一种空间高压高频大功率交错式三电平PFC变换器及方法与流程

本发明属于ac/dc变换领域，特别设计一种空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器及方法。

背景技术

随着深空探测任务需求的难度不断加大，对于航天器电源系统的设计要求更为苛刻。在保证电源系统所规定的体积和重量的前提下，还需要使电源系统实现高可靠、高功率密度。为减小电源系统母线电流及线缆功率损耗，基于交流母线架构的分布式电源系统逐渐引起人们的关注。

高压高频的交流母线电源系统中不可避免的存在较大的谐波干扰，大量的谐波电流不仅会对电源系统的设计带来很大的难度，还会影响降低电源系统的转换效率和电源品质。pfc(powerfactorcorrection，功率因数校正)变换器是通过控制电路实现输入电流波形严格跟踪输入电压波形，从而达到抑制谐波电流、提高功率因数的目的。

随着频率的升高，如图1所示，传统的pfc电路包含：四个大功率快速恢复二极管d1、d2、d3、d4，输入滤波电容c1，两个升压电感l1、l2，两个功率开关管s1、s2，续流二极管d5、d6，输出电容c3和负载r；大功率快速恢复二极管d1、d2、d3、d4共同组成整流桥。在传统的升压pfc电路中，输入电流过零发生畸变，且频率越高，畸变越严重，从而降低了系统的功率因数；同时，输入电流纹波严重，进而导致损耗的增加。而随着电源系统功率的增大，升压pfc变换器的开关器件必然要承受过高的电压和电流应力。

交错并联pfc技术可以使变换器更容易工作在电感电流连续导通模式下，可以有效地降低输入电流所需的上升斜率，可用于改善高电网频率输入电流过零畸变的现象。交错并联拓扑增加的一个电感支路虽然起到了分流的作用，但每个支路开关器件所承受的电压应力仍然严重。为减小电感的体积，电感值理论上可以进一步减小，但电感量的减小必然会增大电流纹波。况且在实际应用中，电感量不能过度减小，否则会影响整个系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器及方法，电路拓扑巧妙地将交错并联pfc技术与三电平pfc技术相结合，实现了交错并联后的输入电流纹波比单个支路的三电平pfc的电流纹波更小，支路电流近似为输入电流的一半，从而减小了开关器件的电流应力，而各个开关器件的电压应力也减小一半，对于大功率pfc变换器的研究提供了有力的技术支撑。

为了达到上述目的，本发明提供了一种空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器，包含：

共同组成整流桥的若干个大功率快速恢复二极管，该整流桥与高压高频输出的交流电源相连；

输入滤波电容，其与所述整流桥并联；

四个功率开关管，第一功率开关管和第二功率开关管串联形成的支路，与第三功率开关管和第四功率开关管串联形成的支路相互并联；

两个升压电感，第一升压电感第一侧与整流桥输出端连接，第二侧与第一续流二极管、第三功率开关管连接；第二升压电感第一侧与整流桥的输出端、输入滤波电容连接，第二侧与第二续流二极管、第一功率开关管连接；

两个输出电容，第一输出电容与第二输出电容串联形成的支路与输出负载并联；所述第一输出电容第一侧与第一续流二极管、第二续流二极管连接，第二侧与第三功率开关管、第四功率开关管连接；所述第二输出电容第一侧与第一功率开关管、第二功率开关管连接，第二侧与第三续流二极管连接；所述第三续流二极管还与所述第四功率开关管连接。

优选地，第一续流二极管阴极与第一输出电容第一侧连接，第一续流二极管阳极与第一升压电感第二侧连接；第二续流二极管阴极与第一输出电容第一侧连接，第二续流二极管阳极与第二升压电感第二侧连接。

优选地，第一功率开关管源极与第二功率开关管漏极相连，第一功率开关管漏极与第二升压电感第二侧连接，第二功率开关管源极与公共地连接；第三功率开关管源极与第四功率开关管漏极相连，第三功率开关管漏极与所述第一升压电感第二侧连接，第四功率开关管源极与公共地连接。

优选地，第一输出电容第二侧与第三功率开关管源极、第四功率开关管漏极连接；第二输出电容第一侧与第一功率开关管源极、第二功率开关管漏极连接，第二输出电容第二侧与第三续流二极管阳极相连，第三续流二极管阴极与第四功率开关管源极连接。

优选地，所述若干个大功率快速恢复二极管设置为四个大功率快速恢复二极管；第一大功率快速恢复二极管和第三大功率快速恢复二极管串联形成的支路，与第二大功率快速恢复二极管和第四大功率快速恢复二极管串联形成的支路相互并联。

优选地，所述第一升压电感和所述第二升压电感量值相同。

优选地，所述第一输出电容与所述第二输出电容的容量相等；所述第一输出电容与所述第二输出电容电压均为输出电压的一半。

优选地，所述第三功率开关管的驱动信号相位滞后所述第一功率开关管的驱动信号t/4，所述第二功率开关管的驱动信号相位滞后所述第三功率开关管的驱动信号t/4，所述第四功率开关管的驱动信号相位滞后所述第二功率开关管的驱动信号t/4，其中t代表一个开关周期。

本发明还提供了一种采用如上文所述的一种空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器的控制方法，该控制方法包含：

当占空比≥0.5时，该变换器工作模式包含以下过程：

在第一时间段时：第三功率开关管关断，第一功率开关管、第二功率开关管、第四功率开关管均闭合，整流后的电流流经第二升压电感、第一功率开关管、第二功率开关管，为第一升压电感充电，第一升压电感电流上升；电流同时流经第二升压电感、第一续流二极管、第一输出电容、第二输出电容和负载，第二升压电感电流下降；

在第二时间段时：令第三功率开关管闭合，第二功率开关管关断，第一升压电感支路电流对第二输出电容充电，第一升压电感电流下降，第二升压电感电流上升；

在第三时间段时：令第二功率开关管闭合，第四功率开关管关断，第二升压电感支路工作情况同所述第一时间段，第一升压电感支路电流对第二输出电容充电，第一升压电感电流上升，第二升压电感电流下降；

在第四时间段时：令第四功率开关管闭合，第一功率开关管关断，第二升压电感支路电流对第一输出电容充电，第一升压电感支路工作情况同所述第二时间段，第一升压电感电流下降，第二升压电感电流上升。

优选地，所述的空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器的控制方法，进一步包含：

当占空比＜0.5时，该变换器工作模式包含以下过程：

在第一时间段时：仅有第一功率开关管导通，第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管均关断，第二升压电感支路电流对第二输出电容充电；第二升压电感的电压vl2＝vin-1/2vo，第二升压电感电流上升；第一升压电感的电压vl1＝vin-vo，第一升压电感电流下降；其中，vin为整流后电压，vo为输出直流电压；

在第二时间段时：仅有第三功率开关管导通，第二升压电感的电压vl2＝vin-vo，第二升压电感电流下降；第一升压电感支路电流对第二输出电容充电，第一升压电感的电压vl1＝vin-1/2vo，第一升压电感电流上升；

在第三时间段时：仅有第二功率开关管导通，第二升压电感支路电流对第一输出电容充电，第一升压电感支路工作情况同所述第一时间段；第一升压电感电流下降，第二升压电感电流上升；

在第四时间段时：仅有第四功率开关管导通，第二升压电感支路工作情况同所述第二时间段，第一升压电感支路电流对第一输出电容充电，第一升压电感电流上升，第二升压电感电流下降。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器的电路拓扑巧妙地将交错并联pfc技术与三电平pfc技术相结合，实现了交错并联后的输入电流纹波比单个支路的三电平pfc的电流纹波更小，支路电流近似为输入电流的一半，从而减小了开关器件的电流应力，而各个开关器件的电压应力也减小了一半，对于大功率pfc变换器的研究提供了有力的技术支撑。本发明在改善输入电流过零畸变的同时，尽量减小变换器开关器件的电压电流应力和电感体积。

附图说明

图1现有技术的交错并联pfc变换器结构图；

图2本发明的空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器结构图；

图3本发明中当占空比d≥0.5时交错式三电平pfc波形；

图4本发明中当占空比d＜0.5时交错式三电平pfc波形。

具体实施方式

本发明提供了一种空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器及方法，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图2所示，本发明的空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器包含：四个大功率快速恢复二极管d1、d2、d3、d4，输入滤波电容c1，两个升压电感l1、l2，四个功率开关管s1、s2、s3、s4，续流二极管d5、d6、d7和两个输出电容c2、c3。

大功率快速恢复二极管d1、d2、d3、d4共同组成整流桥，大功率快速恢复二极管d1和大功率快速恢复二极管d3串联形成的支路，与大功率快速恢复二极管d2和大功率快速恢复二极管d4串联形成的支路相互并联。由大功率快速恢复二极管d1、d2、d3、d4组成的整流桥与高压高频输出的交流电源ac相连，且该整流桥与输入滤波电容c1并联。

升压电感l1和l2量值相同。

输出电容c2与输出电容c3串联形成的支路与输出负载r并联，输出电容c2和c3均为大容量电容，输出电容c2和c3容量相等，且电压均为输出电压的一半。

功率开关管s3的驱动信号相位滞后功率开关管s1的驱动信号t/4，功率开关管s2的驱动信号相位滞后功率开关管s3的驱动信号t/4，功率开关管s4的驱动信号相位滞后功率开关管s2的驱动信号t/4，其中t代表一个开关周期。

电感l1一侧与整流桥输出端相连，另一侧与续流二极管d5的阳极、功率开关管s3的漏极相连。电感l2一侧与整流桥的输出端、输入滤波电容c1相连，另一侧与续流二极管d6的阳极、功率开关管s1的漏极相连。

功率开关管s1与功率开关管s2串联形成的支路，与功率开关管s3与功率s4串联形成的支路相互并联。

其中，功率开关管s1的源极与功率开关管s2的漏极相连，功率开关管s2的源极与公共地相连。功率开关管s3的源极与功率开关管s4的漏极相连，功率开关管s4的源极与公共地相连。输出电容c2与输出电容c3串联形成的支路与输出负载r并联。续流二极管d5和续流二极管d6的阴极均与输出电容c2一侧相连，输出电容c2另外一侧与功率开关管s3的源极、功率开关管s4的漏极相连。输出电容c3一侧与开关管s1的源极、开关管s2的漏极相连，输出电容c3另一侧与续流二极管d7的阳极相连，续流二极管d7的阴极与功率开关管s4的源极相连。

本发明的续流二极管d7用于在功率开关管s3和功率开关管s4断开时续流，为输出电容c2和c3进行充电。

如图3所示，当占空比d≥0.5时，变换器工作情况如下：

(1)t0-t1段：功率开关管s3关断，功率开关管s1、s2、s4均闭合。整流后的电流流经电感l2、功率开关管s1、功率开关管s2，为电感l1充电，电感l1电流上升。此外，电流同时流经电感l2、续流二极管d5、输出电容c2、输出电容c3和负载r，电感l2电流下降。

(2)t1-t2段：功率开关管s3闭合，功率开关管s2关断，电感l1支路电流对输出电容c3充电，电感l1电流下降，电感l2电流上升。

(3)t2-t3段：功率开关管s2闭合，功率开关管s4关断，电感l2支路工作情况同t0-t1段，电感l1支路电流对输出电容c3充电，电流下降量同t0-t1段。

(4)t3-t4段：功率开关管s4闭合，功率开关管s1关断，电感l2支路电流对输出电容c2充电，电感l1支路工作情况同t1-t2段，电流下降量同t1-t2段。

如图4所示，当占空比d＜0.5时，变换器工作情况如下：

(1)t0-t1段：只有功率开关管s1导通，功率开关管s2、s3、s4均关断，电感l2支路电流对输出电容c3充电；电感l2电压vl2＝vin-1/2vo，电感l2电流上升；电感l1电压vl1＝vin-vo，电感l1电流下降。其中，vin为整流后电压，vo为输出直流电压。

(2)t1-t2段：只有开关管s3导通，电感l2电压vl2＝vin-vo,电感l2电流下降；电感l1支路电流对输出电容c3充电，电感l1电压vl1＝vin-1/2vo，电感l1电流上升。

(3)t2-t3段：只有功率开关管s2导通，电感l2支路电流对输出电容c2充电，电感l2电流上升量同t0-t1段；电感l1支路工作情况同t0-t1段。

(4)t3-t4段：只有功率开关管s4导通，电感l2支路工作情况同t1-t2段；电感l1支路电流对输出电容c2充电，电感l1电流上升量同t1-t2段。

综上所述，本发明的空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器的电路拓扑巧妙地将交错并联pfc技术与三电平pfc技术相结合，实现了交错并联后的输入电流纹波比单个支路的三电平pfc的电流纹波更小，支路电流近似为输入电流的一半，从而减小了开关器件的电流应力，而各个开关器件的电压应力也减小了一半，对于大功率pfc变换器的研究提供了有力的技术支撑，还在改善输入电流过零畸变的同时，尽量减小变换器开关器件的电压电流应力和电感体积。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。