CN100361379C - 一种谐振型软开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种谐振型软开关变换器，包括两功率管(Q1、Q2)组成的半桥，其中心点依次串联整流桥(QL)一交流端、整流桥(QL)另一交流端、谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)和输入电源的负端，整流桥(QL)的正、负端并联输出滤波电容(Cf)，输出电压取自输出滤波电容(Cf)两端，其特征在于：还包括辅助电感(L2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)，辅助电感(L2)并接在半桥中心点与第三二极管(D3)阳极之间，第三二极管(D3)阴极、第四二极管(D4)阳极分别接输入电源的正、负端，第三二极管(D3)阳极、第四二极管(D4)阴极并接后，与谐振电容(Cr)、谐振电感(Lr)间的连接点相连。本发明变换器在同样的谐振电感、谐振电容规格下，可以输出更大的功率，功率管实现零电压开通，效率提高且电磁辐射降低。

Description

一种谐振型软开关变换器
技术领域
本发明涉及可用于开关电源内的开关变换器，尤其涉及软开关变换器，更具体地说，涉及采用电感、电容串联谐振电路，实现功率管、输出整流器件零电流关断和功率管零电压开通的谐振型软开关变换器。
背景技术
在功率电子学领域，将一种电能转换为另一种电能(如直流5伏转换直流3伏)进行功率转换的装置称为变换器，在电能转换中起调整作用的部件交替工作在开(即导通)和关(即截止)状态的变换器，就称为开关变换器。
在开关变换器中，设法使担任调整作用的功率管的两端电压或通过的电流按正弦规律变化，功率管在电压为零时“开通”(从截止转换为导通)称为零电压开关，或在电流为零时“关断”(从导通转换为截止)称为零电流开关，统称为软开关。进一步，利用电感、电容串联或并联谐振电路为功率管创造软开关条件的变换器，则称为谐振型软开关变换器。在传统开关变换器中，功率管在电压非零时开通或在电流非零时关断，则称为硬开关。
应用软开关技术的变换器较传统硬开关的变换器具有变换效率高、电磁干扰小等突出优点，因而获得了广泛的应用，所占的比例也越来越高，研究和应用新的软开关技术已成为开关变换器领域的重点和主流。
进一步，介绍软开关变换器的专业著作《直流开关电源的软开关技术》(阮新波、严仰光编著，北京：科学出版社2000年1月第一版，ISBN7-03-007766-0，中国版本图书馆CIP数据核字(1999)第32120号)，在第66页图2.12串联负载串联谐振变换器(a)中，描述了半桥式谐振型软开关变换器的线路连接形式，为了描述方便，将串联元件的顺序做了调整，并重新绘制成说明书附图中的图1；在该著作的第69页图2.15电流断续工作方式(fs＜0.5fr)的主要波形，给出了上述变换器中主要元件的端电压和通过的电流在一个工作周期内随时间变化的波形，选择和本发明相关的图形，重新绘制成说明书附图中的图2。其中fs是功率管Q1、Q2的工作频率，fr是谐振电感Lr、电容Cr的自由谐振频率，其数值为Lr*Cr的平方根和2π(π为圆周率，3.1416)乘积的倒数，具体说明如下：
如图1，电阻RL表示负载，电容C3是功率管Q1的集电极、发射极之间的输出电容，电容C4是功率管Q2的集电极、发射极之间的输出电容，这里明确绘制出来。在图2中，波形DQ1、DQ2分别表示功率管Q1、Q2的驱动波形，高电平驱动时功率管导通，低电平驱动时功率管截止。
如图2，①输出电流io在t0-t1时间段的电流幅度大，在t1-t2时间段的电流幅度小，在一个周期内总平均值(即提供给负载的电流)受后者的影响将明显小于t0-t1时间段的平均值。因而，图1所示的半桥式谐振型软开关变换器没有充分利用谐振回路传递能量的能力，提供给负载的电流较小；也可以说，如果要求负载电流一定的话，流过功率管Q1和Q2、谐振电感Lr、谐振电容Cr、整流桥QL等的电流，在t0-t1时间的平均值将明显大于一个周期内总平均值，从而导致流过上述元件的电流有效值明显加大，需要选择更高规格的元件，带来成本上升。②在功率管Q2开通时刻t3，VAB的电压为Vin/2，点B的电压为Vin/2，功率管Q2两端的电压为Vin/2+VAB＝Vin，可见功率管Q2开通时端电压较高，其输出电容C4的储存能量将在开通过程中损耗掉，导致功率管Q2发热，对变换器的效率有负面影响。功率管Q1在t6时刻的开通也有同样的问题。这种问题导致该现有技术的半桥式谐振型软开关变换器中功率管开通损耗较大。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种谐振型软开关变换器，能够充分利用谐振回路传递能量，且在同样的谐振电感、谐振电容规格下较现有谐振型软开关变换器供给负载的电流大；进一步，可以实现功率管零电压开通。
现有技术，图1所示谐振型软开关变换器中电容C1、电容C2、谐振电容Cr的宏观作用相当于一个电容，所以在本发明中统一使用一个谐振电容Cr来等效，本发明谐振电容Cr可以是一个、三个或其他数目电容的组合。
本发明这样解决上述技术问题，提供包括第一功率管Q1和第一二极管D1，第一功率管Q1的集电极、发射极分别连接到第一二极管D1的阴极、阳极；第二功率管Q2和第二二极管D2，第二功率管Q2的集电极、发射极分别连接到第二二极管D2的阴极、阳极；所述第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极分别连接输入电源Vin的正、负端，第一二极管D1的阳极、第二二极管D2阴极并接后连接到整流桥QL一个交流端，整流桥QL另一个交流端串联谐振电感Lr后连接到谐振电容Cr的一端；所述谐振电容Cr的另一端连接到输入电源的负端上；所述整流桥QL的正、负端对应并联有输出滤波电容Cf，输出电压Vo取自输出滤波电容Cf两端；其特征在于，还包括第三二极管D3、第四二极管D4，所述第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阳极分别连接输入电源的正、负端，第三二极管D3阳极、第四二极管D4的阴极并接后，与谐振电容Cr、谐振电感Lr之间的连接点相连。
按照本发明提供的谐振型软开关变换器，进一步还包括辅助电感L2，所述的辅助电感L2并联在第三二极管阳极D3与第一二极管阳极D1之间，或并联在整流桥QL的两个交流端之间。
按照本发明提供的谐振型软开关变换器，所述的二极管D1、D2、D3、D4都为快恢复或超快恢复二极管。
按照本发明提供的谐振型软开关变换器，所述的功率管Q1、Q2可以是功率场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。使用MOSFET时省略二极管D1和D2。
本发明上述技术问题还可以这样解决，提供一种有变压器隔离的谐振型软开关变换器，包括第一功率管Q1和第一二极管D1，第一功率管Q1的集电极、发射极分别连接到第一二极管D1的阴极、阳极；第二功率管Q2和第二二极管D2，第二功率管Q2的集电极、发射极分别连接到第二二极管D2的阴极、阳极；所述第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极分别连接输入电源Vin的正、负端，第一二极管D1的阳极、第二二极管D2阴极并接后连接到隔离变压器T初级NP的一端，所述隔离变压器T初级NP的另一端串联谐振电感Lr后连接到谐振电容Cr的一端；所述谐振电容Cr的另一端连接到输入电源的负端上；所述隔离变压器T次级NS两端分别连接到整流桥QL两个交流端；所述整流桥QL的正、负端对应并联有输出滤波电容Cf，输出电压Vo取自输出滤波电容Cf两端；其特征在于，还包括第三二极管D3、第四二极管D4，所述第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阳极分别连接输入电源的正、负端，第三二极管D3阳极、第四二极管D4的阴极并接后，与谐振电容Cr、谐振电感Lr之间的连接点相连。
按照本发明提供的进一步包括辅助电感L2，所述的辅助电感L2并联在第三二极管阳极D3与第一二极管D1阳极之间，或并联在隔离变压器T的初级NP两端之间谐振型软开关变换器。
按照本发明提供的谐振型软开关变换器，所述的二极管D1、D2、D3、D4都为快恢复或超快恢复二极管。
按照本发明提供的谐振型软开关变换器，所述的功率管Q1、Q2可以是功率场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。使用MOSFET时省略二极管D1和D2。
本发明提供的谐振型软开关变换器，不但可以充分利用谐振回路传递能量的能力，在同样的谐振电感、谐振电容规格下，可以比现有技术的谐振型软开关变换器向负载提供更大的电流，输出更大的功率；而且进一步改进的电路中，功率管实现零电压开通，效率提高，提高变换器的工作频率而不增加损耗，可以通过提高变换器的工作频率来减小隔离变压器、谐振电感的体积，继而减小整个变换器的体积，实现小型化、低成本化；同时，零电压开通可以有效降低电压时间变化率，降低电磁辐射。因此本发明提供的谐振型软开关变换器具有电磁干扰小、效率高、成本低等突出优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。
图1是现有技术的串联负载串联谐振变换器的原理图；
图2是图1所示的串联负载串联谐振变换器中部分电量的波形图；
图3是本发明实施例之一的第一种谐振型软开关变换器的原理图；
图4是图3所示的实施例之一中主要电量的波形图；
图5是本发明实施例之二的第二种谐振型软开关变换器改进型的原理图；
图6是图4所示的实施例之二中主要电量的波形图；
图7是本发明实施例之三的第三种谐振型软开关隔离变换器的原理图；
图8是本发明实施例之四的第四种谐振型软开关隔离变换器改进型的原理图。
具体实施方式
(一)本发明实施例之一的第一种谐振型软开关变换器：
①基本电路，结构如图3所示，包括：第一功率管Q1和第一二极管D1，第一功率管Q1的集电极、发射极分别连接到第一二极管D1的阴极、阳极；第二功率管Q2和第二二极管D2，第二功率管Q2的集电极、发射极分别连接到第二二极管D2的阴极、阳极；所述第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极分别连接输入电源Vin的正、负端，第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极并接后连接到整流桥QL一个交流端(～)，所述整流桥QL另一个交流端(～)串联谐振电感Lr后连接到谐振电容Cr的一端；所述谐振电容Cr的另一端连接到输入电源Vi n的负端上；所述整流桥QL的正(+)、负(-)端对应并联有输出滤波电容Cf，输出电压Vo取自输出滤波电容Cf两端；其特征在于：
还包括第三二极管D3、第四二极管D4，所述第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阳极分别连接输入电源Vin的正、负端，第三二极管D3阳极、第四二极管D4的阴极并接后，与谐振电容Cr、谐振电感Lr之间的连接点相连。
在图3中，电容C3是第一功率管Q1的集电极、发射极之间的输出电容与外并电容之和，电容C4是第二功率管Q2的集电极、发射极之间的输出电容与外并电容之和，电阻RL表示负载。
本发明实施例之一的第一种谐振型软开关变换器，通过增加第三二极管D3、第四二极管D4，在功率管Q1(或Q2)导通时，在通过谐振电容Cr、谐振电感Lr向负载传递电流的过程中，可以限制谐振电容Cr与谐振电感Lr连接点的电压不超过输入电源的正(或负)端，从而阻止谐振电容Cr、谐振电感Lr继续向负(或正)方向谐振，可以节省现有技术中反方向谐振即图2传递小电流的t1-t2(或t4-t5)时间段，提高大电流传输时间所占的比例而提高输出电流的平均值。
②工作原理，结合图4详细说明本实施例的工作过程。
首先，为了便于分析该变换器的工作原理，做以下4点假定：
1.所有元器件都是理想的，即忽略功率管的导通压降，忽略二极管、功率管截止时的漏电流，忽略电容的串联电阻等。
2.输出滤波电容Cf足够大，在一个开关周期内，它等效于恒值电压源Vo。
3.当有电流通过整流桥QL两交流端时，其两个交流端的电压被钳位在Vo+2Vd上，其中Vo是输出电压，2Vd是整流桥QL内部两个二极管的正向导通压降(每个约1V)。
4.未指定参考点的电压均相对于输入电源的负端。
然后，本实施例的一个完整的工作周期t0--t6，可分为6个时间段来描述，其主要电量波形如图4所示，基本说明如下：图4中，自上而下每个波形的含义为：(1)DQ1、DQ2分别为功率管Q1、Q2的驱动波形，高电平驱动时功率管导通，低电平驱动时功率管截止；(2)VC是二极管D3的阳极即C点相对于输入电源负端的电压，iLr是通过谐振电感Lr的电流，io为流出整流桥QL正端的电流，流向负载RL的电流是io的平均值；(3)由于整流桥QL的换向作用，电流io始终保持为正向，是电流iLr的绝对值。
最后，结合图4分别具体说明本实施例一个完整工作周期内的6个时间段(设在t0时刻之前，电路的初始状态为：功率管Q1、Q2都处于截止状态)：
1.t0-t1时间段
如图4所示，在时刻t0，功率管Q1在驱动脉冲DQ1的作用下导通，输入电源Vin通过功率管Q1、整流桥QL的两个交流端、谐振电感Lr、谐振电容Cr，形成电流通路。
在上述通路上，功率管Q1相当于短路，整流桥QL的两个交流端等效为Vo+2Vd的电压源，所以作用于谐振电感Lr、谐振电容Cr串联电路上为一电压源，其电压值约为Vin-(Vo+2Vd)。谐振电感Lr、谐振电容Cr开始串联谐振，通过谐振电感Lr的电流iLr从0开始谐振上升，增大到峰值后又逐渐下降，形成正弦状的波形。
谐振电容Cr在电流iLr的作用下，其和谐振电感Lr连接点C的电压VC从0开始持续上升。直到t1时刻，该点电压达到Vin+Vd(Vd为二极管D3导通电压)时，二极管D3导通，VC被钳位并不再上升，谐振电容Cr退出谐振。到t1后，电流iLr通过功率管Q1、整流桥QL的两个交流端、二极管D3形成通路，表明自由谐振结束。
2.t1--t2时间段
如图4所示，t1-t2时间段内，电流iLr通过功率管Q1、整流桥QL的两个交流端、二极管D3形成通路。功率管Q1相当于短路，整流桥QL的两个交流端等效为Vo+2Vd的电压源，电流iLr在电压源Vo+2Vd+Vd(Vd为二极管D3导通电压)的作用下线性下降，直到t2时刻，电流iLr下降到0。这段时间，VC一直保持为Vin+Vd。
3.t2-t3时间段
如图4所示，t2-t3时间段内，电流iLr保持为0，这期间关断功率管Q1为零电流关断，整流桥QL内的两个二极管也为零电流关断。
特别指出的是，本发明通过钳位C点的电压，阻止电流iLr在功率管Q1导通期间向反方向变化。与现有技术相比，可以节省现有技术中反方向谐振即图2中传递小电流的时间，提高大电流传递所占的时间比例，从而提高了向负载传递电流的平均值。
4-6.t3-t4、t4-t5、t5-t6时间段
如图4所示，在t3时刻，功率管Q2在驱动脉冲DQ2的作用下导通。后续的3个时间段的情形和本实施例上述在先的3个时间段一致，须按照以下五个映射关系做对应，包括：(1)导通的功率管从Q1映射为Q2；(2)钳位C点电压的二极管从D3映射为D4；(3)点C的电压从0上升到Vin+Vd映射为从Vin+Vd下降到-Vd；(4)电流iLr从正向映射为反向，(5)时间段t0-t1、t1-t2、t2-t3按顺序映射为t3-t4、t4-t5、t5-t6。t6是下一个工作周期的开始，相当于当前周期的t0。
由上电路分析，可以得出如下结论：功率管Q1、功率管Q2、整流桥QL内的二极管在工作过程中都为零电流关断，因而，该实施例提高了大电流传递所占的时间比例，从而提高了向负载传递电流的平均值，可以输出比现有技术更大的功率。
(二)本发明实施例之二的第二种谐振型软开关变换器改进型：
①基本电路，结构如图5所示，在第一种谐振型软开关变换器的基础上，还包括辅助电感L2，所述的辅助电感L2并联在第一二极管D1的阳极、第三二极管D3的阳极之间，或者并联整流桥QL的两个交流端之间。
本发明通过增加辅助电感L2，在功率管导通时储存能量，在两个功率管都关闭的时间内，和功率管的输出电容产生谐振，将即将导通的功率管输出电容的储能释放掉，为其零电压开通创造条件，实现功率管Q1、Q2的零电压开通，进一步提高了变换器的效率，而且降低了电压变化率，实现了低电磁辐射。
②工作原理，结合图6详细说明本实施例的工作过程。
首先，同样为了便于分析该变换器的工作原理，也作4点假定，该4点假定与上述实施例之一的第一种谐振型软开关变换器所作的假定完全一致。
然后，本实施例一个完整的开关周期t0--t10，可分为10个时间段来描述，其主要电量波形如图6所示，基本说明如下：图6中，自上而下每个波形的含义为：(1)DQ1、DQ2分别为中功率管Q1、Q2的驱动波形，高电平驱动时功率管导通，低电平驱动时功率管截止；(2)VA是二极管D1的阳极即A点的电压；iL2是通过辅助电感L2的电流；VC是二极管D3的阳极即C点的电压；iLr是通过谐振电感Lr的电流，io为流出整流桥QL正端的电流，流向负载RL的电流是io的平均值；(3)由于整流桥QL的换向作用，电流io始终保持为正向，是电流iLr的绝对值。
最后，结合图6分别具体说明本实施例一个完整工作周期内的10个时间段(设在t0时刻之前，电路的初始状态为：功率管Q1、Q2都处于截止状态)：
1.t0-t1时间段
如图6所示，在时刻t0，功率管Q1在驱动脉冲DQ1的作用下导通，输入电源Vin通过功率管Q1、整流桥QL的两个交流端、谐振电感Lr、谐振电容Cr，形成第一条电流通路。同时，输入电源Vin通过功率管Q1、辅助电感L2、谐振电容Cr，形成第二条电流通路。
实际应用中，辅助电感L2设计的电感量远大于谐振电感Lr，通过辅助电感L2的电流iL2的幅度数值较小，而且远小于通过谐振电感Lr的电流iLr的幅度，对第一条电流通路谐振过程的影响微乎其微，可以忽略，后面的描述就忽略了电流iL2的影响。
在第一条电流通路上，功率管Q1相当于短路，整流桥QL的两个交流端等效为Vo+2Vd的电压源，所以作用于谐振电感Lr、谐振电容Cr串联电路上为一电压源，其电压值约为Vin-(Vo+2Vd)。谐振电感Lr、谐振电容Cr开始自由谐振，通过谐振电感Lr的电流iLr从0开始谐振上升，增大到峰值后又逐渐下降，形成正弦状的波形。
谐振电容Cr在电流iLr的作用下，其和谐振电感Lr连接点C的电压VC从0开始持续上升。直到t1时刻，该点电压达到Vin+Vd(Vd为二极管D3导通电压)时，二极管D3导通，VC被钳位并不再上升，谐振电容Cr退出串联谐振。到t1后，电流iLr通过功率管Q1、整流桥QL的两个交流端、二极管D3形成通路，表明串联谐振结束。
在第二条电流通路上，通过辅助电感L2的电流iL2也谐振上升，形成正弦状的波形，从负向持续上升到t1时刻的正向最大值。
2.t1--t2时间段
如图6所示，t1-t2时间段内，电流iLr通过功率管Q1、整流桥QL的两个交流端、二极管D3形成通路，功率管Q1相当于短路，整流桥QL的两个交流端等效为Vo+2Vd的电压源，电流iLr在电压源Vo+2Vd+Vd(Vd为二极管D3导通电压)的作用下线性下降，直到t2时刻，电流iLr下降到0。这段时间，VC一直保持为Vin+Vd。
如图6所示，t1-t2时间段内，辅助电感L2、功率管Q1、二极管D3构成通路，作用于辅助电感L2两端的电压为Vd，接近于0，所以电流iL2保持为正向最大值几乎不变。
3.t2-t3时间段
如图6所示，t2-t3时间段内，电流iLr保持为0，整流桥QL内的两个二极管为零电流关断。这期间，二极管D3、功率管Q1、辅助电感L2构成电流通路，通过的电流iL2保持为正向最大值。
特别指出的是，本发明通过钳位C点的电压，阻止电流iLr在功率管Q1导通期间向反方向变化。与现有技术相比，可以节省现有技术中反方向谐振即图2中传递小电流的时间，提高大电流传递所占的时间比例，从而提高了向负载传递电流的平均值。
4.t3-t4时间段
如图6所示，t3时刻，功率管Q1的两端电压为0，由于电容C3的缓冲作用，此时关断是零电压关断；t3时刻，功率管Q1流通的电流为iL2正向最大值，其数值如前述也很小，此时关断可近似认为零电流关断。
从图6描绘的图形看，电流iL2不小，主要是为了能清楚描述电流变化的细节，有意进行了放大，和电流i Lr使用了不同的比例，实际应用中，电流iL2和电流iLr的幅度比为1∶10到1∶30，差别甚至更大。
功率管Q1关断后，二极管D3、辅助电感L2、电容C3和C4、输入电源Vin形成通路，在电流iL2的作用下，电容C3持续充电，电容C4持续放电，功率管Q2集电极、发射极的电压VA从Vin持续下降。直到t4时刻，二极管D2导通，电压VA钳位于-Vd(二极管D2正向导通压降)上。
5.t4-t5时间段
如图6所示，t4-t5时间段，二极管D3、辅助电感L2、二极管D2、输入电源Vin形成通路，电流iL2受反向Vin的作用而线性下降，电压VA继续保持在-Vd上。
6.t5-t6、t6-t7、t7-t8、t8-t9、t9-t10时间段
如图6所示，在t5时刻，功率管Q2集电极、发射极的电压就是电压VA，保持在-Vd(约1V，相比输入电源Vin，近似认为是0)上，功率管Q2此刻在驱动脉冲DQ2的作用下开通，是零电压开通。
功率管Q2开通后的后续的5个时间段的情形和本实施例上述在先的5个时间段一致，须按照以下七个映射关系做对应，包括：(1)导通的功率管从Q1映射为Q2，(2)钳位C点电压的二极管从D3映射为D4，(3)点C的电压从0上升到Vin+Vd映射为从Vin+Vd下降到-Vd，(4)电流iLr从正向映射为反向，(5)电流iL2从负向上升到正向映射为电流iL2从正向下降到负向，(6)点A的电压从从Vin下降到-Vd映射为从-Vd上升到Vin，(7)时间段t0-t1、t1-t2、t2-t3、t3-t4、t4-t5按顺序对应映射为时间段t5-t6、t6-t7、t7-t8、t8-t9、t9-t10。
如图6所示，时刻t10为下一个工作周期的开始，功率管Q2此刻开通，是零电压开通。时刻t10相当于当前周期的t0。
从上述介绍，可以得出如下结论：功率管Q1、功率管Q2、整流桥QL内的二极管在工作过程中都为零电流关断，而且功率管Q1、功率管Q2是零电压开通，所以效率比现有技术有所提高，适合通过工作频率的高频化来减小谐振电感Lr、辅助电感L2的体积，来实现变换器的小型化；同时，本实施例提高了大电流传递所占的时间比例，从而提高了向负载传递电流的平均值，可以输出比现有技术更大的功率。
(三)本发明实施例之三的第三种谐振型软开关隔离变换器：
①基本电路，结构如图7所示，包括：第一功率管Q1和第一二极管D1，第一功率管Q1的集电极、发射极分别连接到第一二极管D1的阴极、阳极；第二功率管Q2和第二二极管D2，第二功率管Q2的集电极、发射极分别连接到第二二极管D2的阴极、阳极；所述第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极分别连接输入电源Vin的正、负端，第一二极管D1的阳极、第二二极管D2阴极并接后连接到隔离变压器T初级NP的一端；所述隔离变压器T初级NP的另一端串联谐振电感Lr后连接到谐振电容Cr的一端，所述谐振电容Cr的另一端连接到输入电源的负端上；隔离变压器T次级NS两端分别连接到整流桥QL的两个交流端(～)；所述整流桥QL的正(+)、负(-)端对应并联有输出滤波电容Cf，输出电压Vo取自输出滤波电容Cf两端；其特征在于：
还包括第三二极管D3、第四二极管D4，所述第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阳极分别连接输入电源的正、负端，第三二极管D3阳极、第四二极管D4的阴极并接后，与谐振电容Cr、谐振电感Lr的连接点相连。
在图7中，电容C3是第一功率管Q1的集电极、发射极之间的输出电容与外并电容之和，电容C4是第二功率管Q2的集电极、发射极之间的输出电容与外并电容之和，电阻RL表示负载。
②工作原理，本实施例与图3所示的第一种谐振型软开关变换器的工作过程的区别在于：1)谐振电感Lr的电流iLr通过隔离变压器T初级NP时，初级NP两端的钳位电压为(Vo+2*Vd)*NP/NS，其中Vo为输出电压，2为整流桥内同时导通的二极管数量，Vd是二极管正向导通电压，NP为隔离变压器T初级的匝数，NS为隔离变压器T次级的匝数；2)输出电流io是电流iLr*NP/NS的绝对值，中间多了一个系数NP/NS。
本实施例工作过程的其他方面与第一种谐振型软开关变换器完全一致。
本发明实施例之三的第三种谐振型软开关隔离变换器，通过增加第三二极管D3、第四二极管D4，在通过谐振电容Cr、谐振电感Lr向负载传递电流的过程中，可以限制谐振电容Cr与谐振电感Lr连接点的电压不超过输入电源的正、负端，从而阻止谐振电容Cr、谐振电感Lr向反方向继续谐振，可以节省现有技术中反方向谐振即图2传递小电流的时间，提高大电流传递所占的时间比例，从而提高了向负载传递电流的平均值。
(四)本发明实施例之四的第四种谐振型软开关隔离变换器改进型：
①基本电路，结构如图8所示，在第三种谐振型软开关隔离变换器的基础上，还包括辅助电感L2，所述的辅助电感L2并联在第一功率管Q1的发射极、第三二极管D3的阳极之间，或者并联隔离变压器T初级NP的两端之间。
图8中，电容C3是第一功率管Q1的集电极、发射极之间的输出电容与外并电容之和，电容C4是第二功率管Q2的集电极、发射极之间的输出电容与外并电容之和，电阻RL表示负载。
②工作原理，本实施例与图5所示第二种谐振型软开关变换器改进型的工作过程区别在于：1)谐振电感Lr的电流iLr通过隔离变压器T初级NP时，初级NP两端的钳位电压为(Vo+2*Vd)*NP/NS，其中Vo为输出电压，2为整流桥内同时导通的二极管数量，Vd是二极管正向导通电压，NP为隔离变压器T初级的匝数，NS为隔离变压器T次级的匝数；2)输出电流io是电流iLr*NP/NS的绝对值，中间多了一个系数NP/NS。
本实施例工作过程的其它方面与图5所示第二种谐振型软开关变换器改进型的工作过程完全一致。
本实施例通过增加辅助电感L2，在功率管导通时储存能量，在两个功率管都关闭的时间内，和功率管的输出电容产生谐振，将即将导通的功率管输出电容的储能释放掉，为其零电压开通创造条件，实现功率管Q1、Q2的零电压开通，进一步提高了变换器的效率，而且降低了电压变化率，实现了低电磁辐射。
特别指出的是，本实施例中的第一到第四二极管D1、D2、D3、D4，都为快恢复或超快恢复二极管，高频工作时损耗较低。
上述实施例中的功率管可以是功率场效应晶体管MOSFET，也可以是绝缘栅双极晶体管IGBT，也可以是双极晶体管BJT。使用MOSFET时，由于其工艺中寄生有并联二极管，所以可以省略二极管D1和D2。

Claims (10)

1、一种谐振型软开关变换器，包括第一功率管(Q1)和第一二极管(D1)，第一功率管(Q1)的集电极、发射极分别连接到第一二极管(D1)的阴极、阳极；第二功率管(Q2)和第二二极管(D2)，第二功率管(Q2)的集电极、发射极分别连接到第二二极管(D2)的阴极、阳极；所述第一二极管(D1)的阴极、第二二极管(D2)的阳极分别连接输入电源(Vin)的正、负端，第一二极管(D1)的阳极、第二二极管(D2)阴极并联连接后连接到整流桥(QL)一个交流端，整流桥(QL)另一个交流端串联谐振电感(Lr)后连接到谐振电容(Cr)的一端；所述谐振电容(Cr)的另一端连接到输入电源的负端上；所述整流桥(QL)的正输出端、负输出端对应并联有输出滤波电容(Cf)，输出电压(Vo)取自输出滤波电容(Cf)两端；其特征在于，还包括第三二极管(D3)、第四二极管(D4)，所述第三二极管(D3)的阴极、第四二极管(D4)的阳极分别连接输入电源的正、负端，第三二极管(D3)阳极、第四二极管(D4)的阴极并联连接后，与谐振电容(Cr)、谐振电感(Lr)之间的连接点相连。
2、根据权利要求1所述谐振型软开关变换器，其特征在于，还包括辅助电感(L2)，所述辅助电感(L2)连接在第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阳极之间。
3、根据权利要求1所述谐振型软开关变换器，其特征在于，还包括辅助电感(L2)，所述的辅助电感(L2)并联在整流桥(QL)的两个交流端之间。
4、根据权利要求1、2或3所述谐振型软开关变换器，其特征在于，所述的第一(D1)、第二(D2)、第三(D3)、第四(D4)二极管都为快恢复或超快恢复二极管。
5、根据权利要求1、2或3所述谐振型软开关变换器，其特征在于，所述的功率管(Q1、Q2)可以是功率场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。
6、一种谐振型软开关隔离变换器，包括第一功率管(Q1)和第一二极管(D1)，第一功率管(Q1)的集电极、发射极分别连接到第一二极管(D1)的阴极、阳极；第二功率管(Q2)和第二二极管(D2)，第二功率管(Q2)的集电极、发射极分别连接到第二二极管(D2)的阴极、阳极；所述第一二极管(D1)的阴极、第二二极管(D2)的阳极分别连接输入电源(Vin)的正、负端，第一二极管(D1)的阳极、第二二极管(D2)阴极并联连接后连接到隔离变压器(T)初级(NP)的一端，所述隔离变压器(T)初级(NP)的另一端串联谐振电感(Lr)后连接到谐振电容(Cr)的一端；所述谐振电容(Cr)的另一端连接到输入电源的负端上；所述隔离变压器(T)次级(NS)两端分别连接到整流桥(QL)两个交流端；所述整流桥(QL)的正输出端、负输出端对应并联有输出滤波电容(Cf)，输出电压(Vo)取自输出滤波电容(Cf)两端；其特征在于，还包括第三二极管(D3)、第四二极管(D4)，所述第三二极管(D3)的阴极、第四二极管(D4)的阳极分别连接输入电源的正、负端，第三二极管(D3)阳极、第四二极管(D4)的阴极并联连接后，与谐振电容(Cr)、谐振电感(Lr)之间的连接点相连。
7、根据权利要求6所述谐振型软开关隔离变换器，其特征在于，还包括辅助电感(L2)，所述的辅助电感(L2)连接在第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阳极之间。
8、根据权利要求6所述谐振型软开关隔离变换器，其特征在于，还包括辅助电感(L2)，所述的辅助电感(L2)并联在隔离变压器(T)初级(NP)两端之间。
9、根据权利要求6、7或8所述谐振型软开关隔离变换器，其特征在于，所述的第一(D1)、第二(D2)、第三(D3)、第四(D4)二极管都为快恢复或超快恢复二极管。
10、根据权利要求6、7或8所述谐振型软开关隔离变换器，其特征在于，所述的功率管(Q1、Q2)可以是功率场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013117054A1 (zh) * 2012-02-09 2013-08-15 中兴通讯股份有限公司 Pwm直流脉冲电路和镀膜电路

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100361379C (zh) * 2005-12-15 2008-01-09 深圳市科陆电源技术有限公司 一种谐振型软开关变换器
CN106136844B (zh) * 2015-04-07 2018-07-17 佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司 烹饪器具及用于烹饪器具的电加热装置
CN108418436A (zh) * 2018-04-27 2018-08-17 合肥博鳌电气科技有限公司 一种基于半桥三电平结构的双向llc直流变换器及其控制方法
CN109742957B (zh) * 2019-02-12 2024-02-09 深圳市新能力科技有限公司 一种双环全谐振型软开关变换器
CN110995004A (zh) * 2019-11-22 2020-04-10 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 三相星型连接双向llc变换器
CN110943444B (zh) * 2019-11-27 2022-09-06 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种用于低压直流配电网末端的功率平衡装置
CN113541486B (zh) * 2021-06-23 2023-03-28 南京军曜科技有限公司 交错二极管电容网络高增益zvt直流变换器及辅助电路

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442540A (en) * 1992-06-12 1995-08-15 The Center For Innovative Technology Soft-switching PWM converters
CN2476898Y (zh) * 2000-10-18 2002-02-13 深圳市中兴通讯股份有限公司 一种具有改进结构的全桥移相零压零流装置
US6353547B1 (en) * 2000-08-31 2002-03-05 Delta Electronics, Inc. Three-level soft-switched converters
CN1455509A (zh) * 2003-04-24 2003-11-12 艾默生网络能源有限公司 带有箝位电路的软开关全桥移相电路及其箝位方法
US20050030767A1 (en) * 2003-08-09 2005-02-10 Phadke Vijay Gangadhar Circuit for reducing losses at light load in a soft switching full bridge converter

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4860184A (en) * 1987-09-23 1989-08-22 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Half-bridge zero-voltage switched multi-resonant converters
US4855888A (en) * 1988-10-19 1989-08-08 Unisys Corporation Constant frequency resonant power converter with zero voltage switching
US5448467A (en) * 1992-04-13 1995-09-05 Ferreira; Jan A. Electrical power converter circuit
JP3271525B2 (ja) * 1996-07-29 2002-04-02 株式会社村田製作所 共振ドライブ回路
CN100361379C (zh) * 2005-12-15 2008-01-09 深圳市科陆电源技术有限公司 一种谐振型软开关变换器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442540A (en) * 1992-06-12 1995-08-15 The Center For Innovative Technology Soft-switching PWM converters
US6353547B1 (en) * 2000-08-31 2002-03-05 Delta Electronics, Inc. Three-level soft-switched converters
CN2476898Y (zh) * 2000-10-18 2002-02-13 深圳市中兴通讯股份有限公司 一种具有改进结构的全桥移相零压零流装置
CN1455509A (zh) * 2003-04-24 2003-11-12 艾默生网络能源有限公司 带有箝位电路的软开关全桥移相电路及其箝位方法
US20050030767A1 (en) * 2003-08-09 2005-02-10 Phadke Vijay Gangadhar Circuit for reducing losses at light load in a soft switching full bridge converter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013117054A1 (zh) * 2012-02-09 2013-08-15 中兴通讯股份有限公司 Pwm直流脉冲电路和镀膜电路

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