一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平Boost变换器

一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器
技术领域
1.本发明涉及电力电子变流技术领域，尤其涉及一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器。


背景技术：

2.通常采用功率因数校正pfc提高功率因数pf和降低总谐波失真。在众多的pfc电路中，boost变换器因其结构简单、输入电流连续和特性统一性强得到广泛的应用。
3.d.divan在1989年提出第一个现代软开关变换器：主动箝位谐振型dc-link逆变器ac-rdcl。r.de doncker在1990年提出了辅助谐振换向极变换器arcp。在最初提出的arcp逆变器中，换流电流脉冲由一个dc-link直流母线电容、一个双向开关和一个谐振电感组成的辅助电路产生，即采用了电容分压。拓扑结构简单，效率、输出功率和功率密度等参数得到改善。
4.但是技术瓶颈始终在于，直流环节电容分压点的电荷不平衡，电压不稳定，低输出频率应用时尤其突出。需要复杂的检测和延时控制电路，根据分压点电压、负载电流控制换流电感换流前的储能。
5.电感分压的逆变器可使分压点电压保持稳定，控制简化。耦合电感分压类拓扑有串联分压型和并联分压型。典型的为一个谐振极含两个耦合电感的零电压转换zvt逆变器。辅助电路采用铁芯饱和的变压器，并在零负载频率下工作。基于zvt-2ci的各类逆变器，峰值效率高达99％。相对于电容分压逆变器，电感分压逆变器对偶的问题是励磁电流单向复位。变压器铁芯一个开关周期内无法复位，选用的变压器磁芯体积大，且需要两套辅助回路实现双向电流输出下的主开关辅助换流工作；而且辅助换流二极管无钳位措施，过充振铃引起电压应力高及emi。


技术实现要素：

6.为解决现有技术的缺点和不足，提供一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器，实现了主开关零电压开通，有效提高效率和功率密度，降低成本和emi。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器，包括：第一主开关管s1、第二主开关管s2、第三主开关管s3、第四主开关管s4、主回路的直流母线滤波电容cb、辅助回路的直流母线滤波电容c
ab
、主回路的飞跨电容cf、辅助回路的飞跨电容c
af
、滤波电感l
in
、输入电源v
in
、第一辅助二级管s
a1
、第二辅助二级管s
a2
、第三辅助开关管s
a3
、第四辅助开关管s
a4
、第五辅助二极管s
a5
、第六辅助二极管s
a6
、辅助换流电感lr、辅助继电器第一触点r
a1
和辅助继电器第二触点r
a2
；
8.其中，所述第一主开关管s1的源极、第二主开关管s2的漏极、第三主开关管s3的漏极相连于a点；第三主开关管s3的源极、第四主开关管s4的漏极相连于b点；第二主开关管s2的源极与第三主开关管s3的漏极相连于p点，主回路飞跨电容cf连接在a点与b点之间，滤波电感l
in
一端连于p点，另一端连于输入电源的正极；第一辅助二极管s
a1
的正极与第二辅助
二极管s
a2
的负极相连于c点，第三辅助开关管s
a3
的发射极与第四辅助开关管s
a4
的集电极相连于d点，第二辅助二极管s
a2
的正极与第三辅助开关管s
a3
的集电极相连于q点，辅助回路飞跨电容c
af
连接在c点与d点之间；第一辅助二极管s
a1
的负极与辅助回路的直流母线滤波电容c
ab
的正极相连，第四辅助开关管s
a4
的发射极与辅助回路的直流母线滤波电容c
ab
的负极相连；辅助继电器第一触点r
a1
的公共端连于第一辅助二极管s
a1
的负极，常闭端连于第五辅助二极管s
a5
的正极，第五辅助二极管s
a5
的负极连于a点，辅助继电器第二触点r
a2
的公共端连于第一辅助开关管s
a4
的发射极，常开端连于第六辅助二极管s
a6
的正极，第六辅助二极管s
a6
的负极连于b点；第一主开关管s1的漏极与辅助继电器第一触点r
a1
常开端、直流母线滤波电容cb的正极相连，第四主开关管s4源极与辅助继电器第一触点r
a1
常闭端、直流母线滤波电容cb的负极相连；
9.其中，设定i
load
为流经滤波电感l
in
的瞬时电流，i
load
为流经滤波电感l
in
的平均电流；c
1-c4主开关s
1-s4的等效并联电容，电容值都为c
m-oss
；c
a3-c
a4
为辅助开关s
a3-s
a4
的等效并联电容，电容值都为c
a-oss
；换流谐振电流ir定义为：换流谐振电感lr中通过的最大电流与滤波电感l
in
中的电流i
load
之差；i
load
流入p点定义为正，由p点流出定义为负；i
lr
由p点流入q点定义为正，由q点流入p点定义为负。
10.当时，辅助继电器处于失电状态，其触点r
a1
和r
a2
常闭触点闭合；
11.电路处于稳定状态，s2、s4处于导通状态，s1、s3和s
a3-s
a4
处于关断状态；输入电源电流i
load
通过s2、s4和cf续流；
12.t0时刻，开通辅助开关s
a4
，延迟d
a1
后，关断s2；
[0013][0014]
关断s2后，延迟d
a2
，开通s3；
[0015][0016]
s3保持开通，d
a3
后，断开辅助开关s
a4
；
[0017][0018]
断开辅助开关s
a4
后，延时d
a4
，关断主开关s4；
[0019]da4
＝t
δn
[0020]
t
δn
由主回路spwm的控制；
[0021]
断开主开关s4后，延时d
a5
，开通辅助开关s
a3
；
[0022][0023]
t
δp
由主回路spwm的控制；
[0024]
辅助开关s
a3
保持导通，延时d
a6
，开通主开关s1；
[0025]da6
＝τ
[0026]
τ由主回路spwm的控制；
[0027]
主开关s1保持开通，延迟d
a7
后，关断s1；
[0028][0029]
关断s1后，延迟d
a8
，开通s4；
[0030][0031]
s4保持开通，d
a9
后，断开辅助开关s
a3
；
[0032][0033]
当时，辅助继电器处于得电状态，其触点r
a1
和r
a2
常开触点闭合，对应开关动作，其原则是实现换流电容流入流出电荷的平衡。
[0034]
其中，电路运行的工作模式及过程分析：
[0035]
当时，辅助继电器处于失电状态，其触点r
a1
和r
a2
常闭触点闭合；
[0036]
模式1，t《t0：电路处于稳定状态，s2、s4处于导通状态，s1、s3和s
a3-s
a4
处于关断状态；输入电源电流i
load
通过s2、s4和cf续流；模式2，t
0-t1：t0时刻，开通辅助开关s
a4
，辅助二极管s
a2
自然导通，换流电感电流i
lr
从零开始线性增加；ta时刻，i
lr
(t)的值达到i
load
；t1时刻，换流电感电流i
lr
(t)大小与滤波电感l
in
中的电流及预充电流之和i
load
+ir相等；
[0037][0038][0039]
其中t0时刻到t1时刻之间的时段t
0-1
为：
[0040][0041]
模式3，t
1-t2：t1时刻，关断s2，p点电位下降，换流电感lr与主开关s2的等效输出电容c2和主开关s3的等效输出电容c3发生谐振，对c2充电对c3放电；t2时刻，p点电位到达0；
[0042]
换流电感电流的时域表达式为：
[0043][0044]
其中：
[0045][0046][0047][0048]
其中t1时刻到t2时刻之间的时段t
1-2
为：
[0049][0050]
模式4，t
2-t3:t2时刻，主开关s3的体二极管导通；lr中的电流开始线性减少，tb时刻，开通主回路开关s3，tc时刻，lr中的电流线性减小到i
load
；t3时刻，lr中的电流线性减小到0；
[0051]
s3的zvs开通允许时间段为t2到tc之间的时段t
2-c
：
[0052][0053][0054][0055]
其中t2时刻到t3时刻之间的时段t
2-3
为：
[0056][0057]
模式5，t
3-t4：t3时刻，辅助开关管s
a4
断开；电流在s3、s4和l
in
构成的回路中流通；延迟t
δn
时段，此时段由spwm(正弦脉宽调制)控制；t4时刻，断开主开关管s4；
[0058]
其中t3时刻到t4时刻之间的时段t
3-4
为：
[0059]
t
3-4
＝t
δn
[0060]
模式6，t
4-t5:t4时刻，断开主开关管s4，p点电位开始上升；t5时刻，p点电位上升至第一主开关管s1自然导通，延迟t
δp
时段，此时段由spwm(正弦脉宽调制)控制，开通主开关管s1，电流在s1、s3、l
in
和c
b1
构成的回路中流通；
[0061]
其中t4时刻到t5时刻之间的时段t
4-5
为：
[0062][0063]
模式7，t
5-t6：t5+t
δp
+τ时刻，开通辅助开关s
a3
；其中τ时段由spwm控制；辅助二极管
sa1
自然导通，换流电感电流i
lr
从零开始线性增加；td时刻，i
lr
(t)的值达到i
load
；t6时刻，换流电感电流i
lr
(t)大小与滤波电感l
in
中的电流及预充电流之和i
load
+ir相等；
[0064][0065][0066]
其中t5时刻到t6时刻之间的时段t
5-6
为：
[0067][0068]
模式8，t
6-t7：t6时刻，关断s1，p点电位下降，换流电感lr与主开关s1的等效输出电
容c1和主开关s4的等效输出电容c4发生谐振，对c1充电对c4放电；t7时刻，p点电位到达0；
[0069]
换流电感电流的时域表达式为：
[0070][0071]
其中：
[0072][0073][0074][0075]
其中t6时刻到t7时刻之间的时段t
6-7
为：
[0076][0077]
模式9，t
7-t8:t7时刻，主开关s4的体二极管导通；lr中的电流开始线性减少，te时刻，开通主回路开关s4，tf时刻，lr中的电流线性减小到i
load
；t8时刻，lr中的电流线性减小到0；
[0078]
s4的zvs开通允许时间段为t7到tf之间的时段t
7-f
：
[0079][0080][0081][0082]
其中t7时刻到t8时刻之间的时段t
7-8
为：
[0083][0084]
模式10，t
8-t9：t8时刻，辅助开关管s
a3
断开；电流在s3、s4和l
in
构成的回路中流通；
[0085]
当时，辅助继电器处于得电状态，其触点r
a1
和r
a2
常开触点闭合，对应开关动作，其原则是实现换流电容流入流出电荷的平衡。
[0086]
区别于现有技术，本发明的一种等效电容分压辅助换流的同步整流boost变换器，可实现主回路开关的zvs导通和辅助回路开关的zcs导通。低成本继电器实现两种工况下的电容交替充放电。电荷平衡使得电容分压点保持恒压状态。有效提高效率和功率密度，降低成本和emi。
附图说明
[0087]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0088]
图1是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器的电路结构示意图。
[0089]
图2是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式一时的电路连接示意图。
[0090]
图3是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式二时的电路连接示意图。
[0091]
图4是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式三时的电路连接示意图。
[0092]
图5是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式四时的电路连接示意图。
[0093]
图6是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式五时的电路连接示意图。
[0094]
图7是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式六时的电路连接示意图。
[0095]
图8是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式七时的电路连接示意图。
[0096]
图9是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式八时的电路连接示意图。
[0097]
图10是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式九时的电路连接示意图。
[0098]
图11是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器运行时处于模式十时的电路连接示意图。
[0099]
图12是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器各个开关管驱动脉冲信号和结点电压波形图示意图。
[0100]
图13是本发明提供的一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器谐振状态的相平面分析图。
具体实施方式
[0101]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。
[0102]
如图1所示，本发明提供一种等效电容分压辅助换流的同步整流三电平boost变换器，包括有第一主开关管s1、第二主开关管s2、第三主开关管s3、第四主开关管s4、主回路的直流母线滤波电容cb、辅助回路的直流母线滤波电容c
ab
、主回路的飞跨电容cf、辅助回路的飞跨电容c
af
、滤波电感l
in
、输入电源v
in
、第一辅助二级管s
a1
、第二辅助二级管s
a2
、第三辅助开关管s
a3
、第四辅助开关管s
a4
、第五辅助二极管s
a5
、第六辅助二极管s
a6
、辅助换流电感lr、
辅助继电器第一触点r
a1
和辅助继电器第二触点r
a2
。所述第一主开关管s1的源极、第二主开关管s2的漏极、第三主开关管s3的漏极相连于a点；第三主开关管s3的源极、第四主开关管s4的漏极相连于b点；第二主开关管s2的源极与第三主开关管s3的漏极相连于p点，主回路飞跨电容cf连接在a点与b点之间，滤波电感l
in
一端连于p点，另一端连于输入电源的正极；第一辅助二极管s
a1
的正极与第二辅助二极管s
a2
的负极相连于c点，第三辅助开关管s
a3
的发射极与第四辅助开关管s
a4
的集电极相连于d点，第二辅助二极管s
a2
的正极与第三辅助开关管s
a3
的集电极相连于q点，辅助回路飞跨电容c
af
连接在c点与d点之间；第一辅助二极管s
a1
的负极与辅助回路的直流母线滤波电容c
ab
的正极相连，第四辅助开关管s
a4
的发射极与辅助回路的直流母线滤波电容c
ab
的负极相连；辅助继电器第一触点r
a1
的公共端连于第一辅助二极管s
a1
的负极，常闭端连于第五辅助二极管s
a5
的正极，第五辅助二极管s
a5
的负极连于a点，辅助继电器第二触点r
a2
的公共端连于第一辅助开关管s
a4
的发射极，常开端连于第六辅助二极管s
a6
的正极，第六辅助二极管s
a6
的负极连于b点；第一主开关管s1的漏极与辅助继电器第一触点r
a1
常开端、直流母线滤波电容cb的正极相连，第四主开关管s4源极与辅助继电器第一触点r
a1
常闭端、直流母线滤波电容cb的负极相连。具体元件及参数如表1所示：
[0103]
[0104][0105]
表1 具体元件及参数表
[0106]
实际工作过程
[0107]iload
为流经滤波电感l
in
的瞬时电流，i
load
为流经滤波电感l
in
的平均电流。c
1-c4主开关s
1-s4的等效并联电容，电容值都为c
m-oss
。c
a3-c
a4
为辅助开关s
a3-s
a4
的等效并联电容，电容值都为c
a-oss
。换流谐振电流ir定义为：换流谐振电感lr中通过的最大电流与滤波电感l
in
中的电流i
load
之差。i
load
流入p点定义为正，由p点流出定义为负；i
lr
由p点流入q点定义为正，由q点流入p点定义为负。
[0108]
工作流程及切换时间间隔为：
[0109]
当时，辅助继电器处于失电状态，其触点r
a1
和r
a2
常闭触点闭合。
[0110]
电路处于稳定状态，s2、s4处于导通状态，s1、s3和s
a3-s
a4
处于关断状态；输入电源电流i
load
通过s2、s4和cf续流。
[0111]
t0时刻，开通辅助开关s
a4
，延迟d
a1
后，关断s2；
[0112][0113]
关断s2后，延迟d
a2
，开通s3；
[0114][0115]
s3保持开通，d
a3
后，断开辅助开关s
a4
；
[0116][0117]
断开辅助开关s
a4
后，延时d
a4
，关断主开关s4；
[0118]da4
＝t
δn
＝10ns
[0119]
t
δn
由主回路spwm的控制。
[0120]
断开主开关s4后，延时d
a5
，开通辅助开关s
a3
；
[0121][0122]
t
δp
由主回路spwm的控制。
[0123]
辅助开关s
a3
保持导通，延时d
a6
，开通主开关s1；
[0124]da6
＝τ
[0125]
τ由主回路spwm的控制。
[0126]
主开关s1保持开通，延迟d
a7
后，关断s1；
[0127][0128]
关断s1后，延迟d
a8
，开通s4；
[0129][0130]
s4保持开通，d
a9
后，断开辅助开关s
a3
；
[0131][0132]
当时，辅助继电器处于得电状态，其触点r
a1
和r
a2
常开触点闭合。对应开关动作，其原则是实现换流电容c
a1
流入流出电荷的平衡。
[0133]
其中，电路运行的工作模式及过程分析：
[0134]
当时，辅助继电器处于失电状态，其触点r
a1
和r
a2
常闭触点闭合；
[0135]
如图2所示，模式1，t《t0：电路处于稳定状态，s2、s4处于导通状态，s1、s3和s
a3-s
a4
处于关断状态；输入电源电流i
load
通过s2、s4和cf续流；
[0136]
如图3所示，模式2，t
0-t1：t0时刻，开通辅助开关s
a4
，辅助二极管s
a2
自然导通，换流电感电流i
lr
从零开始线性增加；ta时刻，i
lr
(t)的值达到i
load
；t1时刻，换流电感电流i
lr
(t)大小与滤波电感l
in
中的电流及预充电流之和i
load
+ir相等；
[0137][0138]
[0139]
其中t0时刻到t1时刻之间的时段t
0-1
为：
[0140][0141]
如图4所示，模式3，t
1-t2：t1时刻，关断s2，p点电位下降，换流电感lr与主开关s2的等效输出电容c2和主开关s3的等效输出电容c3发生谐振，对c2充电对c3放电；t2时刻，p点电位到达0；
[0142]
换流电感电流的时域表达式为：
[0143][0144]
其中：
[0145][0146][0147][0148]
其中t1时刻到t2时刻之间的时段t
1-2
为：
[0149][0150]
如图5所示，模式4，t
2-t3:t2时刻，主开关s3的体二极管导通；lr中的电流开始线性减少，tb时刻，开通主回路开关s3，tc时刻，lr中的电流线性减小到i
load
；t3时刻，lr中的电流线性减小到0；
[0151]
s3的zvs开通允许时间段为t2到tc之间的时段t
2-c
：
[0152][0153][0154][0155]
其中t2时刻到t3时刻之间的时段t
2-3
为：
[0156][0157]
如图6所示，模式5，t
3-t4：t3时刻，辅助开关管s
a4
断开；电流在s3、s4和l
in
构成的回路中流通；延迟t
δn
时段，此时段由spwm(正弦脉宽调制)控制；t4时刻，断开主开关管s4；
[0158]
其中t3时刻到t4时刻之间的时段t
3-4
为：
[0159]
t
3-4
＝t
δn
[0160]
如图7所示，模式6，t
4-t5:t4时刻，断开主开关管s4，p点电位开始上升；t5时刻，p点电位上升至第一主开关管s1自然导通，延迟t
δp
时段，此时段由spwm(正弦脉宽调制)控制，开通主开关管s1，电流在s1、s3、l
in
和c
b1
构成的回路中流通；
[0161]
其中t4时刻到t5时刻之间的时段t
4-5
为：
[0162][0163]
如图8所示，模式7，t
5-t6：t5+t
δp
+τ时刻，开通辅助开关s
a3
；其中τ时段由spwm控制；辅助二极管
sa1
自然导通，换流电感电流i
lr
从零开始线性增加；td时刻，i
lr
(t)的值达到i
load
；t6时刻，换流电感电流i
lr
(t)大小与滤波电感l
in
中的电流及预充电流之和i
load
+ir相等；
[0164][0165][0166]
其中t5时刻到t6时刻之间的时段t
5-6
为：
[0167][0168]
如图9所示，模式8，t
6-t7：t6时刻，关断s1，p点电位下降，换流电感lr与主开关s1的等效输出电容c1和主开关s4的等效输出电容c4发生谐振，对c1充电对c4放电；t7时刻，p点电位到达0；
[0169]
换流电感电流的时域表达式为：
[0170][0171]
其中：
[0172][0173][0174][0175]
其中t6时刻到t7时刻之间的时段t
6-7
为：
[0176][0177]
如图10所示，模式9，t
7-t8:t7时刻，主开关s4的体二极管导通；lr中的电流开始线性
减少，te时刻，开通主回路开关s4，tf时刻，lr中的电流线性减小到i
load
；t8时刻，lr中的电流线性减小到0；
[0178]
s4的zvs开通允许时间段为t7到tf之间的时段t
7-f
：
[0179][0180][0181][0182]
其中t7时刻到t8时刻之间的时段t
7-8
为：
[0183][0184]
如图11所示，模式10，t
8-t9：t8时刻，辅助开关管s
a3
断开；电流在s3、s4和l
in
构成的回路中流通；
[0185]
当时，辅助继电器处于得电状态，其触点r
a1
和r
a2
常开触点闭合；对应开关动作，其原则是实现换流电容c
a1
流入流出电荷的平衡。
[0186]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。