本實用新型涉及一種零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器，屬于電力電子變換器。

背景技術(shù)：

光伏并網(wǎng)發(fā)電是人們利用光伏發(fā)電技術(shù)的主要方向，現(xiàn)在已經(jīng)在城鄉(xiāng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)的三電平Buck變換器見圖2所示，包括開關(guān)管Q₁和Q₂，電容一端C₁接開關(guān)管Q₁的源極和Q₂漏極之間、另一端接在續(xù)流二極管D₁和D₂之間，該電路結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。但要實現(xiàn)較高的降壓比時，會造成開關(guān)損耗同時增加，不僅電路效率低，而且較大的占空比會導致開關(guān)管的溫升。因此，如何減小開關(guān)損耗，提高電路效率成為研究熱點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種能實現(xiàn)了開關(guān)管零電壓導通，減小開關(guān)損耗，提高電路效率的零電壓開關(guān)的零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器。

本實用新型為達到上述目的的技術(shù)方案是：一種零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器，其特征在于：包括原邊開關(guān)管Q₁、Q₂、Q₃，電容C₁、C₂、C₃，開關(guān)管的體二極管D₁、D₂、D₃，變壓器的原邊繞組N_p1、N_p2和副邊繞組N_s1及副邊整流橋，其中電容C₁、C₂、C₃和體二極管D₁、D₂、D₃并接在各自對應(yīng)的開關(guān)管Q₁、Q₂、Q₃的漏極和源極上；所述開關(guān)管Q₁的漏極接直流電源V_dc正極、源極接開關(guān)管Q₂的漏極，開關(guān)管Q₂的源極經(jīng)原邊繞組N_p2接開關(guān)管Q₃的源極，開關(guān)管Q₃的漏極一路經(jīng)原邊繞組N_p1跨接在開關(guān)管Q₁與開關(guān)管Q₂的接點上、另一路接開關(guān)管Q₂與電容C₄的接點上，開關(guān)管Q₃的源極接直流電源V_dc負極；所述副邊整流橋的輸入側(cè)接副邊繞組N_s1、輸出側(cè)接LC濾波電路；所述的LC濾波電路包括漏感L₁、電容C₅和電阻R，電容C₅與電阻R并聯(lián)后一端經(jīng)漏感L₁接副邊整流橋輸出側(cè)的一端、另一端接副邊整流橋輸出側(cè)的另一端。

本實用新型的三電平Buck變換器增加了開關(guān)管Q3，將開關(guān)管Q₂的源極經(jīng)原邊繞組N_p2接開關(guān)管Q₃的源極，開關(guān)管Q₃的漏極一路經(jīng)原邊繞組N_p1跨接在開關(guān)管Q₁與開關(guān)管Q₂的接點上、另一路接開關(guān)管Q₂與電容C4的接點上，將開關(guān)管Q₁的漏極及開關(guān)管Q₃的源極接直流電源V_dc的正、負極上，通過增加開關(guān)管的數(shù)量，同時將原邊繞組N_p1及原邊繞組N_p2和電容C₄與開關(guān)管Q₁、Q₂、Q₃連接，而改進電路結(jié)構(gòu)，通過連接在各開關(guān)管上的寄生電容及變壓器的漏感L₁儲能實現(xiàn)零電壓開關(guān)，有效地減小了開關(guān)管的損耗，提高了電路效率，同時也保留了傳統(tǒng)三電平Buck電路減小開關(guān)管電壓應(yīng)力和減小電感的優(yōu)點。本實用新型電路中的各開關(guān)管均能實現(xiàn)軟開關(guān)，能通過合理地控制變換器中各開關(guān)管的導通順序，不僅具有減小開關(guān)管承受電壓，減小濾波電感的優(yōu)點，本實用新型三電平Buck變換器適用于車載電源、光伏發(fā)電等應(yīng)用場合。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實用新型的實施例作進一步的詳細描述。

圖1是傳統(tǒng)的三電平Buck電路原理圖。

圖2是本實用新型零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器的電路原理圖。

圖3是本實用新型零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器工作模態(tài)1的電路原理圖。

圖4是本實用新型零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器工作模態(tài)2的電路原理圖。

圖5是本實用新型零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器工作模態(tài)3的電路原理圖。

圖6是本實用新型零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器工作模態(tài)4的電路原理圖。

圖7是本實用新型零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器工作模態(tài)5的電路原理圖。

圖8是本實用新型零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器工作模態(tài)6的電路原理圖。

具體實施方式

見圖2所示，本實用新型的零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器，包括原邊開關(guān)管Q₁、Q₂、Q₃，電容C₁、C₂、C₃，開關(guān)管的體二極管D₁、D₂、D₃，變壓器的原邊繞組N_p1、N_p2和副邊繞組N_s1及副邊整流橋，副邊整流橋包含二極管D₄～D₇。電容C₁、C₂、C₃和體二極管D₁、D₂、D₃并接在各自對應(yīng)的開關(guān)管Q₁、Q₂、Q₃的漏極和源極上，電路通過抽走電容的能量來實現(xiàn)零電壓導通，有效地減小了開關(guān)損耗，達到了提高電路效率的目的，見圖2所示，本實用新型各體二極管正極接對應(yīng)開關(guān)管的源極、負極接開關(guān)管的漏極，本實用新型的開關(guān)管Q₁、Q₂、Q₃均為MOSFET管。

見圖2所示，本實用新型開關(guān)管Q₁的漏極接直流電源V_dc正極、源極接開關(guān)管Q₂的漏極，開關(guān)管Q2的源極經(jīng)原邊繞組Np2接開關(guān)管Q3的源極，開關(guān)管Q₃的漏極一路經(jīng)原邊繞組N_p1跨接在開關(guān)管Q₁與開關(guān)管Q₂的接點上、另一路接開關(guān)管Q₂與電容C4的接點上，且開關(guān)管Q₃的源極接直流電源V_dc負極。

見圖2所示，本實用新型副邊整流橋的輸入側(cè)接副邊繞組N_s1、輸出側(cè)接LC濾波電路，本實用新型的副邊整流橋采用二極管D₄、D₅、D₆和D₇組成的全橋電路，而LC濾波電路包括漏感L₁、電容C₅和電阻R，電容C₅與電阻R并聯(lián)后一端經(jīng)串接的漏感L₁接副邊整流橋輸出側(cè)的一端、另一端接副邊整流橋輸出側(cè)的另一端，該電阻R作為負載。

采用本實用新型的零電壓開關(guān)的三電平Buck變換器可按時序工作，具有以下六種工作模態(tài)，見圖3～8所示，其中，原邊繞組N_p1的匝數(shù)和原邊繞組N_p2的匝數(shù)相同，即N_p1＝N_p2＝W₁，副邊繞組N_s1的匝數(shù)＝W₂，變壓器的匝數(shù)比n＝W₂/W₁，變壓器副邊對原邊之比，本實用新型電路中均為理想元器件，變壓器的勵磁電感足夠大，變壓器漏感和電容C₄的諧振周期足夠長。

而t₀、t₁、t₂、t₃、t₄和t₅為六個工作模態(tài)的起始時刻，t₆為單周期的最終時刻，且t為變換器工作時刻，本實用新型的三電平Buck變換器開通時間可為多個周期。

⑴、在t₀≤t≤t₁之間的工作模態(tài)1：在t₀之前，續(xù)流二極管D₃導通；t₀時刻之后，開通開關(guān)管Q₁，關(guān)斷開關(guān)管Q₂和Q₃，輸入電源V_in加載在繞組N_p1上，V_C4的電壓加載在繞組N_p2上。在變壓器漏電感的作用下，副邊整流橋中二極管D₄～D₇全通換流，變壓器副邊短路V_in和V_c4全部加在變壓器漏感L₁上，在副邊整流橋D₄、D₇和D₅、D₆換流結(jié)束，I_d4＝Io，I_d5＝0，見圖3所示，在此開關(guān)模態(tài)中，開關(guān)管Q₃零電壓開通，原邊的電流I_in、副邊電壓V_fu表示為：

V_fu＝n(V_in+V_C4)；

式中的I_o1為變換器處于工作模態(tài)1時的輸出電流，D為變換器的占空比，V_c4為電容C₄兩端電壓，V_in為輸入電壓。

⑵、在t₁＜t≤t₂之間的工作模態(tài)2：在t₁時刻之后，漏感L₁對寄生電容C₁充電，開關(guān)管Q₁電壓線性上升，開關(guān)管Q₁近似零電壓關(guān)斷，見圖4所示，在此工作模態(tài)中，開關(guān)管Q₁零電壓關(guān)斷，開關(guān)管Q₁兩邊電壓表示為：

V_C1＝nI_o2Z₁Sinω₁(t-t₁)；

式中的I_o2為變換器處于模態(tài)2時的輸出電流，Z₁為特征阻抗，即ω₁是電流轉(zhuǎn)角，即

⑶、在t₂＜t≤t₃之間的工作模態(tài)3：在t₂時刻之后，導通開關(guān)管Q₃，關(guān)斷開關(guān)管Q₁和Q₂，漏感L₁給電容C2放電，開關(guān)管Q₂兩端電壓線性下降，直至電荷為零，見圖5所示，在此開關(guān)模態(tài)中，開關(guān)管Q₂零電壓開通，電容C₂兩端的電壓表示為：

V_C2＝V_in+V_C2-nI_o3Z₂Sinω₂(t-t₂)；

式中的I_o3為變換器處于模態(tài)3時的輸出電流，Z₂為特征阻抗，即ω₂是電流轉(zhuǎn)角，即

⑷、在t₃＜t≤t₄之間的工作模態(tài)4：在t₃時刻之后，漏感L₁給電容C₃放電，開關(guān)管Q₃兩端電壓線性上升，見圖6所示，在此開關(guān)模態(tài)中，開關(guān)管Q₃零電壓關(guān)斷，電容C₃兩端電壓表示為：

V_C3＝nI_o4Z₃Sinω₃(t-t₃)；

式中的I_o4為變換器處于模態(tài)4時的輸出電流，Z₃為特征阻抗，即ω₃是電流轉(zhuǎn)角，即

⑸、在t₄＜t≤t₅之間的工作模態(tài)5：在t₄時刻之后，漏感L₁給電容C₁放電，電容C₁的電壓線性下降，見圖7所示，在此開關(guān)模態(tài)中，開關(guān)管Q₁零電壓開通，電容C₁兩端電壓表示為：

V_C1＝V_in-nI_o5Z₁Sinω(t-t₄)；

式中的I_o5為變換器處于模態(tài)5時的輸出電流。

⑹、在t₅＜t≤t₆之間的工作模態(tài)6：在t₅時刻之后，漏感L₁對電容C₂充電，V_C2線性上升，見圖8所示，在此開關(guān)模態(tài)中，開關(guān)管Q2零電壓關(guān)斷，電容C₂兩端電壓表示為：

V_C2＝nI_o6Z₂Sinω₂(t-t₅)；

式中的I_o6為變換器處于模態(tài)6時的輸出電流。

本實用新型上述電容C1、C2和C3的容值相同，即C₁＝C₂＝C₃＝C，當軟開關(guān)所需的能量時可實現(xiàn)軟開關(guān)。

本實用新型通過合理地控制變換器中各開關(guān)管的導通順序，減小開關(guān)管電壓應(yīng)力和減小電感，同時電路中的開關(guān)管均能實現(xiàn)軟開關(guān)，有效地減小了開關(guān)管的損耗，提高了電路的效率。