一种升压半桥变换器及其控制方法与流程

本发明涉及一种变换器及其控制方法，尤其是一种升压半桥变换器及其控制方法。

背景技术：

近年来，燃料电池和光伏电池等可再生能源由于具有清洁、安全、无污染和可再生等优点，在分布式发电系统和电动汽车中得到广泛应用。在分布式发电系统中，光伏电池的输出通常是变化范围宽的直流电，且随负载和环境的变化而变化，因此，需要直流变换器具有低的输入电流脉动。在电动汽车领域中，往往需要将燃料电池或蓄电池提供的宽范围变化的直流电转换为较高电压的直流电，如380V。在宽输入电压范围的场合，传统电压源变换器存在输入电流脉动大和输出整流二极管电压应力高的问题，而传统电流源变换器存在开关管电压应力高和输出电流脉动大导致电容寿命短的问题。此外，现有三电平变换器存在输入电流脉动大和输入分压电容的均压问题。因此研究新型适合宽输入的变换器，有着重要的理论和现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中变换器的缺点，提出一种输入输出电流脉动小、整流二极管电压应力低、适合宽输入电压的升压半桥变换器及其控制方法。

本发明的升压半桥变换器，包括输入电源U_in、第一滤波电感L₁、第一桥臂支路1、第二桥臂支路2、第三桥臂支路3、分压电容支路4、第一隔离变压器T₁、第二隔离变压器T₂、第三隔离变压器T₃、第一全桥整流电路5、第二全桥整流电路6、第三全桥整流电路7和滤波电路8，其中第一桥臂支路1包括第一开关管S₁和第二开关管S₂，第二桥臂支路2包括第三开关管S₃和第四开关管S₄，第三桥臂支路3包括第五开关管S₅和第六开关管S₆，分压电容支路4包括第一电容C₁和第二电容C₂，第一全桥整流电路5包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄，第二全桥整流电路6包括第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇和第八二极管D₈，第三全桥整流电路7包括第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁和第十二二极管D₁₂，滤波电路8包括第二滤波电感L₂和滤波电容C_f。具体拓扑结构为：输入电源U_in的正极连接第一滤波电感L₁的一端，输入电源U_in的负极分别连接第二开关管S₂的一端、第四开关管S₄的一端、第六开关管S₆的一端和第二电容C₂的负端构成分压电容支路4的负端，第二电容C₂的正端分别连接第一隔离变压器T₁原边绕组N_P1的异名端、第二隔离变压器T₂原边绕组N_P2的异名端和第三隔离变压器T₃原边绕组N_P3的异名端和第一电容C₁的负端，第一电容C₁的正端分别连接第一开关管S₁的一端、第三开关管S₃的一端和第五开关管S₅的一端构成分压电容支路4的正端，第一滤波电感L₁的另一端分别连接第一开关管S₁的另一端、第二开关管S₂的另一端和第一隔离变压器T₁原边绕组N_P1的同名端，第二隔离变压器T₂原边绕组N_P2的异名端分别连接第三开关管S₃的另一端和第四开关管S₄的另一端，第三隔离变压器T₃原边绕组N_P3的异名端分别连接第五开关管S₅的另一端和第六开关管S₆的另一端；第一隔离变压器T₁副边绕组N_S1的同名端连接第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阴极，第一隔离变压器T₁副边绕组N_S1的异名端连接第三二极管D₃的阳极和第四二极管D₄的阴极；第二隔离变压器T₂副边绕组N_S2的同名端连接第五二极管D₅的阳极和第六二极管D₆的阴极，第二隔离变压器T₂副边绕组N_S2的异名端连接第七二极管D₇的阳极和第八二极管D₈的阴极；第三隔离变压器T₃副边绕组N_S3的同名端连接第九二极管D₉的阳极和第十二极管D₁₀的阴极，第三隔离变压器T₃副边绕组N_S3的异名端连接第十一二极管D₁₁的阳极和第十二二极管D₁₂的阴极；第一二极管D₁的阴极连接第三二极管D₃的阴极构成第一全桥整流电路5的正端，第二二极管D₂的阳极连接第四二极管D₄的阳极构成第一全桥整流电路5的负端；第五二极管D₅的阴极连接第七二极管D₇的阴极构成第二全桥整流电路6的正端，第六二极管D₆的阳极连接第八二极管D₈的阳极构成第二全桥整流电路6的负端；第九二极管D₉的阴极连接第十一二极管D₁₁的阴极构成第三全桥整流电路7的正端，第十二极管D₁₀的阳极连接第十二二极管D₁₂的阳极构成第三全桥整流电路7的负端；第一全桥整流电路5的负端连接第二全桥整流电路6的正端；第二全桥整流电路6的负端连接第三全桥整流电路7的正端；第二滤波电感L₂的一端连接第一全桥整流电路5的正端，第二滤波电感L₂的另一端连接滤波电容C_f的正端，滤波电容C_f的负端连接第三全桥整流电路7的负端；第一～第六开关管均具有反并联二极管。

第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。输入电源U_in为蓄电池、燃料电池或光伏电池中的一种。所述第一～第十二二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。第一和第二电容为电解电容或无极性电容。

本发明的升压半桥变换器的控制方法：采用脉冲宽度调制(PWM)控制；第一开关管S₁和第二开关管S₂互补开通关断；第三开关管S₃和第四开关管S₄互补开通关断；第五开关管S₅和第六开关管S₆互补开通关断。

第一开关管S₁、第三开关管S₃和第五开关管S₅的驱动信号相差120°；第二开关管S₂、第四开关管S₄和第六开关管S₆的驱动信号相差120°。

本发明的变换器通过调节第二开关管S₂的占空比d来稳定输出电压U_o，其中，第二开关管S₂的占空比d是其导通时间与开关周期之比。

本发明的升压半桥变换器适用于宽输入电压的场合，其输入和输出电流的脉动小，有利于延长输入电源的使用寿命，减小了滤波电感的重量和体积，减小了开关管和整流二极管的电压应力，解决了传统电压源变换器二极管电压应力高的问题，解决了电流源变换器开关管电压应力高和输出电流脉动大的问题。

附图说明

图1：本发明的升压半桥变换器的拓扑结构图。

具体实施方式

由图1可知，本申请的升压半桥变换器，包括输入电源U_in、第一滤波电感L₁、第一桥臂支路1、第二桥臂支路2、第三桥臂支路3、分压电容支路4、第一隔离变压器T₁、第二隔离变压器T₂、第三隔离变压器T₃、第一全桥整流电路5、第二全桥整流电路6、第三全桥整流电路7和滤波电路8，其中第一桥臂支路1包括第一开关管S₁和第二开关管S₂，第二桥臂支路2包括第三开关管S₃和第四开关管S₄，第三桥臂支路3包括第五开关管S₅和第六开关管S₆，分压电容支路4包括第一电容C₁和第二电容C₂，第一全桥整流电路5包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄，第二全桥整流电路6包括第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇和第八二极管D₈，第三全桥整流电路7包括第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁和第十二二极管D₁₂，滤波电路8包括第二滤波电感L₂和滤波电容C_f。具体拓扑结构为：输入电源U_in的正极连接第一滤波电感L₁的一端，输入电源U_in的负极分别连接第二开关管S₂的一端、第四开关管S₄的一端、第六开关管S₆的一端和第二电容C₂的负端构成分压电容支路4的负端，第二电容C₂的正端分别连接第一隔离变压器T₁原边绕组N_P1的异名端、第二隔离变压器T₂原边绕组N_P2的异名端和第三隔离变压器T₃原边绕组N_P3的异名端和第一电容C₁的负端，第一电容C₁的正端分别连接第一开关管S₁的一端、第三开关管S₃的一端和第五开关管S₅的一端构成分压电容支路4的正端，第一滤波电感L₁的另一端分别连接第一开关管S₁的另一端、第二开关管S₂的另一端和第一隔离变压器T₁原边绕组N_P1的同名端，第二隔离变压器T₂原边绕组N_P2的异名端分别连接第三开关管S₃的另一端和第四开关管S₄的另一端，第三隔离变压器T₃原边绕组N_P3的异名端分别连接第五开关管S₅的另一端和第六开关管S₆的另一端；第一隔离变压器T₁副边绕组N_S1的同名端连接第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阴极，第一隔离变压器T₁副边绕组N_S1的异名端连接第三二极管D₃的阳极和第四二极管D₄的阴极；第二隔离变压器T₂副边绕组N_S2的同名端连接第五二极管D₅的阳极和第六二极管D₆的阴极，第二隔离变压器T₂副边绕组N_S2的异名端连接第七二极管D₇的阳极和第八二极管D₈的阴极；第三隔离变压器T₃副边绕组N_S3的同名端连接第九二极管D₉的阳极和第十二极管D₁₀的阴极，第三隔离变压器T₃副边绕组N_S3的异名端连接第十一二极管D₁₁的阳极和第十二二极管D₁₂的阴极；第一二极管D₁的阴极连接第三二极管D₃的阴极构成第一全桥整流电路5的正端，第二二极管D₂的阳极连接第四二极管D₄的阳极构成第一全桥整流电路5的负端；第五二极管D₅的阴极连接第七二极管D₇的阴极构成第二全桥整流电路6的正端，第六二极管D₆的阳极连接第八二极管D₈的阳极构成第二全桥整流电路6的负端；第九二极管D₉的阴极连接第十一二极管D₁₁的阴极构成第三全桥整流电路7的正端，第十二极管D₁₀的阳极连接第十二二极管D₁₂的阳极构成第三全桥整流电路7的负端；第一全桥整流电路5的负端连接第二全桥整流电路6的正端；第二全桥整流电路6的负端连接第三全桥整流电路7的正端；第二滤波电感L₂的一端连接第一全桥整流电路5的正端，第二滤波电感L₂的另一端连接滤波电容C_f的正端，滤波电容C_f的负端连接第三全桥整流电路7的负端；第一～第六开关管均具有反并联二极管。

第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。输入电源U_in为蓄电池、燃料电池或光伏电池中的一种。所述第一～第十二二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。第一和第二电容为电解电容或无极性电容。

本申请的升压半桥变换器的控制方法：采用脉冲宽度调制(PWM)控制；第一开关管S₁和第二开关管S₂互补开通关断；第三开关管S₃和第四开关管S₄互补开通关断；第五开关管S₅和第六开关管S₆互补开通关断。

第一开关管S₁、第三开关管S₃和第五开关管S₅的驱动信号相差120°；第二开关管S₂、第四开关管S₄和第六开关管S₆的驱动信号相差120°。

本申请的变换器通过调节第二开关管S₂的占空比d来稳定输出电压U_o，其中，第二开关管S₂的占空比d是其导通时间与开关周期之比。

在分析之前，作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件；③第一电容C₁和第二电容C₂足够大。

本申请的变换器第一电容C₁的电压U_C1等于dU_in/(1-d)；第二电容C₂的电压U_C2等于U_in。

本申请的变换器第一电容C₁和第二电容C₂电压的脉动频率是开关频率的3倍；输出整流电压U_AB的脉动频率也是开关频率的3倍。

本申请的变换器输入电压和输出电压的关系为：U_o＝6ndU_in，其中，n是变压器的副原边匝数比。

本申请的变换器在不同的占空比d下，输出整流电压U_AB具有以下几种情况：

1、当占空比d等于0时，U_AB为0。

2、当占空比d小于等于1/3时，U_AB存在两种电平，一种为nU_in+2ndU_in/(1-d)，一种为3ndU_in/(1-d)。

3、当占空比d大于1/3且小于等于2/3时，U_AB存在两种电平，一种为2nU_in+ndU_in/(1-d)，一种为nU_in+2ndU_in/(1-d)。

4、当占空比d大于2/3且小于1时，U_AB存在两种电平，一种为3nU_in，一种为2nU_in+ndU_in/(1-d)。