宽范围软开关三电平不对称半桥直流变换器、开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明是一种宽负载范围ZVS二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器电路拓扑。它由2个输入电容Cin1、Cin2、4只自关断器件S1、S2、S3、S4、1个隔直电容CBL、1个变压器T1以及输出整流滤波单元组成。其改进点是：1）结构简单，采用4开关构造输入三电平，变压器原边所有开关器件仅承受Uin/2的电压应力；2）自关断器件S1、S2、S3、S4在全负载范围条件下均能实现零电压关断，装置整体效率高；3）控制简单，采用成熟直流开关电源控制方式，具有很强的实用性。该电路可广泛应用于直流开关电源领域。
【专利说明】宽范围软开关三电平不对称半桥直流变换器、开关电源
【技术领域】[0001]本发明涉及一种宽负载范围ZVS (零电压开关)二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器拓扑，该电路可用于直流开关电源领域。
【背景技术】
[0002]多电平技术是电力电子技术的热门技术。在电力电子应用中，受到器件电压定额的影响，电路中不可避免采用器件串联的结构形式，为了解决器件串联的静态、动态均压问题必须附加均压电路。随着均压电路的加入以及器件数量的增加，电路自然具备多种工作模式以及多个输出电平，通过工作模式的组合得到更好的输出特性。三电平直流变换器的研究始于1992年，该类型电路广泛应用于高压直流变换领域，中国专利200610096757是该类技术之一。该技术需要进一步解决的问题是如何拓宽自关断器件实现软开关的负载范围。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提出一种宽范围ZVS 二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器，可实现较宽负载范围的零电压关断以及高电压直流变换。
[0004]本发明的技术解决方案是:
[0005]第一种宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器，其特殊之处是:
[0006]包括2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dell、Dcl2，I个隔直电容C^，I个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Dtjl~Dtj4,电感Ltjut,电容Ctjut ；
[0007]S1的集电极与Cinl的一端联接于1，作为电路的正极输入端；
[0008]S1的发射极、S2的集电极以及Dell的阴极联接于2 ；
[0009]S2的发射极、S3的集电极以及的一端联接于3 ；
[0010]S3的发射级、S4的集电极以及Dd2的阳极联接与4 ；
[0011]Cbl的另一端与T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 ；
[0012]T1原边绕组Tlp的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6，作为电路的负极输入端；
[0013]Cinl的另一端、Cin2的另一端、Dell的阳极以及Del2的阴极联接于7 ；
[0014]T1副边绕组Tls的同名端与输出整流滤波单元的Dtjl的阳极以及Dtj3的阴极联接与8 ；
[0015]T1副边绕组Tls的另一端与输出整流滤波单元的Dtj2的阳极以及Dtj4的阴极联接与
9；
[0016]输出整流滤波单元的Dtjl和Dtj2的阴极与输出整流滤波单元的Ltjut的一端联接于
10；
[0017]输出整流滤波单元的Ltjut的另一端与Ctjut的一端联接于11，作为电路正极输出端；[0018]输出整流滤波单元的Dtj3和Dtj4的阳极与Crat的另一端联接于12，作为电路负极输出端。
[0019]第二种宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器，其特殊之处是:
[0020]包括2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Dc^Dd2,I个隔直电容(^，I个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括2个二极管Dtjl~Dtj2,电感Ltjut,电容Ctjut ；
[0021]S1的集电极与Cinl的一端联接于I，作为电路的正极输入端；
[0022]S1的发射极、S2的集电极以及Ddl的阴极联接于2 ；
[0023]S2的发射极、S3的集电极以及的一端联接于3 ；
[0024]S3的发射级、S4的集电极以及Dd2的阳极联接与4 ；
[0025]Cbl的另一端与T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 ；
[0026]T1原边绕组Tlp的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6，作为电路的负极输入端；
[0027]Cinl的另一端、Cin2的另一端、Ddl的阳极以及Dd2的阴极联接于7 ；
[0028]高频变压器T1副边绕组为两组串行联接的副边绕组；
[0029]D01的阳极与T1副边绕组Tlsl的同名端联接于8 ；
[0030]D02的阳极与T1副边绕组Tls2的同名端联接于9 ；
[0031]D01和Dtj2的阴极与Ltjut的一端联接于10 ；
[0032]Lout的另一端与Ctjut的一端联接于11，作为电路的正极输出端；
[0033]T1副边绕组Tlsl的另一端、T1副边绕组Tls2的另一端与Ctjut的另一端联接于12，作为电路的负极输出端。
[0034]第一种应用本发明直流变换器的开关电源，其特殊之处是:
[0035]包括二极管整流电路、电感Lin、宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器；
[0036]所述宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器包括2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件S1、S2, S3> S4, 2个钳位二极管Ddl、Dcl2,1个隔直电容(^，I个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Dtjl~Dtj4,电感Lwt，电容Ctjut ；
[0037]二极管整流电路的交流侧接三相交流电源；
[0038]二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接；
[0039]电感Lin的另一端、S1的集电极与Cinl的一端联接于I ;
[0040]S1的发射极、S2的集电极以及Ddl的阴极联接于2 ；
[0041]S2的发射极、S3的集电极以及的一端联接于3 ；
[0042]S3的发射级、S4的集电极以及Dd2的阳极联接与4 ；
[0043]Cbl的另一端与T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 ；
[0044]二极管整流电路的直流侧负极、T1原边绕组Tlp的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6 ；
[0045]Cinl的另一端、Cin2的另一端、Ddl的阳极以及Dd2的阴极联接于7 ；
[0046]T1副边绕组Tls的同名端与输出整流滤波单元的Dtjl的阳极以及Dtj3的阴极联接与8 ；
[0047]T1副边绕组Tls的另一端与输出整流滤波单元的Dtj2的阳极以及Dtj4的阴极联接与9；
[0048]输出整流滤波单元的Dtjl和Dtj2的阴极与输出整流滤波单元的Ltjut的一端联接于
10；
[0049]输出整流滤波单元的Lrat的另一端与Cwt的一端联接于11，作为开关电源正极输出端；
[0050]输出整流滤波单元的Dtj3和Dtj4的阳极与Ctjut的另一端联接于12，作为开关电源负极输出端。
[0051]第二种应用本发明直流变换器的开关电源，其特殊之处是:
[0052]包括二极管整流电路、电感Lin、宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器；
[0053]所述宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器包括2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件S1、S2, S3> S4, 2个钳位二极管Ddl、Dcl2,1个隔直电容(^，I个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括2个二极管Dtjl~Dtj2,电感Lwt，电容Ctjut ；
[0054]二极管整流电路的交流侧接三相交流电源；
[0055]二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接；
[0056]电感Lin的另一端、S1的集电极与Cinl的一端联接于I ;
[0057]S1的发射极、S2的集电极以及Ddl的阴极联接于2 ；
[0058]S2的发射极、S3`的集电极以及的一端联接于3 ；
[0059]S3的发射级、S4的集电极以及Dd2的阳极联接与4 ；
[0060]Cbl的另一端与T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 ；
[0061]二极管整流电路的直流侧负极、T1原边绕组Tlp的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6 ；
[0062]Cinl的另一端、Cin2的另一端、Ddl的阳极以及Dd2的阴极联接于7 ；
[0063]高频变压器T1副边绕组为两组串行联接的副边绕组；
[0064]D01的阳极与T1副边绕组Tlsl的同名端联接于8 ；
[0065]D02的阳极与T1副边绕组Tls2的同名端联接于9 ；
[0066]D01和Dtj2的阴极与Ltjut的一端联接于10 ；
[0067]Lout的另一端与Ctjut的一端联接于11，作为电路的正极输出端；
[0068]T1副边绕组Tlsl的另一端、T1副边绕组Tls2的另一端与Ctjut的另一端联接于12，作为电路的负极输出端。
[0069]本发明的优点:
[0070]1、本发明自关断器件Sp S2与S3、S4在工作过程中对称导通，换流时间仅仅是SpS2与S3、S4之间的死去时间，变压器的激磁电流可满足开关管换流所需的能量，因此该电路在全负载范围条件下均能实现零电压关断，装置整体效率高。
[0071]2、本发明变压器原边所有开关器件仅承受Uin/2的电压应力，可实现高电压直流变换。
[0072]3、本发明采用4开关构造输入三电平，结构简单。
[0073]4、本发明采用成熟直流开关电源控制方式，控制简单，具有很强的实用性，可广泛应用于直流开关电源领域。【专利附图】
【附图说明】
[0074]图1是本发明的电路结构图。
[0075]图2是本发明的电路结构图。
[0076]图3是实施例中变压器副边工作在(1-D) *Uin/k模式下导通原理图。
[0077]图4是实施例中变压器副边工作在_D*Uin/k模式下导通原理图。
[0078]图5是实施例中变压器副边D=0.5时的输出波形原理示意图。
[0079]图6是实施例中变压器副边D=0.25时的输出波形原理示意图。
[0080]图7是实施例1的电路结构图。
【具体实施方式】
[0081]一种宽负载范围ZVS 二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器电路拓扑，其变压器原边电路特征是:输入侧含有2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4，2个钳位二极管Ddl、Dcl2,1个隔直电容以及I个高频变压器!\。S1的集电极与Cinl的一端联接于I A1的发射极、S2的集电极、Ddl的阴极联接于2 ；S2的发射极、S3的集电极以及的一端联接于3 ；S3的发射级、S4的集电极以及Dcd2的阳极联接于4 ；CBL的另一端与变压器T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 J1原边绕组Tlp的另一端`、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6 ;Cinl的另一端、Cin2的另一端、Ddl的阳极以及Dcd2的阴极联接于7。
[0082]变压器副边有两种电路结构。
[0083]其一是=T1副边绕组Tls的同名端与Dtjl的阳极以及Dtj3的阴极联接与8 ;1\副边绕组Tls的另一端与Dt52的阳极以及Dtj4的阴极联接与9 ；D0l和Dt52的阴极与Lwt的一端联接于
10；L0Ut的一端与Ctjut的一端联接于11 ；Do3和Dtj4的阳极与Crat的另一端联接于12。
[0084]其二是:变压器T1有两组绕组输出，副边绕组串行联接；、的阳极与T1副边绕组Tlsl的同名端联接于8山。2的阳极与T1副边绕组Tls2的同名端联接于9 和Dtj2的阴极与Uut的一端联接于10 ；L0Ut的一端与Cwt的一端联接于11 J1副边绕组Tlsl的同名端、?\副边绕组Tls2的同名端与Ctjut的另一端联接于12。
[0085]实施例1
[0086]本例是采用宽负载范围ZVS 二极管钳位三电平不对称半桥直流变换器的开关电源主电路拓扑。
[0087]参见图7，三相交流电源经过二极管整流电路Dinl-Din6变成直流，直流侧正极经过电感Lin与所述电路的I端联接；直流侧的负极与所述电路的6端相连。
[0088]电路工作时两端电压可控制为D*Uin，D为S1和S2 —起导通的占空比，其主要工作状态简述如下:
[0089]参见图3，开关Sp S2导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为(1-D) *Uin，变压器副边输出(1-D) *Uin/k电平；
[0090]参见图4，开关S3、S4导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为_D*Uin，变压器副边输出_D*Uin/k电平；
[0091]参见图5，为该电路变压器副边在D=0.5时的输出波形。
[0092]参见图6，为该电路变压器副边在D=0.25时的输出波形。
【权利要求】
1.一种宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器，其特征在于: 包括2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4, 2个钳位二极管DemDel2,1个隔直电容C%，I个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管 Dtjl ~Dtj4,电感 Ltjut,电容 Ctjut ； S1的集电极与Cinl的一端联接于1，作为电路的正极输入端； S1的发射极、S2的集电极以及Dcdl的阴极联接于2 ； S2的发射极、S3的集电极以及C&的一端联接于3 ； S3的发射级、S4的集电极以及Dcd2的阳极联接与4 ； Cbl的另一端与T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 ； T1原边绕组Tlp的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6，作为电路的负极输入端; Cinl的另一端、Cin2的另一端、Dcdl的阳极以及Dcd2的阴极联接于7 ； T1副边绕组Tls的同名端与输出整流滤波单元的Dtjl的阳极以及Dtj3的阴极联接与8 ； T1副边绕组Tls的另一端与输出整流滤波单元的Dt52的阳极以及Dtj4的阴极联接与9 ； 输出整流滤波单元的Dtjl和Dtj2的阴极与输出整流滤波单元的Ltjut的一端联接于10 ； 输出整流滤波单兀的Ltjut的另一端与Ctjut的一端联接于11，作为电路正极输出端； 输出整流滤波单元的Dtj3和Dtj4的阳极与Crat的另一端联接于12，作为电路负极输出端。
2.一种宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器，其特征在于: 包括2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件S1、S2、S3、S4, 2个钳位二极管DemDel2,1个隔直电容C%，1个高频变压器T1以及输出整流滤波单元； S1的集电极与Cinl的一端联接于1，作为电路的正极输入端；所述输出整流滤波单元包括2个二极管Dtjl~Dtj2,电感Ltjut,电容Ctjut ； S1的发射极、S2的集电极以及Dcdl的阴极联接于2 ； S2的发射极、S3的集电极以及C&的一端联接于3 ； S3的发射级、S4的集电极以及Dcd2的阳极联接与4 ； Cbl的另一端与T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 ； T1原边绕组Tlp的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6，作为电路的负极输入端； Cinl的另一端、Cin2的另一端、Dcdl的阳极以及Dcd2的阴极联接于7 ； 高频变压器T1副边绕组为两组串行联接的副边绕组； D01的阳极与T1副边绕组Tlsl的同名端联接于8 ； D02的阳极与T1副边绕组Tls2的同名端联接于9 ； D01和Dtj2的阴极与Lwt的一端联接于10 ； Lout的另一端与Crat的一端联接于11，作为电路的正极输出端； T1副边绕组Tlsl的另一端、T1副边绕组Tls2的另一端与Cwt的另一端联接于12，作为电路的负极输出端。
3.一种开关电源，其特征在于: 包括二极管整流电路、电感Lin、宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器； 所述宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器包括2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件Sp S2, S3> S4, 2个钳位二极管Ddl、Dcl2,1个隔直电容C%，I个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括4个二极管Dtjl~Dtj4,电感Lwt，电容Ctjut ； 二极管整流电路的交流侧接三相交流电源； 二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接； 电感Lin的另一端、S1的集电极与Cinl的一端联接于I ; S1的发射极、S2的集电极以及Dcdl的阴极联接于2 ； S2的发射极、S3的集电极以及C&的一端联接于3 ； S3的发射级、S4的集电极以及Dcd2的阳极联接与4 ； Cbl的另一端与T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 ； 二极管整流电路的直流侧负极、T1原边绕组Tlp的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6; Cinl的另一端、Cin2的另一端、Dcdl的阳极以及Dcd2的阴极联接于7 ； T1副边绕组Tls的同名端与输出整流滤波单元的Dtjl的阳极以及Dtj3的阴极联接与8 ； T1副边绕组Tls的另一端与输出整流滤波单元的Dt52的阳极以及Dtj4的阴极联接与9 ；输出整流滤波单元的Dtjl和Dtj2的阴极与输出整流滤波单元的Ltjut的一端联接于10 ；输出整流滤波单元的Lrat的另一端与Cwt的一端联接于11，作为开关电源正极输出端；输出整流滤波单元的Dt53和Dtj4的阳极与Crat的另一端联接于12，作为开关电源负极输出端。
4.一种开关电源 ，其特征在于: 包括二极管整流电路、电感Lin、宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器； 所述宽负载范围三电平不对称半桥直流变换器包括2个输入电容Cinl、Cin2，4只自关断器件Sp S2, S3> S4, 2个钳位二极管Ddl、Dcl2,1个隔直电容C%，I个高频变压器T1以及输出整流滤波单元；所述输出整流滤波单元包括2个二极管Dtjl~Dtj2,电感Lwt，电容Ctjut ；二极管整流电路的交流侧接三相交流电源； 二极管整流电路的直流侧正极与电感Lin的一端联接； 电感Lin的另一端、S1的集电极与Cinl的一端联接于I ; S1的发射极、S2的集电极以及Dcdl的阴极联接于2 ； S2的发射极、S3的集电极以及C&的一端联接于3 ； S3的发射级、S4的集电极以及Dcd2的阳极联接与4 ； Cbl的另一端与T1原边绕组Tlp的同名端连接于5 ； 二极管整流电路的直流侧负极、T1原边绕组Tlp的另一端、S4的发射极以及Cin2的一端联接于6; Cinl的另一端、Cin2的另一端、Dcdl的阳极以及Dcd2的阴极联接于7 ； 高频变压器T1副边绕组为两组串行联接的副边绕组； D01的阳极与T1副边绕组Tlsl的同名端联接于8 ； D02的阳极与T1副边绕组Tls2的同名端联接于9 ； D01和Dtj2的阴极与Lwt的一端联接于10 ； Lout的另一端与Crat的一端联接于11，作为电路的正极输出端； T1副边绕组Tlsl的另一端、T1副边绕组Tls2的另一端与Cwt的另一端联接于12，作为电路的负极输出端。
【文档编号】H02M3/335GK103746562SQ201310746201
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】石勇 申请人:西安爱科赛博电气股份有限公司