專利名稱：三電平無源軟開關(guān)直流變換器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流-直流變換器。具體說是涉及三電平無源軟開關(guān)直流變換器電路。
背景技術(shù)：
常規(guī)的buck、boost、buck-boost和CUK四種三電平直流-直流變換器，分別具有兩個(gè)完全對稱的單元電路，每個(gè)單元電路包括功率開關(guān)管S，續(xù)流二極管D，分壓作用電容C和單元共用電感L，一般為硬開關(guān)工作。近年來，相繼研究了一些軟開關(guān)電路，主要有兩種一種是在變換器中附加有源和無源元件，實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)，由于采用元件數(shù)量多，且需額外的檢測，故控制復(fù)雜，成本高，可靠性差；另一種是附加含電阻的無源緩沖電路，其能量損耗大，工作時(shí)能量消耗在電阻上，導(dǎo)致電路工作效率下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供附加元件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無需額外的檢測和控制，且無能量損耗的三電平無源軟開關(guān)直流-直流變換器電路。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，對于具有兩個(gè)完全對稱單元，且每個(gè)單元電路包括有功率開關(guān)管S，續(xù)流二極管D、分壓作用電容C和單元共用電感L的buck或boost或buck-boost或CUK電路，在每個(gè)單元的功率開關(guān)管和續(xù)流二極管的接點(diǎn)處接入電感，功率開關(guān)管并聯(lián)由第一電容和第一二極管構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管與功率開關(guān)管方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感一端相連，在續(xù)流二極管的兩端并聯(lián)由第二電容和第二二極管構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管與續(xù)流二極管方向一致，第二電容與續(xù)流二極管的接點(diǎn)與電感的另一端相連，在第一電容和第一二極管的接奌與第二電容和第二二極管的接點(diǎn)間接入第三二極管，第一、第二、第三這三個(gè)二極管的極性相一致。
工作時(shí)，電感和兩個(gè)電容之間的諧振實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通和零電壓關(guān)斷，以及續(xù)流二極管的零電壓關(guān)斷和零電壓開通。同時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期電容收集這些諧振能量，并最終將其轉(zhuǎn)移到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了吸收電路的無損運(yùn)行。
本發(fā)明的三電平無源軟開關(guān)直流-直流變換器電路附加元件少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無需額外的檢測和控制，電路中無能量損耗元件，可提高三電平直流-直流變換器的效率，且換流過程中，功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)無電壓過沖，續(xù)流二極管開通時(shí)無電流過沖。另外功率開關(guān)管和續(xù)流二極管的并聯(lián)回路均為最小環(huán)，即僅由一個(gè)二極管和一個(gè)電容構(gòu)成，可使關(guān)斷時(shí)的電壓應(yīng)力為最小。


圖1是本發(fā)明在BUCK直流-直流變換器中的應(yīng)用實(shí)例；圖2是本發(fā)明在BOOST直流-直流變換器中的應(yīng)用實(shí)例；圖3是本發(fā)明在BUCK-BOOST直流-直流變換器中的應(yīng)用實(shí)例；圖4是本發(fā)明在CUK直流-直流變換器中的應(yīng)用實(shí)例。
具體實(shí)施方式
參見圖1，三電平無源軟開關(guān)直流-直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對稱的buck單元電路，每個(gè)單元包括功率開關(guān)管S、續(xù)流二極管D，分壓作用電容C和單元共用電感L，L置于輸出端，其特征是在每個(gè)單元的功率開關(guān)管S和續(xù)流二極管D的接點(diǎn)處接入電感Ls，功率開關(guān)管S并聯(lián)由第一電容Cs和第一二極管Ds構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管Ds與功率開關(guān)管S方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感Ls一端相連，在續(xù)流二極管D的兩端并聯(lián)由第二電容Co和第二二極管Dc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管Dc與續(xù)流二極管D方向一致，第二電容Co與續(xù)流二極管D的接點(diǎn)與電感Ls的另一端相連，在第一電容Cs和第一二極管Ds的接奌與第二電容Co和第二二極管Dc的接點(diǎn)間接入第三二極管Do，第一、第二、第三這三個(gè)二極管Ds、Dc、Do的極性相一致。
參見圖2，三電平無源軟開關(guān)直流-直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對稱的boost單元電路，每個(gè)單元包括功率開關(guān)管S、續(xù)流二極管D，分壓作用電容C和單元共用電感L，L置于輸出端，其特征是在每個(gè)單元的功率開關(guān)管S和續(xù)流二極管D的接點(diǎn)處接入電感Ls，功率開關(guān)管S并聯(lián)由第一電容Cs和第一二極管Ds構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管Ds與功率開關(guān)管S方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感Ls一端相連，在續(xù)流二極管D的兩端并聯(lián)由第二電容Co和第二二極管Dc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管Dc與續(xù)流二極管D方向一致，第二電容Co與續(xù)流二極管D的接點(diǎn)與電感Ls的另一端相連，在第一電容Cs和第一二極管Ds的接奌與第二電容Co和第二二極管Dc的接點(diǎn)間接入第三二極管Do，第一、第二、第三這三個(gè)二極管Ds、Dc、Do的極性相一致。
參見圖3，三電平無源軟開關(guān)直流-直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對稱的buck-boost單元電路，每個(gè)單元包括功率開關(guān)管S、續(xù)流二極管D，分壓作用電容C和單元共用電感L，L置于兩單元續(xù)流二極管D之間，其特征是在每個(gè)單元的功率開關(guān)管S和續(xù)流二極管D的接點(diǎn)處接入電感Ls，功率開關(guān)管S并聯(lián)由第一電容Cs和第一二極管Ds構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管Ds與功率開關(guān)管S方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感Ls一端相連，在續(xù)流二極管D的兩端并聯(lián)由第二電容Co和第二二極管Dc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管Dc與續(xù)流二極管D方向一致，第二電容Co與續(xù)流二極管D的接點(diǎn)與電感Ls的另一端相連，在第一電容Cs和第一二極管Ds的接奌與第二電容Co和第二二極管Dc的接點(diǎn)間接入第三二極管Do，第一、第二、第三這三個(gè)二極管Ds、Dc、Do的極性相一致。
參見圖4，三電平無源軟開關(guān)直流-直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對稱的CUK單元電路，每個(gè)單元包括功率開關(guān)管S、續(xù)流二極管D，分壓作用電容C和二個(gè)單元共用的電感L，L分別置于輸入和輸出端，其特征是在每個(gè)單元的功率開關(guān)管S和續(xù)流二極管D的接點(diǎn)處接入電感Ls，功率開關(guān)管S并聯(lián)由第一電容Cs和第一二極管Ds構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管Ds與功率開關(guān)管S方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感Ls一端相連，在續(xù)流二極管D的兩端并聯(lián)由第二電容Co和第二二極管Dc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管Dc與續(xù)流二極管D方向一致，第二電容Co與續(xù)流二極管D的接點(diǎn)與電感Ls的另一端相連，在第一電容Cs和第一二極管Ds的接奌與第二電容Co和第二二極管Dc的接點(diǎn)間接入第三二極管Do，第一、第二、第三這三個(gè)二極管Ds、Dc、Do的極性相一致。
三電平無源軟開關(guān)直流-直流變換器電路的工作情況，以圖2電路為例，其存在兩種換流情況，即每個(gè)單元的功率開關(guān)管與續(xù)流二極管之間換流。由于電路結(jié)構(gòu)的對稱性，僅以一個(gè)單元的換流過程為例分析如下功率開關(guān)管S開通，續(xù)流二極管D關(guān)斷的換流過程換流之前，電路處于功率開關(guān)管S關(guān)斷、續(xù)流二極管D續(xù)流的穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)功率開關(guān)管S開通時(shí)，由于諧振電感Ls的存在，功率開關(guān)管S的電流從零開始以一定斜率線性上升，即功率開關(guān)管S實(shí)現(xiàn)了零電流開通，同時(shí)續(xù)流二極管D的電流值從輸入電流開始以相同的斜率線性減小，直至續(xù)流二極管D關(guān)斷。此時(shí)，第二電容Co端電壓為零。第一電容Cs、第三二極管Do、第二電容Co、電感Ls開始諧振，續(xù)流二極管D端電壓從零諧振上升，實(shí)現(xiàn)續(xù)流二極管D的零電壓關(guān)斷。第一電容Cs放電至零，第一二極管Ds自然導(dǎo)通，VCs保持恒定為零，電感Ls、第一二極管Ds、第三二極管Do、第二電容Co開始第二個(gè)諧振過程，當(dāng)電容Co的電流減小到零時(shí)，第二個(gè)諧振過程結(jié)束，第一二極管Ds、第三二極管Do自然關(guān)斷。之后，第二電容Co和第一電容Cs上的電壓均保持不變，電路進(jìn)入功率開關(guān)管S導(dǎo)通的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。
功率開關(guān)管S關(guān)斷，續(xù)流二極管D開通的換流過程功率開關(guān)管S關(guān)斷后，輸入電流經(jīng)第一二極管Ds對第一電容Cs充電，功率開關(guān)管S的管電壓從零上升，即實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管S的零電壓關(guān)斷。第一電容Cs充電至與上輸出電容端電壓相等時(shí)，第三二極管Do、第二二極管Dc自然導(dǎo)通，VCs保持恒定，電感Ls電流經(jīng)第一二極管Ds、第三二極管Do、第二二極管Dc向輸出端諧振放電，電流值從輸入電流逐漸減小，同時(shí)第二電容Co經(jīng)第二二極管Dc放電，VCo減小。當(dāng)?shù)诙娙軨o端電壓減小到零時(shí)，續(xù)流二極管D自然導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了續(xù)流二極管D的零電壓開通。之后，Ls的電流繼續(xù)經(jīng)第一二極管Ds、第三二極管Do、第二二極管Dc放電減小，直到變?yōu)榱悖谝欢O管Ds、第三二極管Do、第二二極管Dc關(guān)斷，換流過程結(jié)束，電路處于負(fù)載電流通過續(xù)流二極管D輸出的穩(wěn)定狀態(tài)。
權(quán)利要求1.三電平無源軟開關(guān)直流變換器電路，具有兩個(gè)完全對稱的buck單元或boost單元或buck-boost單元或CUK單元的電路，每個(gè)單元包括功率開關(guān)管(S)、續(xù)流二極管(D)，分壓作用電容(C)和單元共用電感(L)，其特征是在每個(gè)單元的功率開關(guān)管(S)和續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)處接入電感(Ls)，功率開關(guān)管(S)并聯(lián)由第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管(Ds)與功率開關(guān)管(S)方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感(Ls)一端相連，在續(xù)流二極管(D)的兩端并聯(lián)由第二電容(Co)和第二二極管(Dc)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管(Dc)與續(xù)流二極管(D)方向一致，第二電容(Co)與續(xù)流二極管(D)的接點(diǎn)與電感(Ls)的另一端相連，在第一電容(Cs)和第一二極管(Ds)的接奌與第二電容(Co)和第二二極管(Dc)的接點(diǎn)間接入第三二極管(Do)，第一、第二、第三三個(gè)二極管(Ds、Dc、Do)的極性相一致。
專利摘要“三電平無源軟開關(guān)直流變換器電路”是對具有兩個(gè)完全對稱單元，且每個(gè)單元包括有功率開關(guān)管，續(xù)流二極管，分壓作用電容和單元共用電感的buck或boost或buck－boost或CUK電路，在每個(gè)單元的功率開關(guān)管和續(xù)流二極管的接點(diǎn)處接入電感，功率開關(guān)管并聯(lián)由第一電容和第一二極管構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第一二極管與功率開關(guān)管方向一致，且兩者接點(diǎn)與電感一端相連，在續(xù)流二極管的兩端并聯(lián)由第二電容和第二二極管構(gòu)成的串聯(lián)電路，其第二二極管與續(xù)流二極管方向一致，第二電容與續(xù)流二極管的接點(diǎn)與電感的另一端相連，在第一電容和第一二極管的接點(diǎn)與第二電容和第二二極管的接點(diǎn)間接入第三二極管，三個(gè)二極管的極性相一致。本實(shí)用新型附加元件少，結(jié)構(gòu)簡單，電路中無能量損耗元件。
文檔編號H02M3/10GK2580673SQ0226611
公開日2003年10月15日 申請日期2002年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月5日
發(fā)明者何湘寧 申請人:浙江大學(xué)