[發明專利]一種基于開關電容器的全橋DC/DC變換器及其調制策略

有效

• 申請號: 201811580213.0
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109698627B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 褚恩輝;盧萍;包建群;李思
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

本發明提供一種基于開關電容器的全橋DC/DC變換器及其調制策略，涉及直流變換器技術領域。變換器包括逆變橋、高頻變壓器、SCC輔助回路、整流網絡濾波電路、負載電路和直流電源。本變換器采用有輔助信號的雙極性PWM調制策略，主開關管和輔助開關管均按照相位差180°互補開通方式工作。本發明可實現全橋變換器主開關管的ZCS開通、ZVZCS關斷以及輔助開關管ZVZCS開通和ZVS關斷。有效降低了大功率場合下變壓器主開關管的關斷損耗；降低了環流損耗；降低了主開關管的電流應力及整流二極管的電壓應力；實現整流二極管的自然換流，避免了整流二極管反向恢復與寄生振蕩問題，簡化了拓撲結構，提高了變換效率。

技術領域

本發明屬于變換器技術領域，特別涉及一種基于開關電容器的全橋DC/DC變換器及其調制策略。

背景技術

DC/DC變換器技術是將不可調的直流電壓轉變為可調或固定的直流電壓，是一個用開關調節方式高效控制電能變換的技術，這種技術廣泛應用于各種開關電源、直流調速、燃料電池、太陽能供電和分布式電源系統中。由于現代電力電子裝置愈來愈趨向小型化和輕量化，因此變換器高頻化已成為其發展的重要趨勢。提高工作頻率有助于變換器提高性能，減小體積。但隨著開關頻率的不斷提高，開關損耗也將成比例地增加。另外，噪聲污染和電磁干擾(EMI)問題也變得日益突出。針對以上問題，軟開關技術被引入直流變換器。隨著軟開關變換技術的不斷發展，各種軟開關變換器拓撲結構先后出現。在眾多軟開關變換拓撲中，全橋變換器由于主功率開關器件電壓應力低的特點，更適用于大功率場合，因此受到世界各國相關領域研究人員的普遍關注。

1988年，R.A.Fisher提出了移相全橋ZVS直流變換器，并制作出了工作頻率為500kHz的直流變換器。由于其效率高、磁芯利用率高等優點得到十分廣泛的應用，但是存在輕載條件下難以實現滯后管ZVS開關，一次側存在大環流的問題。針對以上問題，20世紀90年代中期，學者提出移相全橋ZVZCS變換器，通過在超前管和滯后管之間串聯飽和電感及隔直電容、整流橋后并聯能量緩沖回路、并聯有源箝位回路等措施實現全橋變換器的ZVZCS軟開關。此類拓撲雖然解決了滯后管的軟開關、一次側大環流問題，但是各種輔助回路的引入帶來了新的缺點：飽和電抗器的使用將在飽和鐵心中產生額外的電能損耗和發熱；能量緩沖回路的使用增加了電流尖峰及整流管的電壓應力；有源箝位回路中電容并聯在整流二極管側，增大二極管電壓應力，存在二極管反向恢復問題；高壓大功率場合下，超前管存在較大關斷損耗。

“IEEE Transactions on Power Electronics”2014年第29卷第3期公開了“一種采用簡單輔助回路的新型ZCS-PWM全橋DC-DC變換器”，采用移相調制策略，原邊添加有源輔助回路實現了超前管的ZCS開關，副邊添加簡單能量緩沖回路實現了滯后管的ZCS開關。拓撲結構復雜，環流損耗較大，而且功率器件的電壓電流應力較高。

“IEEE Transactions on Power Electronics”1988年第3卷第4期公開了“一種調節諧振變換器的新方法”，提出了開關電容器(switch-controlled capacitor,SCC)輔助結構，但是該采用調節諧振頻率仍然無法很好的實現開關管的零電流開關。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種基于開關電容器的全橋DC/DC變換器及其調制策略，實現了全橋主開關管的ZCS開通、ZVZCS關斷以及輔助開關管的ZVZCS開通和ZVS關斷，降低了環流損耗，降低了變換器主開關管電流應力，降低了整流二極管電壓應力，解決了整流二極管的反向恢復和寄生振蕩問題。可以在高電壓的大功率場合實現寬負載范圍的高效電能變換。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種基于開關電容器的全橋DC/DC變換器包括：逆變橋、高頻變壓器、SCC輔助回路、整流網絡、濾波電路、負載電路和直流電源。