一种五电平高频直流变换装置，包括输入电压源及并联在输入电压源上的相互串联的电解电容，在电解电容的两端还并联有桥臂Ａ和桥臂Ｂ，桥臂Ａ由两个串联的开关组成，桥臂Ｂ由四个串联的开关组成，在桥臂Ａ的ｄ点和桥臂Ｂ的ｃ点之间还连接有变压器，由开关各自反向串联构成的两个双向开关串联在电解电容之间的结点ａ和桥臂Ｂ的结点ｃ之间，且在两个双向开关的结点ｂ与桥臂Ｂ的结点ｅ、结点ｆ之间还并联有两个浮动电容。本发明专利技术采用多电平电路，多电平电路通过增加输出电平数减小输出电压的谐波含量，该装置大大简化了原有多电平电路的结构复杂程度，使多电平电路有可能用于中低压功率变换场合。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高频直流开关电源，特别涉及一种五电平高频直流变换装置。
技术介绍
小型化、轻量化是电力电子装置的发展方向。众所周知，在电力电子装置当中体积和重量最大的是无源装置，如何减小无源装置的体积和重量是工业界普遍关心的问题之一。随着电力电子技术的发展，高速可控开关器件如IGBT、MOSFET的性能不断提高，人们发现通过提高开关频率可以有效的减小无源器件的体积和重量。80年代中期，高于20kHz的高频开关电源的出现，成功的减小了无源器件的体积。但是，随着开关频率的提高，电力电子器件的开关损耗急剧增加，电磁干扰问题日趋严重，所有的这些问题都制约着电源的开关频率不可能无限制的增长。如何克服这个瓶颈问题，是摆在电力电子装置工程师面前的一个难题。在现存的所有技术当中，多电平技术是其中的解决办法之一。多电平电路着眼于解决使用低压器件实现高压变换时所遇到的动态电压不均衡的问题，同时采用多个电平拼接输出电平。但是，传统的多电平电路当中，结构过于复杂，在很大程度上局限了多电平电路的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服多电平电路的结构复杂的缺点，提出了一种结构简单，输出波形质量好且在不提高电力电子器件的开关频率、不增加额外的开关损耗和加剧电磁干扰问题的条件下，降低输出滤波电路体积，提高系统的动态特性的五电平高频直流变换装置。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是包括输入电压源Uin以及并联在输入电压源Uin上的相互串联的电解电容Cin1和Cin2，其特征在于在电解电容Cin1和Cin2的两端还并联有桥臂A和桥臂B，桥臂A由两个串联的开关S5和S6组成，桥臂B由四个串联的开关S1、S2、S3和S4组成，在桥臂A的d点和桥臂B的c点之间还连接有变压器E，由开关S7和S8，S9和S10各自反向串联构成的两个双向开关串联在电解电容Cin1和Cin2之间的结点a和桥臂B的结点c之间，且在两个双向开关的结点b与桥臂B的结点e、结点f之间还并联有两个浮动电容Cfly1和Cfly2。由于本专利技术采用多电平电路，多电平电路通过增加输出电平数减小输出电压的谐波含量，该装置大大简化了原有多电平电路的结构复杂程度，使多电平电路有可能用于中低压功率变换场合。附图说明图1是本专利技术的电路原理图；图2是本专利技术的变压器原边工作模式图；图3是本专利技术的变压器原边工作模式图之二。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的结构原理和工作原理作进一步详细说明。参见图1，本专利技术包括输入电压源Uin以及并联在输入电压源Uin上的相互串联的电解电容Cin1和Cin2，其特征在于在电解电容Cin1和Cin2的两端还并联有桥臂A和桥臂B，桥臂A由两个串联的开关S5和S6组成，桥臂B由四个串联的开关S1、S2、S3和S4组成，在桥臂A的d点和桥臂B的c点之间还连接有变压器E，由开关S7和S8，S9和S10各自反向串联构成的两个双向开关串联在电解电容Cin1和Cin2之间的结点a和桥臂B的结点c之间，且在两个双向开关的结点b与桥臂B的结点e、结点f之间还并联有两个浮动电容Cfly1和Cfly2。传统的多电平电路着眼于解决使用低压器件实现高压变换时所遇到的动态电压不均衡的问题。而在中低压功率变换领域，现有器件无论从电压等级还是性能上说可以满足需要。本专利技术首先对原有电路进行了简化，将原有五电平全桥变换电路的一个桥臂上下四个开关简化成上下各一个开关，这样的电路具有多电平输出，同时减少了6个主开关器件，相应的大大简化了控制、驱动和保护电路的规模；在传统的多电平电路当中，众多的钳位二极管或钳位浮动电容电路，也是造成多电平电路显得庞大臃肿的主要原因。本专利技术的第二个要解决的就是简化钳位电路。由于本专利技术的着眼点在于提供多电平输出，并不要求每个开关承受相同的电压应力，使得通过改变电路结构达到同样的输出效果成为可能。本专利技术与其他五电平电路的区别在于1)桥臂A从8个开关器件减为2个开关，同时避免了相应的钳位电路。2)对桥臂B进行结构调整，再不增加开关的情况下，只增加两个浮动电容实现了五电平输出效果，其结构比现有的多电平电路都要简单。装置有五个输出电平，12个开关模式。根据输出电压的不同，可以有4种工作模式组合。分别为当3Uin/(4k)＜Uo＜Uin/k，输出滤波器前含有Uin/k和3Uin/(4k)两种电平；Uin/(2k)＜Uo＜3Uin/(4k)，输出滤波器前含有Uin/(2k)和3Uin/(4k)两种电平；Uin/(4k)＜Uo＜Uin/(2k)，输出滤波器前含有Uin/(2k)和Uin/(4k)两种电平；0＜Uo＜Uin/(4k)，输出滤波器前含有0和Uin/(4k)两种电平，在其中k为变压器变比。根据输出电压的要求不同可以选择不同的模式组合。在五电平DC/DC变换电路的工作过程中，稳定的电容电压是变换器工作的基础，在电路中通过调节每个中间电平对应的不同开关模式组合可以有效的调节电容电压。在这里以输出电压在3Uin/(4k)＜Uo＜Uin/k范围内为例，进行分析图2和图3是所有工作模式示意图，图中粗虚线为电流流动路径。工作模式1，图(2-a)t0时刻，开关S1、S2和S6导通，νAB＝Uin，变压器原边向变压器副边输出能量。变压器原边电流线性上升。工作模式2，图(2-a)t1时刻，开通S7，此时由于S8的反并联二极管D8承受反压，S7为零电流开通。工作模式3，图(2-c)t2时刻，关断S1，S7、D8、S2和S6导通，νAB＝3Uin/4，变压器原边和输出滤波电感一起向输出端提供能量。工作模式4，图(2-a)t3时刻，开通S1，D8关断，此后关断S7，S7为零电流关断。工作模式5，图(2-a)t4时刻，开通S9，此时由于S10的反并联二极管D10承受反压关断，S9为零电流开通。工作模式6，图(2-d)t5时刻，关断S2，S9、D10、S1和S6导通，νAB＝3Uin/4，变压器原边和输出滤波电感一起向输出端提供能量。工作模式7 t6时刻，关断S1，变压器原边续流，S3和S4的反并联二极管导通，νAB＝0，变压器原边续流。给S3和S4创造零电压开通的条件，此时给S3和S4驱动信号，S3和S4可以实现零电压开通。工作模式8 t7时刻，关断S6，二极管D3、D4和D5根据负载的情况续流，在重载时或是串入谐振电感的情况下，开关S5有可能零电压开通。工作模式9，图(2-b)t8时刻，驱动开关S5，开关S3、S4和S5导通，νAB＝-Uin，变压器原边向变压器副边输出能量。变换器进入到负半周工作状态。负半周的工作状态与正半周类似，在此不再详述。在这种工作模式中，Cfly1电容电压通过图2-c)所示的开关模式和图2-d)所示的开关模式的导通时间比调节；在这种工作模式中，Cfly2电容电压通过图2-e)所示的开关模式和图2-f)所示的开关模式的导通时间比调节。图3中各图为装置工作在其它工作状态时的工作模式图3-a)为νAB＝Uin/2时的工作模式图；图3-b)为νAB＝-Uin/2时的工作模式图；图3-c)为νAB＝Uin/4时的工作模式图之一；图3-d)为νAB＝Uin/4时的工作模式图之二；图3-e)为νAB＝-Uin/4时的工作模式图之一；图3-f)为νAB＝-Uin/4时的工作模式本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种五电平高频直流变换装置，包括输入电压源Ｕ↓［ｉｎ］以及并联在输入电压源Ｕ↓［ｉｎ］上的相互串联的电解电容Ｃ↓［ｉｎ１］和Ｃ↓［ｉｎ２］，其特征在于：在电解电容Ｃ↓［ｉｎ１］和Ｃ↓［ｉｎ２］的两端还并联有桥臂Ａ和桥臂Ｂ，桥臂Ａ由两个串联的开关Ｓ↓［５］和Ｓ↓［６］组成，桥臂Ｂ由四个串联的开关Ｓ↓［１］、Ｓ↓［２］、Ｓ↓［３］和Ｓ↓［４］组成，在桥臂Ａ的ｄ点和桥臂Ｂ的ｃ点之间还连接有变压器Ｅ，由开关Ｓ↓［７］和Ｓ↓［８］，Ｓ↓［９］和Ｓ↓［１０］各自反向串联构成的两个双向开关串联在电解电容Ｃ↓［ｉｎ１］和Ｃ↓［ｉｎ２］之间的结点ａ和桥臂Ｂ的结点ｃ之间，且在两个双向开关的结点ｂ与桥臂Ｂ的结点ｅ、结点ｆ之间还并联有两个浮动电容Ｃ↓［ｆｌｙ１］和Ｃ↓［ｆｌｙ２］。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：石勇，杨旭，王兆安，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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