CN112054689A - 一种隔离三电平直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离三电平直流变换器，第一开关管集电极和第二开关管发射极分别连接第一输入电容的两端，第三开关集电极和第四开关管发射极分别连接第二输入电容两端，第二开关管极和第三开关管与变压器一次侧绕组并联，变压器一次侧绕组和第三开关管之间接入一个隔直电容，包括两个相同的有源换流辅助电路，包括一个辅助电感、一个电容和一个开关管，辅助电感一端连接电容一端，电容另一端连接开关管集电极，两个辅助电感另一端分别连接第二开关管集电极和第四开关管集电极；两个开关管发射极分别连接第二开关管发射极和第四开关管发射极。本发明辅助电流不随占空比变化，便于参数设计且能够实现全负载范围ZVS软开关。

Description

一种隔离三电平直流变换器

技术领域

本发明涉及一种隔离三电平直流变换器，特别是一种含有有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平ZVS软开关直流变换器，属于直流变换器软开关技术领域。

背景技术

为了提高隔离三电平变换器开关频率减小变换器体积以及提高变换器效率，零电压开关(Zero Voltage Switching，ZVS)软开关技术被广泛研究及应用。在隔离三电平变换器中，负载较大时可以实现自然ZVS软开关，而且通过增加变压器漏感可以增大自然ZVS软开关范围。但是自然ZVS软开关范围较小，且变压器漏感增大会带来较大的占空比丢失，较大的环流以及输出整流装置会产生电压尖峰。

为了在不增加漏感的情况下拓宽ZVS软开关范围，学者们提出了许多ZVS方法。I.O.Lee,G.W.Moon等作者在文章《Analysis and Design of a Three-Level LLC SeriesResonant Converter for High-and Wide-Input-Voltage Applications》、《Three-LevelResonant Converter with Double LLC Resonant Tanks for High-Input-VoltageApplications》中采用谐振三电平变换器。主开关管可以实现全负载范围ZVS软开关，而且整流二极管可以实现ZCS关断。但是谐振变换器频率的变化给变换器的设计及控制带来困难。X.Ruan,B.Li,J.Wang,J.Li在文章《Zero-Voltage-Switching PWM Three-LevelConverter with Current Doubler Rectifier》中，采用倍流变换器实现ZVS，该变换器还能够消除整流二极管电压震荡问题。该变换器具有两个输出滤波电感并且电感电流交错并联，主开关管寄生电容被输出滤波电感映射到变压器一次侧电流放电，可以实现宽范围ZVS软开关。但是为了实现大范围ZVS软开关，输出滤波电感应设计的较小，而较小的滤波电感会带来较大的输出电流纹波。Y.Shi,X.Yang在文章《Wide Range Soft Switching PWMThree-Level DC–DC Converters Suitable for Industrial Applications》中采用换流辅助电路使三电平DC/DC变换器在不增加漏感情况下实现全负载范围ZVS软开关。如图1所示，Y.Shi,X.Yang在论文中提出的换流辅助电路由一个电感L_A和两个电容C_A组成。该换流辅助电路的辅助电流i_A幅值随占空比变化，如图2所示。由图2可以看出，为了在较小占空比时实现ZVS软开关，辅助电感L_A必须取较小的值，但是较小的L_A会导致占空比在0.5附近时出现较大的辅助电流。如果辅助电流较大，导通损耗以及开关管电流应力就会增加。而且在恒流充电阶段，如果充电电流足够大，变换器可以实现自然ZVS软开关，则该辅助换流电路就不需要了。该换流辅助电路存在以下两个问题：1.辅助电流随占空比变化，为变换器设计带来困难，甚至无法实现全负载范围软开关；2.当变换器实现自然ZVS软开关时，无法停止辅助换流电路，造成效率的下降。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种实现全负载范围ZVS软开关的隔离三电平直流变换器，以提高变换器效率。

为解决上述技术问题，本发明的一种隔离三电平直流变换器，包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管的集电极和第二开关管的发射极分别连接第一输入电容的两端，第三开关管的集电极和第四开关管的发射极分别连接第二输入电容的两端，第一输入电容和第二输入电容相等，第二开关管极和第三开关管与变压器的一次侧绕组并联，变压器的一次侧绕组和第三开关管之间接入一个隔直电容，包括两个相同的有源换流辅助电路，所述有源换流辅助电路包括一个辅助电感、一个电容和一个开关管，辅助电感的一端连接电容的一端，电容的另一端连接开关管的集电极，两个辅助电感的另一端分别连接第二开关管的集电极和第四开关管的集电极；两个开关管的发射极分别连接第二开关管的发射极和第四开关管的发射极。

本发明还包括：

第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的等效并联电容相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.换流辅助电路的辅助电流不随占空比变化，便于辅助电路参数设计且能够实现全负载范围ZVS软开关；

2.变换器能够实现自然ZVS软开关时，停止辅助换流电路工作，提高效率。

附图说明

图1是基于换流辅助电路的四开关管隔离三电平DC/DC变换器；

图2是换流辅助电路的辅助电流随占空比变化曲线；

图3是基于有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平直流变换器；

图4是有源换流辅助电路工作原理图；

图5是基于有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平DC/DC变换器主要波形；

图6是时间区间1(t₀-t₁)的等效电路图；

图7是时间区间2(t₁-t₂)的等效电路图；

图8是时间区间3(t₂-t₃)的等效电路图；

图9是时间区间4(t₃-t₄)的等效电路图；

图10是时间区间5(t₄-t₅)的等效电路图；

图11是时间区间6(t₅-t₆)的等效电路图；

图12是时间区间7(t₆-t₇)的等效电路图；

图13是时间区间8(t₇-t₈)的等效电路图；

图14是时间区间9(t₈-t₉)的等效电路图；

图15是时间区间10(t₉-t₁₀)的等效电路图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

本发明实现四开关管隔离三电平DC/DC变换器的全负载范围ZVS软开关，以提高变换器效率，提出有源换流辅助电路拓扑，该换流辅助电路的辅助电流不随占空比变化，便于辅助电路参数设计，便于实现全负载范围ZVS软开关，且在变换器实现自然ZVS软开关时，停止辅助换流电路工作，提高效率。

本发明提出的基于有源换流辅助电路的宽范围ZVS四开关管隔离三电平DC/DC变换器拓扑结构如图3所示。两个有源换流辅助电路被用在四开关管隔离三电平DC/DC变换器中，有源换流辅助电路由一个小的辅助电感L_A，一个电容C_A以及一个开关管S_A组成。辅助电感L_A是一个小的谐振电感，电容C_A足够大以至于电容两端电压可以认为在一个周期内不变。L_r是变压器漏感，C_b是隔直电容。C₁～C₄是主开关管等效并联电容，包括开关管寄生电容以及并联的缓冲电容。提出的含有有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平变换器，主开关管S₁～S₄可在全负载范围内实现ZVS软开关。提出的有源换流辅助电路的具体分析如下。

以上半桥有源换流辅助电路为例，对该辅助电路的工作原理进行详细的分析。如图4所示，开关管S₁，S₂被互补带有死区的PWM信号驱动。在S₂关闭之前，辅助开关管S_A1被打开，此时辅助电流i_A1将会线性增长，如式(1)所示。由于i_A1从零开始增长，开关管S_A1实现了零电流开通。

式中V_CA1为电容C_A1电压，L_A为辅助电感，t为时间。

辅助电流i_A1将一直增加直到开关管S₂被关闭。从S_A1开通到S₂关闭这段时间内，辅助电流i_A1从零增加至最大值i_{A_peak},该电流将用于实现开关管S₁的零电压开通。在S₂关闭后，辅助电流i_A1将对C₁放电，对C₂充电。一旦C₁端电压下降至零，续流二极管D₁将会导通，此时S₁具备了零电压开通条件，如图4所示。

忽略在从S₂关断至S₁零电压开通时间内辅助电流i_A1的变化。在S₁零电压开通后，辅助电流i_A1将会线性下降，如式(2)所示。

式中i_{A_peak}为辅助电流i_A1的最大值，V_in为输入直流电压，V_CA1为电容C_A1电压，L_A为辅助电感，t为时间。

辅助电流i_A1将一直减小直到开关管S₁被关闭。在S₁关闭后，辅助开关管S_A1同时被关闭。辅助电流i_A1已经反向，将会流过续流二极管D_A1，因此开关管S_A1实现了零电压关断。此时，反向的辅助电流i_A1将对C₂放电，对C₁充电。一旦C₂端电压下降至零，续流二极管D₂将会导通,S₂具备了零电压开通条件，如图4所示。

由以上分析可知，提出的有源换流辅助电路可以实现所有主开关管的ZVS软开关，且辅助开关管实现了ZCS开通，ZVS关断。Y.Shi,X.Yang在文章《Wide Range SoftSwitching PWM Three-Level DC–DC Converters Suitable for IndustrialApplications》中提出的辅助换流电路不同，辅助电流i_A1是可以控制的。而且在稳态时，如果辅助开关管S_A1保持关闭，则辅助电流为零，也就是说，当负载电流足够大，可以通过自身漏感实现自然ZVS软开关时，可以关闭有源换流辅助电路。在负载电流较小时，无法实现自然ZVS软开关，可以开启有源换流辅助电路，通过控制可以使辅助电流i_A1的最大值保持固定，不随占空比变化。以上特点意味着，本发明提出的有源换流辅助电路可以在最小导通损耗的情况下实现变换器全负载范围的ZVS软开关。

下面分析基于有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平DC/DC变换器的ZVS软开关实现过程。图3是四开关管隔离三电平DC/DC变换器ZVS软开关拓扑，标出了电压、电流的正方向，图中C_d1、C_d2是相等的两个输入电容，S₁～S₄是四开关管隔离三电平DC/DC变换器的主开关管，D₁～D₄为开关管的反并联二极管，C₁～C₄为开关管等效并联电容。T是高频变压器，该变压器一次侧一个绕组，二次侧有两个匝数相等的绕组，且一次侧与二次侧匝比为n₁：n₂，L_r为高频变压器漏感，L_m为变压器激磁电感。C_b为隔直电容，D_R1、D_R2为整流二极管，L_o为输出滤波电感、C_o为输出滤波电容，R_L为负载。

图5是基于有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平直流变换器的主要波形，将一个周期分为10个时间区间，每个时间区间的等效电路图如图6～图15所示。在分析之前做如下假设：1)忽略二极管及开关管压降；2)稳态时，在一个PWM周期内Cd1，Cd2，Cb以及CA1和CA2端电压保持不变，V_Cd1＝V_Cd2＝V_in/2，V_b＝V_in/2；3)输出滤波电感L_o足够大，以至于输出电流I_o可以看作恒定；4)变压器激磁电感足够大，以至于激磁电流可以忽略不计；5)等效并联电容C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C_s，辅助电感L_A1＝L_A2＝L_A。每个时间区间的详细分析如下：

(1)时间区间1(t₀-t₁)，该时间区间等效电路图如图6所示。

在此时间区，S₁，S₄开通，能量由输入滤波电容传递至负载。辅助电流i_A1开始下降，如式(2)所示。在t₁时刻，S₁与辅助开关管S_A1同时被关闭。反向的辅助电流i_A1将对C₂放电，对C₁充电。由于并联的缓冲电容C₁限制了开关管S₁集电极-发射极电压V_S1的增长，S₁被零电压关断。在S_A1关断时，辅助电流i_A1将流过续流二极管D_A1，S_A1属于零电压关断。

(2)时间区间2(t₁-t₂)，该时间区间等效电路图如图7所示。

在此时间段内，电流i_A1(t₁)和i_Lr(t₁)对C₂放电，C₁充电。由于此时间段较小，i_A1在此时间段的变化量可以忽略不计。一旦电压V_S2下降到零，S₂到达零电压开启条件。

(3)时间区间3(t₂-t₃)，该时间区间等效电路图如图8所示。

在t₂时刻，尽管S₂零电压开通，电流i_Lr将会流过S₂的续流二极管D₂，变换器进入了续流阶段。辅助电流i_A1将由负的最大值开始线性增加，直到电流为零，如式(3)所示。

式中i_{A_peak}为辅助电流i_A1的最大值，V_CA1为电容C_A1电压，L_A为辅助电感，t为时间。

(4)时间区间4(t₃-t₄)，该时间区间等效电路图如图9所示。

在t₃时刻，辅助开关S_A2开启，辅助电流i_A2开始由零增加，如式(4)所示。由于i_A2在S_A2开启时为零，因此S_A2属于零电流开通。在t₄时刻，S₄零电压关闭，电流i_A2将达到最大值i_{A_peak}。

式中V_CA2为电容C_A2电压，L_A为辅助电感，t为时间。

(5)时间区间5(t₄-t₅)，该时间区间等效电路图如图10所示。

在此时间区间，辅助电流i_A2与电流i_Lr对C₄充电，C₃放电。由于等效并联电容C₄限制了V_S4的增长速度，S₄实现零电压关闭。由于变压器绕组电压被变压器二次侧整流二极管钳位至零，i_Lr将以谐振的方式对C₄充电，对C₃放电。由于此段时间比较短，可以忽略i_A2在此时间段的变化。一旦V_S3减小到零，S₃具备了零电压开通的条件。

(6)时间区间6(t₅-t₆)，该时间区间等效电路图如图11所示。

在此时间段，开关管S₂，S₃开通，能量由隔直电容C_b传输至负载。此时电流i_Lr由正变负，流过S₂，S₃。辅助电流i_A2将由i_{A_peak}减小至-i_{A_peak}，如式(5)所示。在t₆时刻，S₃和S_A2被同时关闭。电流i_A2与电流i_Lr将会对C₃充电，对C₄放电。由于等效并联电容C₃的存在，S₃实现了零电压关断。在S_A2关闭时，辅助电流i_A2将会流过续流二极管D_A2，因此S_A2属于零电压关断。

式中i_{A_peak}为辅助电流i_A2的最大值，V_in为输入直流电压，V_CA2为电容C_A2电压，L_A为辅助电感，t为时间。

(7)时间区间7(t₆-t₇)，该时间区间等效电路图如图12所示。

此时间区间与时间区间2相似。在t₆时刻，S₃关闭，电流i_A2(t₆)和电流i_Lr(t₆)将会对C₃充电，对C₄放电。由于此时间区间较短，电流i_A2在此时间段的变化可以忽略不计。一旦V_S4下降至零，S₄就具备了零电压开启的条件。

(8)时间区间8(t₇-t₈)，该时间区间等效电路图如图13所示。

此时间区间与时间区间3相似。在t₇时刻，S₄被零电压开通，但是电流i_Lr将会流过续流二极管D₄，变换器进入了续流阶段。辅助电流i_A2将由负的最大值开始线性增加，直到电流为零，如式(6)所示。

式中i_{A_peak}为辅助电流i_A2的最大值，V_CA2为电容C_A2电压，L_A为辅助电感，t为时间。

(9)时间区间9(t₈-t₉)，该时间区间等效电路图如图14所示。

此时间区间与时间区间4相似。在t₈时刻，辅助开关S_A1开启，辅助电流i_A1开始由零增加，如式(1)所示。由于i_A1在S_A1开启时为零，S_A1属于零电流开通。在t₉时刻，S₂零电压关闭，电流i_A1将达到最大值i_{A_peak}。

(10)时间区间10(t₉-t₁₀)，该时间区间等效电路图如图15所示。

此时间区间与时间区间5相似。电流i_A1与电流i_Lr对C₂充电，C₁放电。由于等效并联电容C₂限制了V_S2的增长速度，S₂实现了零电压关闭。由于变压器绕组电压被二次侧整流二极管钳位至零，i_Lr将以谐振的方式对C₂充电，对C₁放电。由于此段时间比较短，可以忽略i_A1在此时间段的变化。一旦V_S1减小到零，S₁具备了零电压开通的条件。在S₁开通后，一个新的周期开始。

通过以上的分析可知，采用有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平DC/DC变换器实现了所有主开关管的ZVS软开关，通过设计合适的辅助电流i_A，所有主开关管可在全负载范围内实现ZVS软开关。辅助开关管实现了零电流开通，零电压关断。

Claims (2)

1.一种隔离三电平直流变换器，包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管的集电极和第二开关管的发射极分别连接第一输入电容的两端，第三开关管的集电极和第四开关管的发射极分别连接第二输入电容的两端，第一输入电容和第二输入电容相等，第二开关管极和第三开关管与变压器的一次侧绕组并联，变压器的一次侧绕组和第三开关管之间接入一个隔直电容，其特征在于：包括两个相同的有源换流辅助电路，所述有源换流辅助电路包括一个辅助电感、一个电容和一个开关管，辅助电感的一端连接电容的一端，电容的另一端连接开关管的集电极，两个辅助电感的另一端分别连接第二开关管的集电极和第四开关管的集电极；两个开关管的发射极分别连接第二开关管的发射极和第四开关管的发射极。

2.根据权利要求1所述的一种隔离三电平直流变换器，其特征在于：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的等效并联电容相等。

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