[发明专利]三电平软开关正反激直直变换电路拓扑结构

摘要

本发明公开了三电平软开关正反激直直变换电路拓扑结构，包括：一单相三电平半桥逆变电路、一软开关辅助电路，一耦合变压器、一不控全波整流电路、一滤波电路和一负载电阻。利用三电平技术有利于减小开关管的电压应力；利用软开关辅助电路可使超前管和滞后管在电路工作过程中是解耦的，并使滞后管在轻载的时候也能有足够的能量实现零电压开关；利用磁集成技术，将两个变压器集成在一个磁芯上，这两个变压器交替地工作于正激状态和反激状态；利用反激变压器具有滤波电感作用，直流滤波电路可省去滤波电感，仅由滤波电容构成。因此该拓扑结构具有适用于高压输入场合，能在较宽的负载范围内实现软开关，功率密度高等优点。

主权项

1.一种三电平软开关正反激直直变换电路拓扑结构，其特征在于，所述的电路拓扑结构利用三电平技术有利于减小开关管的电压应力，使变换器适用于高压输入场合，增加软开关辅助电路确保滞后管在轻载的时候也能有足够的能量实现零电压开关，具有在较宽的负载范围内实现软开关的优点，采用磁集成技术设计耦合变压器，有效提高变压器的利用率，减小变压器体积重量，直流滤波电路只由一个滤波电容构成，所述的电路拓扑结构包括：单相三电平半桥逆变电路、软开关辅助电路、耦合变压器、不控全波整流电路、滤波电路(Co)和负载电阻(R)；所述单相三电平半桥逆变电路由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第一和第二箝位电容(C1、C2)和第一和第二箝位二极管(Dc1、Dc2)组成，其中每个开关管都带有各自内部的一个寄生二极管和一个结电容，第一开关管(S1)和第四开关管(S4)组成超前桥臂，第二开关管(S2)和第三开关管(S3)组成滞后桥臂；所述软开关辅助电路由第一飞跨电容(Cs1)、第二飞跨电容(Cs2)和谐振电感(Lr)组成；所述耦合变压器由一个铁芯及四个绕组组成，其分别为：第一原边绕组(Lp1)对应的第一副边绕组(Ls1)，第二原边绕组(Lp2)对应第二副边绕组(Ls2)；所述不控全波整流电路由第一二极管(Do1)和第二二极管(Do2)组成；所述电路拓扑结构的连接如下：所述第一箝位电容(C1)的正极和第一开关管(S1)的漏极分别与输入源(Uin)的正极相连；所述第二箝位电容(C2)的阴极和第四开关管(S4)的源极分别与输入源(Uin)的负极相连；所述第一开关管(S1)的源极、第二开关管(S2)的漏极和第一飞跨电容(Cs1)的正极分别与第一箝位二极管(Dc1)的阴极相连；所述第二开关管(S2)的源极、第三开关管(S3)的漏极和第一原边绕组(Lp1)的“·”端分别与谐振电感(Lr)的一端相连；所述第一飞跨电容(Cs1)的阴极和第二飞跨电容(Cs2)的阳极分别与谐振电感(Lr)的另一端相连；所述第二飞跨电容(Cs2)的阴极、第二箝位二极管(Dc2)的阳极和第三开关管(S3)的源极分别与第四开关管(S4)的漏极相连；所述第一箝位电容(C1)的阴极、第二箝位电容(C2)的阳极、第一箝位二极管(Dc1)的阳极和第二箝位二极管(Dc2)的阴极分别与第二原边绕组(Lp2)的“·”端相连；所述第一原边绕组(Lp1)的非“·”端与第二原边绕组(Lp2)的非“·”端相连；所述第一副边绕组(Ls1)的“·”端与第一二极管(Do1)的阳极相连；所述第二副边绕组(Ls2)的“·”端与第二二极管(Do2)的阳极相连；所述第二副边绕组(Ls2)的非“·”端、第一副边绕组(Ls1)的非“·”端和滤波电容(Co)的阴极分别与负载电阻(R)的一端相连；所述第一二极管(Do1)的阴极、第二二极管(Do2)的阴极和滤波电容(Co)的阳极分别与负载电阻(R)的另一端相连；电路参数包括：1)不控全波整流电路中，由输入电压与第一二极管、第二二极管电压应力的关系，负载电流与第一二极管、第二二极管电流的关系以及考虑到第一二极管、第二二极管工作在高频场合，因此选取第一二极管、第二二极管为快恢复二极管，型号为MUR1540，600V/30A；2)两个箝位二极管(Dc1、Dc2)的选取方法同上，最终选取型号为MUR1540，600V/30A；3)两个箝位电容(C1、C2)选取330μF/250V的电解电容；4)由输入电压与四个开关管(S1～S4)电压应力的关系和负载电流与四个开关管(S1～S4)电流的关系，以及开关频率的大小，选取开关管的型号为IRFP350，400V/16A；5)滤波电路中，滤波电容的取值为940μF/50V；6)软开关辅助电路中，谐振电感(Lr)的取值为6μF，两飞跨电容(Cs1、Cs2)选取10μF/200V的电解电容；7)由输出电压以及负载功率的大小，确定电阻(R)的阻值为1.3Ω；8)由输出功率和输入电压以及占空比的关系，变压器的匝数比为12/3，副边的两线圈电感(Ls1、Ls2)为24μF；所述三电平软开关正反激直直变换电路拓扑结构在一个变换周期内分为14种工作模态，由于移相控制的对称性，在此分析了前八个工作模态，分别对应[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]和[t7，t8]八个时间段；模态1[t0，t1]：第一开关管(S1)、第二开关管(S2)的栅源电压为高电平，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)处于导通状态；第三开关管(S3)、第四开关管(S4)的栅源电压为零，第三开关管(S3)、第四开关管(S4)处于关断状态，此时，电流从电源的正极流出，流经第一开关管(S1)、第二开关管(S2)，分别再经过变压器原边绕组流向箝位电容和经过辅助电感流向飞跨电容，第一二极管导通，第二二极管断开，第一原边绕组(Lp1)和第一副边绕组(Ls1)工作正激状态，第二原边绕组(Lp2)和第二副边绕组(Ls2)储存能量工作于反激模式，输出电压即为第一副边绕组(Ls1)两端的电压；模态2[t1，t2]：给第一开关管(S1)断开信号，第二开关管(S2)继续导通，第一飞跨电容(Cs1)的电压通过第二开关管(S2)加在了谐振电感Lr上，使得有足够的能量实现软开关，变压器的原边电流从第一开关管(S1)转移到第一开关管(S1)内的结电容和第四开关管(S4)内的结电容的支路中，给第一开关管(S1)内的结电容充电，同时通过第二飞跨电容(Cs2)给第四开关管(S4)内的结电容放电，由此体现了软开关，原边电压下降；模态3[t2，t3]：第四开关管(S4)两端电压降为零，寄生二极管导通，原边电流看作恒定值，所以，第一开关管(S1)两端电压由零线性上升到Uin/2，零电压断开，第一二极管、第二二极管都导通，第二原边绕组(Lp2)和第二副边绕组(Ls2)储存的能量经第二二极管释放给负载，第二开关管(S2)继续导通，原边电压下降为零；模态4[t3，t4]：第四开关管(S4)零电压导通，第二开关管(S2)仍继续导通，原级电流直线下降，第一二极管上电流下降，第二二极管上电流上升；模态5[t4，t5]：第四开关管(S4)继续导通，给第二开关管(S2)断开信号，此时，利用变压器原边电流给第二开关管(S2)内的结电容充电，同时第三开关管(S3)内的结电容放电，为零电压开关作铺垫，原边电压由零反向增大；模态6[t5，t6]：第四开关管(S4)仍处于导通状态，第三开关管(S3)两端的电压减小到零，寄生二极管导通，第二开关管(S2)两端电压由零线性上升到Uin/2，第二开关管(S2)零电压断开，原边电压反向增加到Uin/2；模态7[t6，t7]：第三开关管(S3)零电压导通，第二飞跨电容的电压通过第三开关管(S3)加在了谐振电感Lr上，此时刻跟模态6相一致；模态8[t7，t8]：第一二极管电流下降为零，第一二极管断开，此时第一原边绕组(Lp1)和第一副边绕组(Ls1)工作于反激状态，存储能量，第二原边绕组(Lp2)和第二副边绕组(Ls2)工作于正激状态，循环以上的模态；所述电路拓扑结构的电源输入电压400VDC，输出电压20VDC，额定输出功率300W。