本發(fā)明公開了一種ZVS四相全橋變換器及其移相控制方法，屬于功率變換器的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

能源是人類社會發(fā)展和進(jìn)步的基礎(chǔ)，隨著世界化石能源的日益枯竭，新能源的開發(fā)和利用成為了未來能源發(fā)展的方向，在各種新型能源中,太陽能取之不盡用之不竭且清潔無污染的特點使得光伏發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛的研究。光伏電池的電壓等級不高，在大功率且電壓較高的應(yīng)用場合中常采用三相Boost型全橋直流變換器進(jìn)行升壓。目前傳統(tǒng)的Boost型全橋直流變換器主開關(guān)管無法實現(xiàn)軟開關(guān)，因此效率不高。為實現(xiàn)軟開關(guān)，學(xué)者提出了一種三相交錯并聯(lián)Boost型變換器,通過引入三路有源箝位電路實現(xiàn)了主開關(guān)管和箝位開關(guān)管的ZVS，但是額外增加的三個有源箝位開關(guān)管，使得結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且有效占空比范圍僅為0~1/3。又有學(xué)者提出了一種Boost型三相全橋直流變換器,通過引入一路有源箝位電路實現(xiàn)了主開關(guān)管和箝位開關(guān)管的ZVS，但是該電路額外引入了一個有源箝位管,增加電路復(fù)雜性,且主開關(guān)管與有源箝位管的驅(qū)動控制方式非常復(fù)雜。

由此可見，目前傳統(tǒng)的三相Boost型全橋直流變換器主要通過增加有源箝位電路來實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，但是有源箝位電路的引入增加了變換器結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了一種ZVS四相全橋變換器及其移相控制方法，采用移相控制驅(qū)動技術(shù)，在不增加額外箝位電路的情況下實現(xiàn)了四相變換器原邊所有開關(guān)管的ZVS（Zero Voltage Switching，零電壓開通），解決了現(xiàn)有全橋變換器為實現(xiàn)軟開關(guān)加入箝位電路存在變換器結(jié)構(gòu)以及控制復(fù)雜的技術(shù)問題。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

一種ZVS四相全橋變換器，包括：低壓側(cè)電路、四相變壓器和高壓側(cè)電路，

低壓側(cè)電路包括：四相全橋和輸入濾波電容，

四相變壓器包括：A相同相變壓器、B相同相變壓器、C相反相變壓器、D相反相變壓器，

高壓側(cè)電路包括：四相整流橋、濾波電感和輸出濾波電容；

所述輸入濾波電容并聯(lián)在四相全橋的輸入側(cè)，A相同相變壓器原邊繞組的第一端子以及C相反相變壓器原邊繞組的第一端子均與四相全橋A相橋臂的中點連接，A相同相變壓器原邊繞組的第二端子以及C相反相變壓器原邊繞組的第二端子均與四相全橋B相橋臂的中點連接，B相同相變壓器原邊繞組的第一端子以及D相反相變壓器原邊繞組的第一端子均與四相全橋C相橋臂的中點連接，B相同相變壓器原邊繞組的第二端子以及D相反相變壓器原邊繞組的第二端子均與四相全橋D相橋臂的中點連接，A相同相變壓器副邊繞組的第一端子以及D相反相變壓器副邊繞組的第二端子均與四相整流橋a相橋臂的中點連接，A相同相變壓器副邊繞組的第二端子以及B相同相變壓器副邊繞組的第一端子均與四相整流橋b相橋臂的中點連接，B相同相變壓器副邊繞組的第二端子以及C相反相變壓器副邊繞組的第一端子均與四相整流橋c相橋臂的中點連接，C相反相變壓器副邊繞組的第二端子以及D相反相變壓器副邊繞組的第一端子均與四相整流橋d相橋臂的中點連接，濾波電感和輸出濾波電容串聯(lián)形成的串聯(lián)支路并接在四相整流橋的輸出側(cè)，A相同相變壓器原邊繞組的第一端子和副邊繞組的第一端子互為同名端，B相同相變壓器原邊繞組的第一端子和副邊繞組的第一端子互為同名端，C相反相變壓器原邊繞組的第二端子和副邊繞組的第一端子互為同名端，D相反相變壓器原邊繞組的第二端子和副邊繞組的第一端子互為同名端。

作為一種ZVS四相全橋變換器的進(jìn)一步優(yōu)化方案，四相全橋包括：第一開關(guān)管和第五開關(guān)管組成的A相橋臂、第二開關(guān)管和第六開關(guān)管組成的B相橋臂、第三開關(guān)管和第七開關(guān)管組成的C相橋臂、第四開關(guān)管和第八開關(guān)管組成的D相橋臂，第一、第二、第三、第四開關(guān)管的漏極并接，第一開關(guān)管的源極接第五開關(guān)管的漏極，第二開關(guān)管的源極接第六開關(guān)管的漏極，第三開關(guān)管的源極接第七開關(guān)管的漏極，第四開關(guān)管的源極接第八開關(guān)管的漏極，第五、第六、第七、第八開關(guān)管的源極并接。

再進(jìn)一步的，所述一種ZVS四相全橋變換器中，四相整流橋包括：第一二極管和第五二極管組成的a相橋臂、第二二極管和第六二極管組成的b相橋臂、第三二極管和第七二極管組成的c相橋臂、第四二極管和第八二極管組成的d相橋臂，第一、第二、第三、第四二極管的陰極并接，第一二極管的陽極接第五二極管的陰極，第二二極管的陽極接第六二極管的陰極，第三二極管的陽極接第七二極管的陰極，第四二極管的陽極接第八二極管的陰極，第五、第六、第七、第八二極管的陽極并接。

再進(jìn)一步的，所述一種ZVS四相全橋變換器中，第一至第八開關(guān)管為MOS管或IGBT管。

一種ZVS四相全橋變換器的移相控制方法，控制四相全橋每個橋臂上的兩開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，四相全橋每個橋臂上各開關(guān)管的導(dǎo)通時間分別為T_s/2，控制B相橋臂上開關(guān)管比A相橋臂上開關(guān)管推遲t_d時間導(dǎo)通，控制C相橋臂上開關(guān)管比A相橋臂上開關(guān)管推遲T_s/4時間導(dǎo)通，控制D相橋臂上開關(guān)管比A相橋臂上開關(guān)管推遲T_s/4+t_d時間導(dǎo)通，調(diào)整四相全橋變換器變空比在上的取值以使四相全橋變換器工作于降壓模式，調(diào)整四相全橋變換器變空比在上的取值以使四相全橋變換器工作于升壓模式，所述四相全橋變換器變空比為對角管重疊導(dǎo)通時間與半個開關(guān)周期的比值，t_d為對角管重疊導(dǎo)通時間，T_s為開關(guān)周期。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：

（1）本申請涉及的四相全橋變換器由傳統(tǒng)的兩相交錯并聯(lián)移相全橋變換器演變而來，通過在傳統(tǒng)的兩相交錯并聯(lián)移相全橋變換器結(jié)構(gòu)上增加兩相反相變壓器并改變變壓器與四相全橋的連接方式得到本申請公開的四相全橋變換器拓?fù)洌鄬τ趥鹘y(tǒng)的隔離Boost型升壓電路，不需要增加額外的箝位電路，采用移相控制方法驅(qū)動四相全橋變換器就可以實現(xiàn)所有原邊開關(guān)管的ZVS，且簡化了控制方法；

（2）與兩相交錯并聯(lián)移相全橋變換器相比，能夠減小開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，減小單個變壓器的體積以及濾波電感的體積；

（3）該變換器的有效占空比變化范圍為0~1，與三相Boost型全橋直流變換器相比，變換器的電路功率等級得到了提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明涉及的四相全橋變換器的電路原理圖。

圖2是本發(fā)明移相控制四相全橋變換器的電路時序圖。

圖3是本發(fā)明移相控制四相全橋變換器穩(wěn)態(tài)工作的波形圖。

圖中標(biāo)號說明：C_in為低壓側(cè)濾波電容，C_f為高壓側(cè)濾波電容，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇和Q₈為第一至第八開關(guān)管，L_f為濾波電感，D_s1、D_s2、D_s3、D_s4、D_s5、D_s6、D_s7、D_s8為第一至第八二極管。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明涉及的ZVS四相全橋變換器的電路原理圖如圖1所示，包括低壓側(cè)電路、四相變壓器和高壓側(cè)電路。

低壓側(cè)電路包括：四相全橋和低壓側(cè)濾波電容C_in（即為輸入濾波電容），四相全橋由第一至第八開關(guān)管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇和Q₈組成。低壓側(cè)濾波電容C_in與光伏電池V_in并聯(lián)。四相全橋包括：第一開關(guān)管Q₁的源極與第五開關(guān)管Q₅的漏極連接組成A相橋臂，第二開關(guān)管Q₂的源極與第六開關(guān)管Q₆的漏極連接組成B相橋臂，第三開關(guān)管Q₃的源極與第七開關(guān)管Q₇的漏極連接組成C相橋臂，第四開關(guān)管Q₄的源極與第八開關(guān)管Q₈的漏極連接組成D相橋臂。高壓側(cè)濾波電容C_in正端、第一開關(guān)管Q₁漏極、第二開關(guān)管Q₂漏極、第三開關(guān)管Q₃漏極和第四開關(guān)管Q₄漏極相連，輸入濾波電容C_in負(fù)端第五開關(guān)管Q₅源極、第六開關(guān)管Q₆源極、第七開關(guān)管Q₇源極和第八開關(guān)管Q₈源極相連。

四相變壓器包括：A相同相變壓器、B相同相變壓器、C相反相變壓器、D相反相變壓器，A相同相變壓器包括a_p相繞組和a_s相繞組，B相同相變壓器包括b_p相繞組和b_s相繞組，C相反相變壓器包括c_p相繞組和c_s相繞組，D相反相變壓器包括d_p相繞組和d_s相繞組，a_p相繞組、b_p相繞組、c_p相繞組和d_p相繞組組成四相變壓器的原邊繞組，a_s相繞組、b_s相繞組、c_s相繞組和d_s相繞組組成四相變壓器的副邊繞組。A相橋臂的中點和四相變壓器中a_p相繞組的同名端以及四相變壓器中c_p相繞組的異名端相連接，B相橋臂的中點和四相變壓器中a_p相繞組的異名端以及四相變壓器中c_p相繞組的同名端相連接，C相橋臂的中點和四相變壓器中b_p相繞組的同名端以及四相變壓器中d_p相繞組的異名端相連接，D相橋臂的中點、四相變壓器中b_p相繞組的異名端和四相變壓器中d_p相繞組的同名端相連接。a相橋臂中點和四相變壓器中a_s相繞組的同名端以及四相變壓器中d_s相繞組的異名端連接，b橋臂中點和四相變壓器中b_s相繞組的同名端以及四相變壓器中a_s相繞組的異名端相連接，c橋臂中點和四相變壓器中c_s相繞組的同名端以及四相變壓器中b_s相繞組的異名端相連接，d橋臂中點和四相變壓器中d_s相繞組的同名端以及四相變壓器中c_s相繞組的異名端相連接。

高壓側(cè)電路包括：四相整流橋、濾波電感L_f和高壓側(cè)濾波電容C_f（輸出濾波電容），四相整流橋由第一至第八二極管D_s1、D_s2、D_s3、D_s4、D_s5、D_s6、D_s7、D_s8組成。四相整流橋包括：第一二極管D_s1的正極與第五二級管D_s5的負(fù)極連接組成a相橋臂，第二二極管D_s2的正極與第六二級管D_s6的負(fù)極連接組成b相橋臂，第三二極管D_s3的正極與第七二級管D_s7的負(fù)極連接組成c相橋臂，第四二極管D_s4的正極與第八二級管D_s8的負(fù)極連接組成d相橋臂，第一二極管D_s1陰極、第二二極管D_s2陰極、第三二極管D_s3陰極和第四二極管D_s4陰極相連接，五二極管D_s5陽極、第六二極管D_s6陽極、第七二極管D_s7陽極和第八二極管D_s8陽極相連接。高壓側(cè)濾波電容C_f與直流母線并聯(lián)。第一至第四二極管的連接點與濾波電感L_f的一端相連，濾波電感L_f的另一端與高壓側(cè)濾波電容C_f的正端相連，高壓側(cè)濾波電容C_f的負(fù)端與第五至第八二極的連接點相連。

圖1的具體實施案例為：光伏電池電壓V_in=48V，直流母線電壓V_o=380V，額定輸出功率P_o=5kW，開關(guān)頻率f_s=50kHz，濾波電感L_f=81.9uH，四相變壓器選用EE55磁芯，原邊匝數(shù)4匝，激磁電感104.6uH，副邊匝數(shù)18匝，激磁電感2.1mH，原邊漏感為0.31uH，低壓側(cè)濾波電容C_in=1300uF，高壓側(cè)濾波電容C_f=141uF。

圖2為本專利所述基于移相控制的四相全橋變換器驅(qū)動時序圖，圖中T_s為開關(guān)周期。因采用移相控制，每個橋臂上下管互補(bǔ)導(dǎo)通，導(dǎo)通時間分別為T_s/2。Q₂比Q₁推遲t_d導(dǎo)通，Q₃比Q₁推遲T_s/4導(dǎo)通，Q₄比Q₁推遲T_s/4+t_d。

圖3為本專利所述基于移相控制的四相全橋變換器穩(wěn)態(tài)工作波形圖，N_T為變壓器匝比。因采用移相控制，所以本專利中出現(xiàn)的占空比均指對角管重疊導(dǎo)通時間（如，開關(guān)管Q₁和Q₆的重疊導(dǎo)通時間/Q₂和Q₅的重疊導(dǎo)通時間/Q₃和Q₈的重疊導(dǎo)通時間/Q₄和Q₇的重疊導(dǎo)通時間，對角管重疊導(dǎo)通時間記為t_d）與半個開關(guān)周期的比值。根據(jù)占空比的范圍，四相移相全橋變換器工作于不同的模式。當(dāng)占空比時，四相移相全橋變換器工作于降壓模式；當(dāng)時，四相移相全橋變換器工作于升壓模式。以變換器工作在升壓模式下為例說明其工作原理，工作原理如下：

工作模式1[t₀~t₁]：開關(guān)管Q₁、Q₆、Q₃和Q₈導(dǎo)通，電流由電源正極流出經(jīng)過兩條通路，一條為從電源正極出發(fā)經(jīng)過開關(guān)管Q₁，四相變壓器的a_p和c_p相繞組，開關(guān)管Q₆再回到電源負(fù)極；另一條為從電源正極出發(fā)經(jīng)過一條為從電源正極出發(fā)經(jīng)過開關(guān)管Q₃，四相變壓器的b_p和d_p相繞組，開關(guān)管Q₈再回到電源負(fù)極。變壓器原邊電壓v_AP=-v_CP= v_BP=-v_DP=V_in，副邊電壓v_AS=-v_CS= v_BS=-v_DS=V_in/N_T，二極管D_s1和D_s7導(dǎo)通，濾波電感L_f左端的電壓v_rect=2V_in/N_T。

工作模式2[t₁~t₂]：開關(guān)管Q₁、Q₂、Q₃和Q₈導(dǎo)通，電流由電源正極流出，經(jīng)過開關(guān)管Q₃，四相變壓器的b_p和d_p相繞組，開關(guān)管Q₈再回到電源負(fù)極。變壓器原邊電壓v_AP=-v_CP=0，v_BP=-v_DP=V_in，副邊電壓v_AS=-v_CS=0，v_BS=-v_DS=V_in/N_T，二極管D_s1、D_s2、D_s7和D_s8導(dǎo)通，濾波電感L_f左端的電壓v_rect=V_in/N_T。

在t₂時刻，關(guān)斷開關(guān)管Q₁，開通開關(guān)管Q₅，變換器進(jìn)入另外一個T_s/4周期的工作，余下三個T_s/4的工作情況類似上述的T_s/4，在此不再贅述。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)先實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明專利的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本專利的保護(hù)范圍。