一种多功能变结构型直流变流器的制作方法

专利名称：一种多功能变结构型直流变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直流变流器，尤其是利用变拓扑结构实现不用LLC谐振 电路的多功能直流变流器。
技术背景在实际工业应用中，变流器经常会遇到宽范围电压输入的变流情况，比 如，在燃料电池的应用中，往往要在系统中加入后备电池以提高燃料电池的 稳定性，从而防止燃料电池的失效而导致系统整体断电。实际系统中的燃料 电池和后备电池有交叠区域(例如燃料电池输出为200-400Vdc，后备电池电 压为48-96Vdc)，因为输入电压的范围很宽，如果采用单一变流器实现变流 器功能，几乎没有能够在如此宽范围输入电压的情况下都能比较有效率的实 现变压的单一拓扑，因此单一拓扑在该输入情况下的效率比较低，同时为了 用一套参数达到宽范围输入电压下系统均能稳定工作则参数选取范围很窄， 这给系统参数的设计带来了较大的难题；如果采用两种不同拓扑并联实现变 流器的话，部分元器件会冗余，并且随着元器件的增多系统的稳定性也同时发明内容本发明的目的是提供一种具有变拓扑功能的适用宽范围输入、高效率输 出的多功能变结构型直流变流器。本发明的多功能变结构型直流变流器，它包括1) 直流输入电源，用于提供直流电压；2) 第一直流-交流转换电路，用于将所述输入的直流电压逆变成第一高 频交流电压，包含第一主开关管，第二主开关管，第一谐振电容，第一谐振 电感器，由第一、第二、第三三个子开关组成的第一多刀多掷联动开关和第 一短路棒；第一主开关管的漏极与第一子开关的第一个端子及第二子开关的 第一个端子相连，源极与直流输入电源的负极和第二子开关的第二个端子相 连，第二主开关管的漏极和第三子开关的转换点相连，源极与第二子开关的 转换点及第一谐振电容的一端相连，第一谐振电容的另一端和第一子开关的 第二个端子及第一短路棒的第一个固定端子相连，第一短路棒的第二个固定 端子与电源的正极相连，第一谐振电感器一端与第一子开关的转换点和第三 子开关的第一个端子相连，第三子开关的第二个端子和直流输入电源的正极相连；3) 第二直流-交流转换电路，用于将所述输入的直流电压逆变成第二高 频交流电压，包含第三主开关管，第四主开关管，第二谐振电容，第二谐振 电感器，由第四、第五、第六三个子开关组成的第二多刀多掷联动开关和第 二短路棒；第三主开关管的漏极与第四子开关的第一个端子和第五子开关的 第一个端子相连，源极与直流输入电源的负极和第五子开关的第二个端子相 连，第四主开关管的漏极和第六子开关的转换点相连，源极与第五子开关的 转换点及第二谐振电容的一端相连，第二谐振电容的另一端和第四子开关的 第二个端子及第二短路棒的第一个固定端子相连，第二短路棒的第二个固定 端子与电源的正极相连，第二振电感器一端与第四子开关的转换点和第六子 开关的第一个端子相连，第六子开关的第二个端子和直流输入电源的正极相 连；4) 隔离滤波电路，该隔离滤波电路包括含有内在漏感和激磁电感的第一 隔离变压器，隔离滤波电容和含有内在漏感和激磁电感的第二隔离变压器， 所述第一隔离变压器具有两个原边绕组，第二隔离变压器具有两个副边绕组， 第一隔离变压器的第一原边绕组的同名端与第二原边绕组的异名端和直流输 入电源的正极相连，第一隔离变压器的第一原边绕组的异名端和第一谐振电 感器的另一端相连，第一隔离变压器的第二原边绕组的同名端和第二谐振电 感器的另一端相连，所述隔离滤波电容串联在第一隔离变压器的副边绕组和 第二隔离变压器的原边绕组之间；5) 整流电路，包括四个整流二极管，由第七、第八、第九三个子开关组 成的第三多刀多掷联动开关和第三短路棒，第一整流二极管的阳极与第二整 流二极管的阴极相连，第二整流二极管的阳极与第八子开关的第一个端子和 第三短路棒的第一个固定端子相连，第四整流二极管的阳极与第三整流二极 管的阴极相连，第三整流二极管的阳极与第九子开关的第一个端子和第三短 路棒的第二个固定端子相连，第一整流二极管的阴极与第四整流二极管的阴 极相连;第八子开关的转换点与第二隔离变压器第一副边绕组的同名端相连， 第八子开关的第二个端子与第一、第二整流二极管的接点相连，第九子开关 的转换点与第二隔离变压器第二副边绕组的异名端相连，第九子开关的第二 个端子与第三、第四整流二极管的接点相连，第七子开关的第一个端子与第 三短路棒的活动端子相连，第七子开关的第二端子与第二隔离变压器的第一 副边绕组的异名端和第二副边绕组的同名端相连；6)输出滤波电容，用于将整流电路输出的脉冲电流滤成直流电压输出给 负载，滤波电容的一端与第一、第四整流二极管的接点相连，滤波电容的另 一端与第七子开关的转换点相连上述的多功能变结构型直流变流器通过多刀多掷开关和短路棒连接状态的不同组合，可以得到如下五种不同功能结构的直流变流器第一种，第一直流-交流转换电路中的第一子开关的转换点接至第一个端 子，第二子开关的转换点接至第二个端子，第三子开关的转换点接至第一个 端子，第一短路棒闭合，第二直流-交流转换电路中的第四子开关的转换点接 至第一个端子，第五子开关的转换点接至第二个端子，第六子开关的转换点 接至第一个端子，第二短路棒闭合，整流电路中第七子开关的转换点接至第 一个端子，第八子开关的转换点接至第二个端子，第九子开关的转换点接至 第二个端子，第三短路棒闭合，形成具有输入逆变推挽结构，电源并联滤波 电容，输出整流全桥结构的升压式多谐振式直流变流器。第二种，第一直流-交流转换电路中的第一子开关的转换点接至第二个端子，第二子开关的转换点接至第一个端子，第三子开关的转换点接至第二个 端子，第一短路棒断开，第二直流-交流转换电路中的第四子开关的转换点接 至第二个端子，第五子开关的转换点接至第一个端子，第六子开关的转换点 接至第二个端子，第二短路棒断开，整流电路中第七子开关的转换点接至第 二个端子，第八子开关的转换点接至第一个端子，第九子开关的转换点接至 第一个端子，第三短路棒断开，形成具有输入逆变交错并联结构，输出整流 全波结构的降压式多谐振式直流变流器。第三种，第一直流-交流转换电路中的第一子开关的转换点接至第一个端 子，第二子开关的转换点接至第二个端子，第三子开关的转换点接至第一个 端子，第一短路棒闭合，第二直流-交流转换电路中的第四子开关的转换点接 至第一个端子，第五子开关的转换点接至第二个端子，第六子开关的转换点 接至第一个端子，第二短路棒闭合，整流电路中第七子开关的转换点接至第 二个端子，第八子开关的转换点接至第一个端子，第九子开关的转换点接至 第一个端子，第三短路棒断开，形成具有输入逆变推挽结构，输出整流全波 结构的降压式多谐振式直流变流器。第四种，第一直流-交流转换电路中的第一子开关的转换点接至第二个端 子，第二子开关的转换点接至第一个端子，第三子开关的转换点接至第二个 端子，第一短路棒断开，第二直流-交流转换电路中的第四子开关的转换点接至第二个端子，第五子开关的转换点接至第一个端子，第六子开关的转换点 接至第二个端子，第二短路棒断开，整流电路中第七子开关的转换点接至第 一个端子，第八子开关的转换点接至第二个端子，第九子开关的转换点接至 第二个端子，第三短路棒闭合，形成具有输入逆变交错并联结构，输出整流 全桥结构的升压式多谐振式直流变流器。第五种，第一直流-交流转换电路中的第一子开关的转换点接至第一个端 子，第二子开关的转换点接至第二个端子，第三子开关的转换点接至第一个 端子，第一短路棒断开，第二直流-交流转换电路中的第四子开关的转换点接 至第一个端子，第五子开关的转换点接至第二个端子，第六子开关的转换点 接至第一个端子，第二短路棒断开，整流电路中第七子开关的转换点接至第 一个端子，第八子开关的转换点接至第二个端子，第九子开关的转换点接至 第二个端子，第三短路棒闭合，形成具有输入逆变推挽结构，输出整流全桥 结构的升压式多谐振式直流变流器。本发明中，所说的第一、第二、第三、第四主开关管可以是包含外加或内在寄生反并二极管的MOSFET或IGBT或可控硅。本发明中，所说的第一直流-交流转换电路中的第一多刀多掷联动开关、 第二直流-交流转换电路中的第二多刀多掷联动开关和整流电路中的第三多 刀多掷联动开关可以是机械开关或继电器或电子开关，所说的第一、第二、 第三短路棒可以是具有三端同时短路或断开功能的机械开关或继电器或电子 幵关。为弥补第一隔离变压器和第二隔离变压器漏感的不足，本发明的进一步 特征是，在第一隔离变压器的副边绕组和隔离滤波电容间串联电感器，或是 第二隔离变压器的原边绕组和隔离滤波电容间串联电感器。为弥补第一隔离变压器激磁电感的不足，本发明的进一步特征是，在第 一隔离变压器的原边绕组并联电感器或在副边绕组并联电感器，为弥补第二隔离变压器激磁电感的不足，本发明的进一步特征是，在第 二隔离变压器的原边并联电感器或副边绕组并联电感器。本发明的有益效果在于当直流变流器输入电压范围较宽时，可以通过变换拓扑结构来实现根据 输入电压高低的不同以最优电路拓扑实现变流。在较高电压输入的情况下变 流器可以转入第一种拓扑变换状态电路，此时的谐振发生在隔离输出隔离滤 波电路中，输出整流电路采用倍压整流的方式，由此电压可以从较低的输入端抬升到稳压输出端；在较低电压输入的情况下变流器可以转入第二种拓扑 变换状态电路，此时可以利用输入电压较高而电流较低的特点利用第一、第 二谐振电容和第一隔离变压器原边的激磁电感和漏感与隔离滤波电容相互谐 振而减少电容的电流冲击，同时输出整流电路采用零式整流的方式输出稳定 的电压。由此利用一套参数通过不同的组合实现低输入电压和高输入电压下 均为较优的稳压输出变流器，同时因为在该变流器中第一、第二、第三、第 四开关管和第一、第二谐振电感和第一、第二谐振电容和第一、第二、第三、 第四整流二极管和第一、第二隔离变压器和隔离滤波电容均得到了重复利用， 从而减少了系统的元件冗余，降低了成本。


图1为本发明的多功能变结构型直流变流器的电路结构图；图2为多功能变结构型直流变流器的第一种拓扑变换状态电路；图3为图2拓扑变换状态电路的工作波形；图4为多功能变结构型直流变流器的第二种拓扑变换状态电路； 图5为图4拓扑变换状态电路的工作波形；图6为多功能变结构型直流变流器的第三种拓扑变换状态电路； 图7为多功能变结构型直流变流器的第四种拓扑变换状态电路。 图8为多功能变结构型直流变流器的第五种拓扑变换状态电路。
具体实施方式
参照图l，本发明的多功能变结构型直流变流器，它包括1) 直流输入电源Vin，用于提供直流电压；2) 第一直流-交流转换电路，用于将所述输入的直流电压逆变成第一高 频交流电压，包含第一主开关管S1，第二主开关管S2，第一谐振电容CS1， 第一谐振电感器LS1，由第一、第二、第三三个子开关Kl-a、 Kl-b、 Kl-c 组成的第一多刀多掷联动开关Kl和第一短路棒Kl-d;第一主开关管Sl的 漏极与第一子开关Kl-a的第一个端子1及第二子开关Kl-b的第一个端子2 相连，源极与直流输入电源Vin的负极和第二子开关Kl-b的第二个端子1 相连，第二主开关管S2的漏极和第三子开关Kl-c的转换点相连，源极与第 二子开关Kl-b的转换点及第一谐振电容CS1的一端相连，第一谐振电容CS1 的另一端和第一子开关Kl-a的第二个端子2及第一短路棒Kl-d的第一个固 定端子相连，第一短路棒Kl-d的第二个固定端子与电源Vin的正极相连， 第一谐振电感器LSI —端与第一子开关Kl-a的转换点和第三子开关Kl-c的第一个端子1相连，第三子开关Kl-c的第二个端子2和直流输入电源Vin 的正极相连；3) 第二直流-交流转换电路120，用于将所述输入的直流电压逆变成第二 高频交流电压，包含第三主开关管S3，第四主开关管S4，第二谐振电容CS2， 第二谐振电感器LS2，由第四、第五、第六三个子开关K2-e、 K2-f 、 K2-g 组成的第二多刀多掷联动开关K2和第二短路棒K2-h;第三主开关管S3的 漏极与第四子开关K2-e的第一个端子1和第五子开关K2-f的第一个端子2 相连，源极与直流输入电源Vin的负极和第五子开关K2-f的第二个端子1 相连，第四主开关管S4的漏极和第六子开关K2-g的转换点相连，源极与第 五子开关K2-f的转换点及第二谐振电容CS2的一端相连，第二谐振电容CS2 的另一端和第四子开关K2-e的第二个端子2及第二短路棒K2-h的第一个固 定端子相连，第二短路棒K2-h的第二个固定端子与电源Vin的正极相连， 第二振电感器LS2 —端与第四子开关K2-e的转换点和第六子开关K2-g的第 一个端子1相连，第六子开关K2-g的第二个端子2和直流输入电源Vin的 正极相连；4) 隔离滤波电路130，该隔离滤波电路包括含有内在漏感和激磁电感的 第一隔离变压器TR1，隔离滤波电容Cr和含有内在漏感和激磁电感的第二 隔离变压器TR2，所述第一隔离变压器TR1具有两个原边绕组，第二隔离变 压器TR2具有两个副边绕组，第一隔离变压器TR1的第一原边绕组的同名 端Nl与第二原边绕组的异名端N4和直流输入电源Vin的正极相连，第一隔 离变压器TR1的第一原边绕组的异名端N2和第一谐振电感器LSI的另一端 相连，第一隔离变压器TR1的第二原边绕组的同名端N3和第二谐振电感器 LS2的另一端相连，所述隔离滤波电容Cr串联在第一隔离变压器TR1的副 边绕组和第二隔离变压器TR2的原边绕组之间；5) 整流电路140，包括四个整流二极管DR1、 DR2、 DR3、 DR4，由第 七、第八、第九三个子开关K3-i、 K3-J 、 K3-k组成的第三多刀多掷联动开 关K3和第三短路棒K3-L，第一整流二极管DR1的阳极与第二整流二极管 DR2的阴极相连，第二整流二极管DR2的阳极与第八子开关K3-J的第一个 端子2和第三短路棒K3-L的第一个固定端子相连，第四整流二极管DR4的 阳极与第三整流二极管DR3的阴极相连，第三整流二极管DR3的阳极与第 九子开关K3-k的第一个端子2和第三短路棒K3-L的第二个固定端子相连， 第一整流二极管DR1的阴极与第四整流二极管DR4的阴极相连；第八子开关K3-J的转换点与第二隔离变压器TR2第一副边绕组的同名端N5相连，第 八子开关K3-J的第二个端子1与第一、第二整流二极管的接点相连，第九子 开关K3-k的转换点与第二隔离变压器TR2第二副边绕组的异名端N8相连， 第九子开关K3-k的第二个端子1与第三、第四整流二极管的接点相连，第 七子开关K3-i的第一个端子1与第三短路棒K3-L的活动端子相连，第七子 开关K3-i的第二端子2与第二隔离变压器TR2的第一副边绕组的异名端N6 和第二副边绕组的同名端N7相连；6)输出滤波电容CO，用于将整流电路输出的脉冲电流滤成直流电压输 出给负载，滤波电容CO的一端与第一、第四整流二极管的接点相连，滤波 电容CO的另一端与第七子开关K3-i的转换点相连多功能变结构型直流变流器通过多刀多掷开关和短路棒连接状态的不同 组合，可以得到如下五种不同功能结构的直流变流器第一种拓扑变换状态电路如图2所示，第一直流-交流转换电路110中的 第一子开关Kl-a的转换点接至第一个端子1，第二子开关(Kl-b)的转换点接 至第二个端子l，第三子开关Kl-c的转换点接至第一个端子1，第一短路棒 Kl-d闭合，第二直流-交流转换电路120中的第四子开关K2-e的转换点接至 第一个端子1，第五子开关K2-f的转换点接至第二个端子1，第六子开关K2-g 的转换点接至第一个端子1，第二短路棒K2-h闭合，整流电路140中第七子 开关K3-i的转换点接至第一个端子1,第八子开关K3-J的转换点接至第二 个端子l，第九子开关K3-k的转换点接至第二个端子1，第三短路棒K3-L 闭合，形成具有电源并联滤波电容，输入逆变推挽结构，输出整流全桥结构 的升压式多谐振式直流变流器。该升压式多谐振式直流变流器，电源并联谐振电容Csl和Cs2用于滤波， 四个开关管S1 S4组成推挽逆变电路，S1与S2并联、S3与S4并联分别承 担一半的输入电流。直流电压经逆变器产生高频的交流方波电压送到隔离滤波网络。第一主 开关管Sl和第二主开关管S2同时导通和关断，第三主开关管S3和第四主 开关管S4同时导通和关断，第一、第二主开关管和第三、第四主开关管交 替导通和关断，其占空比恒为50%，通过改变开关的频率来调节输出的电压， 也就是说是频率调制方式而不是传统的脉宽调制方式。第一、第二两个隔离 变压器都包含漏感和励磁电感，隔离变压器的漏感可等效成与隔离滤波电容 相串接的一个等效电感。该等效电感与隔离滤波电容Cr、第二隔离变压器TR2的励磁电感共同构成LLC谐振电路。整流电路采用全桥整流结构，交流 电压经整流电路后由电容CO滤波转换成直流输出。工作波形如图3所示，图中Vgsl Vgs4分别为四个主开关管的驱动信 号波形，Vdsl Vds4分别是四个主开关管两端电压波形，VDR1 VDR4分别 为四个整流二极管两端电压波形，VCr为隔离滤波电容两端电压波形，iLSl、 iLS2分别为第一和第二谐振电感的电流波形，iLml、 iLm2分别为第一和第 二隔离变压器TR1、 TR2的励磁电流波形，iLss为流过隔离滤波网络电流波 形，iDRl、 iDR2 、 iDR3、 iDR4分别为以通过第一、第二、第三、第四整流 二极管的电流波形。工作过程分析如下。为了简化分析，特作如下假定和说明l.在下面的 分析中滤波电容Co被认为无穷大而以恒压源代替；2.电路已经进入稳态；3. 第一主开关管Sl、第二主开关管S2、第三主开关管S3、第四主开关管S4 均具有寄生电容和寄生二极管；4隔离变压器的漏感可等效为一个与电容Cr 串接的谐振电感；5开关管S1、 S2和S3、 S4交替开导关断，中间设有死区 时间，在实际情况中死区时间是非常短暂的，但为了更清楚的表述而在途中 把它们画的比较夸大。变流器的一个开关周期可以分为8个工作状态，各阶段的工作波形如图 3所示，8个工作阶段的具体工作原理分别描述如下(1) 阶段1 (t0 tl):在t0时刻，第一主开关管Sl、第二主开关管 S2的寄生电容放电完毕，Sl、 S2两端电压下降为零，同时S3、 S4两端电压 升至Vin， Sl、 S2的寄生二极管导通，为S1、 S2的ZVS创造了条件。通过 谐振网络的谐振电流开始正向增长，变压器TR2的极性为上正下负，二极管 DR1、 DR3导通，第二隔离变压器1^2的励磁电感被输出电压钳位，并恒压 充电，其电流线性增长。谐振电容Cr和变压器漏感谐振，谐振电流开始上升， 当该电流上升至0时阶段1工作状态结束。(2) 阶段2 (tl t2):当谐振电感电流由负变正时，进入阶段2。 Sl、 S2在阶段1时已加上门极驱动信号，tl时刻开始Sl、 S2正向导通，第二隔离变压器TR2的励磁电感上的电压仍被输出电压钳位，不参与谐振。谐振电流以正弦式逐渐上升。(3) 阶段3 (t2 t3):随着谐振电流ILss的下降和第二隔离变压器TR2 的励磁电感上的励磁电流iLm2的上升，在tl时刻两者相等，同时副边二极 管的电流下降到零，此时二极管DR1、 DR3将因电流过零而自然关断，几乎没有反向过程，因此二极管工作在ZCS状态。此时输出电压不再对变压器 TR2钳位，第二隔离变压器T^的励磁电感成为自由谐振电感，和变压器漏 感及谐振电容一起参与谐振，而且由于一般励磁电感较大，所以该谐振周期 较前一个谐振周期大得多，因此谐振电流在这段时间可近似看作不变。输出 电容C。放电，继续给输出供电。(4) 阶段4 (t4 t5) : t3时刻，Sl、 S2关断进入死区时间。此时输出 仍被变压器TR2隔离，第二隔离变压器TR2的励磁电感上的电流仍与谐振电 流相等。原边电流ILsl给Sl、 S2的寄生电容充电，同时S3、 S4的寄生电 容放电，ILsl与ILs2换流。当S1、 S2两端的电压上升至Vin， Sl、 S2两端 电压下降至零时阶段三工作状态结束。(5) 阶段5 (t5 t6) : t5时刻，S3、 S4仍然关断，其寄生二极管导通， 为S3、 S4的零电压开通创造了条件。二极管DR2、 DR4导通，第二隔离变 压器1^2的励磁电感上的电压上负下正，再次被输出钳位，不参与谐振。谐 振电流开始下降，当该电流下降至0时阶段5工作状态结束。阶段6到阶段8分别与阶段2到阶段4类似，只是谐振电流方向相反， 因此不再赘述。第二种拓扑变换状态电路如图4所示，第一直流-交流转换电路110中的 第一子开关Kl-a的转换点接至第二个端子2，第二子开关Kl-b的转换点接 至第一个端子2，第三子开关Kl-c的转换点接至第二个端子2，第一短路棒 Kl-d断开，第二直流-交流转换电路120中的第四子开关K2-e的转换点接至 第二个端子2，第五子开关K2-f的转换点接至第一个端子2，第六子开关K2-g 的转换点接至第二个端子2，第二短路棒K2-h断开，整流电路140中第七子 开关K3-i的转换点接至第二个端子2，第八子开关K3-J的转换点接至第一 个端子2，第九子开关K3-k的转换点接至第一个端子2，第三短路棒K3-L 断开，形成具有输入逆变交错并联结构，输出整流全波结构的降压式多谐振 式直流变流器。该降压式多谐振式直流变流器，四个开关管S1 S3组成交 错并联结构的逆变电路，将直流输入电压转换成交流方波或阶梯波。Sl和 S4同时开通和关断，S2和S3同时开通和关断。Sl、 S4和S2、 S3的驱动信 号是加有死区的互补信号，占空比大约为50%且为恒定，通过改变开关频率 来控制输出电压，也就是说是频率调制方式而不是传统的脉宽调制方式。在 Sl、 S3导通的时候，S4、 S2用来使第一隔离变压器TR1磁复位。第一、第 二隔离变压器的漏感可等效成与隔离滤波电容相串接的一个等效电感，它与隔离电容Cr、第二隔离变压器TR2的励磁电感共同构成LLC谐振电路。整 流电路采用由第一、第二、第三、第四整流二极管DR1、 DR2、 DR3、 DR4 组成中心抽头的零式整流电路。图5为第二种拓扑变换状态电路的工作波形，其中Vgsl Vgs4是第一 到第四主开关管驱动信号波形，Vdsl Vds4是第一到第四主开关管两端波 形，VDR1 VDR4是第一到第四整流二极管两端波形，VCr是隔离谐振电容 两端波形，iLsl、 iLs2是第一隔离变压器原边电流波形，iLml、 iLm2是第一、 第二隔离变压器TR1、 TR2的励磁电流波形，iLss是流过隔离滤波网络的电 流，VDR1、 VDR2、 VDR3、 VDR4是第二隔离变压器副边第一到第四整流 二极管上的电压波形。变流器的一个开关周期可以分为8个工作状态，在下面的分析中，同样采 用了分析第一种拓扑变化状态电路的假设说明，各阶段的工作波形如图5所 示，8个工作阶段的具体工作原理分别描述如下(1) 阶段l (t0 tl):在t0时刻，主开关管Sl和S4同时开通。原边 电源电压直接加载在隔离变压器TR1的上半个变压器和Csl上面，而隔离变 压器TR1的下半个变压器、Cs2通过S4短路谐振。由此TR1 —次侧的谐振 电感Lsl、 Ls2和电容Csl、 Cs2折算到二次侧与可能外加在隔离滤波网络上 面的串联谐振电感、Cr一起，等效成为传统的LLC谐振电路，如图4所示。 此时电流iLss以正弦形式逐渐上升。TR2副边二极管DR1、 DR2导通，输出 电压将变压器钳位。因此TR2原边的谐振是发生在隔离滤波网络等效串联谐 振电感和等效电容之间，流过Lml的激磁电流iLml是线性上升。TR2的副 边电流是原边谐振电流和激磁电流之差再经过一个变比的换算。(2) 阶段2 (tl t2):随着原边谐振电流的下降和激磁电流的上升， 在tl时刻两者相等，同时副边的电流下降到零。此时，副边二极管DR1、 DR2将因为电流过零而自然关断，因那次几乎没有反向恢复的过程。此时二 极管DR1、 DR2上的反向电压为输出电压。二极管的这种工作状态，在此定 义为二极管的ZCS。工作在ZCS状态的二极管上的电压尖峰几乎为零。同时， 输出电压不再对变压器钳位，那么Lm2就成为自由的谐振电感，Lm2与隔离 滤波网络等效串联谐振电感加在一起与Cr和隔离滤波网络等效串联谐振电 容谐振，因为Lm2励磁电感比较大，所以这个谐振周期要比前一个谐振周期 大得多，所以说这段时间里，原边电流可以看作是近似不变，Lm2是一个恒 流源，因而在该阶段各个参与谐振的电容电压线性增加。(3) 阶段3 (t2 t3):在t2时刻，Sl、 S4关断了，而S2、 S3还没有 导通。此时TR1原边的谐振电流分别对S1、 S4的等效电容充电，对S2、 S3 的等效电容放电，其效果是第一、第二、第三、第四主开关管等效寄生电容 两两并联之后加入了 TR1副边的谐振过程，该电容上面的电压在iLm2类恒 流源的作用下线性增加。但实际上由于第一、第二、第三、第四主开关管等 效寄生电容的电容比较小，Lm2的电感比较大，因此对于阶段3的谐振影响 非常微小，并且工作时t2 t3的持续时间非常的短。(4) 阶段4 (t3 t4):在时刻t3,开关管Sl、 S4完全关断，S2、 S3 的反向并联二极管导通，电源电压此时反向加载在变压器TR1上，iLsl、 iLs2 电流反向回流到电源从而迅速减小。此时，由于Lm2电流暂时保持不变，因 此DR3、 DR4导通，TR2变压器再次工作，将Lm2钳位从而使其电流线性 下降。由此Lm2与隔离滤波网络等效串联谐振电感脱离谐振关系。(5) 阶段5 (t4 t5):在上一个阶段中，开关管S2、 S3的反向并联二 极管导通，因此其两端的电压为零。时刻t4， S2、 S3同时导通，因此S2和 S3是工作在ZVS状态的。TR1原边电流开始反向流动，从而出发了TR1副 边的新一轮的谐振，只是方向与其相反。阶段6到阶段8分别与阶段2到阶段4类似，只是部分电流、电压方向 相反。因此不再赘述。第三种拓扑变换状态电路如图6所示，第一直流-交流转换电路110中的 第一子开关Kl-a的转换点接至第一个端子1，第二子开关Kl-b的转换点接 至第二个端子l，第三子开关Kl-c的转换点接至第一个端子1，第一短路棒 Kl-d闭合，第二直流-交流转换电路120中的第四子开关K2-e的转换点接至 第一个端子1，第五子开关K2-f的转换点接至第二个端子1，第六子开关K2-g 的转换点接至第一个端子1，第二短路棒K2-h闭合，整流电路140中第七子 开关K3-i的转换点接至第二个端子2，第八子开关K3-J的转换点接至第一 个端子2，第九子开关K3-k的转换点接至第一个端子2，第三短路棒K3-L 断开，形成具有输入逆变推挽结构，输出整流全波结构的降压式多谐振式直 流变流器。该电路具有与第一种拓扑变换状态电路图2相同的输入逆变结构， 与第二种拓扑变换状态电路图4的整流输出结构。该电路的具体工作过程与 第一种拓扑变换状态电路相同，只是在相同输入电压下，输出电压是升压式 经典LLC推挽谐振变流器的二分之一。一个开关周期也可分为8个工作状态， 其第一隔离变压器原边、副边和第二隔离变压器原边的工作波形和图3相同，第二隔离变压器副边的工作波形和图5相同。第四种拓扑变换状态电路如图7所示，第一直流-交流转换电路110中的 第一子开关Kl-a的转换点接至第二个端子2，第二子开关Kl-b的转换点接 至第一个端子2，第三子开关Kl-c的转换点接至第二个端子2，第一短路棒 Kl-d断开，第二直流-交流转换电路120中的第四子开关K2-e的转换点接至 第二个端子2，第五子开关K2-f的转换点接至第一个端子2，第六子开关K2-g 的转换点接至第二个端子2，第二短路棒K2-h断开，整流电路140中第七子 开关K3-i的转换点接至第一个端子1，第八子开关K3-J的转换点接至第二 个端子1，第九子开关K3-k的转换点接至第二个端子1，第三短路棒K3-L 闭合，形成具有输入逆变交错并联结构，输出整流全桥结构的升压式多谐振 式直流变流器。该电路具有与第二种拓扑变换状态电路图4相同的输入逆变 结构，与第一种拓扑变换状态电路图2相同的整流输出结构。该电路的具体 工作过程与第二种拓扑变换状态电路相同，只是在相同输入电压下，输出电 压是第二种拓扑变换状态电路的两倍。一个开关周期也可分为8个工作状态， 第一隔离变压器原边、副边和第二隔离变压器原边的工作波形和图5形同， 第二隔离变压器副边的工作波形和图3形同。第五种拓扑变换状态电路如图8所示，第一直流-交流转换电路110中的 第一子开关Kl-a的转换点接至第一个端子1，第二子开关Kl-b的转换点接 至第二个端子l，第三子开关Kl-c的转换点接至第一个端子1，第一短路棒 Kl-d断开，第二直流-交流转换电路120中的第四子开关K2-e的转换点接至 第一个端子1，第五子开关K2-f的转换点接至第二个端子l，第六子开关K2-g 的转换点接至第一个端子l，第二短路棒K2-h断开，整流电路140中第七子 开关K3-i的转换点接至第一个端子1，第八子开关K3-J的转换点接至第二 个端子1，第九子开关K3-k的转换点接至第二个端子1，第三短路棒K3-L 闭合，形成具有输入逆变推挽结构，输出整流全桥结构的升压式多谐振式直 流变流器。该电路的结构与第一种拓扑变换状态电路完全一样，只是由于第 一短路棒Kl-d和第二短路棒Kl-h的断开使第一、第二谐振电容Csl和Cs2 悬空连接，并没有接入电路，可用于某些对输入电压质量要求不高的场合。 该电路各部分的工作特性与第一种拓扑变换状态电路完全相同。
权利要求
1. 一种多功能变结构型直流变流器，其特征在于它包括1)直流输入电源(Vin)，用于提供直流电压；2)第一直流-交流转换电路(110)，用于将所述输入的直流电压逆变成第一高频交流电压，包含第一主开关管(S1)，第二主开关管(S2)，第一谐振电容(CS1)，第一谐振电感器(LS1)，由第一、第二、第三三个子开关(K1-a、K1-b、K1-c)组成的第一多刀多掷联动开关(K1)和第一短路棒(K1-d)；第一主开关管(S1)的漏极与第一子开关(K1-a)的第一个端子(1)及第二子开关(K1-b)的第一个端子(2)相连，源极与直流输入电源(Vin)的负极和第二子开关(K1-b)的第二个端子(1)相连，第二主开关管(S2)的漏极和第三子开关(K1-c)的转换点相连，源极与第二子开关(K1-b)的转换点及第一谐振电容(CS1)的一端相连，第一谐振电容(CS1)的另一端和第一子开关(K1-a)的第二个端子(2)及第一短路棒(K1-d)的第一个固定端子相连，第一短路棒(K1-d)的第二个固定端子与电源(Vin)的正极相连，第一谐振电感器(LS1)一端与第一子开关(K1-a)的转换点和第三子开关(K1-c)的第一个端子(1)相连，第三子开关(K1-c)的第二个端子(2)和直流输入电源(Vin)的正极相连；3)第二直流-交流转换电路(120)，用于将所述输入的直流电压逆变成第二高频交流电压，包含第三主开关管(S3)，第四主开关管(S4)，第二谐振电容(CS2)，第二谐振电感器(LS2)，由第四、第五、第六三个子开关(K2-e、K2-f、K2-g)组成的第二多刀多掷联动开关(K2)和第二短路棒(K2-h)；第三主开关管(S3)的漏极与第四子开关(K2-e)的第一个端子(1)和第五子开关(K2-f)的第一个端子(2)相连，源极与直流输入电源(Vin)的负极和第五子开关(K2-f)的第二个端子(1)相连，第四主开关管(S4)的漏极和第六子开关(K2-g)的转换点相连，源极与第五子开关(K2-f)的转换点及第二谐振电容(CS2)的一端相连，第二谐振电容(CS2)的另一端和第四子开关(K2-e)的第二个端子(2)及第二短路棒(K2-h)的第一个固定端子相连，第二短路棒(K2-h)的第二个固定端子与电源(Vin)的正极相连，第二振电感器(LS2)一端与第四子开关(K2-e)的转换点和第六子开关(K2-g)的第一个端子(1)相连，第六子开关(K2-g)的第二个端子(2)和直流输入电源(Vin)的正极相连；4)隔离滤波电路(130)，该隔离滤波电路包括含有内在漏感和激磁电感的第一隔离变压器(TR1)，隔离滤波电容(Cr)和含有内在漏感和激磁电感的第二隔离变压器(TR2)，所述第一隔离变压器(TR1)具有两个原边绕组，第二隔离变压器(TR2)具有两个副边绕组，第一隔离变压器(TR1)的第一原边绕组的同名端(N1)与第二原边绕组的异名端(N4)和直流输入电源Vin的正极相连，第一隔离变压器(TR1)的第一原边绕组的异名端(N2)和第一谐振电感器(LS1)的另一端相连，第一隔离变压器(TR1)的第二原边绕组的同名端(N3)和第二谐振电感器(LS2)的另一端相连，所述隔离滤波电容(Cr)串联在第一隔离变压器(TR1)的副边绕组和第二隔离变压器(TR2)的原边绕组之间；5)整流电路(140)，包括四个整流二极管(DR1、DR2、DR3、DR4)，由第七、第八、第九三个子开关(K3-i、K3-J、K3-k)组成的第三多刀多掷联动开关(K3)和第三短路棒(K3-L)，第一整流二极管(DR1)的阳极与第二整流二极管(DR2)的阴极相连，第二整流二极管(DR2)的阳极与第八子开关(K3-J)的第一个端子(2)和第三短路棒(K3-L)的第一个固定端子相连，第四整流二极管(DR4)的阳极与第三整流二极管(DR3)的阴极相连，第三整流二极管(DR3)的阳极与第九子开关(K3-k)的第一个端子(2)和第三短路棒(K3-L)的第二个固定端子相连，第一整流二极管(DR1)的阴极与第四整流二极管(DR4)的阴极相连；第八子开关(K3-J)的转换点与第二隔离变压器(TR2)第一副边绕组的同名端(N5)相连，第八子开关(K3-J)的第二个端子(1)与第一、第二整流二极管的接点相连，第九子开关(K3-k)的转换点与第二隔离变压器(TR2)第二副边绕组的异名端(N8)相连，第九子开关(K3-k)的第二个端子(1)与第三、第四整流二极管的接点相连，第七子开关(K3-i)的第一个端子(1)与第三短路棒(K3-L)的活动端子相连，第七子开关(K3-i)的第二端子(2)与第二隔离变压器(TR2)的第一副边绕组的异名端(N6)和第二副边绕组的同名端(N7)相连；6)输出滤波电容(CO)，用于将整流电路输出的脉冲电流滤成直流电压输出给负载，滤波电容(CO)的一端与第一、第四整流二极管的接点相连，滤波电容(CO)的另一端与第七子开关(K3-i)的转换点相连
2.根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征在于第一 直流-交流转换电路(110)中的第一子开关(Kl-a)的转换点接至第一个端子 (1)，第二子开关(Kl-b)的转换点接至第二个端子(1)，第三子开关(Kl國c) 的转换点接至第一个端子(1)，第一短路棒(Kl-d)闭合，第二直流-交流转 换电路(120)中的第四子开关(K2-e)的转换点接至第一个端子(1),第五子 开关(K2-f)的转换点接至第二个端子(1)，第六子开关(K2-g)的转换点接至第一个端子(1),第二短路棒(K2-h)闭合，整流电路(140)中第七子开关(K3-i) 的转换点接至第一个端子(1)，第八子开关(K3-J)的转换点接至第二个端子(1) ，第九子开关(K3-k)的转换点接至第二个端子(1)，第三短路棒(K3-L) 闭合，形成具有电源并联滤波电容，输入逆变推挽结构，输出整流全桥结构 的升压式多谐振式直流变流器。
3. 根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征在于第一 直流-交流转换电路(110)中的第一子开关(Kl-a)的转换点接至第二个端子(2) ，第二子开关(Kl-b)的转换点接至第一个端子(2)，第三子开关(Kl-c) 的转换点接至第二个端子(2)，第一短路棒(Kl-d)断开，第二直流-交流转 换电路(120)中的第四子开关(K2-e)的转换点接至第二个端子(2)，第五子 开关(K2-f)的转换点接至第一个端子(2)，第六子开关(K2-g)的转换点接至 第二个端子(2),第二短路棒(K2-h)断开，整流电路(140)中第七子开关(K3-i) 的转换点接至第二个端子(2)，第八子开关(K3-J)的转换点接至第一个端子(2)，第九子开关(K3-k)的转换点接至第一个端子(2)，第三短路棒(K3-L) 断开，形成具有输入逆变交错并联结构，输出整流全波结构的降压式多谐振 式直流变流器。
4. 根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征在于第一 直流-交流转换电路(110)中的第一子开关(Kl-a)的转换点接至第一个端子(1) ，第二子开关(Kl-b)的转换点接至第二个端子(1)，第三子开关(Kl-c) 的转换点接至第一个端子(1)，第一短路棒(Kl-d)闭合，第二直流-交流转 换电路(120)中的第四子开关(K2-e)的转换点接至第一个端子(1)，第五子 幵关(K2-f)的转换点接至第二个端子(1),第六子开关(K2-g)的转换点接至 第一个端子(1),第二短路棒(K2-h)闭合，整流电路(140)中第七子开关(K3-i) 的转换点接至第二个端子(2),第八子开关(K3-J)的转换点接至第一个端子(2) ，第九子开关(K3-k)的转换点接至第一个端子(2)，第三短路棒(K3-L) 断开，形成具有输入逆变推挽结构，输出整流全波结构的降压式多谐振式直 流变流器。
5. 根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征在于第一 直流-交流转换电路(110)中的第一子开关(Kl-a)的转换点接至第二个端子(2)，第二子开关(Kl-b)的转换点接至第一个端子(2)，第三子开关(Kl-c) 的转换点接至第二个端子(2)，第一短路棒(Kl-d)断开，第二直流-交流转 换电路(120)中的第四子开关(K2-e)的转换点接至第二个端子(2),第五子开关(K2-f)的转换点接至第一个端子(2)，第六子开关(K2-g)的转换点接至 第二个端子(2)，第二短路棒(K2-h)断开，整流电路(140)中第七子开关(K3-i) 的转换点接至第一个端子(1)，第八子开关(K3-J)的转换点接至第二个端子 (1)，第九子开关(K3-k)的转换点接至第二个端子(1)，第三短路棒(K3-L) 闭合，形成具有输入逆变交错并联结构，输出整流全桥结构的升压式多谐振 式直流变流器。
6. 根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征在于第一 直流-交流转换电路(110)中的第一子开关(Kl-a)的转换点接至第一个端子(1)，第二子开关(Kl-b)的转换点接至第二个端子(1)，第三子开关(Kl-c) 的转换点接至第一个端子(1)，第一短路棒(Kl-d)断开，第二直流-交流转 换电路(120)中的第四子开关(K2-e)的转换点接至第一个端子(1)，第五子 开关(K2-f)的转换点接至第二个端子(1)，第六子开关(K2-g)的转换点接至 第一个端子(1)，第二短路棒(K2-h)断开，整流电路(140)中第七子开关(K3-i) 的转换点接至第一个端子(1)，第八子开关(K3-J)的转换点接至第二个端子(1)，第九子开关(K3-k)的转换点接至第二个端子(1)，第三短路棒(K3-L) 闭合，形成具有输入逆变推挽结构，输出整流全桥结构的升压式多谐振式直 流变流器。
7. 根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征在于所说 的第一、第二、第三、第四主开关管(Sl、 S2、 S3、 S4)是包含外加或内在 寄生反并二极管的MOSFET或IGBT或可控硅；所说的第一直流-交流转换 电路(UO)中的第一多刀多掷联动开关(K1)、第二直流-交流转换电路(120)中 的第二多刀多掷联动开关(K2)和整流电路(140)中的第三多刀多掷联动开关 (K3)是机械开关或继电器或电子开关，所说的第一、第二、第三短路棒是具 有三端同时短路或断开功能的机械开关或继电器或电子开关。
8. 根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征是在第一 隔离变压器(TRl)的副边绕组和隔离滤波电容(Cr)间串联电感器，或是第二隔 离变压器(TR2)的原边绕组和隔离滤波电容(Cr)间串联电感器。
9. 根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征是在第一 隔离变压器(TR1)的原边或副边绕组间并联电感器。
10. 根据权利要求1所述的多功能变结构型直流变流器，其特征是在第 二隔离变压器(TR2)的原边或副边绕组间并联电感器。
全文摘要
本发明公开的多功能变结构型直流变流器包括一个直流电源，由四个开关管和两个多刀多掷开关、两个短路棒构成的逆变电路，一个隔离滤波电路，由四个二极管和一个多刀多掷开关、一个短路棒构成的整流电路，一个输出滤波电容。该电路通过对三个多刀多掷开关和三个短路棒连接状态的不同组合，可以得到如下五种不同功能结构的直流变流器。当直流变流器输入电压范围较宽时，可以通过变换拓扑结构来实现根据输入电压高低的不同以最优电路拓扑实现变流，提高了变流器的效率，减少了系统的元件冗余，降低了成本。
文档编号H02M3/28GK101272097SQ200810061100
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月12日 优先权日2008年5月12日
发明者吕征宇, 萍 戎, 哲 邓, 威 陈 申请人:浙江大学