基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器

摘要

本发明公开了一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器。该变换器将直流非隔离式Cuk三电平拓扑(不含变压器)中的两个耦合电容分别一拆为二，并在中间分别插入两个串联的变压器，两变压器原副边的中间连接点分别与左侧两开关管的中点和右侧两升压二极管的中点相连接，输入端和输出端分别加上输入、输出滤波器就构成了可将不稳定的直流电变换成稳定或可调的直流电的电路拓扑结构。本发明功率变换级数少，功率开关器件少，可实现升降压调节，具有电气隔离特性，并且输出滤波器前端电压频谱特性好，提高了变换效率和功率密度，减小输出滤波器的体积和重量。

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。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)将Cuk式三电平直-直变换器(不含隔离变压器)拓扑中的两个耦合电容分别一拆为二，并在中间插入两个串联的隔离变压器，两隔离变压器的原副边中间点分别连接两功率开关管的连接点和两升压二极管的中间连接点，另外在输入直流电源端和输出端分别加上输入、输出滤波器就构成了可将不稳定的高压直流电变换成稳定或可调的直流电的电路拓扑结构，实现了新型电力电子直流变压器、多电平在直流斩波器中的应用关键技术基础，在直流稳压和直流连续调压的民用、工业、国防等要求电气隔离的高压大容量直-直变换场合，具有广泛的应用前景。2)具有功率变换级数少，双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好等优点，因而提高变换效率和功率密度、减小体积和重量，可实现升降压调节，并可以减小输出滤波器的体积和重量。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

附图为本发明的一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器的电路拓扑结构图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器的电路包括输入直流电源1、输入滤波器2、隔离式Cuk三电平直流变换单元3、输出滤波器4、输出直流负载5；该变换器占空比大于0.5时交替输出两种电平，占空比小于0.5时交替输出另外两种电平，所输出的两个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的直流电压Uo；

所述输入滤波器2包括输入滤波电感Li、输入滤波电容Ci，输入滤波电感Li与输入滤波电容Ci相连接，二者接头处引出线为输入滤波器2的第一输出端x，输入滤波电感Li的另一端接输入直流电源1的正极，输入滤波电容Ci的另一端接输入直流电源1的负极，输入直流电源1的负极接地，输入滤波电容Ci与输入直流电源1相连的端口为输入滤波器2的第二输出端y；

隔离式Cuk三电平直流变换单元3包括输入储能电感L1、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一功率二极管p1、第二功率二极管p2、第一升压二极管D1、第二升压二极管D2、第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、第三耦合电容C3、第四耦合电容C4、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2；输入储能电感L1的一端接输入滤波器2的第一输出端x，输入储能电感L1的另一端接第一功率开关管S1的漏极和第一耦合电容C1的一端，第一耦合电容C1的另一端接第一隔离变压器T1的原边输入端a，第一隔离变压器T1的原边输出端b接第一功率开关管S1的源极，且两者接线引出端接第二功率开关管S2的漏极和第二隔离变压器T2原边输入端c，第二隔离变压器T2原边输出端d接第二耦合电容C2的一端，第二耦合电容C2的另一端接第二功率开关管S2的源极，且两者接头引出线接输入滤波器2的第二输出端y；第一隔离变压器T1的副边输入端e接第三耦合电容C3的一端，第三耦合电容C3的另一端接第一升压二极管D1的阳极，且两者接线引出端接输出储能电感L2一端，输出储能电感L2的另一端为隔离式Cuk三电平直流变换单元3的第一输出端p；第一升压二极管D1的阴极接第一隔离变压器T1的副边输出端f，且两者接线引出端接第二隔离变压器T2副边输入端g和第二升压二极管D2阳极；第二隔离变压器T2副边输出端h接第四耦合电容C4的一端，第四耦合电容C4的另一端接第二升压二极管D2的阴极，两者接线引出端为隔离式Cuk三电平直流变换单元3的第二输出端q；上述隔离式Cuk三电平直流变换单元3中，第一功率开关管S1两端并联第一二极管p1，第一二极管p1的阳极并接于第一功率开关管S1的源极，第一二级管p1的阴极并接于第一功率开关管S1的漏极；第二功率开关管S2两端并联第二二极管p2，第二二极管p2的阳极并接于第二功率开关管S2的源极，第二二级管p2的阴极并接于第二功率开关管S2的漏极；

输出滤波器4包括输出滤波电容Co，该电容的两端分别接隔离式Cuk三电平直流变换单元3的第一输出端p和第二输出端q；输出滤波电容Co与输出直流负载5相互并联，隔离式Cuk三电平直流变换单元3的第一输出端p接地。上述输出滤波器滤除隔离式Cuk三电平直流变换器的输出电压中的高次谐波，从而在输出直流负载侧得到直流电压Uo。

本发明基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器中，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2串联形成输入直流输入电源给输入储能电感L1充电支路，同时也形成第一耦合电容C1、第二耦合电容C2给第一隔离变压器T1原边、第二隔离变压器T2原边放电支路，第一升压二极管D1和第二升压二极管D2串联形成第一隔离变压器T1副边、第二隔离变压器T2副边给第三耦合电容C3、第四耦合电容C4的充电支路，同时也形成了输出储能电感L2给输出直流负载续流支路。第一功率开关管S1和第二功率开关管S2采取互错180°交替开通。

当第一功率开关管S1、第二功率开关管S2的占空比D小于0.5时，基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器一个开关周期内的基本工作过程如下：

1)第一电平的产生，第一功率开关管S1闭合，第二功率开关管S2断开，第一升压二极管D1截止，第二升压二极管D2导通，此时有回路：输入直流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第一功率开关管S1-第二隔离变压器T2原边-第二耦合电容C2，第二隔离变压器T2副边感应的能量通过第二升压二极管D2对第四耦合电容C4形成充电回路；第一耦合电容C1通过第一功率开关管S1与第一隔离变压器T1原边形成放电回路，第一隔离变压器T1副边感应的能量通过回路：第一隔离变压器T1副边-第三耦合电容C3-输出储能电感L2-输出直流负载Z_L-第二升压二极管D2对输出直流负载放电。

2)第二电平的产生，第一功率开关管S1、第二功率开关管S2同时关断，第一升压二极管D1、第二升压二极管D2同时导通，此时有回路：输入直流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第二耦合电容C2-第一隔离变压器T1原边-第二隔离变压器T2原边-第二耦合电容C2，此时输入储能电感L1放电，第一隔离变压器T1副边和第二隔离变压器T2副边感应的能量通过第三耦合电容C3-第一升压二极管D1-第二升压二极管D2-第四耦合电容C4形成回路且对第三耦合电容C3、第四耦合电容C4充电，同时输出直流负载也通过回路：输出直流负载Z_L-输出储能电感L2-第一升压二极管D1-第二升压二极管D2续流；

3)第一电平的另一种开关模态，第一功率开关管S1断开，第二功率开关管S2闭合，第一升压二极管D1导通，第二升压二极管D2截止，此时有回路：输入直流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第一耦合电容C1-第一隔离变压器T1原边-第二功率开关管S2，第一隔离变压器T1副边感应的能量通过第一升压二极管D1对第三耦合电容C3形成充电回路；第二耦合电容C2通过第二功率开关管S2与第二隔离变压器T2原边形成放电回路，第二隔离变压器T2副边感应的能量通过回路：第二隔离变压器T2副边-第四耦合电容C4-输出直流负载Z_L-输出储能电感L2-第一升压二极管D1对输出直流负载放电；

4)第二电平的产生，此开关模态与该开关周期中的开关模态2)完全相同；

此变换电路交替输出第一电平和第二电平，它们之间通过改变输出时间的宽度，从而达到调节输出电压的目的，输出的两个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的直流电压Uo。

当第一功率开关管S1、第二功率开关管S2的占空比D大于0.5时，基于Cuk变换器的高频隔离式三电平直-直变换器一个开关周期内的基本工作过程如下：

1)第一电平的产生，第一功率开关管S1闭合，第二功率开关管S2断开，第一升压二极管D1截止，第二升压二极管D2导通，此时有回路：输入直流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第一功率开关管S1-第二隔离变压器T2原边-第二耦合电容C2，第二隔离变压器T2副边感应的能量通过第二升压二极管D2对第四耦合电容C4形成充电回路；第一耦合电容C1通过第一功率开关管S1与第一隔离变压器T1原边形成放电回路，第一隔离变压器T1副边感应的能量通过回路：第一隔离变压器T1副边-第三耦合电容C3-输出储能电感L2-输出直流负载Z_L-第二升压二极管D2对输出直流负载放电。

2)第三电平的产生，第一功率开关管S1、第二功率开关管S2同时闭合，第一升压二极管D1、第二升压二极管D2同时截止，此时有回路：输入直流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第一功率开关管S1-第一功率开关管S2，此时输入直流电源对输入储能电感L1充电，同时有回路：第一耦合电容C1-第一功率开关管S1-第二功率开关管S2-第二耦合电容C2-第一隔离变压器T1原边-第二隔离变压器T2原边，第一耦合电容C1、第二耦合电容C2对第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2原边放电；第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2副边感应的能量通过第四耦合电容C4-输出直流负载Z_L-输出储能电感L2-第三耦合电容C3形成回路对负载供电；

3)第一电平的另一种开关模态，第一功率开关管S1断开，第二功率开关管S2闭合，第一升压二极管D1导通，第二升压二极管D2截止，此时有回路：输入直流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第一耦合电容C1-第一隔离变压器T1原边-第二功率开关管S2，第一隔离变压器T1副边感应的能量通过第一升压二极管D1对第三耦合电容C3充电；第二耦合电容C2通过第二功率开关管S2与第二隔离变压器T2原边形成放电回路，第二隔离变压器T2副边感应的能量通过回路：第二隔离变压器T2副边-第四耦合电容C4-输出直流负载Z_L-输出储能电感L2-第一升压二极管D1对输出负载放电；

4)第三电平的产生，此开关模态与该开关周期中的开关模态2)完全相同；

此变换电路交替输出第一电平和第三电平，它们之间通过改变输出时间的宽度，从而达到调节输出电压的目的，输出的两个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的直流电压Uo。