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三電平半橋軟開關直流變換電路和抑制中點漂移的方法.pdf

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電平 半橋軟 開關 直流 變換 電路 抑制 中點 漂移 方法
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摘要
申請專利號:

CN201110215487.1

申請日:

2011.07.29

公開號:

CN102255548B

公開日:

2015.01.28

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授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權的轉移IPC(主分類):H02M 7/487登記生效日:20170816變更事項:專利權人變更前權利人:深圳麥格米特電氣股份有限公司變更后權利人:株洲麥格米特電氣有限責任公司變更事項:地址變更前權利人:518000 廣東省深圳市南山區高新區北區朗山路13號清華紫光科技園5層變更后權利人:412000 湖南省株洲市天元區泰山路1728號|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02M 7/487申請日:20110729|||公開
IPC分類號: H02M7/487(2007.01)I; H02M3/335 主分類號: H02M7/487
申請人: 深圳麥格米特電氣股份有限公司
發明人: 韓龍飛
地址: 518000 廣東省深圳市南山區高新區北區朗山路13號清華紫光科技園5層
優先權:
專利代理機構: 深圳市興科達知識產權代理有限公司 44260 代理人: 杜啟剛
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110215487.1

授權公告號:

|||102255548B||||||

法律狀態公告日:

2017.09.05|||2015.01.28|||2012.01.04|||2011.11.23

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種三電平半橋軟開關直流變換電路和抑制中點漂移的方法。本發明電路的開關變換器件通過隔直電容與電容分壓電路的中點連接,使導致中點電壓漂移的中點電流在隔直電容上累積形成直流電壓量,依靠隔直電容累積的電壓量,調節變壓器端的正負向工作電壓,使中點電壓的漂移量得到抑制。本發明保留了原有傳統三電平半橋軟開關電路的基本特性,還能有效抑制輸入電容中點電壓漂移,而且相對較小感量的諧振電感即可保證滯后關斷管軟開關的順利實現,占空比損失小,是一種低成本、高性能、高可靠性的方法。

權利要求書

1.一種三電平半橋軟開關直流變換電路抑制中點漂移的方法,其特征在
于,電路的開關變換器件通過隔直電容與電容分壓電路的中點連接,使導致
中點電壓漂移的中點電流在隔直電容上累積形成直流電壓量,依靠隔直電容
累積的電壓量,調節變壓器端的正負向工作電壓,使中點電壓的漂移量得到
抑制。
2.一種實現權利要求1所述方法的三電平半橋軟開關直流變換電路,其
特征在于,包括2個分壓電容組成的電容分壓電路、4個開關管串聯組成的
開關橋臂、2個開關管箝位二極管組成的開關管箝位電路、2個變壓器箝位
二極管組成的變壓器原邊箝位電路、由諧振電感與變壓器原邊線圈串聯組成
的輸出電路;所述的開關橋臂包括上橋臂和下橋臂,所述開關管箝位電路的
一端接上橋臂的中點,另一端接下橋臂的中點;所述輸出電路的一端接開關
橋臂的中點,另一端接開關管箝位電路的中點,所述變壓器原邊箝位電路的
中點接變壓器的原邊線圈,其特征在于,包括隔直電容,所述隔直電容的一
端接電容分壓電路的中點,另一端接開關管箝位電路的中點。
3.根據權利要求2所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,其特征在于,
隔直電容的電容值小于分壓電容的電容值。
4.根據權利要求2所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,其特征在于,
變壓器原邊箝位電路的一端接電容分壓電路的高壓端,另一端接電容分壓電
路的低壓端。
5.根據權利要求2所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,其特征在于,
所述的諧振電感一端接變壓器原邊箝位電路的中點,另一端接開關橋臂的中
點。
6.根據權利要求2所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,其特征在于,
變壓器原邊箝位電路的一端接上橋臂的中點,另一端接下橋臂的中點。
7.根據權利要求6所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,其特征在于,
包括箝位阻抗,變壓器原邊箝位電路的中點通過所述的箝位阻抗接變壓器的
原邊線圈。
8.根據權利要求2所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,其特征在于,
包括飛跨電容,所述的飛跨電容與開關管箝位電路并聯。

說明書

三電平半橋軟開關直流變換電路和抑制中點漂移的方法

[技術領域]

本發明涉及DC-AC變換電路,尤其涉及一種三電平半橋軟開關直流變換電
路和抑制三電平半橋軟開關直流變換電路中點電壓漂移的方法。

[背景技術]

傳統三電平半橋軟開關直流變換電路具有拓撲結構簡單、易于控制、原邊
開關管可實現ZVS、電路效率高、EMI小等優點,廣泛應用于三相交流AC/DC電
源直流變換部分。

傳統PWM型三電平軟開關直流變換電路如圖1所示。分壓電容C1、C2組成
的電容分壓電路、開關管Q1、Q2、Q3、Q4串聯組成的開關橋臂、開關管箝位二
極管D1、D2組成的開關管箝位電路、變壓器箝位二極管D3、D4組成的變壓器
原邊箝位電路、由諧振電感La、隔直電容C3與變壓器T1的原邊線圈串聯組成
的輸出電路。開關橋臂包括Q1與Q2串聯形成的上橋臂和Q3與Q4串聯形成的
下橋臂,開關管箝位電路的一端接上橋臂的中點,另一端接下橋臂的中點。輸
出電路的一端接開關橋臂的中點,另一端接開關管箝位電路的中點。變壓器原
邊箝位電路的中點接變壓器T1的原邊線圈與諧振電感的連接點。

以圖1所示的PWM型三電平電路為例,理想情況下一個開關周期中開關管
Q1、Q2與Q3、Q4交替導通,變壓器T1是雙向激磁,其磁滯曲線對稱工作在一
三相限;但實際應用中,由于實際器件參數的離散性、布局的不對稱性、控制
精度等影響,變壓器T1往往會發生磁偏現象,甚至造成變壓器飽和,分壓電容
C1、C2中點電壓嚴重漂移等可靠性問題。

變換器重載工作時,隔直電容C3的存在能很好地平衡前后半周期導送的功
率,從而抑制磁偏及中點電壓漂移。但輕載及空載條件下,隨原邊電流減小,
隔直電容作用減弱,而且C3很難有效抑制D1、D2支路對C1、C2中點帶來的不
對稱電流,變換器工作不平衡性會加劇。盡管此時占空較小,變壓器T1不容易
出現飽和現象,但C1、C2中點電壓的漂移現象會變得非常突出。

為了解決中點漂移帶來的可靠性問題,目前常見的方法有:提高C1、C2的
耐壓裕量、檢測C1、C2的電壓差從而進行占空比補償、調節C1、C2各自的負
載大小(死負載或輔助電源供電端)等。這些措施往往伴隨著成本增加、變換
效率降低、設計復雜化。

[發明內容]

本發明要解決的技術問題是提供一種結構簡單,低成本,不需額外控制負
擔,能有效抑制三電平軟開關直流變換電路中點電壓漂移的方法。

本發明另一個要解決的技術問題是提供一種結構簡單,低成本,不需額外
控制負擔,能有效抑制中點電壓漂移的三電平軟開關直流變換電路。

為了解決上述技術問題,本發明采用的技術方案是,一種三電平半橋軟開
關直流變換電路抑制中點漂移的方法,電路的開關變換器件通過隔直電容與電
容分壓電路的中點連接,使導致中點電壓漂移的中點電流在隔直電容上累積形
成直流電壓量,依靠隔直電容累積的電壓量,調節變壓器端的正負向工作電壓,
使中點電壓的漂移量得到抑制。

一種實現上述方法的三電平半橋軟開關直流變換電路的技術方案,包括2
個分壓電容組成的電容分壓電路、隔直電容、4個開關管串聯組成的開關橋臂、
2個開關管箝位二極管組成的開關管箝位電路、2個變壓器箝位二極管組成的變
壓器原邊箝位電路、由諧振電感與變壓器原邊線圈串聯組成的輸出電路;所述
的開關橋臂包括上橋臂和下橋臂,所述開關管箝位電路的一端接上橋臂的中點,
另一端接下橋臂的中點;所述輸出電路的一端接開關橋臂的中點,另一端接開
關管箝位電路的中點,所述變壓器原邊箝位電路的中點接變壓器的原邊線圈,
所述隔直電容的一端接電容分壓電路的中點,另一端接開關管箝位電路的中點。

以上所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,隔直電容的電容值小于分壓
電容的電容值。

以上所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,變壓器原邊箝位電路的一端
接電容分壓電路的高壓端,另一端接電容分壓電路的低壓端。

以上所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,所述的諧振電感一端接變壓
器原邊箝位電路的中點,另一端接開關橋臂的中點。

以上所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,變壓器原邊箝位電路的一端
接上橋臂的中點,另一端接下橋臂的中點。

以上所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,包括箝位阻抗,變壓器原邊
箝位電路的中點通過所述的箝位阻抗接變壓器的原邊線圈。

以上所述的三電平半橋軟開關直流變換電路,包括飛跨電容,所述的飛跨
電容與開關管箝位電路并聯。

本發明保留了原有傳統三電平半橋軟開關電路的基本特性,還能有效抑制
輸入電容中點電壓漂移,而且相對較小感量的諧振電感即可保證滯后關斷管軟
開關的順利實現,占空比損失小,是一種低成本、高性能、高可靠性的技術方
案。

[附圖說明]

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1是現有技術PWM型三電平軟開關直流變換電路的電路圖。

圖2是本發明三電平半橋軟開關直流變換電路實施例1的電路圖。

圖3是本發明實施例1中模式一階段的等效電路和電流回路示意圖。

圖4是本發明實施例1中模式二階段的等效電路和電流回路示意圖。

圖5是本發明實施例1中模式三階段的等效電路和電流回路示意圖。

圖6是本發明實施例1中模式四階段的等效電路和電流回路示意圖。

圖7是本發明實施例1中模式五階段的等效電路和電流回路示意圖。

圖8是本發明實施例1中模式六階段的等效電路和電流回路示意圖。

圖9是本發明三電平半橋軟開關直流變換電路實施例2的電路圖。[具體
實施方式]

實施例1三電平直流變換電路的結構見圖2,隔直電容C3直接與輸入分壓
電容C1、C2中點連接,并且有C1=C2>C3。從結構上,任何導致C1、C2電
壓不平衡的中點電流一定會流過C3。以C1向副邊導送的功率大于C2,電路進
入不平衡工作狀態為例,工作電流會凈流入C1、C2連接中點,C1的電壓會逐漸
下降,C2的電壓會逐漸上升,中點電壓會產生一定漂移。考慮隔直電容C3容量
較小,凈流入C1、C2連接中點的電流會在隔直電容C3上快速累計一定的直流
電壓,從而使得電路在進入新的穩定工作狀態時,C1、C2的中點電壓漂移得到
有效抑制。

以下根據圖3-6對電路工作的幾個典型模式做進一步分析:

模式一:能量導送階段

如圖3所示,開關管Q1、Q2導通,變壓器T1原邊正向激磁。與傳統PWM
三電平電路相同,分壓電容C1通過變壓器T1向副邊傳送能量。

模式二:超前管關斷階段

如圖4所示,當開關管Q1關斷過程中,其結電容在負載電流及諧振電感La
儲能能量的共同作用下充電。開關管Q2維持導通,開關管Q3、Q4的結電容隨
著開關管Q1結電容的充電而放電,維持整個串聯支路的電壓等于分壓電容C1、
C2的電壓和。當開關管Q1反壓升高到C1與隔直電容C3電壓之和時,箝位二極
管D1箝位導通。

模式三:諧振電感續流階段

如圖5所示,開關管Q1被箝位二極管D1箝位關斷后,諧振電感La通過箝
位二極管D1、開關管Q2續流,諧振電感La的下降斜率為:

dl La dt : = VD 1 + VQ 2 + VZ L a ]]>

其中:V?D1、V?Q2、VZ分別為諧振電感La續流電流在箝位二極管D1、開
關管Q2及續流回路阻抗上產生的壓降。

在此過程中,隔直電容并沒有加入到La的續流支路,La的能量只有極少一
部分消耗在箝位二極管D1、開關管Q2及線路阻抗上,其續流電流的下降斜率很
低。這樣滯后管Q2關斷前,絕大部分諧振電感La的能量都保留了下來。

模式四:滯后管關斷階段

如圖6所示,在開關管Q2關斷過程中,其結電容在諧振電感La續流電流
的作用下充電,開關管Q3、Q4的結電容隨之繼續放電。若諧振電感La儲存的
能量足夠,可將開關管Q3、Q4的結電容電壓放到零,甚至通過開關管Q3、Q4
自身的體二極管繼續續流導通。

模式五:死區與占空比丟失階段

死區時間內,諧振電感La通過開關管Q3、Q4自身的體二極管續流,此時
驅動導通開關管Q3、Q4即可實現開關管Q3、Q4的零電壓開通。

如圖7所示,開關管Q3、Q4導通后,諧振電感La的電流繼續衰減并反向
增大直到變壓器T1原邊繞組流過的電流等于副邊繞組按變壓器變比折算回原邊
所流過的電流,原邊才會開始向副邊導送能量。這一過程可稱為占空比丟失。

以上過程中諧振電感La可近似看作在C2與隔直電容C3共同施加的反壓作
用下,其電流急速衰減到零并反向,其斜率約為:

dl La dt : = VC 2 + VC 3 L a ]]>

其中:VC2、VC3分別為C2、C3的電壓。諧振電感La越大,電流斜率越小,
占空比丟失越大

模式六:反向恢復能量箝位階段

當變壓器T1原邊繞組流過的電流約等于副邊繞組按變壓器變比折算回原邊
所流過的電流時,二極管D5、二極管D8關斷,二極管D6、二極管D7導通,原
邊開始向副邊傳遞能量。由于二極管D5、二極管D8的反向恢復過程,諧振電感
La會多存儲一定的反向恢復折算電流,二極管D4可以很好地為這部分電流提供
通路,將變壓器原邊的電壓箝位,從而有效抑制二極管D5、二極管D8關斷后
的尖峰電壓及振蕩。

當變壓器箝位二極管D4電流下降到零并關斷后,開關管Q3、Q4繼續導通,
分壓電容C2通過變壓器T1向副邊傳送能量,進入與模式一“對稱”的工作狀
態。

結合以上分析,我們可以看出本的幾個顯著特點:

在變壓器原邊向副邊功率傳遞的主要工作過程中,隔直電容C3均工作在功
率回路中,原邊電流在隔直電容C3上累積的直流電壓分量,能有效調節變壓器
T1的正負向伏秒,可以有效起到抑制變壓器嚴重磁偏甚至飽和的作用。

在諧振電感續流階段中,隔直電容C3并未參與到續流支路中,諧振電感La
的能量消耗極少,在實際設計中采用較小感量的諧振電感La,滯后臂就能實現
軟開關。

根據模式五中,關于原邊電流變化斜率的公式可以看出,所采用的諧振電
感感量越小,電流反向的斜率越大,占空比丟失越小,變化器輸出能力越高。

主要開關變換器件通過隔直電容C3與分壓電容C1、C2中點連接,在所有
工作過程中,導致中點電壓漂移的中點電流直流分量都會在隔直電容C3上累積
一定直流電壓分量。考慮隔直電容C3與C1、C2的容量關系,電路會主要依靠
隔直電容C3累積的電壓量,去調節變壓器端的正負向工作電壓,使電路達到新
的穩定狀態,而中點電壓的漂移量得到有效抑制。設計中C1、C2的電壓裕量可
以適當減小,有利于提高功率密度,節約成本。

本經過實驗,驗證了理論分析的正確性與可行性。

本發明適用于基于移相控制的三電平半橋軟開關直流變換器,具體實施結
構可參考圖9所示。結構上增加飛跨電容Cs,其兩端分別連接原邊上橋臂開關
管中點與下橋臂開關管中點,控制上對原邊開關管進行移相控制,即可實現基
于移相控制的三電平半橋軟開關電路,由于飛跨電容Cs的存在,上下開關橋臂
可實現一對一的換壓。將隔直電容C3的一端接電容分壓電路C1、C2的中點,
另一端接開關管箝位電路的中點同樣可以有效控制中點電壓漂移,降低諧振電
感La的感量要求。

本發明適用于變壓器原邊電壓經一定阻抗進行箝位的三電平半橋軟開關電
路,變壓器箝位電路還可將變壓器原邊電壓直接或通一定阻抗箝位在上橋臂Q1、
Q2的中點與下橋臂Q3、Q4的中點,如圖9所示。在變壓器原邊電壓箝位回路中
串聯一定阻抗,有利于加速諧振電感多余能量的衰減速度,小占空比時避免因
變壓器箝位二極管因電流連續而帶來反向恢復等可靠性問題,串聯的阻抗可以
是電阻、電容或電阻電容組成的串并聯網絡;將變壓器原邊箝位電路箝位點放
在上下橋臂中點,當Q1、Q4導通時,若忽略其導通損耗,實質上變壓器原邊電
壓還是被箝位在輸入電壓范圍內,但電源在布線等方面會有所變化。

本發明以上實施例除了隔直電容,主要開關變換器件均不直接與分壓電容中點
連接,既保留了原有傳統三電平半橋軟開關電路的基本特性,還能有效抑制輸
入電容中點電壓漂移,而且相對較小感量的諧振電感即可保證滯后關斷管軟開
關的順利實現,占空比損失小,是一種低成本高性能高可靠性的方案。

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