本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器。
背景技术：
在电力系统中，为了给保护电路、控制电路、事故照明等各种直流设备供电，系统中必须包含高可靠、高效率的直流电源。因此，在变电站均设有独立的直流电源蓄电池和与之配套的充电装置，称为电力操作电源或直流电源系统。它的主要作用是，正常工作时为变电站内的设备提供直流能量，同时能够实现故障时不间断供电。
直流电源系统需要经过变换器进行电压等级转换，才能够满足设备的供电需求。随着近年兴起的软开关技术在直流变换器中的应用，进一步降低了直流变换器的损耗，功率密度、可靠性等性能也得到了一定的提升。尤其是移相全桥直流变换器，所有开关管均能够利用器件自身的寄生参数，实现软开关，在中大功率直流电源系统中受到广泛关注。然而，传统的移相全桥变换器在具体实际应用中，主要存在以下几个问题：(1)滞后桥臂开关管的软开关范围窄，轻载效率较低；（2）原边存在环流损耗，加剧了传导损耗；（3）副边整流电压存在振荡，二极管电压应力较大，不利于效率的进一步提升。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决传统移相全桥变换器存在的问题，而提供一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，具有软开关范围宽、无环流损耗、整流二极管电压应力低等特性，能够可靠、高效地为变电站电力直流操作电源系统实现电能变换。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，其特征在于：包括第一mosfet、第二mosfet、第一igbt、第二igbt、第一电容、第二电容、第三电容，第一变压器、第二变压器、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一滤波电感和第二滤波电感；
所述第一mosfet和第二mosfet串联连接，所述第一igbt和第二igbt串联连接，所述第一mosfet和第二mosfet、第一igbt和第二igbt分别构成半桥基本单元，并与输入端的正极、负极并联连接；所述第一mosfet和第二mosfet串联的连接点与第一变压器原边绕组的一端相连，所述第一变压器原边绕组的另一端与第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端与输入端的负极相连；所述第一igbt和第二igbt串联的连接点与第二变压器原边绕组的一端连接，所述第二变压器原边绕组的另一端与第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端与输入端的负极相连；
所述第一变压器的副边绕组两端分别与所述第三整流二极管、第四整流二极管的阴极以及第一滤波电感、第二滤波电感的一端连接；所述第二变压器的副边绕组两端分别与所述第一整流二极管、第二整流二极管的阴极以及第三整流二极管、第四整流二极管的阳极连接；所述第一滤波电感和第二滤波电感的另一端均与所述第三电容的一端连接，作为输出电压的正端，所述第三电容的另一端与第一整流二极管和第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：该全桥直流变换器具有软开关范围宽、二极管电压应力低、输出电流纹波小等特点，其电路结构简单、转换效率高，适用于电力直流操作电源系统。
附图说明
图1是本发明的整体电路结构示意图；
其中：vin为直流电源，q1、q3分别为第一mosfet、第二mosfet，q2、q4分别为第一igbt、第二igbt，c1、c2和co分别为第一电容、第二电容和第三电容，t1、t2分别为第一变压器、第二变压器，np为第一变压器、第二变压器的初级绕组匝数，ns为第一变压器、第二变压器的副边绕组匝数，d1、d2、d3、d4分别为第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管，l1、l2分别为第一滤波电感、第二滤波电感。
图2是本发明的简化等效电路示意图，图中所有元器件均为理想器件；
图3是图2的主要工作波形示意图；
图4~8是图2在不同模态下的等效电路图。
上述附图中的主要物理量为：tα是移相时间，n为t1、t2变压器副边与原边匝数之比，lkl为t1的漏感，lk2为t2的漏感，cb等效为恒定电压源0.5vin，负载电流为io，l1、l2电感值足够大等效为0.5io的恒流源。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，包括第一mosfet、第二mosfet（q1、q3），第一igbt、第二igbt（q2、q4），第一电容、第二电容、第三电容(c1、c2、co)，第一隔离变压器、第二隔离变压器(t1、t2)，第一整流二极管至第四整流二极管(d1~d4)，第一滤波电感、第二滤波电感(l1、l2)。
第一mosfet和第二mosfet串联连接，第一igbt和第二igbt串联连接，第一mosfet和第二mosfet、第一igbt和第二igbt分别构成半桥基本单元，并与输入端的正极、负极并联连接；第一mosfet和第二mosfet串联的连接点与第一变压器原边绕组的一端相连，第一变压器原边绕组的另一端与第一电容的一端相连，第一电容的另一端与输入端的负极相连；第一igbt和第二igbt串联的连接点与第二变压器原边绕组的一端连接，第二变压器原边绕组的另一端与第二电容的一端相连，第二电容的另一端与输入端的负极相连；
第一变压器的副边绕组两端分别与第三整流二极管、第四整流二极管的阴极以及第一滤波电感、第二滤波电感的一端连接；第二变压器的副边绕组两端分别与第一整流二极管、第二整流二极管的阴极以及第三整流二极管、第四整流二极管的阳极连接；第一滤波电感和第二滤波电感的另一端均与第三电容的一端连接，作为输出电压的正端，第三电容的另一端与第一整流二极管和第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端。
具体的，q1、q3、t1和c1构成半桥逆变单元，q2、q4、t2和c2构成另一半桥逆变单元，忽略死区时间，开关管的占空比为0.5，变换器通过调整两逆变单元之间的相移时间tα，实现对输出电压的调节，在二次侧，d1~d4和l1、l2构成倍流整流单元，如附图1。
下面以附图2简化的等效电路，结合附图3~8叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知本发明提出的变换器在一个开关周期有10种工作模态，分别是[t0~t1]、[t1~t2]、[t2~t3]、[t3~t4]、[t4~t5]、[t5~t6]、[t6~t7]、[t7~t8]、[t8~t9]、[t9~t10]，其中，[t0~t5]为前半周期，[t5~t10]为后半周期，由于变换器的对称性，两种工作模态相同，只是电压、电流方向相反。下面仅以[t0~t5]前半周期各工作模态为例，对变换器的工作情况进行具体分析。
为简化分析，作如下假设：1）开关管的寄生器件只考虑体二极管和结电容；2）忽略t1和t2变压器的励磁电感，其漏感分别为lk1和lk2；3）c2容值足够大，等效为恒压源，l1和l2等效为恒流源忽；4）图2所示的元器件均为理想器件。
开关模态1[t0~t1](对应于附图4)：q1、q2、d2、d3导通，该时段t1和t2变压器均能够传递功率，输出滤波电感l1和l2映射到原边，原副边电流均保持恒定值，c1端电压线性增加。
开关模态2[t1~t2](对应于附图5)：q1在t1时刻关断，原副边电流仍然保持恒定值，q1、q3的结电容线性充放电，其连接点电压线性下降，与此同时，t1变压器原副边电压和整流电压也开始线性下降。
开关模态3[t2~t3](对应于附图6)：在t2时刻，q1、q3连接点电压和d4端电压同时下降到零，q3体二极管和d4开始导通，q3可以实现零电压开通。
开关模态4[t3~t4](对应于附图7)：在该时段，由q2、q4、t2和c2组成的半桥逆变单元电流原副边电流为零，为q2、q4实现零电流关断创造了条件。由q1、q3、t1和c1组成的半桥逆变单元电流保持恒定值，能够持续性地传递功率。
开关模态5[t4~t5](对应于附图8)：在该时段内，整流二极管d1和d2同时导通，将t2变压器副边电压钳位在零值，lk2端电压为0.5vin，其电流反方向线性升高，同时d1电流线性增加，d2电流线性减小。在t5时刻，d2电流下降到零，该时段结束，变换器进入到后半周期。
后半周期[t5~t10]的工作原理与前半周期[t0~t5]基本相同，只是电流、电压反方向变化，不再重复叙述。
总结上述工作过程可知，本发明提出的新型全桥直流变换器具有如下优点：超前开关管mosfet能够实现零电压导通，滞后开关管igbt可以实现零电流开关；双变压器结构保证了变换器原副边功率传递的连续性，同时有利于减小原边环流损耗和输出电流纹波；变压器的漏感可以设计的很小，有助于减小二次侧整流电压的振荡幅值。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
1.一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，其特征在于：包括第一mosfet、第二mosfet、第一igbt、第二igbt、第一电容、第二电容、第三电容，第一变压器、第二变压器、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一滤波电感和第二滤波电感；
所述第一mosfet和第二mosfet串联连接，所述第一igbt和第二igbt串联连接，所述第一mosfet和第二mosfet、第一igbt和第二igbt分别构成半桥基本单元，并与输入端的正极、负极并联连接；所述第一mosfet和第二mosfet串联的连接点与第一变压器原边绕组的一端相连，所述第一变压器原边绕组的另一端与第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端与输入端的负极相连；所述第一igbt和第二igbt串联的连接点与第二变压器原边绕组的一端连接，所述第二变压器原边绕组的另一端与第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端与输入端的负极相连；
所述第一变压器的副边绕组两端分别与所述第三整流二极管、第四整流二极管的阴极以及第一滤波电感、第二滤波电感的一端连接；所述第二变压器的副边绕组两端分别与所述第一整流二极管、第二整流二极管的阴极以及第三整流二极管、第四整流二极管的阳极连接；所述第一滤波电感和第二滤波电感的另一端均与所述第三电容的一端连接，作为输出电压的正端，所述第三电容的另一端与第一整流二极管和第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端。
技术总结