专利名称：三电平直流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种三电平直流电路拓扑，该电路可用于直流开关电源领域。
背景技术：
三电平技术是电カ电子技术的热门技木。在电カ电子应用中，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増加，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。目前，含有4个开关器件的三电平直流变换器由于结构简单而得到了广泛的应用，但该类电路存在一个问题即其输出波形仍然是两电平波形，对于减小输出滤波器体积 以及输入电容纹波等方面没有改善。本发明提出一种四个开关输入输出均是三电平的电路，很好的解决了该问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种结构简单四个开关输入输出均是三电平的新型三电平直流变换器。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案三电平直流变换器，其特殊之处在于包括变压器原边电路、变压器副边电路以及整流滤波单元，所述整流滤波单元的输入端接变压器副边电路的输出端，其输出端作为三电平直流变换器的输出端；所述变压器原边电路包括第一输入电容Cinl、第二输入电容Cin2、第三输入电容Cin3、第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3、第四自关断器件S4、隔直电容Cf第一变压器Trt的原边绕组Trtp以及第二变压器1；2的原边绕组 ;2ρ ；所述第一输入电容Cinl的一端与第二输入电容Cin2的一端联接于2节点,所述第ニ输入电容Cin2的另一端与第三输入电容Cin3的一端联接于3节点；第一自关断器件S1的发射极、第二自关断器件S2的集电极以及隔直电容Q的一端联接于5节点；第一自关断器件S1的集电极与第一输入电容Cinl的另一端联接于I节点；第二自关断器件S2的发射极与第三自关断器件S3的集电极联接于3节点；所述第一变压器Trt的原边绕组Trtp的同名端与5节点联接，所述第一变压器Trt的原边绕组Trtp的异名端与2节点联接；所述第三自关断器件S3的发射极、第四自关断器件S4的集电极以及第ニ变压器Trf的原边绕组Trfp的异名端联接于6节点；第四自关断器件S4的发射极与第三输入电容Cin3的另一端联接于4节点；第二变压器ん的原边绕组Trfp的同名端与隔直电容C BL的另一端联接于7节点，所述I节点和4节点作为三电平直流变换器的输入端正极和负极；所述变压器副边电路包括第一变压器副边绕组Trts和第二变压器副边绕组I；2s，
所述整流滤波单元包括第一ニ极管Dtjl、第二ニ极管Dtj2、第三ニ极管Dtj3、第四ニ极管Dtj4、输出电感Ltjut以及输出电容Cwt，所述第一变压器副边绕组Trts的异名端与第二变压器副边绕组I；2s的同名端串联，第一变压器副边绕组Trts的同名端与第一ニ极管Dtjl的阳极、以及第ニニ极管Dtj2的阴极联接于8节点；第二变压器副边绕组I；2s的异名端、第三ニ极管Dtj3的阳极以及第四ニ极管D04的阴极联接于9节点；第一二极管Dtjl的阴极、第三ニ极管Dtj3的阴极以及输出电感Lwt的一端联接于10节点；输出电感Lwt的另一端与输出电容Ctjut的一端联接于11节点；所述第二ニ极管Dtj2的阳极、第四ニ极管Dtj4的阳极以及输出电容Crat的另一端联接于12节点，所述11节点和12节点作为三电平直流变换器的输出端的正极和负扱。上述第一变压器Trt的变比是第二变压器Trf变比的2倍。上述第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3和第四自关断器件S4分别由绝缘栅双极晶体管和ニ极管构成；所述绝缘栅双极晶体管的集电极接ニ极管的阴极；所述绝缘栅双极晶体管的发射极接ニ极管的阳极；所述绝缘栅双极晶体管的门极接控制信号控制该器件的导通和关断。另ー种三电平直流变换器，其特殊之处在于包括变压器原边电路、变压器副边电路以及整流滤波单元，所述整流滤波单元的输入端接变压器副边电路的输出端，其输出端作为三电平直流变换器的输出端；所述变压器原边电路包括第一输入电容Cinl、第二输入电容Cin2、第三输入电容Cin3、第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3、第四自关断器件S4、隔直电容Cf第一变压器Trt的原边绕组Trtp以及第二变压器1；2的原边绕组 ;2ρ ；所述第一输入电容Cinl的一端与第二输入电容Cin2的一端联接于2节点,所述第ニ输入电容Cin2的另一端与第三输入电容Cin3的一端联接于3节点；第一自关断器件S1的发射极、第二自关断器件S2的集电极以及隔直电容Q的一端联接于5节点；第一自关断器件S1的集电极与第一输入电容Cinl的另一端联接于I节点；第二自关断器件S2的发射极与第三自关断器件S3的集电极联接于3节点；所述第一变压器Trt的原边绕组Trtp的同名端与5节点联接，所述第一变压器Trt的原边绕组Trtp的异名端与2节点联接；所述第三自关断器件S3的发射极、第四自关断器件S4的集电极以及第ニ变压器Trf的原边绕组Trfp的异名端联接于6节点；第四自关断器件S4的发射极与第三输入电容Cin3的另一端联接于4节点；第二变压器ん的原边绕组Trfp的同名端与隔直电容Q的另一端联接于7节点，所述I节点和4节点作为三电平直流变换器的输入端正极和负极；所述整流滤波单元包括第五ニ极管Dtj5、第六ニ极管Dtj6、输出电感Lrat以及输出电各 Cout，所述变压器副边电路包括第一变压器副边绕组和第二变压器副边绕组，第一变压器副边绕组包括第一副边绕组Trtsl和第二副边绕组Trts2，所述第二变压器副边绕组包括一号副边绕组Trfsl和二号副边绕组I；2s2，所述第一副边绕组Trtsl的异名端与一号副边绕组Tr2sl的同名端串联，所述第二副边绕组Trts2的异名端与二号副边绕组Trfs2的同名端串联，所述第一副边绕组Trtsl的同名端与第五ニ极管D05的阳极连接；所述二号副边绕组I；2s2的异名端与第六ニ极管Dtj6的阳极连接；第五ニ极管Dtj5的阴极和第六ニ极管Dtj6的阴极与输出电感Ltjut的一端联接；输出电感Ltjut的另一端与输出电容Cwt的一端联接；所述、第二副边绕组Trts2的同名端以及一号副边绕组I；2sl的异名端与输出电容Crat的另一端联接；所述输出电感Lrat的另一端以及输出电容Crat的另一端作为三电平直流变换器的输出端的正极和负扱。上述第一变压器Trt的变比是第二变压器Trf变比的2倍。上述第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3和第四自关断器件S4分别由绝缘栅双极晶体管和ニ极管构成；所述绝缘栅双极晶体管的集电极接ニ极管的 阴极；所述绝缘栅双极晶体管的发射极接ニ极管的阳极；所述绝缘栅双极晶体管的门极接控制信号控制该器件的导通和关断。本发明所具有的优点I)结构简单，采用4开关、两个高频变压器构造输入输出三电平；2 )器件承受电压应力低，每个开关器件承受Uin/2的电压应力，适用于高压直流变换；3)控制简单，采用成熟的移相控制方式，具有很强的实用性；4)输出波形为三电平，可大大降低输出波形中的谐波含量，在相同的滤波器条件下，可大大降低开关频率，提高电路效率。该电路可广泛应用于直流开关电源领域。
图I是本发明实施例I的电路结构图。图2是本发明实施例2的电路结构图。图3是实施例I中变压器副边工作在Uin/k模式下导通原理图。图4是实施例I中变压器副边工作在Uin/2k模式下导通原理图。图5是实施例I中变压器副边工作在_Uin/k模式下导通原理图。图6是实施例I中变压器副边工作在_Uin/2k模式下导通原理图。图7是本发明三电平直流变换器输出波形原理示意图。图8是采用实施例I中三电平直流变换器的开关电源的具体电路结构图。
具体实施例方式下面根据实施例详细说明本发明的结构和工作原理。实施例I本实施例是采用新型三电平直流变换器的开关电源。參见图8，三相交流电源经过ニ极管整流电路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4端相连；图中变压器Trt、I；2为高频变压器。经过控制C矶两端电压可控制为Uin/2，其主要工作状态简述如下參见图3，开关S1A4导通，变压器Trt原边绕组两端承受的电压为Uin/4 ;变压器T2原边绕组两端承受的电压为Uin/2 ;变压器副边串联输出UinZk电平；參见图4，开关S1. S3的反并联ニ极管D3导通，变压器Trt原边绕组两端承受的电压为Uin/4 ;变压器Tr2原边绕组两端承受的电压为O ;变压器副边串联输出Uin/2k电平；
參见图7，为本发明变压器副边输出波形。实施例2本实施例与实施例I的区别是变压器副边电路及整流滤波单元的电路结构不同。參见图5，开关S2、S3导通，变压器Trt原边绕组两端承受的电压为_Uin/4 ;变压器Tr2原边绕组两端承受的电压为_Uin/2 ;变压器副边串联输出_Uin/k电平；
參见图6，开关S2、S4的反并联ニ极管D4导通，变压器Trt原边绕组两端承受的电压为_Uin/4 ;变压器1；2原边绕组两端承受的电压为O ;变压器副边串联输出_Uin/2k电平。
权利要求
1.三电平直流变换器，其特征在于包括变压器原边电路、变压器副边电路以及整流滤波单元，所述整流滤波单元的输入端接变压器副边电路的输出端，其输出端作为三电平直流变换器的输出端； 所述变压器原边电路包括第一输入电容Cinl、第二输入电容Cin2、第三输入电容Cin3、第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3、第四自关断器件S4、隔直电容Cf第一变压器Trt的原边绕组Trtp以及第二变压器Te的原边绕组Trfp ； 所述第一输入电容Cinl的一端与第二输入电容Cin2的一端联接于2节点,所述第二输入电容Cin2的另一端与第三输入电容Cin3的一端联接于3节点；第一自关断器件S1的发射极、第二自关断器件S2的集电极以及隔直电容C BL的一端联接于5节点；第一自关断器件S1的集电极与第一输入电容Cinl的另一端联接于I节点；第二自关断器件S2的发射极与第三自关断器件S3的集电极联接于3节点；所述第一变压器Trt的原边绕组Trtp的同名端与5节点联接，所述第一变压器Trt的原边绕组Trtp的异名端与2节点联接；所述第三自关断器件S3的发射极、第四自关断器件S4的集电极以及第二变压器1；2的原边绕组Trfp的异名端联接于6节点；第四自关断器件S4的发射极与第三输入电容Cin3的另一端联接于4节点；第二变压器L2的原边绕组Trfp的同名端与隔直电容C BL的另一端联接于7节点， 所述I节点和4节点作为三电平直流变换器的输入端正极和负极； 所述变压器副边电路包括第一变压器副边绕组Trts和第二变压器副边绕组Trfs，所述整流滤波单元包括第一二极管Dtjl、第二二极管Dtj2、第三二极管Dtj3、第四二极管Dtj4、输出电感Ltjut以及输出电容Ctjut, 所述第一变压器副边绕组Trts的异名端与第二变压器副边绕组Trfs的同名端串联，第一变压器副边绕组Trts的同名端与第一二极管Dtjl的阳极、以及第二二极管Dtj2的阴极联接于8节点；第二变压器副边绕组Trfs的异名端、第三二极管Dtj3的阳极以及第四二极管Dtj4的阴极联接于9节点；第一二极管Dtjl的阴极、第三二极管Dtj3的阴极以及输出电感Lwt的一端联接于10节点；输出电感Lwt的另一端与输出电容Ctjut的一端联接于11节点；所述第二二极管Dtj2的阳极、第四二极管Dtj4的阳极以及输出电容Crat的另一端联接于12节点，所述11节点和12节点作为三电平直流变换器的输出端的正极和负极。
2.根据权利要求I所述的三电平直流变换器，其特征在于所述第一变压器Trt的变比是第二变压器L2变比的2倍。
3.根据权利要求I或2所述的三电平直流变换器，其特征在于所述第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3和第四自关断器件S4分别由绝缘栅双极晶体管和二极管构成；所述绝缘栅双极晶体管的集电极接二极管的阴极；所述绝缘栅双极晶体管的发射极接二极管的阳极；所述绝缘栅双极晶体管的门极接控制信号控制该器件的导通和关断。
4.三电平直流变换器，其特征在于 包括变压器原边电路、变压器副边电路以及整流滤波单元，所述整流滤波单元的输入端接变压器副边电路的输出端，其输出端作为三电平直流变换器的输出端； 所述变压器原边电路包括第一输入电容Cinl、第二输入电容Cin2、第三输入电容Cin3、第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3、第四自关断器件S4、隔直电容Cf第一变压器Trt的原边绕组Trtp以及第二变压器Te的原边绕组Trfp ；所述第一输入电容Cinl的一端与第二输入电容Cin2的一端联接于2节点,所述第二输入电容Cin2的另一端与第三输入电容Cin3的一端联接于3节点；第一自关断器件S1的发射极、第二自关断器件S2的集电极以及隔直电容的一端联接于5节点；第一自关断器件S1的集电极与第一输入电容Cinl的另一端联接于I节点；第二自关断器件S2的发射极与第三自关断器件S3的集电极联接于3节点；所述第一变压器Trt的原边绕组Trtp的同名端与5节点联接，所述第一变压器Trt的原边绕组Trtp的异名端与2节点联接；所述第三自关断器件S3的发射极、第四自关断器件S4的集电极以及第二变压器1；2的原边绕组Trfp的异名端联接于6节点；第四自关断器件S4的发射极与第三输入电容Cin3的另 一端联接于4节点；第二变压器L2的原边绕组Trfp的同名端与隔直电容的另一端联接于7节点， 所述I节点和4节点作为三电平直流变换器的输入端正极和负极； 所述整流滤波单元包括第五二极管Dtj5、第六二极管Dtj6、输出电感Lrat以及输出电容C0Utj 所述变压器副边电路包括第一变压器副边绕组和第二变压器副边绕组，第一变压器副边绕组包括第一副边绕组Trtsl和第二副边绕组Trts2，所述第二变压器副边绕组包括一号副边绕组I；2sl和二号副边绕组I；2s2，所述第一副边绕组Trtsl的异名端与一号副边绕组Trfsl的同名端串联，所述第二副边绕组Trts2的异名端与二号副边绕组Trfs2的同名端串联， 所述第一副边绕组Trtsl的同名端与第五二极管Dtj5的阳极连接；所述二号副边绕组I；2s2的异名端与第六二极管D06的阳极连接；第五二极管Dtj5的阴极和第六二极管Dtj6的阴极与输出电感Lrat的一端联接；输出电感Lrat的另一端与输出电容Ctjut的一端联接；所述第二副边绕组Trts2的同名端以及一号副边绕组Trfsl的异名端与输出电容Crat的另一端联接； 所述输出电感Ltjut的另一端以及输出电容Crat的另一端作为三电平直流变换器的输出端的正极和负极。
5.根据权利要求4所述的三电平直流变换器，其特征在于所述第一变压器Trt的变比是第二变压器L2变比的2倍。
6.根据权利要求4或5所述的三电平直流变换器，其特征在于所述第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3和第四自关断器件S4分别由绝缘栅双极晶体管和二极管构成；所述绝缘栅双极晶体管的集电极接二极管的阴极；所述绝缘栅双极晶体管的发射极接二极管的阳极；所述绝缘栅双极晶体管的门极接控制信号控制该器件的导通和关断。
全文摘要
本发明涉及一种三电平直流变换器，包括变压器原边电路、变压器副边电路以及整流滤波单元，整流滤波单元的输入端接变压器副边电路的输出端，其输出端作为三电平直流变换器的输出端，变压器原边电路包括第一输入电容Cin1、第二输入电容Cin2、第三输入电容Cin3、第一自关断器件S1、第二自关断器件S2、第三自关断器件S3、第四自关断器件S4、隔直电容CBL、第一变压器Tr1的原边绕组Tr1p以及第二变压器Tr2的原边绕组Tr2p。本发明输出波形为三电平，可大大降低输出波形中的谐波含量，在相同的滤波器条件下，可大大降低开关频率，提高电路效率。该电路可广泛应用于直流开关电源领域。
文档编号H02M3/335GK102684504SQ20121016899
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者石勇 申请人:西安爱科赛博电气股份有限公司