一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器的制作方法
专利名称：一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全桥变换器，尤其是涉及一种具有无源无损钳位电路的全桥变 换器。
背景技术：
目前，针对全桥变换器中整流二极管的电压钳位技术可以分为三大类有源钳 位技术、无源有损钳位技术、无源无损钳位技术。有源钳位技术一般包括可控开关和电容构成钳位电路。在抑制振荡电压的同 时，由于没有电阻，因此损耗很小。但由于其采用了开关管，因此增加了系统的控制复 杂度，降低了系统的可靠性。所以，在大功率场合，一般不宜采用此方法。无源有损钳位技术一般使用电容、二极管、电阻构成RCD钳位电路。虽然 RCD钳位电路可以很好的钳位二极管的电压应力，然而在大功率宽输入电压场合，电阻 上的损耗非常大，因此降低了系统的效率。无源无损钳位技术一般使用二极管和电容构成无损无源钳位电路。由于采用 了无源器件，因此可靠性更高；同时没有电阻，因此提高了系统的效率。但传统的无损 无源钳位电路在低占空比的工况下钳位效果不理想，甚至无法工作。对宽输入电压、高 输出电压的全桥变换器并不适用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种效率高、可靠 性高的具有无源无损钳位电路的全桥变换器。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，包括逆变桥、高频变 压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器 组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路依次连接。所述的逆变桥为单组全桥结构或三组全桥结构。所述的高频变压器组设有三组，为第一高频变压器、第二高频变压器、第三高 频变压器，所述的第一高频变压器、第二高频变压器及第三高频变压器的原边共用一个 绕组，副边为三个独立绕组；对于三组高频变压器，或采用独立的拓扑结构，每组变压 器的原边绕组和副边绕组都是独立的，不共用。所述的高压变压器组由副边三个绕组并联的变压器构成。所述的第一高频变压器与第三高频变压器的变比相同，所述的第一高频变压器 与第二高频变压器的变比不同。6.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在 于，所述的全桥整流桥堆为三组全桥整流桥串联而成。所述的无源无损钳位电路由六个二极管和六个电容组成，用于钳位全桥整流桥堆输出的电压应力。所述的二极管为高压二极管，每两个二极管串联后并联在全桥整流桥堆的输出端。所述的电容为高频电容，三个电容两端并联在全桥整流桥堆的输出端，其余三 个电容一端接在全桥整流桥堆的输出端、另一端接在两个串联二极管之间。所述的滤波电路包括滤波电感、滤波电容，滤波电感采用不同的电感值。与现有技术相比，本发明具有以下优点1)更适合高压、大功率的功率变换器应用场合；同时，变换器的拓扑结构也有 利于系统的散热，提高系统的可靠性。2)三组高频变压器采用不同的变比结构。由于三组高频变压器采用不同的变比 结构，通过对变压器的变比和漏感进行优化，可以最大限度的提高系统的工作范围，并 最大限度地钳位整流二极管的电压应力。3)整流二极管电压应力钳位电路，由于只有二极管和电容构成，没有有损元件 电阻，因此可以提高系统的工作效率；由于没有有源元件开关管，可以提高系统工作的 可靠性。4)多组滤波电路，多组滤波电路中的滤波电感采用不同的电感值，并通过对每 组电感的电感值进行优化，可以消除电路内部的不均衡电流。5)本发明的电路拓扑和钳位电路适合于宽输入电压，高输出电压，大功率直流 变换场合使用。
图1为本发明的结构框图；图2为本发明的拓扑电路结构示意图；图3为本发明的另一种拓扑电路结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1、图2所示，一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，包括逆变桥1、 高频变压器组2、全桥整流桥堆3、无源无损钳位电路4、滤波电路5，所述的逆变桥1、 高频变压器组2、全桥整流桥堆3、无源无损钳位电路4、滤波电路5依次连接。所述的用于电压逆变的逆变桥1，输入端与电源相连接，输出端与高频变压器相 连接。所述的不同变压器变比的高频变压器组2，原边与逆变桥的输出相连，副边分别与 三组整流桥相连接。三组变压器的变比是不同的，同时，每组变压器的漏感也不同。变 压器变比和漏感经过优化后可以使电路工作性能(电路占空比工作范围和整流二极管电 压应力钳位效果)达到最佳。所述的三组全桥整流桥堆3，其中每组全桥整流桥堆由四个 二极管构成全桥整流，一端接高频变压器的输出端，另外一端接后级的无源无损钳位电 路4和滤波电路5。所述的用于钳位整流二极管电压应力的无源无损钳位电路4由二极管 和电容构成，一端接整流桥的输出，另一端滤波电路4。所述的三组滤波电路5，包括滤波电感和滤波电容，其中三组滤波电感的电感值不同。如图1，1表示用于电压逆变的逆变桥，将直流电压转换成脉动电压，具体拓扑 如图2中Sl S4所示。图2所示的用于电压逆变的逆变桥是单组的，也可以采用三组 的拓扑结构。&(χ为0 3)表示三组高频变压器，其中20和22采用相同的变压器变 比，21的变压器变比与20、22不同，假设20和22的变压器变比为1 n，21的变压器 变比为1 kn。为了能最大限度地钳位整流二极管的电压应力，首先要确定输入电压的 变化范围，从而确定电路工作时的最小占空比Dmm。在确定电路最小占空比的情况下， 计算三组整流二极管的电压应力，三组整流二极管的电压应力是关于k的函数，其中第 一组和第三组整流二极管的电压应力为2V。/ (2+k) D-V0和V。/ (2+k) D的较大者，第二组整 流二极管的电压应力为(2k-kD_D) V。/(2+k)D和V。k/(2+k)D的较大者。其中V。为输出 电压，D为电路的占空比。以求三组整流二极管的电压应力的最小值为目标，可以求得 对应的k值，即可以求得变压器的变比。以Dmm= 1/3为例，k = 5/6，此时整流二极 管的电压应力理论值Vp = (19/17) V。； Dmin = 1/4时，k = 5/8，此时整流二极管的电压 应力理论值Vp= (43/21) V。；当Vp = V。时，A = (V^-I)/2 & 0.823。高频变压器的具体拓 扑如图2中Tl T3所示，图2所示的三组高频变压器是共用一个铁芯结构的，即三组高 频变压器的原边是共用的。对于三组高频变压器，也可以采用独立的拓扑结构，即三组 高频变压器是独立的，每组变压器的原边绕组和副边绕组都是独立的，不共用。3x(x为 0 3)表示三组采用全桥整流方式的整流桥，三组整流桥的连接方式采用串联结构。具 体拓扑如图2中Dl D12所示。4表示无损无源钳位电路，由二极管和电容构成。钳 位电路的拓扑与滤波电路的拓扑结构有关，当滤波电路的拓扑结构为图2所示时，钳位 电路的拓扑为如图2中所示，二极管DC1 DC3、Dsi Ds3和电容Cci Cc3、Csi Cs3 构成无损无源钳位电路；当滤波电路的拓扑结构为图3所示时，钳位电路的拓扑为如图3 中所示，二极管Dci DC3、Dsi Ds3和电容Cci Cc3、Csi Cs3构成无损无源钳位电 路。以图2中的钳位电路为例，其中Dei，Dsi，Cei和Csi构成的钳位电路用于钳位第一 组整流二极管(D1 D4)的电压应力；Dc2，Ds2，Cc2和Cs2构成的钳位电路用于钳位第 二组整流二极管(D5 D8)的电压应力；Dc3，Ds3，Cc3和Cs3构成的钳位电路用于钳位 第三组整流二极管(D9 D12)的电压应力。5χ (χ为0 3)表示三组滤波电路，三组滤 波电路的连接方式采用串联结构，具体拓扑如图2，由滤波电感Lfx(x为0 3)和滤波电 容CfxOc为0 3)构成。为了消除电路内部的不均衡电流，三组滤波电感的电感量是不 同的，BPLf2 = JcLfl=IcLf30在轨道车辆牵引系统中，由于新能源器件(如超级电容)的电压输出特性很软， 对功率变换器提出了一些新的挑战，要求功率变换器的输入电压变换范围很宽。然而， 对于此种工况下的全桥直流变换器的整流二极管，整流二极管在关断的开始阶段承受很 高的振荡电压应力。尤其是在宽输入电压和高输出电压场合，对整流二极管的耐压要求 非常高。因此需要发明合适的拓扑结构和合适的钳位电路来解决此问题。本发明正是基 于这个问题而创造的，适合于宽输入电压，高输出电压的大功率直流功率变换场合。
权利要求
1.一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，包括逆变桥、高频变压 器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器组、 全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的逆变桥为单组全桥结构或三组全桥结构。
3.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的高频变压器组设有三组，为第一高频变压器、第二高频变压器、第三高频变压器， 所述的第一高频变压器、第二高频变压器及第三高频变压器的原边共用一个绕组，副边 为三个独立绕组；对于三组高频变压器，或采用独立的拓扑结构，每组变压器的原边绕 组和副边绕组都是独立的，不共用。
4.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的高压变压器组由副边三个绕组并联的变压器构成。
5.根据权利要求3所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的第一高频变压器与第三高频变压器的变比相同，所述的第一高频变压器与第二高频 变压器的变比不同。
6.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的全桥整流桥堆为三组全桥整流桥串联而成。
7.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的无源无损钳位电路由六个二极管和六个电容组成，用于钳位全桥整流桥堆输出的电 压应力。
8.根据权利要求7所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的二极管为高压二极管，每两个二极管串联后并联在全桥整流桥堆的输出端。
9.根据权利要求7所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的电容为高频电容，三个电容两端并联在全桥整流桥堆的输出端，其余三个电容一端 接在全桥整流桥堆的输出端、另一端接在两个串联二极管之间。
10.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于， 所述的滤波电路包括滤波电感、滤波电容，滤波电感采用不同的电感值。
全文摘要
本发明涉及一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，包括逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路依次连接。与现有技术相比，本发明具有效率高、可靠性高等优点。
文档编号H02M3/24GK102013805SQ20101059256
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者储剑灵, 姚勇涛, 张佳佳, 张逸成, 梁海泉, 沈小军, 沈玉琢, 湛凌威, 王兴, 范昊, 袁登科, 韦莉, 顾帅 申请人:上海同沪电气科技股份有限公司
技术领域：
本发明涉及一种全桥变换器，尤其是涉及一种具有无源无损钳位电路的全桥变 换器。
背景技术：
目前，针对全桥变换器中整流二极管的电压钳位技术可以分为三大类有源钳 位技术、无源有损钳位技术、无源无损钳位技术。有源钳位技术一般包括可控开关和电容构成钳位电路。在抑制振荡电压的同 时，由于没有电阻，因此损耗很小。但由于其采用了开关管，因此增加了系统的控制复 杂度，降低了系统的可靠性。所以，在大功率场合，一般不宜采用此方法。无源有损钳位技术一般使用电容、二极管、电阻构成RCD钳位电路。虽然 RCD钳位电路可以很好的钳位二极管的电压应力，然而在大功率宽输入电压场合，电阻 上的损耗非常大，因此降低了系统的效率。无源无损钳位技术一般使用二极管和电容构成无损无源钳位电路。由于采用 了无源器件，因此可靠性更高；同时没有电阻，因此提高了系统的效率。但传统的无损 无源钳位电路在低占空比的工况下钳位效果不理想，甚至无法工作。对宽输入电压、高 输出电压的全桥变换器并不适用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种效率高、可靠 性高的具有无源无损钳位电路的全桥变换器。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，包括逆变桥、高频变 压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器 组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路依次连接。所述的逆变桥为单组全桥结构或三组全桥结构。所述的高频变压器组设有三组，为第一高频变压器、第二高频变压器、第三高 频变压器，所述的第一高频变压器、第二高频变压器及第三高频变压器的原边共用一个 绕组，副边为三个独立绕组；对于三组高频变压器，或采用独立的拓扑结构，每组变压 器的原边绕组和副边绕组都是独立的，不共用。所述的高压变压器组由副边三个绕组并联的变压器构成。所述的第一高频变压器与第三高频变压器的变比相同，所述的第一高频变压器 与第二高频变压器的变比不同。6.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在 于，所述的全桥整流桥堆为三组全桥整流桥串联而成。所述的无源无损钳位电路由六个二极管和六个电容组成，用于钳位全桥整流桥堆输出的电压应力。所述的二极管为高压二极管，每两个二极管串联后并联在全桥整流桥堆的输出端。所述的电容为高频电容，三个电容两端并联在全桥整流桥堆的输出端，其余三 个电容一端接在全桥整流桥堆的输出端、另一端接在两个串联二极管之间。所述的滤波电路包括滤波电感、滤波电容，滤波电感采用不同的电感值。与现有技术相比，本发明具有以下优点1)更适合高压、大功率的功率变换器应用场合；同时，变换器的拓扑结构也有 利于系统的散热，提高系统的可靠性。2)三组高频变压器采用不同的变比结构。由于三组高频变压器采用不同的变比 结构，通过对变压器的变比和漏感进行优化，可以最大限度的提高系统的工作范围，并 最大限度地钳位整流二极管的电压应力。3)整流二极管电压应力钳位电路，由于只有二极管和电容构成，没有有损元件 电阻，因此可以提高系统的工作效率；由于没有有源元件开关管，可以提高系统工作的 可靠性。4)多组滤波电路，多组滤波电路中的滤波电感采用不同的电感值，并通过对每 组电感的电感值进行优化，可以消除电路内部的不均衡电流。5)本发明的电路拓扑和钳位电路适合于宽输入电压，高输出电压，大功率直流 变换场合使用。
图1为本发明的结构框图；图2为本发明的拓扑电路结构示意图；图3为本发明的另一种拓扑电路结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1、图2所示，一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，包括逆变桥1、 高频变压器组2、全桥整流桥堆3、无源无损钳位电路4、滤波电路5，所述的逆变桥1、 高频变压器组2、全桥整流桥堆3、无源无损钳位电路4、滤波电路5依次连接。所述的用于电压逆变的逆变桥1，输入端与电源相连接，输出端与高频变压器相 连接。所述的不同变压器变比的高频变压器组2，原边与逆变桥的输出相连，副边分别与 三组整流桥相连接。三组变压器的变比是不同的，同时，每组变压器的漏感也不同。变 压器变比和漏感经过优化后可以使电路工作性能(电路占空比工作范围和整流二极管电 压应力钳位效果)达到最佳。所述的三组全桥整流桥堆3，其中每组全桥整流桥堆由四个 二极管构成全桥整流，一端接高频变压器的输出端，另外一端接后级的无源无损钳位电 路4和滤波电路5。所述的用于钳位整流二极管电压应力的无源无损钳位电路4由二极管 和电容构成，一端接整流桥的输出，另一端滤波电路4。所述的三组滤波电路5，包括滤波电感和滤波电容，其中三组滤波电感的电感值不同。如图1，1表示用于电压逆变的逆变桥，将直流电压转换成脉动电压，具体拓扑 如图2中Sl S4所示。图2所示的用于电压逆变的逆变桥是单组的，也可以采用三组 的拓扑结构。&(χ为0 3)表示三组高频变压器，其中20和22采用相同的变压器变 比，21的变压器变比与20、22不同，假设20和22的变压器变比为1 n，21的变压器 变比为1 kn。为了能最大限度地钳位整流二极管的电压应力，首先要确定输入电压的 变化范围，从而确定电路工作时的最小占空比Dmm。在确定电路最小占空比的情况下， 计算三组整流二极管的电压应力，三组整流二极管的电压应力是关于k的函数，其中第 一组和第三组整流二极管的电压应力为2V。/ (2+k) D-V0和V。/ (2+k) D的较大者，第二组整 流二极管的电压应力为(2k-kD_D) V。/(2+k)D和V。k/(2+k)D的较大者。其中V。为输出 电压，D为电路的占空比。以求三组整流二极管的电压应力的最小值为目标，可以求得 对应的k值，即可以求得变压器的变比。以Dmm= 1/3为例，k = 5/6，此时整流二极 管的电压应力理论值Vp = (19/17) V。； Dmin = 1/4时，k = 5/8，此时整流二极管的电压 应力理论值Vp= (43/21) V。；当Vp = V。时，A = (V^-I)/2 & 0.823。高频变压器的具体拓 扑如图2中Tl T3所示，图2所示的三组高频变压器是共用一个铁芯结构的，即三组高 频变压器的原边是共用的。对于三组高频变压器，也可以采用独立的拓扑结构，即三组 高频变压器是独立的，每组变压器的原边绕组和副边绕组都是独立的，不共用。3x(x为 0 3)表示三组采用全桥整流方式的整流桥，三组整流桥的连接方式采用串联结构。具 体拓扑如图2中Dl D12所示。4表示无损无源钳位电路，由二极管和电容构成。钳 位电路的拓扑与滤波电路的拓扑结构有关，当滤波电路的拓扑结构为图2所示时，钳位 电路的拓扑为如图2中所示，二极管DC1 DC3、Dsi Ds3和电容Cci Cc3、Csi Cs3 构成无损无源钳位电路；当滤波电路的拓扑结构为图3所示时，钳位电路的拓扑为如图3 中所示，二极管Dci DC3、Dsi Ds3和电容Cci Cc3、Csi Cs3构成无损无源钳位电 路。以图2中的钳位电路为例，其中Dei，Dsi，Cei和Csi构成的钳位电路用于钳位第一 组整流二极管(D1 D4)的电压应力；Dc2，Ds2，Cc2和Cs2构成的钳位电路用于钳位第 二组整流二极管(D5 D8)的电压应力；Dc3，Ds3，Cc3和Cs3构成的钳位电路用于钳位 第三组整流二极管(D9 D12)的电压应力。5χ (χ为0 3)表示三组滤波电路，三组滤 波电路的连接方式采用串联结构，具体拓扑如图2，由滤波电感Lfx(x为0 3)和滤波电 容CfxOc为0 3)构成。为了消除电路内部的不均衡电流，三组滤波电感的电感量是不 同的，BPLf2 = JcLfl=IcLf30在轨道车辆牵引系统中，由于新能源器件(如超级电容)的电压输出特性很软， 对功率变换器提出了一些新的挑战，要求功率变换器的输入电压变换范围很宽。然而， 对于此种工况下的全桥直流变换器的整流二极管，整流二极管在关断的开始阶段承受很 高的振荡电压应力。尤其是在宽输入电压和高输出电压场合，对整流二极管的耐压要求 非常高。因此需要发明合适的拓扑结构和合适的钳位电路来解决此问题。本发明正是基 于这个问题而创造的，适合于宽输入电压，高输出电压的大功率直流功率变换场合。
权利要求
1.一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，包括逆变桥、高频变压 器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器组、 全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的逆变桥为单组全桥结构或三组全桥结构。
3.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的高频变压器组设有三组，为第一高频变压器、第二高频变压器、第三高频变压器， 所述的第一高频变压器、第二高频变压器及第三高频变压器的原边共用一个绕组，副边 为三个独立绕组；对于三组高频变压器，或采用独立的拓扑结构，每组变压器的原边绕 组和副边绕组都是独立的，不共用。
4.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的高压变压器组由副边三个绕组并联的变压器构成。
5.根据权利要求3所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的第一高频变压器与第三高频变压器的变比相同，所述的第一高频变压器与第二高频 变压器的变比不同。
6.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的全桥整流桥堆为三组全桥整流桥串联而成。
7.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的无源无损钳位电路由六个二极管和六个电容组成，用于钳位全桥整流桥堆输出的电 压应力。
8.根据权利要求7所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的二极管为高压二极管，每两个二极管串联后并联在全桥整流桥堆的输出端。
9.根据权利要求7所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于，所 述的电容为高频电容，三个电容两端并联在全桥整流桥堆的输出端，其余三个电容一端 接在全桥整流桥堆的输出端、另一端接在两个串联二极管之间。
10.根据权利要求1所述的一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，其特征在于， 所述的滤波电路包括滤波电感、滤波电容，滤波电感采用不同的电感值。
全文摘要
本发明涉及一种具有无源无损钳位电路的全桥变换器，包括逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路，所述的逆变桥、高频变压器组、全桥整流桥堆、无源无损钳位电路、滤波电路依次连接。与现有技术相比，本发明具有效率高、可靠性高等优点。
文档编号H02M3/24GK102013805SQ20101059256
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者储剑灵, 姚勇涛, 张佳佳, 张逸成, 梁海泉, 沈小军, 沈玉琢, 湛凌威, 王兴, 范昊, 袁登科, 韦莉, 顾帅 申请人:上海同沪电气科技股份有限公司
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