專利名稱：一種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源電路，具體地說，涉及一種開關(guān)電源及電力變換的電源電路。
背景技術(shù)：
正反激變換器綜合了正激變換器和反激變換器的優(yōu)點，具有比較好的總體性能。有一類正反激變換器利用一只變壓器實現(xiàn)正激變壓器和反激變壓器的功能，使變壓器的利用更加充分，例如圖1至圖4所示的有源鉗位正反激(FFAC)變換器。這種正反激變換器工作時，鉗位管具有自然的零電壓開通條件，但開關(guān)管的開通則是硬開通，會造成比較大的開通損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是為了解決上述技術(shù)問題而提出了一種新型的零電壓開關(guān)(ZVS)有源鉗位正反激變換器電路，它在有源鉗位正反激(FFAC)變換器的基礎(chǔ)上增加副邊諧振電感，實現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開通。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，包括變壓器、開關(guān)管、鉗位管、鉗位電容、整流管、諧振電感、儲能電感和輸出電容。變換器原邊電路是有源鉗位電路，其中開關(guān)管與變壓器原邊繞組串聯(lián)后與輸入電壓兩端連接；鉗位管與鉗位電容串聯(lián)后與變壓器原邊繞組或開關(guān)管并聯(lián)。變換器副邊電路是整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感，使變壓器副邊繞組電流流過諧振電感，并使得變壓器副邊繞組的電流變化成為諧振電感的勵磁電流變化。
所述零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的變換器副邊電路由變壓器副邊繞組與整流管構(gòu)成全橋整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感，諧振電感與變壓器副邊繞組串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感與輸出電容串聯(lián)后與a點和b點相連。
所述零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的變換器副邊電路由變壓器副邊繞組與整流管構(gòu)成全橋整流電路，在變換器副邊電路中串接兩個諧振電感，兩個諧振電感分別串聯(lián)在全橋整流電路的兩組整流管之間，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感與輸出電容串聯(lián)后與a點和b點相連。
所述零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的變換器副邊電路由變壓器副邊繞組與整流管構(gòu)成全橋整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感，諧振電感為耦合電感，其內(nèi)部的兩個電感分別串聯(lián)在全橋整流電路的兩組整流管之間，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感與輸出電容串聯(lián)后與a點和b點相連。
所述零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的變換器副邊電路由變壓器副邊繞組與整流管構(gòu)成全波整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感，諧振電感與整流管串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感與輸出電容串聯(lián)后與a點和b點相連。
所述零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的變換器副邊電路由變壓器副邊繞組與整流管構(gòu)成全波整流電路，在變換器副邊電路中串接兩個諧振電感，兩個諧振電感分別與兩個整流管串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感與輸出電容串聯(lián)后與a點和b點相連。
所述零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的變換器副邊電路由變壓器副邊繞組與整流管構(gòu)成全波整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感，諧振電感為耦合電感，其內(nèi)部的兩個電感分別與兩個整流管串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感與輸出電容串聯(lián)后與a點和b點相連。
本發(fā)明的有益效果是一種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，因而減小了開關(guān)管的開通損耗，降低了變換器的EMI發(fā)射。


圖1至圖4是單變壓器正反激變換器的四種電路原理圖。
圖5為本發(fā)明一種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器電路原理圖。
圖6至圖10分別是本發(fā)明一種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器副邊電路五個實施例的電路原理圖。
圖11是圖5的等效電路12至圖19是圖11所示電路的不同工作模式示意圖。
圖20是圖11所示電路工作時的主要電參數(shù)波形圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
如圖1至圖4所示為現(xiàn)有技術(shù)單變壓器正反激變換器的四種電路原理圖。
如圖5所示一種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，包括變壓器、開關(guān)管、鉗位管、鉗位電容、整流管、諧振電感、儲能電感和輸出電容。變換器原邊電路是有源鉗位電路，開關(guān)管S1與變壓器原邊繞組Np串聯(lián)后與輸入電壓兩端連接；鉗位管S2與鉗位電容C1串聯(lián)后與變壓器原邊繞組Np并聯(lián)；變換器副邊電路由變壓器副邊繞組Ns與整流管D1、D2、D3和D4構(gòu)成全橋整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感Lr，諧振電感Lr與變壓器副邊繞組Ns串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感L1與輸出電容C2串聯(lián)后與a點和b點相連。
圖6至圖10分別是本發(fā)明副邊電路的五個實施例，其原理與圖5所示電路相似。下面以圖5所示電路原理圖為例對其工作原理進行詳細說明，為了便于分析，對電路進行等效變換，變壓器采用理想變壓器和勵磁電感并聯(lián)的等效電路模型替代，副邊諧振電感等效變換為原邊諧振電感。圖11即為圖5的等效電路圖，圖11中的電感Lp為變壓器的原邊勵磁電感，電感Lrp為副邊諧振電感Lr的原邊等效電感，電容Cr是等效電容，主要包含開關(guān)管、鉗位管輸出電容和變壓器雜散電容。分析時假定開關(guān)管、鉗位管及整流管均為理想器件，正向?qū)▔航岛头聪驅(qū)▔航稻雎圆挥?，C1和C2電容容量足夠大，在一個開關(guān)周期內(nèi)的電壓變化忽略不計，電感L1的電感量足夠大，在一個開關(guān)周期內(nèi)的電流變化忽略不計。
工作原理分析一個完整的工作周期可以分成八種工作模式。參見圖12至圖19，電路主要參數(shù)的波形見圖20。
①工作模式1(對應(yīng)t0時刻之前，其等效電路見圖12)t0時刻之前，開關(guān)管S1導(dǎo)通，鉗位管S2關(guān)斷，變壓器原邊承受輸入電壓，副邊整流管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3關(guān)斷。原邊輸入電流包括兩部分，一部分是副邊繞組電流折算到原邊的電流ip，另一部分是原邊勵磁電流im，im在輸入電壓的作用下斜率增大。此工作模式下，原邊向副邊傳遞能量，同時勵磁電感進行儲能。
②工作模式2(對應(yīng)t0～t1，其等效電路見圖13)t0時刻，開關(guān)管S1關(guān)斷，原邊輸入電流對Cr充電，S1兩端電壓逐漸上升。勵磁電流im在此期間繼續(xù)增大，但速度逐漸降低。由于勵磁電感量較大，im在此期間變化不大，副邊繞組電流折算到原邊的電流ip不變，開關(guān)管兩端電壓近似線性上升。
③工作模式3(對應(yīng)t1～t2，其等效電路見圖14)t1時刻，開關(guān)管S1兩端電壓上升至輸入電壓，勵磁電流im達到最大值。隨后變壓器原邊電壓反向，勵磁電流im開始下降，諧振電感Lrp承受電壓上負下正，ip逐漸減小，副邊整流電路開始換流，D1、D2、D3、D4同時導(dǎo)通，D1、D4電流逐漸減小，D2、D3電流逐漸增大，整流電路輸出電壓Vab被鉗位為零。Cr繼續(xù)充電，但充電電流逐漸減小。此工作模式下，Lp與Lrp并聯(lián)，與Cr產(chǎn)生諧振，開關(guān)管兩端電壓諧振上升。因為諧振槽路的初始電流較大(相比較工作模式7)，開關(guān)管兩端電壓上升較快。
④工作模式4(對應(yīng)t2～t3，其等效電路見圖15)t2時刻，開關(guān)管S1兩端電壓上升至輸入電壓與鉗位電容電壓之和，鉗位管本體二極管自然開通，Cr充電結(jié)束，勵磁電流im和副邊繞組折算電流ip流向鉗位電容C1。變壓器原邊電壓被鉗位在鉗位電容電壓，勵磁電流im在鉗位電壓作用下斜率下降，諧振電感Lrp承受鉗位電壓，ip斜率減小，直到減小為零然后反向逐漸增大，副邊整流電路繼續(xù)換流過程。
⑤工作模式5(對應(yīng)t3～t5，其等效電路見圖16)t3時刻，ip達到反向最大值，副邊整流電路換流過程結(jié)束，D1、D4關(guān)斷，D2、D3導(dǎo)通。隨后ip保持不變，變壓器原邊仍承受鉗位電容電壓，勵磁電流im在鉗位電壓作用下繼續(xù)斜率下降。鉗位電容的充電電流ic逐漸減小為零然后反向逐漸增大。此工作模式下原邊勵磁電感的儲能向副邊傳遞，鉗位電容C1對勵磁電感的能量起了緩沖作用，使得傳向副邊的能量呈現(xiàn)為恒定功率的方式。
⑥工作模式6(對應(yīng)t5～t6，其等效電路見圖17)t5時刻，鉗位管S2關(guān)斷，鉗位電容停止放電，Cr開始放電，開關(guān)管S1兩端電壓逐漸降低。勵磁電流im在此期間繼續(xù)下降，但速度逐漸降低。由于勵磁電感量較大，im在此期間變化不大，輸出電流折算到原邊的電流ip不變，開關(guān)管兩端電壓近似線性下降。
⑦工作模式7(對應(yīng)t6～t7，其等效電路見圖18)t6時刻，開關(guān)管S1兩端電壓下降至輸入電壓，勵磁電流im達到最小值(代數(shù)值)。隨后變壓器原邊電壓反向，勵磁電流im開始上升，諧振電感Lrp承受電壓上正下負，ip逐漸減小，副邊整流電路開始換流，D1、D2、D3、D4同時導(dǎo)通，D2、D3電流逐漸減小，D1、D4電流逐漸增大，整流電路輸出電壓Vab被鉗位為零。Cr繼續(xù)放電，但放電電流逐漸減小。此工作模式下，Lp與Lrp并聯(lián)，與Cr產(chǎn)生諧振，開關(guān)管兩端電壓諧振下降。因為諧振槽路的初始電流較小(相比較工作模式3)，開關(guān)管兩端電壓下降較慢。
⑧工作模式8(對應(yīng)t7～t9，其等效電路見圖19)t7時刻，開關(guān)管S1兩端電壓下降至零，開關(guān)管本體二極管自然開通，t7時刻之后開關(guān)開通(零電壓開通)。Cr放電結(jié)束。變壓器原邊電壓為輸入電壓，勵磁電流im在輸入電壓作用下斜率上升，諧振電感Lrp承受輸入電壓，ip斜率減小，逐漸減小為零然后反向逐漸增大，副邊整流電路繼續(xù)換流過程。直至t9時刻，ip達到最大值，副邊整流電路換流過程結(jié)束，線路重新進入工作模式1。
開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)的條件由工作原理的分析可知，創(chuàng)造開關(guān)管ZVS條件的諧振槽路包括原邊等效電容Cr、原邊勵磁電感Lp和副邊諧振電感的原邊等效電感Lrp，其中Lp與Lrp為并聯(lián)關(guān)系。
設(shè)定Lp與Lrp并聯(lián)等效電感為Leq，流過Leq的等效電流為ieq，參考方向同圖示的ip參考方向一致，可知
Leq=Lp·LrpLp+Lrp]]>ieq＝im+ip在實際電路中，勵磁電感量一般比諧振電感量大很多，兩個電感的并聯(lián)等效電感約等于諧振電感，這里忽略勵磁電感對等效電感量的影響，即假定Leq＝Lrp(1)設(shè)im的平均值為Im，一個周期內(nèi)總的變化幅度為ΔIm，設(shè)ip的正向最大幅值為Ip，則其負向最大幅值為-Ip忽略開關(guān)過程(t0～t3，t5～t9)對勵磁電流大小的影響，可知Im＝Ip，im在t6時刻取得其最低值(代數(shù)值)im(t6)=Im-12ΔIm=Ip-12ΔIm]]>則t6時刻，ieq為ieq(t6)=im(t6)+ip(t6)=(Ip-12ΔIm)+(-Ip)=-12ΔIm...(2)]]>設(shè)變換器開關(guān)頻率為fs，開關(guān)管的導(dǎo)通占空比為D，可得ΔIm為ΔIm=VinDfsLp...(3)]]>將(3)代入(2)，得ieq(t6)=-12·VinDfsLp...(4)]]>開關(guān)管要實現(xiàn)ZVS，必須使得t6時刻Leq的儲能大于Cr的儲能，即12Leqieq(t6)2≥12CrVin2...(5)]]>將(1)、(4)代入(5)可得12Lrp(-12·VinDfsLp)2≥12CrVin2]]>化簡后得
Lrp≥4Crfs2D2·Lp2...(6)]]>由(6)式可見，開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的條件不僅與諧振電感、諧振電容相關(guān)，而且與開關(guān)頻率、占空比、原邊勵磁電感均相關(guān)。但值得注意的是ZVS條件與ip無關(guān)，即與負載電流無關(guān)，因此變換器比較容易實現(xiàn)輕載時的ZVS。
關(guān)于t4、t8時刻的說明t4時刻是鉗位電容電流ic的過零時刻，該時刻可能會因為電路參數(shù)不同而早于t3時刻發(fā)生，即副邊換流過程尚未結(jié)束而鉗位電容的電流就已經(jīng)過零并反向。然而這對換流過程并不會產(chǎn)生特別的影響。t2至t4時間段是鉗位管具備ZVS條件的時間段，鉗位管在這段時間內(nèi)開通均為零電壓開通。
t8時刻是輸入電流的過零時刻，t7時刻至t8時刻是開關(guān)管具備ZVS條件的時間段，開關(guān)管在這段時間內(nèi)開通均為零電壓開通。當線路參數(shù)不滿足開關(guān)管的ZVS條件時，t7時刻的電路狀態(tài)將不會出現(xiàn)，即當t8時刻輸入電流過零時，開關(guān)管兩端電壓尚未下降為零并在t8時刻之后轉(zhuǎn)為諧振上升而不能實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS條件。這種情況下t8時刻成為開關(guān)管的最佳開通時刻，t8時刻開通開關(guān)管可使開通損耗降到最小。
本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下得出的其他任何與本發(fā)明相同或相近似的產(chǎn)品，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，包括變壓器、開關(guān)管、鉗位管、鉗位電容、整流管、諧振電感、儲能電感和輸出電容；其特征在于變換器原邊電路是有源鉗位電路，開關(guān)管(S1)與變壓器原邊繞組(Np)串聯(lián)后與輸入電壓兩端連接；鉗位管(S2)與鉗位電容(C1)串聯(lián)后與變壓器原邊繞組(Np)或開關(guān)管(S1)并聯(lián)；變換器副邊電路是全橋整流或全波整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感，使變壓器副邊繞組電流流過諧振電感，并使得變壓器副邊繞組的電流變化成為諧振電感的勵磁電流變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，其特征在于變換器副邊電路由變壓器副邊繞組(Ns)與整流管(D1、D2、D3和D4)構(gòu)成全橋整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感(Lr)，諧振電感(Lr)與變壓器副邊繞組(Ns)串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感(L1)與輸出電容(C2)串聯(lián)后與a點和b點相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，其特征在于變換器副邊電路由變壓器副邊繞組(Ns)與整流管(D1、D2、D3、D4)構(gòu)成全橋整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感(Lr1、Lr2)，諧振電感(Lr1、Lr2)分別串聯(lián)在全橋整流電路的整流管(D1)和(D3)、整流管(D2)和(D4)之間，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感(L1)與輸出電容(C2)串聯(lián)后與a點和b點相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，其特征在于變換器副邊電路由變壓器副邊繞組(Ns)與整流管(D1、D2、D3、D4)構(gòu)成全橋整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感(Lr1、Lr2)，諧振電感(Lr1、Lr2)為耦合電感，其內(nèi)部的兩個電感(Lr1、Lr2)分別串聯(lián)在全橋整流電路的整流管(D1)和(D3)、整流管(D2)和(D4)之間，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感(L1)與輸出電容(C2)串聯(lián)后與a點和b點相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，其特征在于變換器副邊電路由變壓器副邊繞組(Ns1、Ns2)與整流管(D1、D2)構(gòu)成全波整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感(Lr)，諧振電感(Lr)與整流管(D1或D2)串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感(L1)與輸出電容(C2)串聯(lián)后與a點和b點相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，其特征在于變換器副邊電路由變壓器副邊繞組(Ns1、Ns2)與整流管(D1、D2)構(gòu)成全波整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感(Lr1、Lr2)，諧振電感(Lr1、Lr2)分別與整流管(D1)和整流管(D2)串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感(L1)與輸出電容(C2)串聯(lián)后與a點和b點相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，其特征在于變換器副邊電路由變壓器副邊繞組(Ns1、Ns2)與整流管(D1、D2)構(gòu)成全波整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感(Lr1、Lr2)，諧振電感(Lr1、Lr2)為耦合電感，其內(nèi)部的兩個電感(Lr1、Lr2)分別與整流管(D1)和整流管(D2)串聯(lián)，整流電路的兩個輸出端分別為a點和b點，儲能電感(L1)與輸出電容(C2)串聯(lián)后與a點和b點相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電源電路，它公開了一種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器，包括變壓器、開關(guān)管、鉗位管、鉗位電容、整流管、諧振電感、儲能電感和輸出電容。變換器原邊電路是有源鉗位電路，其中開關(guān)管與變壓器原邊繞組串聯(lián)后與輸入電壓兩端連接；鉗位管與鉗位電容串聯(lián)后與變壓器原邊繞組或開關(guān)管并聯(lián)。變換器副邊電路是全橋整流或全波整流電路，在變換器副邊電路中串接諧振電感，使變壓器副邊繞組電流流過諧振電感，并使得變壓器副邊繞組的電流變化成為諧振電感的勵磁電流變化。這種零電壓開關(guān)有源鉗位正反激變換器的開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，因而減小了開關(guān)管的開通損耗，降低了變換器的EMI發(fā)射。
文檔編號H02M3/335GK101047339SQ200710098899
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月29日
發(fā)明者陳永勝, 丁賢后 申請人:北京新雷能有限責任公司, 深圳市雷能混合集成電路有限公司