阅读说明：本技术 一种新型的减少开关数的三电平隔离交直流pfc电源转换器拓扑结构 (Novel three-level isolation AC-DC PFC power converter topological structure capable of reducing switch number ) 是由 颜景斌 王玺哲 许森洋 于 2021-10-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电力电子器件的技术领域,其具体涉及一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器的拓扑结构。一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器的拓扑结构包括一次侧的交流电源V-((t))、电感L-(0)、L-(b)、前端二极管D-(1)、D-(2)、开关管S-(1)、S-(2)、S-(3)、S-(4)、电容C-(0)、C-(1)、C-(2)、高频变压器、二次侧的二极管D-(3)、D-(4)、D-(5)、D-(6)、电容C-(4)、C-(5)、飞电容C-(f)、开关管S-(5)、S-(6)。此参考设计有低损耗、低成本、防止电源回流、在开启时允许ZCS和ZVS而无需任何额外的控制措施的优势。发明拓扑结构用两个受控器件和四个二极管取代了传统的二次侧三电平变换器,同时仍然保持三电平变换器的基本功能。该变换器具有高频变换器,可实现电气隔离功能。(The invention relates to the technical field of power electronic devices, in particular to a topological structure of a three-level isolation alternating current-direct current PFC power converter capable of reducing the number of switches. A topological structure of a three-level isolation AC-DC PFC power converter for reducing the number of switches comprises an AC power supply V on the primary side (t) Inductor L 0 、L b Front end diode D 1 、D 2 Switch tube S 1 、S 2 、S 3 、S 4 Capacitor C 0 、C 1 、C 2 High frequency transformer, twoDiode D of the secondary side 3 、D 4 、D 5 、D 6 Capacitor C 4 、C 5 Flying capacitor C f Switch tube S 5 、S 6 . This reference design has the advantages of low loss, low cost, prevention of power supply backflow, allowing ZCS and ZVS at turn-on without any additional control measures. The topology of the invention replaces the traditional secondary side three-level converter with two controlled devices and four diodes, while still maintaining the basic functions of the three-level converter. The converter has a high frequency converter and can realize an electrical isolation function.)

一种新型的减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器 拓扑结构

技术领域

本发明涉及电力电子器件领域，具体涉及一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器的拓扑结构。

背景技术

随着电力电子技术的发展和半导体器件技术的进步，增加了对更高效的SST变换器拓扑的需求，以取代体积大、体积大的传统变压器在过去的几十年里，连接到电网的可再生能源的数量增加了。SST转换器在将这些可再生资源与众多工业应用连接起来方面发挥了重要作用，为客户提供高电能质量的需求鼓励公用事业公司在其电网中采用SST拓扑。然而，器件的额定值在高电压的条件下仍然受限制，因此，多电平变换器，例如，三电平变换器(即中性点箝位(NPC))，比两电平变换器更受欢迎，特别是在高功率应用中。

根据变换器中是否含有隔离变压器，可将变换器拓扑分为隔离型和非隔离型。隔离单相交直流PFC拓扑可以分为两类:主要是两级和三级隔离交直流PFC变换器。两级拓扑结构由降压、升压和降压-升压转换器构成。这些类型的转换器适用于低功率应用(几瓦到几千瓦)。三电平t型变换器用于更高功率的应用。此变换器能在较高的一次和相移占空比下降低导通损耗，减小了电路的复杂性和整体尺寸。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构，该拓扑结构提供了高输入功率因数(PF)、对主次侧桥的完全控制，以调节中间直流母线和输出电压。该拓扑结构可以降低总成本，最大限度地减少功率损耗，并提高变换器的额定功率。同时，该变换器具有高频变压器，可以实现电气隔离功能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种新型的减少开关数量的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构包括一次侧的交流电源V_(t)、电感L₀、L_b、前端二极管D₁、D₂、开关管S₁、S₂、S₃、S₄、电容C₀、C₁、C₂、高频变压器、二次侧的二极管D₃、D₄、D₅、D₆、电容C₄、C₅、飞电容C _f 、开关管S₅、S₆。所述的电感L₀与电容C₀构成滤波电路；所述的开关管S₁的s极与开关管S₂的s极相连组成第一条支路；开关管S₃的s极和开关管S₄的d极相连构成第二条支路；所述的电容C₁、C₂顺序连接构成第三条支路；所述的二极管D₁的s极与二极管D₂的d极相连构成第四条支路；D₁和D₂与S₁、S₂、S₃、S₄形成的t型桥连接，提供PFC功能；二极管D₁经电感L_b连接至交流电源V_（t）正极性端，电源V_（t）负极性端连接至开关管S₄的d极。所述的2次侧二极管D₅、开关管S₅、开关管S、二极管D₆相连构成一条支路，飞电容C _f 放置在两个开关(S₅, S₆)之间以方便开关管充放电，电容C₄、C₅构成另一条支路，第一条支路与第二条支路分别经D₃的s极、D₄的s极连接成回路，最后并联在负载上。

作为本发明的进一步优化，本发明一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构所述的滤波电路是由电感L₀与电容C₀构成的。

作为本发明的进一步优化，本发明一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构所述的基于t型变换器的PFC拓扑结构是由二极管D₁和D₂与开关管S₁、S₂、S₃、S₄形成的，t型桥和二次侧拓扑结构在变压器的一次侧和二次侧产生三个电压等级可以使用最少数量的半导体器件来完全控制直流总线和输出电压。

作为本发明的进一步优化，本发明一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构所述的隔离型是通过增加高频变压器实现的。

作为本发明的进一步优化，本发明一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构所用两个开关管S₅、S₆和四个二极管D₃、D₄、D₅、D₆取代了低压侧 传统的三电平变换器，同时仍然保持三电平变换器的基本功能。

作为本发明的进一步优化，本发明一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构所用的新二次侧配置，只需要两个晶体管就可以在变压器的二次侧产生正、负或零电压，这样就可以完全控制高压直流总线。

作为本发明的进一步优化，本发明一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构所述的二极管D₅(D₆)必须与开关S₅(S₆)串联，以阻止任何负(正)电流返回高频正(负)端子。

作为本发明的进一步优化，本发明一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构所述的飞电容C _f 放置在两个开关(S₅,S₆)，以方便寄生电容的充电和放电动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

一次侧采用t型拓扑结构，与基于NPC的拓扑相比，体积小、效率更高、成本效益更好、在较高的一次和相移占空比下导通损耗低（只有一个开关(S₃或S₄)引导一次电流和升压电流）。

采用高频变压器，可以实现电气隔离功能。

二次侧电路仅使用两个有源开关和四个二极管，就在二次侧变压器端子上产生三电平电压波形。所提出的拓扑结构能够用最少的有源器件控制输入功率、直流母线电压和输出电压。此外，此拓扑结构在具有低损耗、低成本、防止电源回流、在开启时允许ZCS和ZVS而无需任何额外的控制措施等多种优势。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的电路拓扑图。

图2为在输入电压为sin(t)前提下，第一区间段电流走向图。

图3为在输入电压为sin(t)前提下，第二区间段电流走向图。

图4为在输入电压为sin(t)前提下，第三区间段电流走向图。

图5为在输入电压为sin(t)前提下，第四区间段电流走向图。

图6为在输入电压为sin(t)前提下，第五区间段电流走向图。

图7为在输入电压为sin(t)前提下，第六区间段电流走向图。

图8为在输入电压为sin(t)前提下，第七区间段电流走向图。

图9为在输入电压为sin(t)前提下，第八区间段电流走向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整的描述，应当注意，在此所述的实施例仅为本发明的部分实施例，而非本发明的全部实现方式，所述实施例只有实例性。

本发明提供一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器的拓扑结构，如图1所示，它包括一次侧的交流电源V_(t)、电感L₀、L_b、前端二极管D₁、D₂、开关管S₁、S₂、S₃、S₄、电容C₀、C₁、C₂、高频变压器、二次侧的二极管D₃、D₄、D₅、D₆、电容C₄、C₅、飞电容C _f 、开关管S₅、S₆。

根据所述的一种新型的减少开关数量的三电平隔离交直流PFC电源转换器拓扑结构，其特征包括一次侧的交流电源V_(t)、电感L_b、前端二极管D₁、D₂、开关管S₁、S₂、S₃、S₄、电容C₀、C₁、C₂、高频变压器、二次侧的二极管D₃、D₄、D₅、D₆、电容C₄、C₅、飞电容C _f 、开关管S₅、S₆。所述的电感L₀与电容C₀构成滤波电路；所述的开关管S₁的s极与开关管S₂的s极相连组成第一条支路；开关管S₃的s极和开关管S₄的d极相连构成第二条支路；所述的电容C₁、C₂顺序连接构成第三条支路；所述的二极管D₁的s极与二极管D₂的d极相连构成第四条支路；D₁和D₂与S₁、S₂、S₃、S₄形成的t型桥连接，提供PFC功能；二极管D₁经电感L_b连接至交流电源V_（t）正极性端，电源V_（t）负极性端连接至开关管S₄的d极。所述的2次侧二极管D₅、开关管S₅、开关管S、二极管D₆相连构成一条支路，飞电容C _f 放置在两个开关(S₅, S₆)之间以方便开关管充放电，电容C₄、C₅构成另一条支路，第一条支路与第二条支路分别经D₃的s极、D₄的s极连接成回路，最后并联在负载上。

根据所述的一种减少开关数的三电平隔离交直流PFC电源转换器的拓扑结构，其特征在于当输入交流电压sin(t)，在一个完整的开关周期中会出现8个间隔，对应八个工作状态。

第一工作状态

[t₀-t₁]区间：开关S1在零电压下打开，因为初始一次电流ip是负的，流过S1的反并联二极管。如图2所示，升压电感电流i_Lb通过D₁和S₃。一次电压等于C₁的电压，而二次电压等于C₅的负电压。

第二工作状态

[t₁-t₂]区间：一次电流i_p在S₅开启时倒流，然后D₅向前偏置，通过D₅和S₅循环，使高频二次侧短路。i_p通过S₁的速率为[V_C1/L_k]。电流(i_Lb, i_p, i_s)传导路径如图3所示。

第三工作状态

[t₂-t₃]区间：开关S₅断开，一次电压通过D₃和C₄，二次电压等于C₄上的电压。电流仍然通过S₃，传输路径如图4所示。

第四工作状态

[t₃-t₄]区间：开关S₃关闭;一次电流通过开关管S₁和S₂，而二次电流仍然通过D₃。升压电感通过C₁放电，由于一次端子短路，没有能量通过高频传输到输出端，传输路径如图5所示。

第五工作状态

[t₄-t₅]区间：开关S₁关闭;一次电流i_p继续流过C₂和反并联二极管S₄。二次侧电流仍然像前一阶段一样通过D₃传导。如图5所示，升压电流i_Lb通过C₁、C₂和反并联二极管S₄，传输路径如图6所示。

第六工作状态

[t₅-t₆]区间：开关管S₄关闭，一次电流i_p由正向负变化通过S₄和C₂。二次电流通过HFT和S₆的二次线圈传导。升压电流i_Lb以与[t₄-t₅]区间相同的速率下降。该模式的等效电路如图7所示。

第七工作状态

[t₆-t₇]区间：开关S₆断开，二次电流开始通过C₅和D₄。一次电流i_p继续通过S₄和C₂。在这种模式下，L_b完全放电，电流i_Lb为零。等效电路如图8所示。

第八工作状态

[t₇-t₈]区间：开关S₄关闭,S₂导通，高频初始绕组短路。一次电流流过S₁和S₂。二次电流通过C₅和D₄继续传导，传输路径如图9所示。

以上对本发明的实施例进行了描述，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是所述技术方案的限制，所以本发明并不局限于上述的具体实施方式，所有本领域普通技术人员在不脱离本发明宗旨和构思的前提下，及其它对本发明技术方案的简单替换和各种变化，都属于本发明的保护范围。