零电压转换电源-电容串联型直流变换器及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种软开关电路，尤其涉及一种零电压转换电源-电容串联型直流变换器及其工作方法。
【背景技术】
[0002]近代以来，随着化石能源的不断消耗，人类正面临前所未有的能源危机。光伏发电技术由于无需消耗任何化石能源，为人类社会提供了源源不断的可再生电力，得到了非常广泛的应用。
[0003]光伏逆变器作为整个光伏发电系统的核心部件，其运行效率与性能至关重要。目前广泛使用的分布式非隔离型光伏并网逆变器广泛采用两级式拓扑，第一级直流-直流变换电路较多采用带有零电压转换电路的升压型(Boost)变换器，该零电压转换电路显著降低了主开关管的开关损耗与主二极管的反向恢复损耗，获得了广泛应用。
[0004]但是传统的带有零电压转换电路的升压型(Boost)变换器电路存在以下问题:
[0005](I)开关管与二极管的电压应力为直流输出电压值，电压应力较大；
[0006](2)硬件工程师在选择半导体器件时，必须选择耐压高于该直流输出电压值的半导体器件，导致成本偏高；
[0007](3)另外，在高升压比工况下，主开关管与主二极管电流应力较大，导致转换效率降低。
【发明内容】
[0008]本发明提出的一种零电压转换电源-电容串联型直流变换器及其工作方法，其中该零电压转换电源-电容串联型直流变换器的主功率电路分为第一主功率电路与第二主功率电路，分别实现直流电源S1与中央电容C _、直流电源S2与中央电容C _之间的能量传递，而且本发明实现了主开关管的零电压开通与零电压关断、主二极管的零电压开通与零电压关断，并且辅助开关管与辅助二极管几乎不增加电路的损耗。
[0009]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种零电压转换电源-电容串联型直流变换器，包括:电源电路和主功率电路；
[0011]所述电源电路，包括依次串联连接的直流电源S1、中央电容c_以及直流电源s2，所述电源电路为后级电路或负载供电；
[0012]所述主功率电路，包括第一主功率电路和第二主功率电路，所述第一主功率电路并联在中央电容c_与直流电源S2的公共点及直流电源S1的正极点之间；所述第二主功率电路并联在中央电容c_与直流电源S i的公共点及直流电源S 2的负极点之间。
[0013]所述第一主功率电路，包括:
[0014]主开关管Tlu和主电感Lfu，所述主开关管Tlu的集电极或漏极与直流电源S i的正极相连，主开关管Tlu的射极或源极与主电感L Fu的一端相连，主电感L Fu的另一端与直流电源S1的负极相连；
[0015]所述主开关管Tlu与主电感L Fu的公共点与主二极管D Fu的阴极相连，主二极管D Fu的阳极接至直流电源S2的正极与中央电容C _的公共点；
[0016]所述直流电源S1正极连接辅开关管T2u的集电极或漏极，辅开关管T2u的射极或源极连接至谐振电感1^的一端，谐振电感L 的另一端连接至主开关管T ^与主电感L Fu的公共点；
[0017]所述谐振电感Lra与辅开关管T 211的公共点连接辅二极管D lu的阴极，辅二极管D lu的阳极连接辅二极管D2u的阴极，辅二极管D2u的阳极连接至直流电源S2的正极与中央电容(:_的公共点；
[0018]所述主二极管Dfu的阴极连接至电容Cbu的一端，电容Cbu的另一端连接至辅二极管Dlu与辅二极管D 211的公共点；
[0019]所述主开关管Tlu的射极与集电极两端并联有谐振电容C ra，或主开关管Tlu的源极与漏极两端并联有谐振电容Cra。
[0020]所述谐振电容Cra为主开关管T lu的寄生电容或者外接电容。
[0021]所述第二主功率电路，包括:
[0022]主开关管Tld与主电感L Fd，所述主开关管Tld的射极或源极连接至直流电源S 2负极，主开关管Tld的集电极或漏极连接至主电感L Fd的一端，主电感Lm的另一端连接直流电源S2的正极；
[0023]所述主开关管Tld与主电感L Fd的公共点与主二极管D Fd的阳极相连，主二极管D Fd的阴极接至中央电容c_与直流电源S i负极的公共点；
[0024]所述直流电源S2负极连接辅开关管T 2(1的射极或源极，辅开关管T 2d的集电极或漏极连接谐振电感1^的一端，谐振电感L 的另一端连接至主开关管T 1(1与主电感L Fd的公共点处；
[0025]所述谐振电感Ld与所述辅开关管T2d的公共点连接辅二极管Dld的阳极，辅二极管Dld的阴极连接辅二极管D 2d的阳极，辅二极管D 2d的阴极连接至中央电容C _与直流电源S i负极的公共点；
[0026]所述主二极管DFd的阳极连接电容CBd的一端，电容CBd的另一端连接至辅二极管Dld与辅二极管D 2d的公共点处；
[0027]所述主开关管Tld的射极与集电极两端并联有谐振电容C#或主开关管Tld的源极与漏极两端并联有谐振电容(；d。
[0028]所述谐振电容(；d为主开关管T ld的寄生电容或者外接电容。
[0029]所述后级电路为含有开关元件或线性元件的功率变换电路。
[0030]一种零电压转换电源-电容串联型直流变换器的工作方法，包括:
[0031]主开关管1^、Tld与辅开关管T2u、T2d均受控制电路控制其各自导通与关断，述第二主功率电路中的主开关管Tld、辅开关管T2d的控制时序与第一主功率电路中的主开关管Tlu、辅开关管T2u的控制时序相同。
[0032]所述第一主功率电路中的主开关管Tlu和辅开关管T2u在控制电路的一个开关周期内包括七个工作模态:
[0033]⑴t。彡t〈t 2阶段的模态1:
[0034]tQ时刻，辅开关管T 2U开通，谐振电感L ?两端电压为V Sl+Vcen；t i时刻，主二极管D Fu电流降为O ;t2时刻达到反向恢复电流峰值，主二极管D ^完全截止，其中10<t1<t2；
[0035](2) t2^ t〈t 3阶段的模态 2:
[0036]从t2时刻开始，谐振电感Lra与谐振电容Cra沿路径Lra - Cru - T2u发生并联谐振，谐振电容Cra放电，谐振电感Lra充电；直到13时刻，谐振电感Lra电流达到其最大值，谐振电容Cra电压达到零；
[0037](3) t3彡t〈t 4阶段的模态3:
[0038]t3时刻，谐振电容C ra电压达到零，随后主开关管T ^的反并联二极管导通，谐振电感Lra电流一部分经主电感Lfu流回直流电源，一部分经主开关管T lu的反并二极管、辅开关管T2u流回谐振电感Lra;
[0039](4) t4彡t〈t 5阶段的模态4:
[0040]t4时刻，对主开关管T ^的门极施加开通信号，主开关管T lu零电压开通；同时，对辅开关管T2u的门极施加关断信号，辅开关管T 211零电压关断；随后，辅二极管D ^零电压开通，谐振电感Lra与电容C Bu沿路径L ru - Cbu - Dlu发生串联谐振；
[0041](5) t5^ t〈t 6阶段的模态 5:
[0042]t5时刻，串联谐振结束，谐振电感L 电流为零，电容C Bu电压为V S1+V_;直流电源S1电流流经主开关管T ^与主电感L Fu，直流电源S1为主电感L Fu充电；
[0043](6) t6^ t〈t 7阶段的模态 6:
[0044]t6时刻，对主开关管T lu的门极施加关断信号，主开关管T lu零电压关断；随后，一部分主电感Lfu电流经L Fu - S1 - Cra回路，另一部分主电感L Fu电流电流经L Fu - Ccen - D2u - Cbu回路；
[0045](7) t7^ t〈t 8阶段的模态 7:
[0046]从t7时刻开始，主二极管D Fu开通；主电感L &电流流经L Fu - Ccen - Dfu回路，主电感Lfu为中央电容C _充电；t 8时刻，辅开关管T 211再次导通，零电压转换电源-电容串联型直流变换器的一个开关周期结束；在上述过程中电源电路为后级电路或负载供电。
[0047]本发明的有益效果为:
[0048](I)本发明大幅减小了电源-电容串联型直流变换器主开关管与主二极管的开关损耗，大大提高了变换器的转换效率；
[0049](2)本发明的零电压转换电源-电容串联型直流变换器具有升压功能，相比传统的直流升压电路，该电路在不增加电流应力的前提下，大大减小了开关管与二极管的电压应力，从而大幅减小了功率半导体器件的开关损耗；本发明的零电压转换辅助电路几乎不增加系统的损耗，从而整体的效率得到了大大提高；
[0050](3)本发明的零电压转换电源-电容串联型直流变换器很好地解决了传统升压型(Boost)变换器存在的电压与电流应力偏高的问题，同时实现了对两块或者多块独立光伏阵列的最大功率点追踪与直