适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路制造技术

适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，属于电力电子技术、开关电源技术领域，本发明专利技术为解决现有串联开关管电压均衡的辅助环节应用到开关管串联型正、反激式变换器，存在电路结构复杂的问题。本发明专利技术包括钳位电容C1、C2；二极管D1、D2、D

【技术实现步骤摘要】
适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路


[0001]本专利技术涉及一种无源钳位电路，属于电力电子技术、开关电源


技术介绍

[0002]随着国内外研究人员在电力电子
研究的不断深入，直流电源技术已经从传统的线性电源发展到高频开关电源。目前，关于高频开关电源及其相关技术的研究已经比较成熟，各种不同功率等级的开关电源已经广泛应用到了工业和民用的各个领域。随着国民经济的发展，各种用电设备的种类越来越多，其供电电源的输入电压等级也不尽相同，各种高压输入场合逐渐增多。例如，未来舰船和无人机中1000V的直流母线将成为主流；在城市轨道交通系统中，车辆的供电电网一般有直流750V和1500V两种体制，其中，后者的最大供电电压可达1800V以上；在高速铁路电气系统中，车辆上各类电气设备的输入直流母线电压可高达2000～4000V；在矿业生产中，高压大功率采煤机变频器的直流母线电压可达2000～3000V，甚至更高；在现代能源互联网中，柔性直流配电网的中压互联母线电压可高达10000V。受功率器件电压等级等因素的限制，如何有效地降低各类器件的电压应力一直是高压变换器设计过程中的难点。
[0003]采用多个开关管串联的方式是降低高压变换器开关器件电压应力最为直接的方法。多个开关管串联应用的关键是确保各开关管在开关状态转换瞬间以及进入稳定工作状态后的电压均衡，即动态和静态电压均衡。各串联开关管电压的静态平衡可以通过在每个开关管上并联较大阻值的电阻来实现，但动态电压均衡一般不容易实现。通常，可以采用功率端控制和驱动端控制两种基本方式来实现各串联开关管的动态电压均衡。采用功率端控制一般是在各串联开关管两端附加缓冲电路或者箝位电路等辅助环节来吸收各开关管开通与关断瞬间的过电压。采用驱动端控制通常是为了实现各串联开关管的开通与关断同步，常用的方法有同步控制、主从控制等。如果按照是否采用有源器件来分类，各种已有的串联开关管均压实现方法可以分为无源方法和有源方法两种类型。其中，无源均压的典型方式为在各开关管两端增加无源缓冲电路，这种方式增加了电路的损耗，并限制了各开关管的开关频率。
[0004]将确保串联开关管电压均衡的辅助环节应用到开关管串联型正、反激式变换器时，由于正激式变换器本身还要同时增加变压器的磁复位环节，而反激式变换器本身还要同时增加变压器漏感能量吸收电路，这使得电路结构变得十分复杂。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决现有串联开关管电压均衡的辅助环节应用到开关管串联型正、反激式变换器，存在电路结构复杂的问题，提供了一种适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，本专利技术无源钳位电路应用于正激式变换器时，正激式变换器可省略磁复位环节；本专利技术无源钳位电路应用于反激式变换器时，反激式变换器可省略变压器漏感能量吸收电路，简化电路结构。
[0006]本专利技术所述适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，所述开关管串联型辅助电源采用两开关管S1、S2串联的变换器，所述变换器为正激式变换器或反激式变换器；
[0007]所述无源钳位电路包括钳位电容C1、C2；二极管D1、D2、D
L1
和D
L2
；以及耦合电感L1、L2；耦合电感L1、L2的绕组匝数相同；
[0008]钳位电容C2、二极管D2、二极管D1、钳位电容C1依次串联，该串联支路的钳位电容C2正极端同时连接开关管S2的漏极和二极管D
L1
的阴极，该串联支路的钳位电容C1负极端同时连接开关管S1的源极和二极管D
L2
的阳极，二极管D2的阴极和二极管D1的阳极同时连接开关管S1的漏极和开关管S2的源极；
[0009]耦合电感L2和二极管D
L2
串联，该串联支路的耦合电感L2一端连接钳位电容C2的负极；
[0010]耦合电感L1和二极管D
L1
串联，该串联支路的耦合电感L1一端连接钳位电容C1的正极；
[0011]开关管S1和S2的开关工作过程中的最大电压分别被C1和C2所钳位；具体为：
[0012]当钳位电容C1和C2出现电压差时，通过耦合电感L1、L2实现能量互相传输，当C1的电压高于C2的电压时，能量由C1通过耦合电感L1、L2向C2传递；当C2的电压高于C1的电压时，能量由C2通过耦合电感L1、L2向C1传递，以使钳位电容C1和C2的电压相等，进而确保开关管S1和S2的电压均衡。
[0013]进一步的，还包括二极管D
L
，二极管D
L
的阳极连接耦合电感L1和二极管D
L1
的公共节点，二极管D
L
的阴极连接变换器的原边；开关管S1和S2关断时，耦合电感L1、L2在每个开关周期内吸收的能量通过二极管D
L
回馈至变换器的输入侧。
[0014]进一步的，反激式变换器中钳位电路的耦合电感L1、L2等效电感值为：
[0015][0016]同时满足条件：
[0017]式中：L
p
为反激式变换器的变压器原边绕组电感，L
lk
反激式变换器的变压器等效漏感，V
C1
为钳位电容C1两端电压，且V
C1
＝V
C2
，V
C2
为钳位电容C2两端电压，V
i
为变换器输入侧电压，D为在每个开关周期中开关管S1和S2的占空比。
[0018]进一步的，正激式变换器中钳位电路的耦合电感L1、L2等效电感值为：
[0019][0020]同时满足条件：
[0021]L
m
为正激式变压器T
F
的等效励磁电感，V
C1
为钳位电容C1两端电压，且V
C1
＝V
C2
，V
C2
为钳位电容C2两端电压，V
i
为变换器输入侧电压，D为在每个开关周期中开关管S1和S2的占空比。
[0022]进一步的，还包括反激式绕组L
f
和二极管D
f
，反激式绕组L
f
和二极管D
f
串联，该串联支路并联在变换器的输出侧，反激式绕组L
f
与耦合电感L1、L2共同绕制在同一磁芯上，耦合电感L1、L2在每个开关周期内吸收的能量通过反激式绕组L
f
和二极管D
f
构成的串联支路回馈至变换器的输出侧。
[0023]进一步的，反激式变换器中钳位电路的耦合电感L1、L2等效电感值为：
[0024][0025]同时满足条件：
[0026]式中：L
p
为反激式变换器的变压器原边绕组电感，L
lk
反激式变换器的变压器等效漏感，V
C1
为钳位电容C1两端电压，且V
C1
＝V
C2
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，所述开关管串联型辅助电源采用两开关管S1、S2串联的变换器，所述变换器为正激式变换器或反激式变换器；其特征在于，所述无源钳位电路包括钳位电容C1、C2；二极管D1、D2、D
L1
和D
L2
；以及耦合电感L1、L2；耦合电感L1、L2的绕组匝数相同；钳位电容C2、二极管D2、二极管D1、钳位电容C1依次串联，该串联支路的钳位电容C2正极端同时连接开关管S2的漏极和二极管D
L1
的阴极，该串联支路的钳位电容C1负极端同时连接开关管S1的源极和二极管D
L2
的阳极，二极管D2的阴极和二极管D1的阳极同时连接开关管S1的漏极和开关管S2的源极；耦合电感L2和二极管D
L2
串联，该串联支路的耦合电感L2一端连接钳位电容C2的负极；耦合电感L1和二极管D
L1
串联，该串联支路的耦合电感L1一端连接钳位电容C1的正极；开关管S1和S2的开关工作过程中的最大电压分别被C1和C2所钳位；具体为：当钳位电容C1和C2出现电压差时，通过耦合电感L1、L2实现能量互相传输，当C1的电压高于C2的电压时，能量由C1通过耦合电感L1、L2向C2传递；当C2的电压高于C1的电压时，能量由C2通过耦合电感L1、L2向C1传递，以使钳位电容C1和C2的电压相等，进而确保开关管S1和S2的电压均衡。2.根据权利要求1所述适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，其特征在于，还包括二极管D
L
，二极管D
L
的阳极连接耦合电感L1和二极管D
L1
的公共节点，二极管D
L
的阴极连接变换器的原边；开关管S1和S2关断时，耦合电感L1、L2在每个开关周期内吸收的能量通过二极管D
L
回馈至变换器的输入侧。3.根据权利要求2所述适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，其特征在于，反激式变换器中钳位电路的耦合电感L1、L2等效电感值为：同时满足条件：式中：L
p
为反激式变换器的变压器原边绕组电感，L
lk
反激式变换器的变压器等效漏感，V
C1
为钳位电容C1两端电压，且V
C1
＝V
C2
，V
C2
为钳位电容C2两端电压，V
i
为变换器输入侧电压，D为在每个开关周期中开关管S1和S2的占空比。4.根据权利要求2所述适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，其特征在于，正激式变换器中钳位电路的耦合电感L1、L2等效电感值为：同时满足条件：L
m
为正激式变压器T
F
的等效励磁电感，V
C1
为钳位电容C1两端电压，且V
C1
＝V
C2
，V
C2
为钳位电容C2两端电压，V
i
为变换器输入侧电压，D为在每个开关周期中开关管S1和S2的占空比。
5.根据权利要求1所述适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，其特征在于，还包括反激式绕组L
f
和二极管D
f
，反激式绕组L
f
和二极管D
f
串联，该串联支路并联在变换器的输出侧，反激式绕组L
f
与耦合电感L1、L2共同绕制在同一磁芯上，耦合电感L1、L2在每个开关周期内吸收的能量通过反激式绕组L
f
和二极管D
f
构成的串联支路回馈至变换器的输出侧。6.根据权利要求5所述适用于开关管串联型辅助电源的无源钳位电路，其特征在于，反激式变换器中钳位电路的耦合电感L1、L2等效电感值为：同时满足条件：式中：L
p
为反激式变换器的变压器原边绕组电感，L
lk
反激式变换器的变压器等效漏感，V
C1
为钳位电容C1两端电压，且V
C1
＝V
C2
，V
C2
为钳位电容C2两端电压，V
i
为变换器输入侧电压，V
o...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟涛，李春艳，王世刚，魏亮，常熠琛，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：