本發(fā)明涉及一種多相DCDC轉(zhuǎn)換電路，具體涉及一種多相橋倍流式PWM隔離型直流變換電路。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的DCDC直流電源均采用了單相全橋形式，其配合移相控制策略以及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將單相全橋電路幾乎達(dá)到極致。

大功率直流開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，其功率器件的選型一直是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，而功率器件的選型其電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力、開(kāi)關(guān)頻率的特性至關(guān)重要。從電路上降低開(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力尤為重要。

傳統(tǒng)增加DCDC直流電源功率是采用并機(jī)的策略，或者采用開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)方式。并機(jī)方案需要依靠控制電路的均流措施實(shí)現(xiàn)多臺(tái)直流電源并聯(lián)輸出，控制方式復(fù)雜。而采用開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)方式，在高頻工作過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)器件或驅(qū)動(dòng)器件的差異造成電流分配不均、開(kāi)關(guān)延時(shí)不同等造成整個(gè)系統(tǒng)損壞。在單相全橋變換下，輸出變壓器只有一個(gè)。大功率情況下，變壓器的功率增加，高頻變壓器加工工藝要求高，將難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決大功率PWM直流變換器的功率開(kāi)關(guān)器件電流應(yīng)力，本發(fā)明提供一種可靠的多相橋倍流式PWM隔離型直流變換電路。通過(guò)多橋臂倍流方式降低功率開(kāi)關(guān)器件電流應(yīng)力，簡(jiǎn)化輸出變壓器的設(shè)計(jì)工藝。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種多相橋倍流式PWM隔離型直流變換電路，包括多路可控橋臂、多個(gè)隔離變壓器、多組快恢復(fù)二極管，所述的可控橋臂的路數(shù)與隔離變壓器的數(shù)量、快恢復(fù)二極管組數(shù)均與多相橋的相數(shù)相同，所述的隔離變壓器原邊采用首尾相接的連接方式，隔離變壓器副邊采用星形連接方式；可控橋臂包括第一功率開(kāi)關(guān)器件和第二功率開(kāi)關(guān)器件，且第一功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件的集電極、對(duì)應(yīng)隔離變壓器原邊輸入端相連，所有可控橋臂中的第一功率開(kāi)關(guān)器件的集電極連接輸入電源的正輸入端，所有可控橋臂中的第二功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)射極連接輸入電源的負(fù)輸入端；每個(gè)隔離變壓器副邊輸出端接與之對(duì)應(yīng)的第一快恢復(fù)二極管的陽(yáng)極和第二快恢復(fù)二極管的陰極，所有第一快恢復(fù)二極管的陰極與輸出濾波電感的一端相連，輸出濾波電感的另一端與輸出濾波電容的正極相連，作為直流輸出的正極；所有第二快恢復(fù)二極管的陽(yáng)極與輸出濾波電容的負(fù)極相連作為直流輸出的負(fù)極。

多相直流變換電路的方案是采用了多橋臂方式，諸如三相橋、四相橋、六相橋等等多相橋。奇數(shù)、偶數(shù)數(shù)量均可工作，但偶數(shù)數(shù)量橋臂工作更加平衡。多相橋的相數(shù)為2N，其中N為不小于2的整數(shù)。

所有奇數(shù)相可控橋臂上的第一功率開(kāi)關(guān)器件上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，所有奇數(shù)相可控橋臂上的第二功率開(kāi)關(guān)器件上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，所有偶數(shù)相可控橋臂上的第一功率開(kāi)關(guān)器件上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，所有偶數(shù)相可控橋臂上的第二功率開(kāi)關(guān)器件上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，同一個(gè)可控橋臂上的第一功率開(kāi)關(guān)器件與第二功率開(kāi)關(guān)器件互補(bǔ)工作；奇數(shù)相可控橋臂上的第一功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通時(shí)間與偶數(shù)相可控橋臂上的第一功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通時(shí)間相同且均小于半個(gè)周期。

如圖3所示，所述的功率開(kāi)關(guān)器件包括一個(gè)全控器件、一個(gè)反并聯(lián)二極管和一個(gè)與全控器件并聯(lián)的諧振電容。

每個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件工作時(shí)，同時(shí)會(huì)有其交叉橋臂上的一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)了功率器件的“并聯(lián)”，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力降低到原來(lái)的一半。

功率開(kāi)關(guān)器件沒(méi)有真正的并聯(lián)，所以由驅(qū)動(dòng)電路的或器件本身的差異造成的開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)延時(shí)、阻抗分配等不會(huì)引起功率開(kāi)關(guān)器件的惡性損壞。

隔離變壓器在工作時(shí)，2N個(gè)隔離變壓器同時(shí)工作，每個(gè)隔離變壓器上的電流為輸出電流的2N分之一。隔離變壓器只需按照額定容量的2N分之一功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大降低了變壓器工藝的復(fù)雜程度，利于變壓器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明專(zhuān)利與傳統(tǒng)電路相比具有以下優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)蝹€(gè)功率開(kāi)關(guān)器件電流應(yīng)力降低(以四相橋?yàn)槔?，電流?yīng)力降低到原來(lái)的一半)；功率開(kāi)關(guān)器件沒(méi)有直接并聯(lián)，不會(huì)出現(xiàn)惡性損壞；高頻隔離變壓器功率減小，減小了實(shí)現(xiàn)難度。

附圖說(shuō)明

圖1為四相橋PWM隔離型直流變換主電路；

圖2為六相橋PWM隔離型直流變換主電路；

圖3為功率開(kāi)關(guān)器件；

圖4為四相橋PWM隔離型直流變換電路工作過(guò)程；

圖5為輸出電壓與占空比的關(guān)系。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

如圖1所示為四相橋PWM隔離型直流變換主電路，通過(guò)方形-星形高頻變壓器隔離。包括八個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8，四個(gè)高頻變壓器T1、T2、T3、T4，八個(gè)快恢復(fù)功率二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，一個(gè)輸出濾波電感Lo和一個(gè)輸出濾波電容Co。其中，四個(gè)高頻變壓器T1、T2、T3、T4原邊首尾相連以方形連接方式，四個(gè)高頻變壓器T1、T2、T3、T4副邊以星形連接方式。第一橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT1的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT2的集電極、高頻變壓器T1、高頻變壓器T4的連接點(diǎn)相連于點(diǎn)A；第二橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT3的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT4的集電極、高頻變壓器T1、高頻變壓器T2的連接點(diǎn)相連于點(diǎn)B；第三橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT5的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT6的集電極、高頻變壓器T2、高頻變壓器T3的連接點(diǎn)相連于點(diǎn)C；第四橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT7的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT8的集電極、高頻變壓器T3、高頻變壓器T4的連接點(diǎn)相連于點(diǎn)D。四個(gè)橋臂的第一功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT3、VT5、VT7的集電極連接后接入輸入電源的正輸入端；四個(gè)橋臂的第二功率開(kāi)關(guān)器件VT2、VT4、VT6、VT8的發(fā)射極連接后接入輸入電源的負(fù)輸入端。所述的輸入電源的兩端并聯(lián)有濾波電容Cd。第一快恢復(fù)功率二極管D1的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D2的陰極、高頻變壓器T1副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D3的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D4的陰極、高頻變壓器T2副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D5的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D6的陰極、高頻變壓器T3副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D7的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D8的陰極、高頻變壓器T4副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D1、D3、D5、D7的陰極相連后與輸出濾波電感Lo的一端相連于點(diǎn)m。輸出濾波電感Lo的另一端與輸出濾波電容Co的正極相連，作為直流輸出的正極。第二快恢復(fù)功率二極管D2、D4、D6、D8正極相連后與輸出濾波電容Co的負(fù)極相連于點(diǎn)n，作為直流輸出的負(fù)極。

然后對(duì)四相橋PWM隔離型直流變換主電路的工作過(guò)程進(jìn)行分析。為分析簡(jiǎn)化，做以下假定。電路中所有開(kāi)關(guān)器件均無(wú)慣性，開(kāi)關(guān)狀態(tài)更迭均瞬間完成。輸出濾波電容Co足夠大，無(wú)紋波出現(xiàn)。輸出濾波電感Lo足夠大，電流線性變化。高頻變壓器變比為1:1。直流輸入電壓為Ed，負(fù)載電流Io為I。

如圖4所示，八個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別為Ug1、Ug2、Ug3、Ug4、Ug5、Ug6、Ug7、Ug8。其中驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1、Ug5信號(hào)相同，同時(shí)開(kāi)通同時(shí)關(guān)閉；驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug3、Ug7信號(hào)相同；驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug2、Ug6信號(hào)相同；驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug4、Ug8信號(hào)相同。驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1、Ug2信號(hào)互補(bǔ)；驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug3,Ug4信號(hào)互補(bǔ)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug3、Ug1信號(hào)高電平時(shí)間相同，時(shí)間為DT。Ug1從信號(hào)周期初始時(shí)間即為高電平起始時(shí)間，Ug3則從半周期時(shí)刻為高電平的起始時(shí)間。其中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期時(shí)間為T(mén)，DT<T/2。D為信號(hào)的占空比。

一個(gè)完整的周期內(nèi)四相橋PWM電路可分為四種不同的工作狀態(tài)，t0～t1、t1～t2、t2～t3、t3～t0。

t0～t1：功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT4、VT5、VT8驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1、Ug4、Ug5、Ug8為高電平，功率開(kāi)關(guān)器件VT2、VT3、VT6、VT7驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug2、Ug3、Ug6、Ug7為低電平，A、B、C、D點(diǎn)的電勢(shì)分別為Ed(直流輸入電壓)、0、Ed、0；電壓UAB、UCD為正電平，幅值為Ed，電壓UBC、UDA為負(fù)電平幅值為-Ed。經(jīng)過(guò)高頻變壓器隔離后，變壓器副邊電壓Uao、Uco為正電平，幅值為Ed；變壓器副邊電壓Ubo、Udo為負(fù)電平，幅值為-Ed。電壓Uab、Ucd為正電平，幅值為2Ed。電壓Ubc、Uda為負(fù)電平，幅值為-2Ed。電壓Umn為正電平，幅值為2Ed。第一橋臂平均電流IA、第三橋臂平均電流IC為I，第二橋臂平均電流IB、第四橋臂平均電流ID為-I。高頻變壓器副邊電流I。輸出濾波電感Lo電流IL增加，平均電流為I。

t1～t2：功率開(kāi)關(guān)器件VT2、VT4、VT6、VT8驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug2、Ug4、Ug6、Ug8為高電平，功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT3、VT5、VT7驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1、Ug3、Ug5、Ug7為低電平，A、B、C、D點(diǎn)的電勢(shì)都為0；電壓UAB、UBC、UCD、UDA為零電平。經(jīng)過(guò)高頻變壓器隔離后，變壓器副邊電壓Uao、Ubo、Uco、Udo為零電平；電壓Uab、Ubc、Ucd、Uda為零電平。電壓Umn為零電平。IA、IB、IC、ID都為0(為方便分析，不考慮感作用)。快恢復(fù)二極管導(dǎo)通，變壓器副邊被快恢復(fù)二極管短路，變壓器副邊電流為0。輸出濾波電感Lo電流IL減小，平均電流為I。

t2～t3：功率開(kāi)關(guān)器件VT2、VT3、VT6、VT7驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug2、Ug3、Ug6、Ug7為高電平，功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT4、VT5、VT8驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1、Ug4、Ug5、Ug8為低電平，A、B、C、D點(diǎn)的電勢(shì)分別為0、Ed、0、Ed；電壓UBC、UDA為正電平，幅值為Ed，電壓UAB、UCD為負(fù)電平幅值為-Ed。經(jīng)過(guò)高頻變壓器隔離后，變壓器副邊電壓Ubo、Udo為正電平，幅值為Ed；變壓器副邊電壓Uao、Uco為負(fù)電平，幅值為-Ed。電壓Ubc、Uda為正電平，幅值為2Ed。電壓Uab、Ucd為負(fù)電平，幅值為-2Ed。電壓Umn為正電平，幅值為2Ed。IA、IC平均電流為-I，IB、IC平均電流為I。輸出濾波電感Lo電流IL增加，平均電流為I。

t3～t0：功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT3、VT5、VT7驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1、Ug3、Ug5、Ug7為高電平，功率開(kāi)關(guān)器件VT2、VT4、VT6、VT8驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug2、Ug4、Ug6、Ug8為低電平，A、B、C、D點(diǎn)的電勢(shì)都為Ed；電壓UAB、UBC、UCD、UDA為零電平。經(jīng)過(guò)高頻變壓器隔離后，變壓器副邊電壓Uao、Ubo、Uco、Udo為零電平；電壓Uab、Ubc、Ucd、Uda為零電平。電壓Umn為零電平。電壓Umn為零電平。IA、IB、IC、ID都為0?？旎謴?fù)二極管導(dǎo)通，變壓器副邊被快恢復(fù)二極管短路，變壓器副邊電流為0。輸出濾波電感Lo電流IL減小，平均電流為I。

經(jīng)過(guò)實(shí)際一整個(gè)周期的工作得到PWM波形Umn，電壓Umn在t0～t1、t2～t3時(shí)間段為高電平，幅值為2Ed，電壓Umn在t1～t2、t3～t0時(shí)間段為零電平。

Umn的PWM波形經(jīng)過(guò)輸出濾波電感Lo、輸出濾波電感Co濾波后得到直流輸出電壓Uo。Uo幅值約為2D*Ed。通過(guò)改變占空比D的大小，實(shí)現(xiàn)PWM方式調(diào)節(jié)輸出電壓Uo的目的。如圖5所示，為輸出電壓與占空比的關(guān)系。其中，最大輸出電壓Um由變壓器變比和輸入電壓Ed決定。

根據(jù)工作過(guò)程分析在不考慮變壓器勵(lì)磁電流的情況下，四個(gè)橋臂的工作電流IA、IB、IC、ID的平均電流約為I(I為負(fù)載電流)。

根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的四相橋PWM隔離型直流變換主電路實(shí)現(xiàn)90KW的直流供電電源。電源通過(guò)市電整流得到高壓直流母線電壓作為PWM直流變換器的輸入。設(shè)計(jì)中變壓器變比采用2:1，額定輸出電壓為270V，額定輸出電流達(dá)到330A，而且設(shè)計(jì)具有150％過(guò)載能力。

實(shí)施例二：

如圖2所示為六相橋PWM隔離型直流變換主電路，通過(guò)六邊形-星形高頻變壓器隔離。包括12個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8、VT9、VT10、VT11、VT12，六個(gè)高頻變壓器T1、T2、T3、T4、T5、T6，12個(gè)快恢復(fù)功率二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12，一個(gè)輸出濾波電感Lo和一個(gè)輸出濾波電容Co。第一橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT1的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT2的集電極、高頻變壓器T1、T6的連接點(diǎn)相連；第二橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT3的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT4的集電極、高頻變壓器T1、T2的連接點(diǎn)相連；第三橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT5的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT6的集電極、高頻變壓器T2、T3的連接點(diǎn)相連；第四橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT7的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT8的集電極、高頻變壓器T3、T4的連接點(diǎn)相連；第五橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT9的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT10的集電極、高頻變壓器T4、T5的連接點(diǎn)相連；第六橋臂：第一功率開(kāi)關(guān)器件VT11的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)器件VT12的集電極、高頻變壓器T5、T6的連接點(diǎn)相連。第一功率開(kāi)關(guān)器件VT1、VT3、VT5、VT7、VT9、VT11的集電極連接后接入輸入電源的正輸入端；第二功率開(kāi)關(guān)器件VT2、VT4、VT6、VT8、VT10、VT12的發(fā)射極連接后接入輸入電源的負(fù)輸入端。第一快恢復(fù)功率二極管D1的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D2的陰極、高頻變壓器T1副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D3的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D4的陰極、高頻變壓器T2副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D5的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D6的陰極、高頻變壓器T3副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D7的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D8的陰極、高頻變壓器T4副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D9的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D10的陰極、高頻變壓器T5副邊連接；第一快恢復(fù)功率二極管D11的陽(yáng)極與第二快恢復(fù)功率二極管D12的陰極、高頻變壓器T6副邊連接。第一快恢復(fù)功率二極管D1、D3、D5、D7、D9、D11的陰極相連后與輸出濾波電感Lo的一端相連。輸出濾波電感Lo的另一端與輸出濾波電容Co的正端相連，作為直流輸出的正極。第二快恢復(fù)功率二極管D2、D4、D6、D8、D10、D12陽(yáng)極相連后與輸出濾波電容Co的負(fù)極相連，作為直流輸出的負(fù)極。