[发明专利]一种隔离三电平直流变换器

说明书

本发明公开了一种隔离三电平直流变换器，第一开关管集电极和第二开关管发射极分别连接第一输入电容的两端，第三开关集电极和第四开关管发射极分别连接第二输入电容两端，第二开关管极和第三开关管与变压器一次侧绕组并联，变压器一次侧绕组和第三开关管之间接入一个隔直电容，包括两个相同的有源换流辅助电路，包括一个辅助电感、一个电容和一个开关管，辅助电感一端连接电容一端，电容另一端连接开关管集电极，两个辅助电感另一端分别连接第二开关管集电极和第四开关管集电极；两个开关管发射极分别连接第二开关管发射极和第四开关管发射极。本发明辅助电流不随占空比变化，便于参数设计且能够实现全负载范围ZVS软开关。

技术领域

本发明涉及一种隔离三电平直流变换器，特别是一种含有有源换流辅助电路的四开关管隔离三电平ZVS软开关直流变换器，属于直流变换器软开关技术领域。

背景技术

为了提高隔离三电平变换器开关频率减小变换器体积以及提高变换器效率，零电压开关(Zero Voltage Switching，ZVS)软开关技术被广泛研究及应用。在隔离三电平变换器中，负载较大时可以实现自然ZVS软开关，而且通过增加变压器漏感可以增大自然ZVS软开关范围。但是自然ZVS软开关范围较小，且变压器漏感增大会带来较大的占空比丢失，较大的环流以及输出整流装置会产生电压尖峰。

为了在不增加漏感的情况下拓宽ZVS软开关范围，学者们提出了许多ZVS方法。I.O.Lee,G.W.Moon等作者在文章《Analysis and Design of a Three-Level LLC SeriesResonant Converter for High-and Wide-Input-Voltage Applications》、《Three-LevelResonant Converter with Double LLC Resonant Tanks for High-Input-VoltageApplications》中采用谐振三电平变换器。主开关管可以实现全负载范围ZVS软开关，而且整流二极管可以实现ZCS关断。但是谐振变换器频率的变化给变换器的设计及控制带来困难。X.Ruan,B.Li,J.Wang,J.Li在文章《Zero-Voltage-Switching PWM Three-LevelConverter with Current Doubler Rectifier》中，采用倍流变换器实现ZVS，该变换器还能够消除整流二极管电压震荡问题。该变换器具有两个输出滤波电感并且电感电流交错并联，主开关管寄生电容被输出滤波电感映射到变压器一次侧电流放电，可以实现宽范围ZVS软开关。但是为了实现大范围ZVS软开关，输出滤波电感应设计的较小，而较小的滤波电感会带来较大的输出电流纹波。Y.Shi,X.Yang在文章《Wide Range Soft Switching PWMThree-Level DC–DC Converters Suitable for Industrial Applications》中采用换流辅助电路使三电平DC/DC变换器在不增加漏感情况下实现全负载范围ZVS软开关。如图1所示，Y.Shi,X.Yang在论文中提出的换流辅助电路由一个电感L_A和两个电容C_A组成。该换流辅助电路的辅助电流i_A幅值随占空比变化，如图2所示。由图2可以看出，为了在较小占空比时实现ZVS软开关，辅助电感L_A必须取较小的值，但是较小的L_A会导致占空比在0.5附近时出现较大的辅助电流。如果辅助电流较大，导通损耗以及开关管电流应力就会增加。而且在恒流充电阶段，如果充电电流足够大，变换器可以实现自然ZVS软开关，则该辅助换流电路就不需要了。该换流辅助电路存在以下两个问题：1.辅助电流随占空比变化，为变换器设计带来困难，甚至无法实现全负载范围软开关；2.当变换器实现自然ZVS软开关时，无法停止辅助换流电路，造成效率的下降。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种实现全负载范围ZVS软开关的隔离三电平直流变换器，以提高变换器效率。