一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器，包括直流電源Vin、第一逆變橋臂和第二逆變橋臂、耦合電感、整流電路、輔助電容、隔離變壓器及濾波電路。本發(fā)明采用移相控制方式，由于原邊加入了輔助耦合電感和輔助電容，副邊加入輔助整流電路，該變換器在寬輸入范圍條件下都工作在較大的占空比狀態(tài)，原邊環(huán)流損耗小，原邊所有開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，且輔助網(wǎng)絡(luò)的能量隨負(fù)載的變化而自適應(yīng)的變化，減小了重載時(shí)輔助網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗，同時(shí)輸出濾波電感電流紋波小，降低了輸出噪聲。
【專利說明】一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前很多標(biāo)準(zhǔn)都從節(jié)能的角度對(duì)電源效率提出了嚴(yán)格的要求，希望變換器在整個(gè)輸入范圍和負(fù)載范圍內(nèi)都能高效工作。零電壓移相控制全橋變換器由于綜合了 PWM開關(guān)和諧振型開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，在開關(guān)過程中，利用諧振技術(shù)實(shí)現(xiàn)零電壓/零電流開關(guān)，開關(guān)過程結(jié)束后又回到普通的PWM狀態(tài)，它同時(shí)具備了開關(guān)損耗小，通態(tài)損耗低及PWM調(diào)壓等優(yōu)點(diǎn)，因此在中大功率的直流變換場(chǎng)合受到廣泛的青睞。
[0003]傳統(tǒng)的移相控制零電壓開關(guān)全橋變換器在負(fù)載較輕時(shí)滯后臂會(huì)失去軟開關(guān)，為此可以增加變壓器漏感或串聯(lián)諧振電感，但這會(huì)帶來變壓器二次側(cè)占空比的丟失，導(dǎo)致需要減小變壓器原副邊匝比來補(bǔ)償丟失的占空比，這使得效率降低。同時(shí)為了滿足寬輸入電壓范圍和掉電保持要求，變壓器必須被設(shè)計(jì)補(bǔ)償?shù)洼斎腚妷簳r(shí)輸出功率，因此原副邊匝比小使得變換器在正常工作時(shí)的占空比小，增加原邊環(huán)流時(shí)間，增大了副邊寄生振蕩峰值和輸出紋波電流。而較寬的環(huán)流時(shí)間引起原邊較大的環(huán)流損耗，大大降低了變換器在正常工作時(shí)的變換效率。為了解決原邊環(huán)流損耗問題，Koo G B, Moon G ff, and Youn M J,“Newzero-voltage-switching phase-shift full-bridge converter with low conductionlosses,，，IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52 (I):228-235 提出了一種采用升壓電容來減少環(huán)流電流的方法，如附圖1所示，其電路簡(jiǎn)單，僅僅用一個(gè)無源元件使得環(huán)流損耗大大降低，但是原邊環(huán)流的減小同時(shí)也影響了開關(guān)管的ZVS范圍。Cho
I,Cho K, Kim J, “A new phase shifted full bridge converter with maximum dutyoperation for server power system,IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(12):3491-3500公開了一種改變?cè)呍褦?shù)來減小原邊環(huán)流損耗的直流變換器，如附圖2所示，使變換器工作在正常模式和掉電模式兩種狀態(tài)，有效的減小了原邊環(huán)流損耗且控制簡(jiǎn)單，但是原邊需要增加兩個(gè)功率管，并且滯后管在掉電模式時(shí)電流應(yīng)力大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述變換器所存在的技術(shù)缺陷提供一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器，該變換器不僅能夠在寬輸入范圍內(nèi)減小原邊環(huán)流損耗，而且同時(shí)在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的軟開關(guān)特性，提高了變換效率。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明的一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器，包括直流電源、結(jié)構(gòu)相同的第一逆變橋臂和第二逆變橋臂、隔離變壓器、主整流電路以及濾波電路，其中每個(gè)逆變橋臂都包括二個(gè)開關(guān)管、二個(gè)體二極管和二個(gè)寄生電容，第一開關(guān)管的漏極分別與第一體二極管陰極、第一寄生電容的一端連接構(gòu)成逆變橋臂的正輸入端，第一開關(guān)管的源極分別與第一體二極管陽(yáng)極、第一寄生電容的另一端、第二開關(guān)管的漏極、第二體二極管陰極、第二寄生電容的一端連接構(gòu)成逆變橋臂的輸出端，第二開關(guān)管的源極分別與第二體二極管陽(yáng)極、第二寄生電容的另一端連接構(gòu)成逆變橋臂的負(fù)輸入端，直流電源的正極分別接第一逆變橋臂和第二逆變橋臂的正輸入端，直流電源的負(fù)極分別接第一逆變橋臂和第二逆變橋臂的負(fù)輸入端，隔離變壓器原邊繞組具有一中心抽頭，其特征在于:
[0007]還包括由輔助耦合電感、輔助電容、輔助整流電路構(gòu)成的輔助網(wǎng)絡(luò)；其中輔助耦合電感原邊繞組的一端接第一逆變橋臂的輸出端，另一端接隔離變壓器原邊繞組的一端，隔離變壓器原邊繞組的另一端接輔助耦合電感副邊繞組中與耦合電感原邊繞組接第一逆變橋臂的輸出端是異名端的一端，而輔助耦合電感副邊繞組的另一端接第二逆變橋臂的輸出端，輔助電容的一端接隔離變壓器的中心抽頭，另一端接直流電源的負(fù)極，隔離變壓器副邊由相同匝數(shù)的主繞組Nsl、Ns2和相同匝數(shù)的輔助繞組Ns3、Ns4構(gòu)成，繞組Nsl、Ns2的異名端串聯(lián)，串聯(lián)點(diǎn)連接到濾波電路的負(fù)端，繞組Nsl同名端和Ns3的異名端串聯(lián)，繞組Ns2的異名端和Ns4的同名端串聯(lián)，Nsl和Ns3的串聯(lián)點(diǎn)以及Ns2和Ns4的串聯(lián)點(diǎn)分別連接到主整流電路輸入端，繞組Ns3另一端的同名端和Ns4另一端的異名端分別連接到輔助整流電路的輸入端，主整流電路和輔助整流電路的輸出端連接到濾波電路的正端。
[0008]所述輔助整流電路中整流二極管(Dk4、De3)的陰極串聯(lián)后連接到輔助開關(guān)管(Q5)的漏極，二極管的陽(yáng)極組成輔助整流電路的輸入端，輔助開關(guān)管的源極構(gòu)成輔助整流電路的輸出端，所述輔助耦合電感原副邊繞組匝比為1:1。
[0009]本發(fā)明與原有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點(diǎn)是，由于副邊增加了輔助整流電路(7)，通過改變副邊匝數(shù)使新型變換器在正常模式和掉電模式都工作在較大占空比，不僅環(huán)流階段持續(xù)時(shí)間短，環(huán)流損耗小，控制電路簡(jiǎn)單，而且傳統(tǒng)變換器的優(yōu)勢(shì)也被保持；同時(shí)由于原邊加入了由輔助耦合電感(3)和輔助電容(6)組成的輔助網(wǎng)絡(luò)，輔助耦合電感能量隨著負(fù)載變化自適應(yīng)調(diào)整，使得原邊開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，又由于輔助耦合電感的引入，使得原邊漏感可以取得很小，因此副邊整流輸出電壓振蕩得到了很好的抑制，且副邊幾乎不存在占空比的丟失，同時(shí)濾波電感電流紋波減小，降低了導(dǎo)通損耗和輸出噪聲。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]附圖1是原邊采用升壓電容的移相全橋變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]附圖2是改變?cè)呍褦?shù)的移相全橋變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]附圖3是本發(fā)明的一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]附圖4是本發(fā)明的一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器中輔助耦合電感等效后的電路結(jié)構(gòu)不意圖。
[0014]附圖5是本發(fā)明的一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器正常工作模式下的穩(wěn)態(tài)電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]附圖6是本發(fā)明的一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器掉電工作模式下的穩(wěn)態(tài)電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]附圖7是本發(fā)明的一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器主要工作波形示意圖。
[0017]附圖8?附圖13是本發(fā)明的一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器的各開關(guān)豐旲態(tài)不意圖。
[0018]上述附圖中的主要符號(hào)名稱:Vin、電源電壓。Q1NQ6、功率開關(guān)管。、寄生電容。D1-D6、體二極管。Ca、輔助電容。La、輔助耦合電感。T,、隔離變壓器。Lk、隔離變壓器漏感。Npl，Np2、隔離變壓器原邊繞組。Nsl、Ns2、Ns3、Ns4隔離變壓器副邊繞組。L,、串聯(lián)諧振電感。Lm、激磁電感。Dr1、DK2、DK3、Dm、輸出整流二極管。Vrat、整流輸出電壓。Lf、濾波電感。Cf、濾波電容。Rkn負(fù)載。V。、輸出電壓。vab、A與B兩點(diǎn)間電壓。vAC；、輔助稱合電感原邊繞組A與C兩點(diǎn)間電壓。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0020]附圖3所示的是一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。由直流電源1、兩個(gè)逆變橋臂2和4、輔助耦合電感3、隔離變壓器5、輔助電容6、輔助整流電路7、主整流電路8及濾波電路9組成。Q1?Q5是五只功率開關(guān)管，D1?D4分別是開關(guān)管Q1?Q4的體二極管，C1?C4分別是開關(guān)管Q1?Q4的寄生電容，La是輔助耦合電感，Ca是輔助電容，Tr是隔離變壓器，Dk1、Dk2、Dk3、Dk4是輸出整流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容，Ru為負(fù)載。其中La為匝比t = I的耦合電感，而耦合電感類似于一個(gè)具有特定激磁電感的理想變壓器，為了便于分析，可將附圖3等效為附圖4所示的電路。本變換器采用移相控制，開關(guān)管Q4和Q2分別滯后于開關(guān)管Q1和Q3 —個(gè)相位，稱開關(guān)管Q1和Q3組成的第一逆變橋臂為超前橋臂，開關(guān)管Q2和Q4組成的第二逆變橋臂則為滯后橋臂。輔助電容Ca的電壓為輸入電壓Vin的一半，即vCa = Vin/2，可視為一電壓源。
[0021]為了分析方便，下面以附圖4所示的等效后的主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖8?附圖13敘述本發(fā)明的具體工作原理。由.附圖7可知整個(gè)變換器一個(gè)開關(guān)周期有12種開關(guān)模態(tài)，分別是[0-tJ、[to — tj、|!t「t2]、[t2-t3]、[t3-t4]、[t4-t5]、[t5-t6]、[tg-tj、[t7-tg]、[tg-tg]、[t9-t1(l]、[t1(l-tn],其中，[o-t5]為前半周期，[t5-tn]為后半周期。下面對(duì)各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。
[0022]在分析之前，先作如下假設(shè):①所有開關(guān)管和二極管均為理想器件；②濾波電感足夠大，因此隔離變壓器副邊輸出可等效為恒流源，輔助電容足夠大，可視為恒壓源，且電壓為Vin/2，所有電感、電容均為理想元件C1 = C3 = Clead, C2 = C4 = Clag ;④忽略耦合電感等效之后的漏感和隔離變壓器的漏感。
[0023]在正常工作模式時(shí)，移相門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在主功率管Q1?Q4上，輔助開關(guān)管Q5沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只有主整流電路(8)工作，見附圖(5)所示，此模式中原副邊實(shí)際匝比為Np: Ns= (Npl+Np2): Nsl，原邊輔助耦合電感電壓與隔離變壓器電壓互補(bǔ)，輔助能量使得原邊開關(guān)管能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS。當(dāng)輸入端掉電導(dǎo)致輸入電壓開始下降時(shí)，變換器轉(zhuǎn)入掉電模式來維持輸出功率，因此新型變換器正常工作模式時(shí)隔離變壓器匝比可以設(shè)計(jì)較大，則占空比大，原邊電流??；而傳統(tǒng)移相全橋變換器為了使得低輸入電壓時(shí)滿足輸出功率要求變壓器匝比設(shè)計(jì)較小，正常工作時(shí)原邊占空比小，變換效率低。正常工作模式時(shí)，新型變換器與傳統(tǒng)變換器主要區(qū)別在于變壓器匝比不一樣，其他工作原理與傳統(tǒng)變換器一樣，這里就不再詳細(xì)分析。
[0024]在掉電模式時(shí)，原邊功率管移相控制及其工作方式繼續(xù)保持，但副邊輔助管Q5施加了驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輔助整流電路(7)開始工作，如附圖(6)所示，此模式中變壓器原副邊實(shí)際匝比Np: Ns= (Npl+Np2): (Nsl+Ns3)，因此與正常模式相比副邊繞組電壓幅值將增大，從而為在維持占空比不變的前提下調(diào)節(jié)輸出電壓創(chuàng)造了條件。下面對(duì)掉電模式下各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。
[0025]1.開關(guān)模態(tài)I [Ο-tJ [對(duì)應(yīng)于附圖8]
[0026]QjP Q4導(dǎo)通，QJPQ3截止，原邊電流近似不變，ip = ItA (其中η為隔離變壓器原副邊匝比)，vAB = Vin,上整流二極管Dk3流過全部負(fù)載電流，Dei,De2,De4截止，原邊給負(fù)載供電。由于輔助電容電壓穩(wěn)定在Vin/2，輔助耦合電感原副邊繞組電壓均為零，輔助耦合電感等效勵(lì)磁電感Lm兩端電壓為零，勵(lì)磁電流im = im(max)保持不變，同時(shí)超前橋臂電流ipl和滯后橋臂電流ip2也近似不變。im(t)、ipl(t)、ip2(t)及iCa(t)可表示為
[0027]ipl (t) = ip2(t)+iCa(t) (I)
[0028]ipl (t) Npl+ip2 (t) Np2 = 10Ns (2)
[0029]ipl (t) = ip2(t)+im(t) (3)
[0030]從⑴?(3)式進(jìn)一步可以得到橋臂電流與負(fù)載電流，勵(lì)磁電感電流之間的關(guān)系如下:
[0031]iCa(t) = im(t) (4)
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器，包括直流電源(I)、結(jié)構(gòu)相同的第一逆變橋臂⑵和第二逆變橋臂(4)、隔離變壓器(5)、主整流電路⑶以及濾波電路(9)，其中每個(gè)逆變橋臂都包括二個(gè)開關(guān)管、二個(gè)體二極管和二個(gè)寄生電容，第一開關(guān)管的漏極分別與第一體二極管陰極、第一寄生電容的一端連接構(gòu)成逆變橋臂的正輸入端，第一開關(guān)管的源極分別與第一體二極管陽(yáng)極、第一寄生電容的另一端、第二開關(guān)管的漏極、第二體二極管陰極、第二寄生電容的一端連接構(gòu)成逆變橋臂的輸出端，第二開關(guān)管的源極分別與第二體二極管陽(yáng)極、第二寄生電容的另一端連接構(gòu)成逆變橋臂的負(fù)輸入端，直流電源(I)的正極分別接第一逆變橋臂(2)和第二逆變橋臂(4)的正輸入端，直流電源(I)的負(fù)極分別接第一逆變橋臂(2)和第二逆變橋臂(4)的負(fù)輸入端，隔離變壓器(5)原邊繞組具有一中心抽頭，其特征在于:還包括由輔助耦合電感(3)、輔助電容(6)、輔助整流電路(7)構(gòu)成的輔助網(wǎng)絡(luò)；其中輔助耦合電感(3)原邊繞組的一端接第一逆變橋臂的輸出端，另一端接隔離變壓器(5)原邊繞組的一端，隔離變壓器原邊繞組的另一端接輔助耦合電感副邊繞組中與耦合電感原邊繞組接第一逆變橋臂的輸出端是異名端的一端，而輔助耦合電感副邊繞組的另一端接第二逆變橋臂的輸出端，輔助電容的一端接隔離變壓器的中心抽頭，另一端接直流電源(I)的負(fù)極，隔離變壓器(5)副邊由相同匝數(shù)的主繞組Nsl、Ns2和相同匝數(shù)的輔助繞組Ns3、Ns4構(gòu)成，繞組Nsl、Ns2的異名端串聯(lián)，串聯(lián)點(diǎn)連接到濾波電路(9)的負(fù)端，繞組Nsl同名端和Ns3的異名端串聯(lián)，繞組Ns2的異名端和Ns4的同名端串聯(lián)，Nsl和Ns3的串聯(lián)點(diǎn)以及Ns2和Ns4的串聯(lián)點(diǎn)分別連接到主整流電路(8)輸入端，繞組Ns3另一端的同名端和Ns4另一端的異名端分別連接到輔助整流電路(7)的輸入端，主整流電路(8)和輔助整流電路(7)的輸出端連接到濾波電路(9)的正端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種減小環(huán)流損耗的軟開關(guān)全橋直流變換器，其特征在于，所述輔助整流電路(7)中整流二極管(DK4、DK3)的陰極串聯(lián)后連接到輔助開關(guān)管(Q5)的漏極，二極管的陽(yáng)極組成輔助整流電路(7)的輸入端，輔助開關(guān)管的源極構(gòu)成輔助整流電路(7)的輸出端，所述輔助耦合電感原副邊繞組匝比為1:1。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK103441680SQ201310349556
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月13日
【發(fā)明者】陳仲, 汪洋, 王志輝 申請(qǐng)人:陳仲