《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》是珠海泰坦新能源系統有限公司於2011年7月12日申請的專利，該專利的公布號為CN102237799A，申請號為2011101943875，授權公布日為2011年11月9日，發明人是李永富。
《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》公開了一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器，該變換器可以避免負載出現過載或短路時主開關管失去零電壓開通，主開關管電流應力過高以及諧振電容兩端電壓應力過高的問題。該發明包括輸入直流電源（Vin）、分壓電路（1）、第一逆變橋臂（2）、第二逆變橋臂（3）、諧振電路（4）、隔離變壓器（5）、整流濾波電路（6）、輔助變壓器及輔助整流電路（7），所述諧振電路（4）包括諧振電容諧振電感和勵磁電感，由於在諧振電容兩端並聯了輔助變壓器，並通過副邊整流電路將諧振電容兩端電壓箝位到輸入直流電源，達到了抑制諧振變換器負載過重或短路時諧振電容兩端電壓過高以及開關管電流應力可控的目的。
2018年12月20日，《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名： 一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器
- 公告號：CN102237799A
- 授權日：2011年11月9日
- 申請號：2011101943875
- 申請日：2011年7月12日
- 申請人：珠海泰坦新能源系統有限公司
- 地址：廣東省珠海市石花西路60號
- 發明人：李永富
- Int.Cl.：H02M3/335(2006.01)I; H02M7/483(2007.01)I; H02M1/32(2007.01)I
- 代理機構：廣州市紅荔專利代理有限公司
- 代理人：王賢義
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2011年7月12日，三電平直流變換器由於其開關管電壓應力僅為輸入電壓的一半，在高壓場合的套用受到了廣泛的關注。為了提高效率和減小變換器裝置的體積和重量，將LLC諧振技術與三電平相結合組成的直流變換器可以套用於高壓大功率場合且具有軟開關的特性，已成為直流變換器在高壓大功率場合採用的主要拓撲結構之一，將得到進一步的套用和發展。
如圖1所示的三電平全橋LLC諧振變換器是一種諧振變換器，該變換器的主開關管工作在零電壓開通，且副邊整流二極體工作在零電流關斷。雖然三電平全橋LLC諧振變換器具有如上所述的優點，然而在三電平全橋LLC諧振變換器負載過載或短路時，主開關管失去零電壓開通，主開關管電流應力過高，諧振電容兩端的電壓會有急劇的突變，從而使得諧振電容兩端的電壓增大，當其兩端的電壓超出諧振電容的額定電壓時，會使諧振電容損壞甚至爆炸以及出現開關管損壞的情況發生，因而一般情況下，諧振電容的耐壓值需要選取的較大，這一方面增大了裝置體積，另一方面也增加了成本。
發明內容
專利目的
《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》所要解決的問題是克服上述技術的缺陷，提供一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器，該變換器可以避免負載出現過載或短路時主開關管失去零電壓開通，主開關管電流應力過高以及諧振電容兩端電壓應力過高的問題。
技術方案
《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》的技術方案是：《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》涉及的諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器，包括輸入直流電源、分壓電路、第一逆變橋臂、第二逆變橋臂、諧振電路、隔離變壓器和整流濾波電路，所述分壓電路由第一輸入分壓電容和第二輸入分壓電容串聯組成且並聯在直流電源正負輸出端；所述第一逆變橋臂和第二逆變橋臂並聯於分壓電路的兩端組成三電平全橋電路，所述三電平全橋電路的輸出端連線諧振電路，所述諧振電路包括相串聯的諧振電容、諧振電感和勵磁電感；所述隔離變壓器的原邊並聯於勵磁電感上，副邊接入所述整流濾波電路，所述諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器還包括輔助變壓器及輔助整流電路，所述輔助變壓器及輔助整流電路包括輔助變壓器和輔助整流電路，輔助變壓器原邊並聯於諧振電容的兩側，副邊與所述輔助整流電路相連後與輸入直流電源兩端相連。
進一步具體來說，所述第一逆變橋臂包括第一三電平逆變橋臂和第一箝位電路，所述第一三電平逆變橋臂包括第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管依次串聯組成，所述第一逆變橋臂並聯在分壓電路兩輸出端，所述第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管各自並聯一個晶體二極體和一個寄生電容，第一箝位電路包括第一二極體、第二二極體，所述第一二極體陽極連線於所述第一輸入分壓電容和第二輸入分壓電容的串聯點，所述第一二極體陰極連線第一開關管源極與第二開關管漏極的接點，第二二極體陰極連線於所述第一輸入分壓電容和第二輸入分壓電容的串聯點，陽極連線第三開關管源極與第四開關管漏極的接點。
進一步，所述第二逆變橋臂包括第二三電平逆變橋臂和第二箝位電路，所述第二三電平逆變橋臂包括第五開關管、第六開關管、第七開關管、第八開關管依次串聯組成，所述第二三電平逆變橋臂並聯在分壓電路兩輸出端，所述第五開關管、第六開關管、第七開關管、第八開關管各自並聯一個體二極體和一個寄生電容，第二箝位電路包括第三二極體、第四二極體，所述第三二極體陽極連線於所述第一輸入分壓電容和第二輸入分壓電容的串聯點，所述第三二極體陰極連線所述第五開關管源極與第六開關管漏極的接點，所述第四二極體陰極連線於第一輸入分壓電容和第二輸入分壓電容的串聯點，所述第四二極體陽極連線第七開關管源極與第八開關管漏極的接點。
具體實施中，所述整流濾波電路為全橋整流電路或者中心抽頭全波整流電路。
具體實施中，所述輔助整流電路為全橋整流電路或者中心抽頭全波整流電路。
改善效果
《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》的有益效果是：由於《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》包括輸入直流電源、分壓電路、第一逆變橋臂、第二逆變橋臂、諧振電路、隔離變壓器、整流濾波電路、輔助變壓器及輔助整流電路，所述諧振電路包括諧振電容諧振電感和勵磁電感，由於在諧振電容兩端並聯了輔助變壓器，並通過副邊整流電路將諧振電容兩端電壓箝位到輸入直流電源，達到了抑制諧振變換器負載過重或短路時諧振電容兩端電壓過高的目的，並且在主電路參數確定的情況下，諧振變換器出現輸出短路時，開關管電流應力可以由輸入直流電壓和箝位電路共同控制，以達到開關管電流應力可控的目的。所述《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》可以解決避免負載出現過載或短路時主開關管失去零電壓開通，主開關管電流應力過高以及諧振電容兩端電壓應力過高的問題。
附圖說明
圖1為截至2011年7月12日的三電平諧振變換器電路結構示意圖；
圖2為《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》的諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器電路結構示意圖；
圖3為《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》的諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器主要波形圖；
圖4~圖9為《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》的諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器在不同工作模式下的工作原理圖。
技術領域
《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》涉及直流變換技術領域，尤其涉及一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器。
權利要求
1.一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器，包括輸入直流電源（Vin）、分壓電路（1）、第一逆變橋臂（2）、第二逆變橋臂（3）、諧振電路（4）、隔離變壓器（5）和整流濾波電路（6），所述分壓電路（1）由第一輸入分壓電容（C1）和第二輸入分壓電容（C2）串聯組成且並聯在直流電源（Vin）正負輸出端；所述第一逆變橋臂（2）和第二逆變橋臂（3）並聯於分壓電路（1）的兩端組成三電平全橋電路，所述三電平全橋電路的輸出端連線諧振電路（4），所述諧振電路（4）包括相串聯的諧振電容（CS）、諧振電感（LS）和勵磁電感（Lm）；所述隔離變壓器（5）的原邊並聯於勵磁電感（Lm）上，副邊接入所述整流濾波電路（6），其特徵在於：所述諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器還包括輔助變壓器及輔助整流電路（7），所述輔助變壓器及輔助整流電路（7）包括輔助變壓器和輔助整流電路，輔助變壓器原邊並聯於諧振電容（CS）的兩側，副邊與所述輔助整流電路相連後與輸入直流電源（Vin）兩端相連。
2.根據權利要求1所述的一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器，其特徵在於：所述第一逆變橋臂（2）包括第一三電平逆變橋臂和第一箝位電路，所述第一三電平逆變橋臂包括第一開關管（VS1）、第二開關管（VS2）、第三開關管（VS3）、第四開關管（VS4）依次串聯組成，所述第一逆變橋臂（2）並聯在分壓電路（1）兩輸出端，所述第一開關管（VS1）、第二開關管（VS2）、第三開關管（VS3）、第四開關管（VS4）各自並聯一個晶體二極體和一個寄生電容，第一箝位電路包括第一二極體（D1）、第二二極體（D2），所述第一二極體（D1）陽極連線於所述第一輸入分壓電容（C1）和第二輸入分壓電容（C2）的串聯點，所述第一二極體（D1）陰極連線第一開關管（VS1）源極與第二開關管（VS2）漏極的接點，第二二極體（D2）陰極連線於所述第一輸入分壓電容（C1）和第二輸入分壓電容（C2）的串聯點，陽極連線第三開關管（VS3）源極與第四開關管（VS4）漏極的接點。
3.根據權利要求1所述的一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器，其特徵在於：所述第二逆變橋臂（3）包括第二三電平逆變橋臂和第二箝位電路，所述第二三電平逆變橋臂包括第五開關管（VS5）、第六開關管（VS6）、第七開關管（VS7）、第八開關管（VS8）依次串聯組成，所述第二三電平逆變橋臂並聯在分壓電路（1）兩輸出端，所述第五開關管（VS5）、第六開關管（VS6）、第七開關管（VS7）、第八開關管（VS8）各自並聯一個體二極體和一個寄生電容，第二箝位電路包括第三二極體（D3）、第四二極體（D4），所述第三二極體（D3）陽極連線於所述第一輸入分壓電容（C1）和第二輸入分壓電容（C2）的串聯點，所述第三二極體（D3）陰極連線所述第五開關管（VS5）源極與第六開關管（VS6）漏極的接點，所述第四二極體（D4）陰極連線於第一輸入分壓電容（C1）和第二輸入分壓電容（C2）的串聯點，所述第四二極體（D4）陽極連線第七開關管（VS7）源極與第八開關管（VS8）漏極的接點。
4.根據權利要求1所述的一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器，其特徵在於：所述整流濾波電路（6）為全橋整流電路或者中心抽頭全波整流電路。
5.根據權利要求1所述的一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器，其特徵在於：所述輔助整流電路為全橋整流電路或者中心抽頭全波整流電路。
實施方式
下面以實施例的具體實施方式來對《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》做進一步論述：當三電平諧振變換器負載過載或短路時，通過《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》輔助變壓器和輔助整流電路的箝位作用將諧振電容的電壓箝位在輸入電壓或者相對應的電壓值，從而避免了主開關管失去零電壓開通，抑制了主開關管電流應力過大，達到對原邊電流可控的目的，並且可以取較小的諧振電容耐壓值以節省成本和減小裝置體積。
如圖2所示，《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》包括輸入直流電源Vin、分壓電路1、第一逆變橋臂2、第二逆變橋臂3、諧振電路4、隔離變壓器5、整流濾波電路6、輔助變壓器及輔助整流電路7，所述分壓電路1包括第一輸入分壓電容C1和第二輸入分壓電容C2串聯組成，所述分壓電路1並聯在直流電源Vin正負輸出端，所述第一逆變橋臂2包括第一三電平逆變橋臂和第一箝位電路，所述第一三電平逆變橋臂包括第一開關管VS1、第二開關管VS2、第三開關管VS3、第四開關管VS4依次串聯組成，所述第一逆變橋臂2並聯在分壓電路1兩輸出端，所述第一開關管VS1、第二開關管VS2、第三開關管VS3、第四開關管VS4各自並聯一個晶體二極體和一個寄生電容，第一箝位電路包括第一二極體D1、第二二極體D2，所述第一二極體D1陽極連線於所述第一輸入分壓電容C1和第二輸入分壓電容C2的串聯點，所述第一二極體D1陰極連線第一開關管VS1源極與第二開關管VS2漏極的接點之間，第二二極體D2陰極連線於所述第一輸入分壓電容C1和第二輸入分壓電容C2的串聯點，陽極連線第三開關管VS3源極與第四開關管VS4漏極的接點之間；所述第二逆變橋臂3包括第二三電平逆變橋臂和第二箝位電路，所述第二三電平逆變橋臂由第五開關管VS5、第六開關管VS6、第七開關管VS7、第八開關管VS8依次串聯組成，並聯在分壓電路1兩輸出端，所述第五開關管VS5、第六開關管VS6、第七開關管VS7、第八開關管VS8各自並聯一個體二極體和一個寄生電容，第二箝位電路包括第三二極體D3、第四二極體D4，所述第三二極體D3陽極連線於所述第一輸入分壓電容C1和第二輸入分壓電容C2的串聯點，所述第三二極體D3陰極連線所述第五開關管VS5源極與第六開關管VS6漏極的接點，所述第四二極體D4陰極連線於第一輸入分壓電容C1和第二輸入分壓電容C2的串聯點，陽極連線第七開關管VS7源極與第八開關管VS8漏極的接點；所述諧振電路4包括諧振電容CS、諧振電感LS和勵磁電感Lm，所述諧振電感LS一端連線所述第二開關管VS2源極與第三開關管VS3漏極的接點，所述諧振電感LS另一端與所述諧振電容CS相連，所述諧振電容CS一端與諧振電感LS相連，另一端與所述隔離變壓器5原邊的同名端相連，所述勵磁電感Lm並聯在所述隔離變壓器5的原邊；所述隔離變壓器5的原邊同名端與所述諧振電容CS相連，所述隔離變壓器5的異名端與所述第六開關管VS6源極與所述第七開關管VS7漏極的接點相連，所述隔離變壓器5的副邊包括兩個相同匝數的副邊繞組相串聯，所述兩個副邊繞組的串聯點與所述整流濾波電路6的負端相連，另外兩個不相連的端子分別與整流濾波電路6的兩個全波兩個正端相連；所述輔助變壓器及輔助整流電路7包括輔助變壓器和輔助整流電路，輔助變壓器原邊並聯於諧振電容CS兩側，副邊與輔助整流電路相連後與輸入直流電源兩端相連。
上述附圖2為《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》所述的諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器電路結構示意圖，為了更好的對圖2中的三電平諧振變換器的工作原理進行分析，首先描述基本三電平全橋諧振變換器的工作原理，一個開關周期可以分成10個工作模式，相應的波形如圖3所示，10個工作模式的工作原理分別描述如下：
模式1[t0，t1]，如圖4所示：在t0時刻，VS1、VS2、VS7、VS8同時開通。諧振網路中的一次電流ip流經上述開關管，並以正弦規律正向增加到最大然後減小，流過電感Lm的電流線性增加；同時副邊二極體D21正嚮導通，其流過的電流取決於一次電流ip和勵磁電流im之差。
模式2[t1，t2]，如圖5所示：在t1時刻，諧振電感Ls的電流ip與電感Lm的電流im相等，變壓器原邊電流將為零，副邊電流也降為零，副邊整流二極體D21零電流關斷。此時勵磁電感Lm脫離輸出電壓的箝位作用，參與諧振電容CS和諧振電感LS三者之間的諧振過程。由於Lm比LS大很多，諧振周期較長，在t1~t2內，可近似認為諧振電流不變。
模式3[t2，t3]，如圖6所示：在t2時刻，VS1和VS8先於VS2和VS7關斷。一次諧振電流ip開始對VS1和VS8的寄生電容COSS1和COSS8（其中VS1至VS8的寄生電容分別為COSS1…CCOSS8，圖中未示出）進行充電，同時對VS4和VS5的寄生電容COSS4和COSS5進行放電，因此上述開關管的寄生電容也參與了諧振過程。
模式4[t3，t4]，如圖7所示：在t3時刻，寄生電容COSS1和COSS8上的電壓上升到了Vin/2，箝位二極體D1和D4導通，從而限制了電壓進一步上升；同時寄生電容COSS4和COSS5上的電壓也被箝位為零。此時一次諧振電流流經VS2、VS7和D1、D4。
模式5[t4，t5]，如圖8所示：在t4時刻，開關管VS2和VS7關斷。此時諧振電流ip開始對寄生電容COSS2和COSS7進行充電，同時對寄生電容COSS3和COSS6進行放電。所以此階段上述四個寄生電容也參與了諧振過程。與此同時VS4和VS5的寄生二極體導通，不但提供了反向的電壓偏置，使二次整流二極體D22導通，勵磁電感Lm被輸出電壓箝位從而脫離諧振網路。圖9為模式5結束時的等效電路圖，也可看作是下半個周期即將開始的電路狀態。
實際上，模式3~模式5的過程均非常短暫，三者時間相加之和約為幾十納秒。
在這一階段結束的t5時刻，COSS2和COSS7上的電壓為Vin/2，COSS3和COSS6上的電壓保持在零，諧振電流ip流經VS3~VS6的寄生二極體，從而滿足VS3~VS6零電壓開啟的條件。此時如果VS3~VS6的開通信號來臨，諧振變換器將進入後半個工作周期。由於後半個工作周期與前半個周期的模式相同，因而不再具體闡述。
在負載過載或短路情況下，諧振電容CS中保證勵磁電感的磁場能量和向負載提供電能的儲能將全部在諧振網路中循環，導致諧振電容兩端電壓應力很高，對諧振電容的耐壓值有很高的要求，勵磁電感Lm上的電流維持在短路前的數值不變，諧振變換器不再向負載傳遞電能，諧振電感LS電流上升到很高的水平，與諧振網路串聯且處於通態的主開關管將承受很高的電流應力，從而導致其永久失效甚至爆炸。具有諧振電容加輔助變壓器原邊箝位的三電平全橋諧振變換器，通過在諧振電容兩端並聯輔助變壓器並經輔助整流電路箝位到輸入電源兩端的方式，可以將諧振電容CS的電壓箝位在一個固定的電壓值，將諧振變換器因短路導致諧振網路過多的循環能量回饋到輸入網路，從而達到限制主開關管電流應力的目的，保護主開關管不至於永久失效，降低了諧振電容電壓應力的大小，減小了裝置的體積和節省了裝置的成本。
最後所應說明的是：以上實施例僅用以說明而非限制《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》的技術方案，儘管參照上述實施例對《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》進行了詳細說明，該領域的普通技術人員應當理解：依然可以對《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》進行修改或者等同替換，而不脫離《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》的精神和範圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》的權利要求範圍之中。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種諧振電容加變壓器原邊箝位的三電平諧振變換器》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
