专利名称：零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路及其控制方法
技术领域：
本发明的零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路及其控制方法，属电能变换装置的直流变换器的控制方法。
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。有的三电平变换器还能减小输出滤波器，因为输出滤波器两端的高频交流分量较小。但三电平变换器在低压输入高压输出场合的研究还很少，而且低压输入时，输入电流大，则输入三电平支路中的二极管损耗将很大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，研制一种零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路及其控制方法，使所有功率开关管实现零电压开关，提高变换效率；减小输入和输出滤波器；输入三电平支路中的二极管采用带反并联二极管的功率开关管代替，以减小导通损耗；减小原边功率开关管的电压应力。
本发明零电压开关推挽正激三电平直流变换器由输入分压电容电路的输出连于两个由三电平支路与隔离变压器的一个原边绕组串联所组成的电路两输入端，隔离变压器的副边绕组连于整流及滤波电路，其特征在于将隔离变压器第一个原边绕组的异名端与输入电源的负极相连接，该原边绕组同名端连于一个三电平支路的一端，该三电平支路的另一端与输入电源的正极相连接形成一个串联回路和隔离变压器第二个原边绕组的异名端与输入电源的正极相连接，该原边绕组同名端连于另一个三电平支路的一端，该三电平支路的另一端与输入电源的负极相连接形成另一个串联回路相并联，且箝位电容连于隔离变压器的原边绕组与三电平支路交点处，飞跨电容连于两三电平支路中功率开关管的连接点处。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，适合于低压输入高压输出的场合；采用推挽正激三电平，减小了输入和输出滤波器，减小原边功率管的电压应力；输入三电平支路中的二极管采用带反并联二极管的功率开关管代替，大大减小了导通损耗；所有功率开关管实现了软开关；提高变换效率。
四
图1是零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路结构示意2是本发明的三电平工作模式主要波形示意图。
图3-6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Vin、电源电压。C1、C2、输入分压电容。S1～S6、功率开关管。DS1～DS6、各功率开关管的反并联二极管。Cc、飞跨电容。NP1、NP2、NS分别是隔离变压器的两个原边绕组和副边绕组。D1～D4、输出整流二极管。Lf、滤波电感。Cf、滤波电容。RL、负载。Vo、输出电压。vAB、A与B两点间电压。
五具体实施例方式
根据附图叙述本发明的具体实施方式
。由图1可知，本发明的零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路由输入分压电容电路1、两个三电平支路2、3、飞跨电容Cc、箝位电容C、隔离变压器、整流桥及滤波电路4组成。其中分压电容C1和C2容量很大且相等，其电压均为输入电压Vin的一半，即Vc1＝Vc2＝Vin/2，可看作电压为Vin/2的电压源。三只功率开关管S1、S2、S5及其反并联二极管DS1、DS2、DS5组成一个三电平支路2；三只功率开关管S3、S4、S6及其反并联二极管DS3、DS4、DS6如组成另一三电平支路3。NP1、NP2、NS分别是隔离变压器的两个原边绕组和副边绕组。整流桥及滤波电路4由四个输出整流二极管D1～D4、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf、负载RL组成。
控制方法如下功率开关管S1和S4PWM工作，功率开关管S2和S3180°互补导通。不考虑相互之间的死区和延时，功率开关管S2驱动信号是功率开关管S1驱动信号和功率开关管S5驱动信号相或；功率开关管S3的驱动信号是功率开关管S4驱动信号和功率开关管S6驱动信号相或。功率开关管S1和S4PWM工作，且分别与功率开关管S2和S3同时开通，故定义功率开关管S1和S4为斩波管。
功率开关管S5和S6分别滞后于功率开关管S2和S3一个很小的时间导通，目的是为了实现功率开关管S5和S6的零电压开通，功率开关管S1和S4分别和功率开关管S5和S6之间存在一定的死区，目的是为了实现功率开关管S5和S6的零电压关断，从而减小功率开关管的开关损耗，提高变换效率。在功率开关管S5的负极和功率开关管S6的正极之间跨接飞跨电容Cc，其作用在于将两对功率开关管的开关过程连接起来，将功率开关管S2和S3的电压箝在3Vin/2。在变换器稳态工作时，飞跨电容Cc上的电压恒定为Vin/2。
结合图3～6叙述本发明的具体工作原理。由图2可知整个变换器在一个开关周期有8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](见图2)，其中，[t0以前，t3]为前半周期，[t4，t7]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所有功率开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件；③变压器考虑漏感，NP1＝NP2＝NP，NS/NP＝n；④飞跨电容Cc足够大，稳态时其电压基本不变，为Vin/2；⑤箝位电容C足够大，稳态时其电压基本不变，为Vin。
1.开关模态1[t0以前][对应于图3]t0以前，功率开关管S1和S2导通，AB两点间电压为vAB＝nVin。副边输出整流二极管D1和D4导通，D2和D3截止。原边向副边传递能量。
2.开关模态2[t0，t1][对应于图4]t0时刻关断功率开关管S1，二极管DS5导通，由功率开关管S1结电容的作用，功率开关管S1实现了零电压关断。功率开关管S6承受的电压为Vin/2，功率开关管S1承受的电压为Vin/2，功率开关管S4承受的电压为零。vAB电压下降到nVin/2，其它同开关模态1。
3.开关模态3[t1，t2][对应于图5]在t1时刻，功率开关管S5开通，实现了功率开关管S5的零电压开通，其它同开关模态2。
4.开关模态4[t2，t3][对应于图6]t2时刻关断功率开关管S2和S5，由功率开关管S2结电容的作用，功率开关管S2实现了零电压关断。由于变压器漏感的作用，二极管DS3和DS4导通。功率开关管S5承受的电压保持为零，功率开关管S2承受的电压为3Vin/2。vAB电压上升到nVin，副边输出整流二极管D2和D3导通，D1和D4截止。
此后功率开关管S3和S4导通，实现了功率开关管S3和S4的零电压开通，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。
从上面的分析可知，零电压开关推挽正激三电平直流变换器，所有功率开关管实现了零电压开关，减小输入输出滤波器。
由以上描述可知，本发明提出的零电压开关推挽正激三电平直流变换器具有如下优点①所有功率开关管实现了零电压开关；②输出整流波形中高频分量小，可以减小输出滤波器，从而减小输出滤波器的重量和体积，并且改善变换器的动态特性；③适合于宽输入电压，低压输入高压输出的场合；④该变换器的输入电流脉动小，因此可以减小输入滤波器；⑤将三电平支路中的续流二极管用功率开关管代替，减小了导通损耗，且不会增加开关损耗，提高了变换效率。
权利要求
1.一种零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路的控制方法，其特征在于，主电路中的第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)以PWM工作方式进行工作，而第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)以180°互补导通，在不考虑各功率开关管之间的死区和延时的条件下，第二功率开关管(S2)的驱动信号是第一功率开关管(S1)驱动信号和第五功率开关管(S5)驱动信号相或；第三功率开关管(S3)的驱动信号是第四功率开关管(S4)驱动信号和第六功率开关管(S6)驱动信号相或，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)以PWM工作方式进行工作时，且分别与第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)同时导通。
全文摘要
一种涉及零电压开关推挽正激三电平直流变换器主电路及其控制方法，主电路包括分压电容电路(1)、两个三电平支路(2)、(3)、隔离变压器原、副边绕组(N
文档编号H02M3/24GK1773826SQ20051009515
公开日2006年5月17日 申请日期2005年11月1日 优先权日2005年11月1日
发明者姚志垒, 肖岚, 严仰光 申请人:南京航空航天大学