[发明专利]一种ZVS隔离的三电平Buck变换器

摘要

本发明公开了一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，包括6个开关管，每个开关管都并联有1个电容和1个续流二极管，以及2个分压电容，另2个续流二极管，1个飞跨电容、1个滤波电感、1个变压器、2个导通二极管和LC滤波器；所述开关管Q₁~Q₄依次串联，开关管Q₅~Q₆依次串联后并联于开关管Q₂的漏极和开关管Q₄的源极之间。有益效果：增加开关管的数量，电路通过谐振电感与电容的谐振实现开关管的零电压导通，可有效地减小开关管的损耗，提高电路的效率；整个电路采用直—交—直的降压方式，通过变压器隔离原边、副边，所得的电压能够较好的为后续逆变做准备而并入电网，特别适用于车载电源、光伏发电等应用场合。

主权项

1.一种ZVS隔离的三电平Buck变换器，其特征在于：包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄、开关管Q₅和开关管Q₆共6个开关管，所述开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃和开关管Q₄依次串联，所述开关管Q₅和开关管Q₆依次串联，所述开关管Q₅的漏极与开关管Q₂的漏极相连，所述开关管Q₆的源极与开关管Q₄的源极相连；所述开关管Q₁的两端分别并联有电容C₁和续流二极管D₁，所述续流二极管D₁的负极与开关管Q₁的漏极相连、续流二极管D₁的正极与开关管Q₁的源极相连；所述开关管Q₂的两端分别并联有电容C₂和续流二极管D₂，所述续流二极管D₂的负极与开关管Q₂的漏极相连、续流二极管D₂的正极与开关管Q₂的源极相连；所述开关管Q₃的两端分别并联有电容C₃和续流二极管D₃，所述续流二极管D₃的负极与开关管Q₃的漏极相连、续流二极管D₃的正极与开关管Q₃的源极相连；所述开关管Q₄的两端分别并联有电容C₄和续流二极管D₄，所述续流二极管D₄的负极与开关管Q₄的漏极相连、续流二极管D₄的正极与开关管Q₄的源极相连；所述开关管Q₅的两端分别并联有电容C₅和续流二极管D₅，所述续流二极管D₅的负极与开关管Q₅的漏极相连、续流二极管D₅的正极与开关管Q₅的源极相连；所述开关管Q₆的两端分别并联有电容C₆和续流二极管D₆，所述续流二极管D₆的负极与开关管Q₆的漏极相连、续流二极管D₆的正极与开关管Q₆的源极相连；还包括依次串联的分压电容C₇和分压电容C₈，依次串联的续流二极管D₇和续流二极管D₈，以及飞跨电容C_SS、滤波电感L₁、变压器、导通二极管D₉、导通二极管D₁₀和LC滤波器；所述分压电容C₇的一端和开关管Q₁的漏极均与位于输入端的电压源的正极相连，分压电容C₇的另一端、分压电容C₈的一端和续流二极管D₇的正极均与续流二极管D₈的负极相连，分压电容C₈的另一端和开关管Q₄的源极均与位于输入端的电压源的负极相连；所述续流二极管D₇的负极和飞跨电容C_SS的一端均与开关管Q₂的漏极相连，飞跨电容C_SS的另一端和续流二极管D₈的正极均与开关管Q₃的源极相连，开关管Q₃的漏极通过串联滤波电感L₁与变压器的原边一端相连，变压器的原边另一端与开关管Q₆的漏极相连，变压器的副边两端分别与导通二极管D₉和导通二极管D₁₀串联，所述导通二极管D₉的负极和导通二极管D₁₀的负极均与LC滤波器的一端相连，LC滤波器的另一端与变压器的副边中点相连；具有4个工作模态，分别为，t₀～t₃为三电平Buck变换器的4个模态的起始时刻点，t₄为三电平Buck变换器单周期的下一个周期起始时刻点；模态1：t₀～t₁，t₀之前，开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₆导通，变压器的原边向副边传递能量；t₀时刻，开关管Q₂关断，电容C₃对电容C₂充电，V_C2线性增加，V_C3线性下降，在电容C₂、电容C₃缓冲作用下，开关管Q₃为零电压开通；此时，电容C₂两端电压V_C2(t)、电容C₃两端电压V_C3(t)可表示为：在t₁时刻，电容C₃两端的电压为输入电压的一半；模态2：t₁～t₂，t₁时刻，开关管Q₆关断，电容C₅对电容C₆充电，电容C₄对C_SS放电，V_C6线性增加，V_C5线性下降，V_C4线性减小，电容C₅、电容C₆迫使开关管Q₆为零电压关断；此时，滤波电感L₁、电容C₅和电容C₆谐振工作；此时，变压器的原边电流i_p(t)，电容C₅两端电压V_C5(t)、电容C₆两端电压V_C6(t)可表示为：V_C5(t)＝V_in‑V_C6(t)模态3：t₂～t₃，t₂时刻，开关管Q₁、开关管Q₅关断，电容C₂对电容C₁充电，电容C₆对电容C₅充电，V_C1、V_C5线性增加，V_C2、V_C5线性下降，开关管Q₂和开关管Q₆为零电压开通；在此过程中，电容C₁两端电压V_C1(t)、电容C₂两端电压V_C2(t)可表示为：模态4：t₃～t₄，t₃时刻，开关管Q₃、开关管Q₄关断，电容C₁对电容C₃充电，电容C₄对飞跨电容C_SS放电，V_C1、V_C4线性下降，V_C3线性增加，开关管Q₁为零电压开通；此时，电容C₃两端电压V_C3(t)、电容C₁两端电压V_C1(t)可表示为：式中，I_o为输出电流，k为变压器原边对副边之比，t为开通时间，C₁、C₂、C₃为容值，V_in为输入电压，Z为特征阻抗，ω是电流转角；其中，C₅、C₆为容值，L₁为变压器的原边谐振电感值。