一種高壓直流電流整流模塊的製作方法
2023-05-16 18:19:11
專利名稱：一種高壓直流電流整流模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及直流電流整流領域，特別是涉及一種帶鉗位二極體全橋PWM三電平ZVS軟開關準諧振的高壓直流電流整流模塊。
背景技術：
目前，高壓直流電流的整流是採用移相全橋技術，如中國專利ZL201220096735.5，在2012年11月7日申請公開了一種移相全橋開關電源的直流變換電路，其正是採用移相全橋的控制方式，移相全橋控制方式是諧振變換技術，其基本工作原理為:每個橋臂的兩個開關管180度互補導通，每個橋臂的導通之間相差一個相位，即所謂的移相角。移相控制的全橋PwM變換器存在一個主要缺點是:滯後臂開關管在輕載下很難實現零電壓開關，使它不適合負載範圍變化大的場合。電路若不能實現零電壓開關時，將產生以下幾個後果；首先，由於開關損耗的存在，需要增加散熱器的體積；其次，開關開通時存在較大的di/dt落，將會造成大的電磁幹擾(EMI);再者，由於副邊二極體的反向恢復，高頻變壓器副邊漏感上的電流瞬交作用，在二極體上產生電壓過衝和振蕩，所以在實際使用中需在副邊二極體上加入RC吸收。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種聞壓直流電流整流|旲塊，其能有效解決現有之聞壓直流整流模塊很難實現零電壓開關的問題。為達此目的，本實用新型採用以下技術方案:一種高壓直流電流整流模塊，所述整流模塊至少包括有母線輸入電容、斬波管、超前管、滯後管，其中，母線輸入電容包括第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第四電容(C4)，第一電容(Cl)與第二電容(C2)串聯後接入正負母線的第一端和第二端，第三電容(C3)與第四電容(C4)串聯後接入正負母線的第一端和第二端，形成並聯；所述斬波管、超前管和滯後管均包括MOS管；所述斬波管的第一端和所述超前管的漏極、源極正向依次串聯後的正負極並聯在正負母線的第一端和第二端，並且所述斬波管與所述超前管在A點形成串聯；所述滯後管中的各MOS管的漏極、源極正向依次串聯後的正負極並聯在正負母線的第一端和第二端，並且所述滯後管的中部設置有B點；並且，所述整流模塊至少還設置有諧振電感(LR)、隔直電容(CR)、功率變壓器(TR)、鉗位二極體(D3、D4)，所述功率變壓器(TR)同名端連接A點，異名端接隔直電容(CR)的第一端；所述隔直電容(CR)的第二端接諧振電感(LR)的第一端和鉗位電感(LR2)的第一端，所述諧振電感(LR)的第二端連接B點，構成主功率迴路；所述鉗位電感(LR2)的第二端接鉗位二極體(D3、D4)的中點構成鉗位電路。[0015]作為進一步的優選方案，所述鉗位電路鉗位副邊VDC電壓，所述副邊為全橋整流電路。作為進一步的優選方案，所述副邊的全橋整流電路的輸出加有輸出電感，給全橋斬波管實現零電壓開關(ZVS)提供能量。作為進一步的優選方案，鉗位二極體包括同向連接的第三二極體D3和第四二極體D4，並且所述鉗位二極體的第一端接入正負母線的第一端，所述鉗位二極體的第二端接入正負母線的第二端。作為進一步的優選方案，還包括續流二極體(Dl、D2、D9、D10)、飛跨電容(CF1、CF2)。作為進一步的優選方案，所述續流二極體包括第一二極體D1、第二二極體D2、第九二極體D9和第十二極體D10，其中第九二極體D9的第一端、第十二極體DlO的第二端連接母線第一電容Cl、第二電容C2之間，第十二極體DlO的第二端連接所述斬波管的中部，第九二極體D9的第一端連接所述超前管的中部；第一二極體Dl的第一端、第二二極體D2的第二端連接母線第三電容C3、第四電容C4之間，第一二極體Dl的第二端、第二二極體D2的第一端分別連接所述滯後管。作為進一步的優選方案，第一飛跨電容CFl的兩端分別連接第一二極體Dl的第二
端、第二二極體D2的第一端；第二飛跨電容CF2的兩端分別連接第十二極體DlO的第二端、第九二極體D9的第一端。作為進一步的優選方案，所述斬波管包括第一 MOS管(Q1)、第二 MOS管(Q2)，且第一 MOS管(Ql)並聯第一伴隨MOS管(QS1)、第一伴隨電容(CB1)，第二 MOS管(Q2)並聯第二伴隨MOS管(QS2)、第二伴隨電容(CB2)。作為進一步的優選方案，所述超前管包括第三MOS管(Q3)、第四MOS管(Q4)，且第三MOS管(Q3 )並聯第三伴隨MOS管(QS3 )、第三伴隨電容(CB3 )，第四MOS管(Q4 )並聯第四伴隨MOS管(QS4 )、第四伴隨電容(CB4 )。作為進一步的優選方案，所述滯後管包括第五MOS管(Q5)、第六MOS管(Q6)、第七MOS管(Q7 )、第八MOS管(Q8 )，且第五MOS管(Q5 )並聯第五伴隨MOS管(QS5 )、第五伴隨電容(CB5 )，第六MOS管(Q6 )並聯第六伴隨MOS管(QS6 )、第六伴隨電容(CB6 )，第七MOS管(Q7)並聯第七伴隨MOS管(QS7)、第七伴隨電容(CB7)，第八MOS管(Q8)並聯第八伴隨MOS管(QS8)、第八伴隨電容(CB8)。本實用新型的有益效果為:本實用新型在移相全橋ZVS變換器的基礎上增添輔助諧振網絡，使其能順利實現全橋變換器滯後臂的零電壓開關，原邊增加鉗位二極體，減小副邊二極體反向恢復的電壓尖峰，減少RC吸收引起的功率損耗；且使用帶鉗位二極體全橋P麗三電平ZVS軟開關準諧振技術，控制簡單，可根據輸出電壓的大小自動切換兩電平和三電平模式下工作，有很寬的輸出電壓可調範圍，用最接近輸出電壓的電平來擬合逼近，減少輸出紋波；同時，本實用新型控制晶片選用DSP，實現算法控制、穩壓、穩流、均流、電壓調節、通信、過壓保護、短路保護、過載保護、電量顯示、軟開關效果；本實用新型為IOkw的整流模塊，30%以上負載效率都為91%以上，最高效率為94%，調壓範圍為100 400VDC。
圖1是本實用新型的主電路原理圖；圖2是本實用新型的時序圖和變壓器原副邊電壓波形；圖3a和圖3b是本實用新型之狀態1、2的等效電路圖；圖4a和圖4b是本實用新型之狀態3、4的等效電路圖；圖5a和圖5b是本實用新型之狀態5、6的等效電路圖；圖6a和圖6b是本實用新型之狀態7、8的等效電路圖；圖7是本實用新型之狀態9的等效電路圖；圖8是本實用新型之狀態10的等效電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖並通過具體實施方式
來進一步說明本實用新型的技術方案。請參閱圖1和圖2所示，其顯示了本實用新型的主要電路結構，包括有母線輸入電容Cl、C2、C3、C4，還包括斬波管、超前管、滯後管、諧振電感Lr、隔直電容Cr、功率變壓器Tr、鉗位二極體D3、D4、續流二極體(01、02、09、010、飛跨電容0 1、0卩2。該斬波管、超前管和滯後管均由MOS管組成,該斬波管和超前管的DS極正向依次串聯後的正負極並聯在正負母線的電容兩端並具有A點，該滯後管中的各MOS管DS極正向依次串聯後的正負極並聯在正負母線的電容兩端並具有B點。該功率變壓器Tr同名端接A點，異名端接隔直電容Cr，隔直電容Cr另外一端接諧振電感Lr和鉗位電感Lr2，該諧振電感Lr另外一端接B點，構成主功率迴路，鉗位電感Lr2接鉗位二極體D3、D4中點構成鉗位電路，鉗位副邊VDC電壓，副邊為全橋整流電路，輸出加有輸出電感，給全橋斬波管實現ZVS提供能量。在本實施例中，該斬波管有2個MOS管組成,分別為MOS管Ql、Q2 ;該超前管由2個MOS管組成，分別為MOS管Q3、Q4 ;該滯後管由4個MOS管組成，分別為MOS管Q5、Q6、Q7、Q8 ；以及，該前述的每一 MOS管均並聯有一 MOS管，並聯的MOS管分別為MOS管QS1、QS2、QS3、QS4、QS5、QS6、QS7、QS8。本實施例的工作過程共有以下11種狀態:如圖3所示，狀態I (圖3a)為MOS管Ql、Q2和MOS管Q7、Q8同時開通，由正負母線向負載傳送能量；狀態2 (圖3b)為MOS管Ql關斷，其他三個MOS管Q2、Q7、Q8開通，由於MOS管Ql的DS兩端有電容存在，MOS管Ql的VDS電壓從0被充到400V，M0S管Q4兩端的電容通過飛跨電容CF2放電到兩端電壓為0，體二極體自然導通，從而實現MOS管Q4的零電壓開關(ZVS)開通。如圖4所示，狀態3 (圖4a)為上一狀態穩態過程，即MOS管Ql兩端電壓為400V，此時續流二極體DlO自然導通，由中點和負母線向負載傳送能量，此時為兩電平工作；狀態4 (圖3b)為MOS管Ql、Q2都關斷，MOS管Q7、Q8導通，諧振電感Lr中電流給MOS管Q2的DS極電容充電，MOS管Q3的DS極電容通過飛跨電容CF2放電，到其兩端電壓為0，體二極體自然導通，實現M OS管Q3的零電壓開關(ZVS)開通。如圖5所示，狀態5 (圖5a)為上一狀態穩態過程，諧振電感Lr內的能量維持環路的電流，直到進入下一狀態；狀態6(圖5b)為MOS管Q7、Q8關斷，由於功率變壓器Tr副邊二極體全部開通，所以功率變壓器Tr原邊電壓為0，母線電壓全部加在諧振電感Lr上，方向與前一狀態相反，由於u=L*di/dt，電壓不變，諧振電感Lr電流線性減少，直至減少到0，並向負方向增加，增加到負向最大後，MOS管Q3、Q4和MOS管Q5、Q6開通，正負母線向負載傳送能量，電流方向反向。如圖6所示，狀態7 (圖6a)為MOS管Q4關斷，MOS管Q3、Q5、Q6開通，環路電流給MOS管Q4兩端的電容充電，充電到400v，M0S管Ql兩端的電容通過飛跨電容CF2放電到0v，體二極體導通，實現MOS管Ql零電壓開關(ZVS)開通；狀態8(圖6b)為續流二極體D9自然開通，正母線對0向負載提供能量，此時為兩電平工作。如圖7所示，狀態9 (圖7)為MOS管Q3、Q4都關斷，MOS管Q5、Q6導通。諧振電感Lr中電流給MOS管Q3的DS極電容充電，MOS管Q2的DS極電容通過飛跨電容CF2放電到其兩端電壓為Ov，體二極體自然導通，實現MOS管Q2的零電壓開關(ZVS)開通。如圖8所示，狀態10 (圖8)為上一狀態穩態過程，諧振電感Lr內的能量維持環路的電流，直到進入下一狀態。狀態11為MOS管Q5、Q6關斷，由於功率變壓器Tr副邊二極體全部開通，所以功率變壓器Tr原邊電壓為0，母線電壓全部加在諧振電感Lr上，方向與前一狀態相反，由於u=L*di/dt，電壓不變，諧振電感Lr電流線性減少，直至減少到0，並向正方向增加，增加到正向最大後，MOS管Q3、Q4和MOS管Q5、Q6開通，正負母線向負載傳送能量，電流方向為正向，之後重複前述狀態I的過程，周期性工作。接下來分析原邊鉗位二極體工作原理，由於副邊整流二極體反向恢復引起的電壓尖峰很大，如果簡單用RC吸收，既有很大的功率損耗，效果又不是很顯著，所以在原邊增加鉗位二極體D3、D4來抑制電壓尖峰。在正向電流情況下，當副邊電壓尖峰超過VIN/K時，原邊變壓器兩端電壓升高，鉗位二極體D3和鉗位二極體D4的中點電壓高於正母線電壓，鉗位二極體D3自然導通，從而使原邊電壓鉗位在VIN處，繼而副邊電壓也被鉗位在VIN/K處；在負向電流情況下，工作原理同上。本實用新型在移相全橋ZVS變換器的基礎上增添輔助諧振網絡，使其能順利實現全橋變換器滯後臂的零電壓開關，原邊增加鉗位二極體，減小副邊二極體反向恢復的電壓尖峰，減少RC吸收引起的功率損耗；且使用帶鉗位二極體全橋PWM三電平ZVS軟開關準諧振技術，控制簡單，可根據輸出電壓的大小自動切換兩電平和三電平模式下工作，有很寬的輸出電壓可調範圍，用最接近輸出電壓的電平來擬合逼近，減少輸出紋波；同時，本實用新型控制晶片選用DSP，實現算法控制、穩壓、穩流、均流、電壓調節、通信、過壓保護、短路保護、過載保護、電量顯示、軟開關效果；本實用新型為IOkw的整流模塊，30%以上負載效率都為91%以上，最高效率為94%，調壓範圍為100 400VDC。以上結合具體實施例描述了本實用新型的技術原理。這些描述只是為了解釋本實用新型的原理，而不能以任何方式解釋為對本實用新型保護範圍的限制。基於此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本實用新型的其它具體實施方式
，這些方式都將落入本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種高壓直流電流整流模塊，其特徵在於:所述整流模塊至少包括有母線輸入電容、斬波管、超前管、滯後管， 其中，母線輸入電容包括第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第四電容(C4)，第一電容(Cl)與第二電容(C2)串聯後接入正負母線的第一端和第二端，第三電容(C3)與第四電容(C4)串聯後接入正負母線的第一端和第二端，形成並聯； 所述斬波管、超前管和滯後管均包括MOS管； 所述斬波管的第一端和所述超前管的漏極、源極正向依次串聯後的正負極並聯在正負母線的第一端和第二端，並且所述斬波管與所述超前管在A點形成串聯； 所述滯後管中的各MOS管的漏極、源極正向依次串聯後的正負極並聯在正負母線的第一端和第二端，並且所述滯後管的中部設置有B點； 並且，所述整流模塊至少還設置有諧振電感(LR)、隔直電容(CR)、功率變壓器(TR)、鉗位二極體(D3、D4)， 所述功率變壓器(TR)同名端連接A點，異名端接隔直電容(CR)的第一端； 所述隔直電容(CR)的第二端接諧振電感(LR)的第一端和鉗位電感(LR2)的第一端，所述諧振電感(LR)的第二端連接B點，構成主功率迴路； 所述鉗位電感(LR2)的第二端接鉗位二極體(D3、D4)的中點構成鉗位電路。
2.根據權利要求1所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於，所述鉗位電路鉗位副邊VDC電壓，所述副邊為全橋整流電路。
3.根據權利要求2所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於，所述副邊的全橋整流電路的輸出加有輸出電感，給全橋斬波管實現零電壓開關(ZVS)提供能量。
4.根據權利要求1所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於，鉗位二極體包括同向連接的第三二極體D3和第四二極體D4，並且所述鉗位二極體的第一端接入正負母線的第一端，所述鉗位二極體的第二端接入正負母線的第二端。
5.根據權利要求1所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於，還包括續流二極體(D1、D2、D9、D10)、飛跨電容(CF1、CF2)。
6.根據權利要求5所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於， 所述續流二極體包括第一二極體D1、第二二極體D2、第九二極體D9和第十二極體D10，其中第九二極體D9的第一端、第十二極體DlO的第二端連接母線第一電容Cl、第二電容C2之間，第十二極體DlO的第二端連接所述斬波管的中部，第九二極體D9的第一端連接所述超前管的中部； 第一二極體Dl的第一端、第二二極體D2的第二端連接母線第三電容C3、第四電容C4之間，第一二極體Dl的第二端、第二二極體D2的第一端分別連接所述滯後管。
7.根據權利要求6所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於， 第一飛跨電容CFl的兩端分別連接第一二極體Dl的第二端、第二二極體D2的第一端； 第二飛跨電容CF2的兩端分別連接第十二極體DlO的第二端、第九二極體D9的第一端。
8.根據權利要求1所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於，所述斬波管包括第一MOS管(Q1)、第二 MOS管(Q2)，且第一 MOS管(Ql)並聯第一伴隨MOS管(QS1)、第一伴隨電容(CB1)，第二 MOS管(Q2)並聯第二伴隨MOS管(QS2)、第二伴隨電容(CB2)。
9.根據權利要求2所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於，所述超前管包括第三MOS管(Q3)、第四MOS管(Q4)，且第三MOS管(Q3)並聯第三伴隨MOS管(QS3)、第三伴隨電容(CB3)，第四MOS管(Q4)並聯第四伴隨MOS管(QS4)、第四伴隨電容(CB4)。
10.根據權利要求3所述的高壓直流電流整流模塊，其特徵在於，所述滯後管包括第五MOS管(Q5)、第六MOS管(Q6)、第七MOS管(Q7)、第八MOS管(Q8)，且第五MOS管(Q5)並聯第五伴隨MOS管(QS5 )、第五伴隨電容(CB5 )，第六MOS管(Q6 )並聯第六伴隨MOS管(QS6 )、第六伴隨電容(CB6 )，第七MOS管(Q7 )並聯第七伴隨MOS管(QS7 )、第七伴隨電容(CB7 )，第八MOS管(Q8)並聯 第八伴隨MOS管(QS8)、第八伴隨電容(CB8)。
專利摘要本實用新型提供一種高壓直流電流整流模塊，包括有母線輸入電容、斬波管、超前管、滯後管、諧振電感、隔直電容、功率變壓器、鉗位二極體、續流二極體、飛跨電容；本實用新型在移相全橋ZVS變換器的基礎上增添輔助諧振網絡,使其能順利實現全橋變換器滯後臂的零電壓開關，原邊增加鉗位二極體，減小副邊二極體反向恢復的電壓尖峰，減少RC吸收引起的功率損耗；且使用帶鉗位二極體全橋PWM三電平ZVS軟開關準諧振技術，控制簡單，可根據輸出電壓的大小自動切換兩電平和三電平模式下工作，有很寬的輸出電壓可調範圍，用最接近輸出電壓的電平來擬合逼近，減少輸出紋波；本實用新型為10kw的整流模塊，30%以上負載效率都為91%以上，最高效率為94%，調壓範圍為100～400VDC。
文檔編號H02M7/217GK202997963SQ201220749150
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者劉忠仁, 馬玉山, 王一博 申請人:廣東志成冠軍集團有限公司