零電壓開關多電平直流變換器的製作方法

2023-06-04 12:03:51 1

本實用新型涉及直流變換器技術領域,具體涉及一種零電壓開關多電平直流變換器。

背景技術：

直流變換器受器件電壓定額的影響，不可避免採用器件串聯的結構形式，為了解決器件串聯的靜態和動態均壓問題必須附加均壓電路，隨著均壓電路引入以及器件數量增加，電路具備多個輸出電平，多電平直流變換器經過傅立葉分解後會發現電壓諧波大大降低。此外，多電平直流變換器開關管所承受最大電壓值可以得到降低，系統工作效率較高，因此成為電力電子技術熱門研究領域。

多電平直流變換器通常與軟開關技術相結合，軟開關工作方式相比硬開關工作方式可以降低開關工作過程中的開關損耗並提高傳輸效率，此外，採用軟開關技術可以提高開關頻率並減小直流變換器體積和重量。

常規多電平直流變換器應用中也存在一些問題，例如滯後管實現零電壓開關困難，滯後管在負載電流很小的時候幾乎很難實現零電壓開關；而且每一次的開關過程，4個開關器件的結電容都要參與LC諧振，而它們之間還存在一層耦合的關係，當外側的開關器件的結電容與變壓器的漏感發生LC諧振的時候，內側的開關器件也跟著LC諧振，影響了軟開關工作的進行。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種零電壓開關多電平直流變換器，該多電平直流變換器能夠實現滯後管零電壓開關。

為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：

一種零電壓開關多電平直流變換器，包括輸入電壓、第一分壓電容和第二分壓電容，第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管，第一鉗位二極體和第二鉗位二極體，第一飛跨電容和第二飛跨電容，第一電感和第二電感，第一變壓器和第二變壓器，

第一開關管和第四開關管分別形成第一超前管和第二超前管，第二開關管和第三開關管分別形成第一滯後管和第二滯後管；

上述第一變壓器包括第一原邊繞組和與上述第一原邊繞組對應的第一副邊繞組和第二副邊繞組，上述第二變壓器包括第二原邊繞組和上述第二原邊繞組對應的第三副邊繞組和第四副邊繞組；

上述第一分壓電容的負極和第一開關管的漏極分別連接輸入電壓的負極，

上述第二分壓電容的正極和第四開關管的源極分別連接輸入電壓的正極，

上述第一開關管的源極、第二開關管的漏極和第一飛跨電容的負極分別連接上述第一鉗位二極體的負極，

上述第一分壓電容的正極、第一鉗位二極體的正極、第二鉗位二極體的負極和第二分壓電容的負極分別連接上述第一原邊繞組的非「*」端，上述第一原邊繞組的「*」端連接上述第一電感的第一端，

上述第一電感的第二端、第二開關管的源極和第二電感的第一端分別連接上述第三開關管的漏極，

上述第三開關管的源極、第四開關管的漏極和上述第二飛跨電容的正極分別連接上述第二鉗位二極體的正極，

上述第一飛跨電容的正極和第二飛跨電容的負極分別連接上述第二原邊繞組的非「*」端，上述第二原邊繞組的「*」端連接上述第二電感的第二端。

優選地，還包括第一整流二極體和第二整流二極體，第一輔助二極體和第二輔助二極體，緩衝電容，濾波電感，濾波電容和輸出電阻，

上述第一副邊繞組的「*」端、第二輔助二極體的正極、濾波電容的負極和輸出電阻的第二端分別連接上述第二副邊繞組的非「*」端，

上述第一副邊繞組的非「*」端連接上述第三副邊繞組的「*」端，上述第三副邊繞組的非「*」端連接第二整流二極體的正極，

上述第二副邊繞組的「*」端連接第四副邊繞組的非「*」端，上述第四副邊繞組的「*」端連接上述第一整流二極體的正極，

上述第一整流二極體的負極、第二整流二極體的負極和上述緩衝電容的負極分別連接上述濾波電感的第一端，

上述濾波電感的第二端、第一輔助二級管的負極、濾波電容的正極分別連接上述輸出電阻的第一端，

上述第二輔助二極體的負極、緩衝電容的負極分別連接上述第一輔助二極體的正極，

上述輸出電阻的兩端形成輸出電壓。

本實用新型的工作原理為：零電壓開關多電平直流變換器具有第一變壓器和第二變壓器，第一飛跨電容和第二飛跨電容，第一飛跨電容和第二飛跨電容上各分得U1/4的電壓值，當第一超前管和第一滯後管一起導通時，由第一分壓電容和第一飛跨電容共同供電，由於第一變壓器和第二變壓器的副端是同向串聯，忽略副端緩衝電路影響情況下得到的電平值為U1(1/2k1+1/4k2),其中k1和k2分別是第一變壓器和第二變壓器的變比；當第一超前管先於第一滯後管關斷時，只有第一飛跨電容為第二變壓器進行供電，忽略副端緩衝電路影響情況下副端得到的電平值為U1(1/4k2)；當第一滯後管斷開且第二滯後管導通時，由於變壓器的電流換向造成副端的變壓器電壓為零時，即出現零電平。所以輸出電壓為多個電平，波形更接近正弦波，電壓脈動也就相應變小，輸出的電壓值更穩定。原端電路引入的變壓器漏感，對於第一滯後管和第二滯後管實現軟開關工作方式提供了更寬的負載範圍。

雙變壓器和雙飛跨電容增強了零電壓開關的實現條件，開關器件工作更加穩定可靠。第一超前管和第二超前管工作時先於第一滯後管和第二滯後管關斷，超前管關斷時刻副端負載有電流流過，副端的濾波電感折算到原端之後，與變壓器原端漏感相串聯，串聯之後的總電感與開關管的結電容發生LC諧振，為第一超前管和第二超前管實現零電壓開關提供了有利條件。

第一滯後管和第二滯後管工作時，由於原端變壓器剛好發生電流換向，因而副端的輸出濾波電感不能折算到原端參與LC諧振，零電壓開關主要依靠兩個變壓器的漏感來實現，兩個變壓器漏感增強了滯後管實現零電壓開關條件，從而實現零電壓開關變得更加容易。

當副端的整流二極體出現電壓尖峰的時候，緩衝電容通過第一輔助二極體向濾波電容進行充電；當副端變壓器電壓為零的時候，通過第二輔助二極體將輸出電壓鉗位在緩衝電容電壓值，從而有效地抑制副端電壓的尖峰現象，提高直流變換器的工作效率。

本實用新型的有益效果為：增強了直流變換器實現零電壓開關的條件，增加了直流變換器的工作穩定性與可靠性；雙飛跨電容與雙變壓器結合，輸出電壓為多個電平，電壓脈動小，輸出的電壓值更穩定；通過緩衝電容以及輔助二極體有效地抑制副端電壓的尖峰現象，提高直流變換器的工作效率。

附圖說明

圖1是本實用新型的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護範圍。

本實用新型具體實施的技術方案是：

如圖1所示，一種零電壓開關多電平直流變換器，包括輸入電壓U1、第一分壓電容C5和第二分壓電容C6，第一開關管S1、第二開關管S2、第三開關管S3和第四開關管S4，第一鉗位二極體D5和第二鉗位二極體D6，第一飛跨電容C7和第二飛跨電容C8，第一電感L1和第二電感L2，第一變壓器T1和第二變壓器T2，

第一開關管S1和第四開關管S4分別形成第一超前管和第二超前管，第二開關管S2和第三開關管S3分別形成第一滯後管和第二滯後管；

上述第一變壓器T1包括第一原邊繞組和與上述第一原邊繞組對應的第一副邊繞組和第二副邊繞組，上述第二變壓器T2包括第二原邊繞組和上述第二原邊繞組對應的第三副邊繞組和第四副邊繞組；

上述第一分壓電容C5的負極和第一開關管S1的漏極分別連接輸入電壓U1的負極，

上述第二分壓電容C6的正極和第四開關管S4的源極分別連接輸入電壓U1的正極，

上述第一開關管S1的源極、第二開關管S2的漏極和第一飛跨電容C7的負極分別連接上述第一鉗位二極體D5的負極，

上述第一分壓電容C5的正極、第一鉗位二極體D5的正極、第二鉗位二極體D6的負極和第二分壓電容C6的負極分別連接上述第一原邊繞組的非「*」端，上述第一原邊繞組的「*」端連接上述第一電感L1的第一端，

上述第一電感L1的第二端、第二開關管S2的源極和第二電感L2的第一端分別連接上述第三開關管S3的漏極，

上述第三開關管S3的源極、第四開關管S4的漏極和上述第二飛跨電容C8的正極分別連接上述第二鉗位二極體D6的正極，

上述第一飛跨電容C7的正極和第二飛跨電容C8的負極分別連接上述第二原邊繞組的非「*」端，上述第二原邊繞組的「*」端連接上述第二電感L2的第二端。

還包括第一整流二極體D7和第二整流二極體D8，第一輔助二極體D9和第二輔助二極體D10，緩衝電容C9，濾波電感L3，濾波電容C10和輸出電阻R0，

上述第一副邊繞組的「*」端、第二輔助二極體D10的正極、濾波電容C10的負極和輸出電阻R0的第二端分別連接上述第二副邊繞組的非「*」端，

上述第一副邊繞組的非「*」端連接上述第三副邊繞組的「*」端，上述第三副邊繞組的非「*」端連接第二整流二極體D8的正極，

上述第二副邊繞組的「*」端連接第四副邊繞組的非「*」端，上述第四副邊繞組的「*」端連接上述第一整流二極體D7的正極，

上述第一整流二極體D7的負極、第二整流二極體D8的負極和上述緩衝電容C9的負極分別連接上述濾波電感L3的第一端，

上述濾波電感L3的第二端、第一輔助二級管的負極、濾波電容C10的正極分別連接上述輸出電阻R0的第一端，

上述第二輔助二極體D10的負極、緩衝電容C9的負極分別連接上述第一輔助二極體D9的正極，

上述輸出電阻R0的兩端形成輸出電壓U2。

本實用新型的工作原理為：零電壓開關多電平直流變換器具有第一變壓器T1和第二變壓器T2，第一飛跨電容C7和第二飛跨電容C8，第一飛跨電容C7和第二飛跨電容C8上各分得U1/4的電壓值，當第一超前管和第一滯後管一起導通時，由第一分壓電容C5和第一飛跨電容C7共同供電，由於第一變壓器T1和第二變壓器T2的副端是同向串聯，忽略副端緩衝電路影響情況下得到的電平值為U1(1/2k1+1/4k2),其中k1和k2分別是第一變壓器T1和第二變壓器T2的變比；當第一超前管先於第一滯後管關斷時，只有第一飛跨電容C7為第二變壓器T2進行供電，忽略副端緩衝電路影響情況下副端得到的電平值為U1(1/4k2)；當第一滯後管斷開且第二滯後管導通時，由於變壓器的電流換向造成副端的變壓器電壓為零時，即出現零電平。所以輸出電壓U2為多個電平，波形更接近正弦波，電壓脈動也就相應變小，輸出的電壓值更穩定。原端電路引入的變壓器漏感，對於第一滯後管和第二滯後管實現軟開關工作方式提供了更寬的負載範圍。

雙變壓器和雙飛跨電容增強了零電壓開關的實現條件，開關器件工作更加穩定可靠。第一超前管和第二超前管工作時先於第一滯後管和第二滯後管關斷，超前管關斷時刻副端負載有電流流過，副端的濾波電感L3折算到原端之後，與變壓器原端漏感相串聯，串聯之後的總電感與開關管的結電容發生LC諧振，為第一超前管和第二超前管實現零電壓開關提供了有利條件。

第一滯後管和第二滯後管工作時，由於原端變壓器剛好發生電流換向，因而副端的輸出濾波電感L3不能折算到原端參與LC諧振，零電壓開關主要依靠兩個變壓器的漏感來實現，兩個變壓器漏感增強了滯後管實現零電壓開關條件，從而實現零電壓開關變得更加容易。

當副端的整流二極體出現電壓尖峰的時候，緩衝電容C9通過第一輔助二極體D9向濾波電容C10進行充電；當副端變壓器電壓為零的時候，通過第二輔助二極體D10將輸出電壓U2鉗位在緩衝電容C9電壓值，從而有效地抑制副端電壓的尖峰現象，提高直流變換器的工作效率。

本實用新型的有益效果為：增強了直流變換器實現零電壓開關的條件，增加了直流變換器的工作穩定性與可靠性；雙飛跨電容與雙變壓器結合，輸出電壓U2為多個電平，電壓脈動小，輸出的電壓值更穩定；通過緩衝電容C9以及輔助二極體有效地抑制副端電壓的尖峰現象，提高直流變換器的工作效率。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。