一种软开关交流变换器

1.本实用新型涉及电力电子变换技术领域，尤其是指一种软开关交流变换器。


背景技术：

2.软开关变换技术是应用电力电子器件，利用电感和电容对开关管的开关轨迹进行整形，降低甚至消除开关损耗的变换技术。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，它可以充分解决硬开关变换器的开关损耗问题，进而提高开关频率，使得变换器得以小型化和轻量化。
3.迄今为止，软开关变换器一般是运用在直流变换器中以减小开关损耗。然而，交流电路中器件的开关损耗也较大，普通的软开关变换器不能较好的运用在交流电路中。
4.因此有必要设计一种软开关交流变换器。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是提供一种软开关交流变换器，其能够在交流电路中也实现软开关，极大降低开关损耗。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种软开关交流变换器，包括交流输入电源、软开关变换模块和降压模块；所述软开关变换模块的输入端与交流输入电源的输出端连接，所述软开关变换模块的输出端与降压模块连接；所述软开关变换模块包括第一软开关变换单元和第二软开关变换单元；第一软开关变换单元的控制信号与所述第二软开关变换单元的控制信号相同，所述第一软开关变换单元中控制信号的相位与所述第二软开关变换单元中控制信号的相位相差180
°
。
7.作为优选的，所述第一软开关变换单元和第二软开关变换单元均包括主开关电路和为所述主开关管电路创造软开关条件的辅助开关电路。
8.作为优选的，所述第一软开关变换单元中的主开关电路包括主开关管vt1、二极管vdr1和缓冲电容cr1；所述主开关管vt1、二极管vdr1和缓冲电容cr1之间相互并联；所述第一软开关变换单元中的辅助开关电路包括辅助开关管vta、二极管vdr3和缓冲电容cr3；所述辅助开关管vta、二极管vdr3和缓冲电容cr3之间相互并联；所述第一软开关变换单元中的主开关电路与辅助开关电路并联。
9.作为优选的，所述第二软开关变换单元中的主开关电路包括主开关管vt2、二极管vdr2和缓冲电容cr2；所述主开关管vt2、二极管vdr2和缓冲电容cr2之间相互并联；所述第二软开关变换单元中的辅助开关电路包括辅助开关管vtb、二极管vdr4和缓冲电容cr4；所述辅助开关管vtb、二极管vdr4和缓冲电容cr4之间相互并联；所述第二软开关变换单元中的主开关电路与辅助开关电路并联。
10.作为优选的，所述主开关管vt1的集电极与所述辅助开关管vta的集电极连接，所述辅助开关管vta的集电极接交流输入电源，所述辅助开关管vta的发射极与所述辅助开关管vtb的发射极连接；所述主开关管vt1的发射极与所述主开关管vt2的发射极连接，所述主
开关管vt2的集电极与所述辅助开关管vtb的集电极连接；所述主开关管vt2的集电极与所述辅助开关管vtb的集电极之间连接有辅助电感la。
11.作为优选的，所述二极管vdr1的导通方向与所述二极管vdr3的导通方向相同；所述二极管vdr2的导通方向与所述二极管vdr4的导通方向相同；所述二极管vdr1的导通方向与所述二极管vdr2的导通方向相反。
12.作为优选的，所述主开关管vt1、辅助开关管vta、主开关管vt2和辅助开关管vtb均为igbt开关管或mosfet开关管。
13.作为优选的，所述降压模块包括滤波电感lf、输出负载r、滤波电容cf、降压二极管vd1和降压二极管vd2；所述滤波电容cf与输出负载r并联后与滤波电感lf、降压二极管vd1和降压二极管vd2依次串联。
14.作为优选的，所述降压二极管vd1上并联有开关管vt3，所述降压二极管vd2上并联有开关管vt4。
15.作为优选的，所述开关管vt3和开关管vt4均为igbt开关管或mosfet开关管。
16.本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
17.1、本实用新型在交流输入电源与降压模块之间设置软开关变换模块，所述软开关变换模块能够实现软开关，极大的降低了开关损耗。
18.2、本实用新型的第一软开关变换单元的控制信号与第二软开关变换单元的控制信号相同但是相位相差180
°
，使得软开关变换器也能够运用到交流电路中。
附图说明
19.为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：
20.图1为本实用新型的电路原理示意图；
21.图2为本实用新型的第一软开关变换单元的主要波形示意图。
22.说明书附图标记说明：交流输入电源ui，第一软开关变换单元10，第二软开关变换单元20，主开关管vt1，二极管vdr1，缓冲电容cr1，辅助开关管vta，二极管vdr3，缓冲电容cr3，主开关管vt2，二极管vdr2和缓冲电容cr2，辅助开关管vtb，二极管vdr4，缓冲电容cr4，滤波电感lf，输出负载r，滤波电容cf，降压二极管vd1，降压二极管vd2，开关管vt3，开关管vt4，辅助开关管vt5，辅助开关管vt6，二极管vd3，二极管vd4，辅助电感la。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
24.参照图1～图2所示，本实用新型公开了一种软开关交流变换器，包括：
25.交流输入电源ui，软开关变换模块和降压模块。
26.其中，上述软开关变换模块包括第一软开关变换单元和第二软开关变换单元。上述第一软开关变换单元和第二软开关变换单元均包括主开关电路和辅助开关电路。上述主开关电路和辅助开关电路均能够实现软开关，上述辅助电路能够为主开关电路创造软开关的条件。
27.上述第一软开关变换单元中的主开关电路与辅助开关电路并联。上述第一软开关变换单元中的主开关电路包括主开关管vt1，二极管vdr1和缓冲电容cr1。上述第一软开关变换单元中的辅助开关电路包括辅助开关管vta、二极管vdr3和缓冲电容cr3。具体的，上述所述主开关管vt1、二极管vdr1和缓冲电容cr1之间相互并联。上述辅助开关管vta、二极管vdr3和缓冲电容cr3之间相互并联。
28.上述第二软开关变换单元中的主开关电路与辅助开关电路并联。上述第二软开关变换单元中的主开关电路包括主开关管vt2、二极管vdr2和缓冲电容cr2。上述第二软开关变换单元中的辅助开关电路包括辅助开关管vtb、二极管vdr4和缓冲电容cr4。上述主开关管vt2、二极管vdr2和缓冲电容cr2之间相互并联。上述辅助开关管vtb、二极管vdr4和缓冲电容cr4之间相互并联。优选的，上述二极管vdr1的导通方向与二极管vdr3的导通方向相同。上述二极管vdr2的导通方向与二极管vdr4的导通方向相同。二极管vdr1的导通方向与二极管vdr2的导通方向相反。无论交流电源处于第一软开关变换单元还是第二软开关变换单元，都能够减小电压电流的交叠时间，从而减小开关管的开通和关断损耗。
29.在上述第一软开关变换单元中，主开关管vt1并联一个缓冲电容cr2，在上述主开关管vt1开通之前，将缓冲电容cr1上的电荷释放至零，然后将主开关管vt1开通，此时主开关管vt1实现零电压开通。同时，上述二极管vdr1能够提前使得电流降至零，实现零电压关断，主开关管vt1能够实现软开关。上述辅助开关管vtb也同样实现软开关。
30.上述主开关管vt1、辅助开关管vta、主开关管vt2和辅助开关管vtb均为igbt开关管或mosfet开关管。优选的，在本实用新型中，以mosfet开关管为例，此时，mosfet开关管的源极对应igbt开关管的发射极，mosfet开关管的漏极对应igbt开关管的集电极。
31.上述主开关管vt1的集电极与辅助开关管vta的集电极连接，上述辅助开关管vta的集电极接交流输入电源ui，上述辅助开关管vta的发射极与上述辅助开关管vtb的发射极连接，上述主开关管vt1的发射极与主开关管vt2的发射极连接，主开关管vt2的集电极与辅助开关管vtb的集电极连接；上述主开关管vt2的集电极与辅助开关管vtb的集电极之间连接有辅助电感la，上述辅助电感la与辅助开关管vtb集电极的连接结点与交流输入电源ui连接。
32.优选的，上述降压模块包括滤波电感lf、输出负载r、滤波电容cf、降压二极管vd1和降压二极管vd2。上述滤波电容cf与输出负载r并联后与滤波电感lf、降压二极管vd1和降压二极管vd2依次串联。上述降压二极管vd1上并联有开关管vt3，降压二极管vd2上并联有开关管vt4。上述降压二极管vd1和降压二极管vd2与辅助电感la并联，上述辅助电感la与交流输入电源ui之间串接有辅助开关管vt5和辅助开关管vt6，上述辅助开关管vt5和辅助开关管vt6上分别并联设置有二极管vd3和二极管vd4。
33.优选的，上述开关管vt3和开关管vt4均为igbt开关管或mosfet开关管。在本实用新型中，以mosfet开关管为例，此时，mosfet开关管的源极对应igbt开关管的发射极，mosfet开关管的漏极对应igbt开关管的集电极。
34.上述第一软开关变换单元的控制信号与第二软开关变换单元的控制信号相同，第一软开关变换单元中控制信号的相位与第二软开关变换单元中控制信号的相位相差180
°
。
35.工作原理：
36.参照图2所示：以第一软开关变换单元的开关模态为例，上述软开关交流变换器的
第一软开关变换单元的开关周期中，软开关交流变换器有七种开关模态。在t0时刻之前，整个电路的工作模式处于续流状态。主开关管vt1和辅助开关管vta均属于关断状态，滤波电感lf通过主二极管vd续流，滤波电感lf给滤波电容cf和输出负载r提供能量；
37.上述第一软开关变换单元的开关模态具体如下：
38.(1)开关模态1[t0，t1]
[0039]
t0时刻，辅助开关管vta导通，主开关管vt1关断。在电源ui的作用下，辅助电感la储存能量，其电流ila会线性增加。t1时刻辅助电感la的电流上升到滤波电感lf的电流值，降压二极管vd1中电流为0。
[0040]
(2)开关模态2[t1，t2]
[0041]
t1时刻，降压二极管vd1关断，缓冲电容cr1和辅助电感la开始谐振，辅助电感la的电流继续上升，缓冲电容cr1的电压开始降低，t2时刻电压降为0，辅助电感la的电流恒定。
[0042]
(3)开关模态3[t2，t3]
[0043]
t2时刻，缓冲电容cr1的电压为0，主开关管vt1上反向并联的二极管vdr1导通，主开关管vt1的电压为0，辅助电感la的电流保持不变。
[0044]
(4)开关模态4[t3，t4]
[0045]
t3时刻，辅助开关管vta关断，主开关管vt1导通，辅助电感la给辅助开关管vta并联的缓冲电容cr3充电，辅助电感la的电流开始下降。
[0046]
(5)开关模态5[t4，t5]
[0047]
t4时刻，辅助电感la的电流为0，辅助开关管vta在零电流关断。
[0048]
(6)开关模态6[t5，t6]
[0049]
t5时刻，主开关管vt1关断，交流输入电源ui给cr1充电，到t6时刻，主开关管vt1上并联的二极管vdr1导通。
[0050]
(7)开关模态7[t6，t7]
[0051]
t6时刻，电路中的电流续流，辅助电感la停止工作，主开关管vt1的上并联的二极管vdr1导通，此时的电路相当于基本buck电路。
[0052]
以上，本实用新型的软开关交流变换器，既能实现软开关从而达到减少开关损耗目的，又能保证在交流电路中可以实现。因此，能够采用低耐压及低导通电阻的开关管，降低成本及增大电源变换效率。
[0053]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动，例如：可通过调换输入输出位置得到软开关交流boost电路或者稍加改变得到软开关交流buck
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boost电路......这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。