[发明专利]基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换技术，特别是一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器。

背景技术

直-直(DC-DC)变换技术是应用功率半导体器件，将直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直流电能的一种变流技术，广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。

直流调压电路主要有直流斩波电路，间接直流变流电路等。直流斩波电路种类很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，此外还有桥式复合斩波电路等等。综述其特点，虽然各具优点，但是缺陷也比较明显，体积大，重量重，开关管承受的电压大，无电气隔离特性，间接直流变流电路拓扑过于复杂等等。多电平变换器的思想最早是由Nabae于80年代初提出的，在DC/AC变换中以台阶式合成阶梯波输出逼近正弦波的理论已经相当的成熟，国内外有很多相关的论文和产品，该技术可以降低开关管电压应力、减小输入输出滤波器，减小变换器的体积和重量，同时提高变换器的动态相应速度。但是很多高压大电流场合都要求电气隔离，而目前所研究的隔离型三电平拓扑结构大多数只是减小了开关管的电压应力，变压器副边并没有真正实现三电平，能实现真正三电平的隔离型桥式三电平拓扑结构又过于复杂，还存在上下桥臂直通现象。1983年，SLOBODANCUK在IEEE国际会议中提出的一种新颖的低纹波直-直开关电源变换器(“A NewZero-Ripple Switching DC-to-DC Converter and Integrated Magnetics”)具有结构简单，开关器件少，单级功率级数，可实现电气隔离，只是开关管所承受的电压比较高，不能广泛应用于高压大电流场合。

发明内容

为解决大功率电源功率开关管电压应力过大，直-直变换器普遍变换级数多，电路复杂且不具有电气隔离功能的缺点，本发明提供一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器，其具有单级功率变换、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好、可升降压变换、降低开关器件的电压应力、有效实现电气隔离等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器，包括输入直流电源、输入滤波器、隔离式Cuk三电平直流变换单元、输出滤波器、输出直流负载；所述输入滤波器包括输入滤波电感、输入滤波电容，输入滤波电感与输入滤波电容相连接，二者接头处引出线为输入滤波器的第一输出端，输入滤波电感的另一端接输入直流电源的正极，输入滤波电容的另一端接输入直流电源的负极，输入直流电源的负极接地，输入滤波电容与输入直流电源相连的端口为输入滤波器的第二输出端；隔离式Cuk三电平直流变换单元包括输入储能电感、第一功率开关管、第二功率开关管、第一功率二极管、第二功率二极管、第一升压二极管、第二升压二极管、第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容、第四耦合电容、第一隔离变压器、第二隔离变压器；输入储能电感的一端接输入滤波器的第一输出端，输入储能电感的另一端接第一功率开关管的漏极和第一耦合电容的一端，第一耦合电容的另一端接第一隔离变压器的原边输入端，第一隔离变压器的原边输出端接第一功率开关管的源极，且两者接线引出端接第二功率开关管的漏极和第二隔离变压器原边输入端，第二隔离变压器原边输出端接第二耦合电容的一端，第二耦合电容的另一端接第二功率开关管的源极，且两者接头引出线接输入滤波器的第二输出端；第一隔离变压器的副边输入端接第三耦合电容的一端，第三耦合电容的另一端接第一升压二极管的阳极，且两者接线引出端接输出储能电感一端，输出储能电感的另一端为隔离式Cuk三电平直流变换单元的第一输出端；第一升压二极管的阴极接第一隔离变压器的副边输出端，且两者接线引出端接第二隔离变压器副边输入端和第二升压二极管阳极；第二隔离变压器副边输出端接第四耦合电容的一端，第四耦合电容的另一端接第二升压二极管的阴极，两者接线引出端为隔离式Cuk三电平直流变换单元的第二输出端，此外，第一功率开关管两端并联第一二极管，第一二极管的阳极并接于第一功率开关管的源极，第一二级管的阴极并接于第一功率开关管的漏极；第二功率开关管两端并联第二二极管，第二二极管的阳极并接于第二功率开关管的源极，第二二级管的阴极并接于第二功率开关管的漏极；输出滤波器包括输出滤波电容，该电容的两端分别接隔离式Cuk三电平直流变换单元的第一输出端和第二输出端；输出滤波电容与输出直流负载相互并联，隔离式Cuk三电平直流变换单元的第一输出端接地。