一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路的製作方法
2023-06-22 10:47:51 1
一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，包含輸出電壓調節器、隔直電容電壓調節器、分壓電容電壓調節器、隔直電容電壓控制電路和分壓電容均壓控制電路、第一RS觸發器和第二RS觸發器；輸出電壓調節器和隔直電容電壓調節器分別經隔直電容電壓控制電路與分壓電容均壓控制電路連接，分壓電容電壓調節器連接分壓電容均壓控制電路，分壓電容均壓控制電路的四個輸出端分別與上述2個RS觸發器的四個輸入端對應連接，2個觸發器的輸出端輸出開關管驅動信號。本發明校正了半橋三電平直流變換器由於參數不對稱引起的偏壓現象。
【專利說明】一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，屬於功率電子變換領域。
【背景技術】
[0002]三電平(Three level, TL)直流變換器具有主功率管電壓應力低，輸入和輸出濾波器小等優點，因此非常適合應用於地鐵動車輔助電源、船舶供電等高電壓輸入的功率變換場合。其中，半橋TL直流變換器不僅可以實現原副邊隔離，同時易於實現原邊開關管的軟開關，降低變換器的開關損耗，提高變換效率，所以半橋TL直流變換器一直都被廣泛研究。
[0003]半橋TL直流變換器用兩隻開關管串聯來代替一隻開關管，從而將每隻開關管的電壓應力降為輸入電壓Vin的一半。但相互串聯的兩隻開關管的特性及其驅動電路特性不可能完全一致，當兩隻開關管關斷時，它們所承擔的電壓可能不等。帶箝位二極體的半橋三電平直流變換器可以保證兩隻開關管承受的電壓應力均為Vin/2，但是變換器正常工作的是外面的兩隻開關管必須先於對應的裡面兩隻開關管關斷。帶飛跨電容的半橋三電平直流變換器解耦了兩隻開關管的開關過程，外面的兩隻開關管和裡面的兩隻開關管分別互補導通，外面的開關管和裡面的開關管的開關時序沒有限制。但是，當輸入分壓電容和飛跨電容電壓不等時，存在開關電容模態，迴路產生很大的瞬時電流強迫箝位二極體導通均衡電容電壓，易造成箝位二極體損壞。
[0004]無箝位二極體和飛跨電容的四開關半橋TL直流變換器本質上是兩個橋臂串聯，分壓電容可以箝位原邊開關管，開關管可以實現軟開關，電路結構簡單，可靠性高，降低了箝位二極體帶來的導通損耗，避免了二極體可能出現的可靠性問題。但是在實際工作中，由於控制和驅動電路的延時以及主功率管的特性不一致等因素造成正負半周期佔空比不等以及續流時間不等，導致變換器的分壓電容和隔直電容電壓不一定為Vin/2，即存在偏壓問題。但是如果輸入分壓電容電壓不均以及隔直電容電壓不等於Vin/2，那麼原邊開關管以及副邊整流二極體的電壓應力增加，影響電路的可靠工作。因此需要尋找控制策略，來實現輸入分壓電容均壓和隔直電容電壓等於輸入電壓一半的目的，保證變換器的可靠工作。
【發明內容】
[0005]為了解決上述【背景技術】存在的問題，本發明旨在提供一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，實現輸入分壓電容均壓和隔直電容電壓等於輸入電壓一半的目的，保證變換器的可靠工作。
[0006]為了實現上述的技術目的，本發明的技術方案是:
[0007]—種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，包含輸出電壓調節器、隔直電容電壓調節器、分壓電容電壓調節器、隔直電容電壓控制電路和分壓電容均壓控制電路、第一 RS觸發器和第二 RS觸發器；所述隔直電容電壓控制電路包含兩個輸入端和兩個輸出端，其中一個輸入端連接輸出電壓調節器的輸出端，另一個輸入端連接隔直電容電壓調節器的輸出端；所述分壓電容均壓控制電路包含兩個均壓控制單元，每個均壓控制單元的輸入端連接隔直電容電壓控制電路的輸出端和分壓電容電壓調節器的輸出端，第一均壓控制單元的輸出端連接第一 RS觸發器的輸入端，第二均壓控制單元連接第二 RS觸發器的輸入端，第一 RS觸發器和第二 RS觸發器的輸出端分別輸出開關管驅動信號。
[0008]上述的輸出電壓調節器採用第一反相比較器，隔直電容電壓調節器採用第二反相比較器，分壓電容電壓調節器採用第三反相比較器，第一反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的輸出採樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的輸出基準電壓；第二反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的隔直電容採樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的隔直電容基準電壓；第三反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的分壓電容採樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的分壓電容基準電壓。
[0009]上述的隔直電容電壓控制電路包含第一加法器和第一個減法器，第一加法器的同相端分別連接輸出電壓調節器的輸出端和隔直電容電壓調節器的輸出端，它的反相端接地；第一減法器的反相端接隔直電容電壓調節器的輸出端，它的同相端連接輸出電壓調節器的輸出端，且該同相端接地。
[0010]上述的第一均壓控制單元包含第二加法器、第二減法器、第三減法器、第一上升沿捕獲脈衝發生器、第一下降沿捕獲脈衝發生器、第一比較器和第二比較器；第二加法器的同相端連接第一加法器的輸出端，它的反相端接地；第二減法器的反相端連接第二加法器的同相端，第二減法器的同相端連接第一加法器的輸出端，且該同相端接地；第一比較器的反相端連接第二加法器的輸出端，第一比較器的輸出端經第一下降沿捕獲脈衝發生器與第一RS觸發器的R端連接，第二比較器的同相端連接第一比較器的同相端，且該同相端還接入第一三角載波信號，第二比較器的輸出端經第一上升沿捕獲脈衝發生器與第一 RS觸發器的S端連接,第一 RS觸發器的Q端輸出開關管驅動信號。
[0011]上述的第二均壓控制單元包含第三加法器、第三減法器、第二上升沿捕獲脈衝發生器、第二下降沿捕獲脈衝發生器、第三比較器和第四比較器；第三加法器的同相端分別連接第二減法器的反相端和分壓電容電壓調節器的輸出端，它的反相端接地；第三減法器的反相端分別連接第三加法器的同相端和分壓電容電壓調節器的輸出端；第三比較器的反相端連接第三加法器的輸出端，第三比較器的輸出端經第二上升沿捕獲脈衝發生器與第二 RS觸發器的S端連接；第四比較器的反相端連接第三減法器的輸出端，第四比較器的同相端連接第三比較器的同相端，且該同相端接入第二三角載波信號，第四比較器的輸出端經第二下降沿捕獲脈衝發生器與第二 RS觸發器的R端連接，第二 RS觸發器的Q端輸出開關管驅動信號。
[0012]採用上述的技術方案帶來的有益效果是:
[0013]本發明提出了一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，校正了由於控制和驅動電路的延時以及主電路及其寄生參數不對稱引起的輸入分壓電容不均壓、隔直電容電壓不等於輸入電壓一半的偏壓現象。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明所針對的半橋三電平直流變換器的電路拓撲圖。
[0015]圖2是基於圖1的半橋三電平直流變換器的電路圖以及正常工作的波形圖。圖2包括 2-1，2-2。
[0016]圖3.1?3.4是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的四種工作模態圖。
[0017]圖4是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負半周佔空比不等工作波形圖。
[0018]圖5是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負半周相位差不等於180°工作波形圖。
[0019]圖6是本發明的一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路圖。
[0020]圖7是本發明的一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路的工作波形圖。
[0021]圖8是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負半周佔空比不等實驗波形圖。
[0022]圖9是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負半周相位差不等於180°的實驗波形圖。
[0023]圖10是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器經本發明的電容電壓控制後的實驗波形圖。圖10包括10-1; 10-2。
[0024]上述附圖中的主要符號名稱:
[0025]Cdl>Cd2分別為第一、第二分壓電容，Cb為隔直電容,Q1?Q4分別為第一?第四開關管，D1?D4分別為第一?第四寄生二極體，C1?C4分別為第一?第四寄生電容，Te為主功率變壓器，Lf為輸出濾波電感，Cf為輸出濾波電容，&為輸出負載電阻。Vin為四開關半橋三電平直流變換器的輸入電壓，Vcb為隔直電容Cb的電壓，Vcdl、Vcd2分別為分壓電容Cdl、Cd2的電壓，V0 f為輸出米樣電壓，Vo ref為輸出基準電壓，Vea vo為電壓調節器輸出信號，Vcb f為隔直電容採樣電壓，Vcdn fA為隔直電容基準電壓，Vea a為隔直電容電壓調節器輸出信號，Vmi
分壓電容採樣電壓，Vcdn f/2為分壓電容基準電壓，Vea m為分壓電容調節器輸出信號，Veai為第一加法器輸出信號，Vea2為第一減法器輸出信號，Vea3為第二加法器輸出信號，Vea4為第二減法器輸出信號；VEA5為第三加法器輸出信號，Vea6為第三減法器輸出信號，Vteii> Vtei2為第一、第二三角載波信號，Ap A2、A3和A4為脈衝信號，Clock1, Clock2, Clock3和Clock4為時鐘信號，Q2jri為第二開關管Q2的驅動信號，Q4jri為第四開關管Q4的驅動信號。
【具體實施方式】
[0026]以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0027]如圖1所示的本發明所針對的半橋三電平直流變換器的電路拓撲圖，包含輸入分壓單元、四開關半橋單元、主功率變壓器Tk和副邊負載單元；所述的輸入分壓單元包含輸入電壓源、第一分壓電容Cdl和第二分壓電容Cd2，第一分壓電容Cdl的正極連接輸入電壓源的正極，第一分壓電容Cdl的負極連接第二分壓電容Cd2的正極，第二分壓電容Cd2的負極連接輸入電壓源的負極；所述的四開關半橋單元包含隔直電容Cb、第一開關管Q1、第二開關管Q2、第三開關管Q3和第四開關管Q4以及與之一一對應的第一?第四寄生二極體和第一?第四寄生電容，第一開關管Q1的源極連接第二開關管Q2的漏極，第二開關管Q2的源極連接第三開關管Q3的漏極，第三開關管Q3的源極連接第四開關管Q4的漏極，第一?第四開關管的漏極分別連接第一?第四寄生二極體的陰極和第一?第四寄生電容的一端，第一?第四開關管的源極分別連接第一?第四寄生二極體的陽極和第一?第四寄生電容的另一端，第一開關管Q1的漏極還連接第一分壓電容Cdl的正極，第二開關管Q2與第三開關管Q3的連接點與第一分壓電容Cdl和第二分壓電容Cd2的連接點連接，第一開關管Q1與第二開關管Q2的連接點與主功率變壓器Tk的原邊連接，第三開關管Q3與第四開關管Q4的連接點經隔直電容Cb連接到主功率變壓器Tk的原邊；所述的副邊負載單元包含整流電路、輸出濾波電容Cf和輸出負載電阻&，主功率變壓器Tk的副邊連接整流電路後依次與輸出濾波電容Cf和輸出負載電阻&並聯。
[0028]如圖2-1所示基於圖1的半橋三電平直流變換器的電路圖，就是將圖1所示電路拓撲中的整流電路具體為全波整流電路。圖2-2所示為基於圖1的半橋三電平直流變換器的正常工作波形圖，波形圖的橫坐標為時間t，縱坐標由上到下依次是開關管的佔空比D，AB點電壓vAB,原邊電流ip，輸出濾波電感電流iu，整流二極體DK1、De2電流iDK1、iDK2。由該圖可見，理想情況下，驅動完全對稱，原邊電流ip對稱，橋臂中點電壓Vab對稱。變換器工作時，輸入分壓電容電壓均壓，隔直電容電壓等於輸入電壓的一半，原邊開關管和副邊整流管電壓應力均衡。
[0029]圖3是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的工作模態圖，圖3-1到3_4分別表示了四個模態的工作模態。
[0030]圖4是圖2-1所示的半橋三電平直流變換器的正負半周佔空比不等工作波形圖。波形圖的橫坐標為時間t，縱坐標由上到下依次是開關管的佔空比D，AB點電壓vAB，原邊電流、，輸出濾波電感電流iw。正負半周佔空比不等會造成隔直電容電壓不等於Vin/2，輸入分壓電容電壓不均，具體分析如下。
[0031 ] 假設Dp為正半周的佔空比，Dn為負半周的佔空比，Tpf為正半周續流時間，Tnf為負半周續流時間，Ts為開關周期。當變換器穩態工作時，根據變壓器Tk磁通守恆可得下式:
[0032](Vin-Vcb).Dp.Ts = Vcb -Dn-Ts
[0033]當正負半周佔空比不等時，Dp幸Dn，可得隔直電容電壓Va:
【權利要求】
1.一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特徵在於:該電路包含輸出電壓調節器、隔直電容電壓調節器、分壓電容電壓調節器、隔直電容電壓控制電路和分壓電容均壓控制電路、第一 RS觸發器和第二 RS觸發器；所述隔直電容電壓控制電路包含兩個輸入端和兩個輸出端，其中一個輸入端連接輸出電壓調節器的輸出端，另一個輸入端連接隔直電容電壓調節器的輸出端；所述分壓電容均壓控制電路包含第一均壓控制單元和第二均壓控制單元，每個均壓控制單元的輸入端均連接隔直電容電壓控制電路的輸出端和分壓電容電壓調節器的輸出端，第一均壓控制單元的輸出端連接第一 RS觸發器的輸入端，第二均壓控制單元連接第二 RS觸發器的輸入端，第一 RS觸發器和第二 RS觸發器的輸出端分別輸出開關管驅動信號。
2.根據權利要求1所述的一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特徵在於:所述的輸出電壓調節器採用第一反相比較器，隔直電容電壓調節器採用第二反相比較器，分壓電容電壓調節器採用第三反相比較器，第一反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的輸出採樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的輸出基準電壓；第二反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的隔直電容採樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的隔直電容基準電壓；第三反相比較器的反相端接半橋三電平直流變換器的分壓電容採樣電壓，它的同相端接半橋三電平直流變換器的分壓電容基準電壓。
3.根據權利要求1所述的一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特徵在於:所述的隔直電容電壓控制電路包含第一加法器和第一減法器，第一加法器的同相端分別連接輸出電壓調節器的輸出端和隔直電容電壓調節器的輸出端，它的反相端接地；第一減法器的反相端接隔直電容電壓調節器的輸出端，它的同相端連接輸出電壓調節器的輸出端，且該同相端接地。
4.根據權利要求3所述的一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特徵在於:所述的第一均壓控制單元包含第二加法器、第二減法器、第三減法器、第一上升沿捕獲脈衝發生器、第一下降沿捕獲脈衝發生器、第一比較器和第二比較器；第二加法器的同相端連接第一加法器的輸出端，它的反相端接地；第二減法器的反相端連接第二加法器的同相端，第二減法器的同相端連接第一加法器的輸出端，且該同相端接地；第一比較器的反相端連接第二加法器的輸出端，第一比較器的輸出端經第一下降沿捕獲脈衝發生器與第一RS觸發器的R端連接，第二比較器的同相端連接第一比較器的同相端，且該同相端還接入第一三角載波信號，第二比較器的輸出端經第一上升沿捕獲脈衝發生器與第一 RS觸發器的S端連接,第一 RS觸發器的Q端輸出開關管驅動信號。
5.根據權利要求4所述的一種針對半橋三電平直流變換器的電容電壓控制電路，其特徵在於:所述的第二均壓控制單元包含第三加法器、第三減法器、第二上升沿捕獲脈衝發生器、第二下降沿捕獲脈衝發生器、第三比較器和第四比較器；第三加法器的同相端分別連接第二減法器的反相端和分壓電容電壓調節器的輸出端，它的反相端接地；第三減法器的反相端分別連接第三加法器的同相端和分壓電容電壓調節器的輸出端；第三比較器的反相端連接第三加法器的輸出端，第三比較器的輸出端經第二上升沿捕獲脈衝發生器與第二 RS觸發器的S端連接；第四比較器的反相端連接第三減法器的輸出端，第四比較器的同相端連接第三比較器的同相端，且該同相端接入第二三角載波信號，第四比較器的輸出端經第二下降沿捕獲脈衝發生器與第二 RS觸發器的R端連接，第二 RS觸發器的Q端輸出開關管驅動信號。
【文檔編號】H02M3/28GK103701325SQ201310704910
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】金科, 虞曉陽, 劉志軍 申請人:南京航空航天大學