到零并负向增加，副边两个整流管同时导通，提供负载电流。在t₇时刻，电流i_p达到折算至原边的负载电流-I_Lf(t₇)/K，该开关模态结束，此时整流管D_R1关断，整流管D_R2流过全部负载电流。

9。开关模态9[t₇，t₈][对应于附图13]

在t₇时刻，谐振电感L_r与结电容C_DR1谐振工作，即给整流管D_R1的结电容C_DR1充电，电流i_p和谐振电感电流i_Lr继续增加。

在t₈时刻，结电容C_DR1的电压上升到2V_in/K，同时变压器原边电压v_AC下降到-V_in，二极管D_c1导通，将电压v_AC箝在-V_in，因此将结电容C_DR1的电压箝在2V_in/K，此时电流i_p与谐振电感电流i_Lr为I₃。

10。开关模态10[t₈，t₉][对应于附图14]

当二极管D_c1导通后，电流i_p阶跃下降为折算到原边的滤波电感电流，由于滤波电感电流i_Lf线性增加，电流i_p也随之增加。而谐振电感电流i_Lr保持不变电路进入稳态，它与电流i_p的差值从二极管D_c1中流过。到t₉时刻，电流i_p和谐振电感电流i_Lr相等，该模态结束，二极管D_c1关断。

此后开关管Q₅、Q₃和Q₄导通，原边给副边提供能量。变换器开始另一半周期工作，其工作情况类似于上述的半个周期。

由附图4可知整个变换器在2L模式中一个开关周期也有20种开关模态，其中，[t₀以前，t₉]为前半周期，[t₉，t₁₉]为后半周期。在前半周期中，[t₀以前，t₅]时段的工作情况与3L模式下[t₂，t₇]时段相同这里不再重复。下面对[t₅，t₉]时段的四个开关模态的工作情况进行具体分析。

1。开关模态1[t₅，t₆][对应于附图15]

在t₅时刻，电流i_p由零反向增长，对电容C₄充电，同时通过飞跨电容C_ss1给电容C₁放电。由于变压器原副边电压为零，电压v_AB直接加在谐振电感L_r上，因此谐振电感L_r与电容C₁、C₄谐振工作。当电压v_C4＝V_in/2时，二极管D_f2导通。

2。开关模态2[t₆，t₇][对应于附图16]

电压v_AB＝-V_in/2，由于变压器原副边电压仍为零，故电压v_AB全部加在谐振电感L_r两端，电流i_p线性增长。在t₇时刻，电流i_p达到折算至原边的负载电流-I_Lf(t₇)/K，该开关模态结束，此时整流管D_R1关断，整流管D_R2流过全部负载电流。

3。开关模态2[t₇，t₈][对应于附图17]

在t₇时刻，谐振电感L_r与结电容C_DR1谐振工作，即给整流管D_R1的结电容C_DR1充电，电流i_p和谐振电感电流i_Lr继续增加。

在t₈时刻，结电容C_DR1的电压上升到V_in/K，同时变压器原边电压v_AC下降到-V_in/2，二极管D_c1导通，将电压v_AC箝在-V_in/2，因此将结电容C_DR1的电压箝在V_in/K。

4。开关模态2[t₈，t₉][对应于附图18]

当二极管D_c1导通后，电流i_p阶跃下降为折算到原边的滤波电感电流，由于滤波电感电流i_Lf线性增加，电流i_p也随之增加。而谐振电感电流i_Lr保持不变电路进入稳态，它与电流i_p的差值从二极管D_c1中流过。到t₉时刻，电流i_p和谐振电感电流i_Lr相等，该模态结束，二极管D_c1关断。

从上面的分析可知，带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器，无论是在3L模式还是在2L模式，都可以很好的消除输出整流管的尖峰电压，从而达到箝位的目的。

本发明的一个具体实例如下：输入直流电压：V_in＝200～400V；输出直流电压：V_o＝60V；输出电流：I_o＝20A；变压器原副边变比：14∶5；变压器原边漏感：L_lk＝0.4uH；谐振电感：L_r＝4.2uH；输出滤波电感：L_f＝20uH；输出滤波电容：C_f＝2200uF×2；开关管(Q₁～Q₄)：IXTH30N25；开关管(Q₅～Q₆)：IXKR40N60C；续流二极管(D_f1、D_f2)：DSEP30-03A；箝位二极管(D_c1、D_c2)：DSEI30-06A；输出整流二极管(D_R1、D_R2)：DSEP60-04A；开关频率：f_s＝100kHz。

由以上描述可知，本发明提出的带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器具有如下优点：

①由于加了箝位二极管，无论是在3L模式还是在2L模式，副边整流二极管均不存在反向恢复造成的电压振荡和电压尖峰。

②三电平桥臂的开关管电压应力为输入直流电压的一半，利于选择合适的开关管；

③输出整流波形中高频分量小，可以减小输出滤波器，从而减小滤波的重量和体积，并且改善变换器的动态特性；

④可以在很宽的负载范围内实现所有开关管的零电压开关，

⑤该变换器的输入电流脉动很小，因此可以减小输入滤波器。

从传统的全桥直流变换器到复合式全桥三电平直流变换器和全桥三电平直流变换器，都可以通过外加箝位二极管的“T_r-lead”型结构来消除输出整流管的尖峰电压。按照这种思路，将其推广应用到具有类似电路结构的复合式全桥多电平直流变换器和全桥多电平直流变换器中，在类似的控制策略下，都可以通过外加箝位二极管的“T_r-lead”型结构来消除在不同电平工作模式下输出整流管的尖峰电压。

Claims (3)

1、一种带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器由输入分压电容电路(1)的输出连于由三电平逆变桥臂(2)与两电平逆变桥臂(3)所组成的桥式电路两输入端，其输出端经隔离变压器(4)连于整流及滤波电路(5)，其特征在于将隔离变压器的原边绕组一端与三电平逆变桥臂输出端相连接，原边绕组另一端连于谐振电感的一端，谐振电感另一端与两电平逆变桥臂输出端相连接，且在隔离变压器(T_r)的原边绕组与谐振电感(L_r)交点处连接两个互相串联的箝位二极管(D_c1、D_c2)，两个箝位二极管(D_c1、D_c2)分别连接于变换器直流输入的正母线与负母线，构成箝位电路(6)。

2、一种带箝位二极管的零电压开关全桥三电平直流变换器由输入分压电容电路(1)的输出连于由三电平逆变桥臂(2)与两电平逆变桥臂(3)所组成的桥式电路两输入端，其输出端经隔离变压器(4)连于整流及滤波电路(5)，其特征在于将隔离变压器的原边绕组一端与三电平逆变桥臂输出端相连接，原边绕组另一端连于谐振电感的一端，谐振电感另一端与两电平逆变桥臂输出端相连接，且在隔离变压器(T_r)的原边绕组与谐振电感(L_r)交点处连接两个互相串联的箝位二极管(D_c1、D_c2)，两个箝位二极管(D_c1、D_c2)分别连接于变换器直流输入的正母线与负母线，构成箝位电路(6)；所述的两电平逆变桥臂(3)的每个桥臂由两个串联的开关管组成，并且在一个桥臂的两个串联开关管的串接点与另一桥臂的两个串联开关管的串接点之间连接一个飞跨电容(C_ss2)；在两个分压电容的串接点与一个桥臂的两个串联开关管的串接点之间正向连接一个飞跨二极管(D_f3)；在两个分压电容的串接点与另一个桥臂的两个串联开关管的串接点之间反向连接一个飞跨二极管(D_f4)。

3、依据权利要求1或2所述的带箝位二极管的零电压开关复合式全桥三电平直流变换器和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相互串联的两个二极管(D_c1、D_c2)，两个二极管(D_c1、D_c2)的串接点连于输入分压电容电路(1)的两个电容(C_d1、C_d2)串接点。

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