CN100561840C - 零电压开关全桥直流变换器 - Google Patents

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Abstract

一种零电压开关全桥直流变换器，属电能变换装置的直流变换器，该直流变换器包括直流电源(Vin)、两个逆变桥臂(1)和(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(5)、整流及滤波电路(6)，其特征在于隔离变压器(5)除了原边绕组(n1)和副边绕组(n2)外，还增加了一个辅助绕组(n3)，辅助绕组(n3)一端与原边绕组(n1)相联且在联结点处引出两个箝位二极管构成箝位电路(4)，辅助绕组(n3)另一端与谐振电感(3)相联。该变换器实现了开关管的零电压开关，可消除输出整流管的反向恢复引起的电压振荡，降低输出整流管的电压应力，可有效地快速减小流过箝位二极管中电流，提高变换效率，改善箝位二极管在轻载情况下的工作条件。

Description

零电压开关全桥直流变换器
一、技术领域
本发明的零电压开关全桥直流变换器属电能变换装置的直流变换器。
二、背景技术
在中大功率的直流变换场合，全桥变换器由于开关管容易实现软开关和采用恒定频率控制而得到了广泛的应用。近二十年来，出现了很多全桥变换器软开关控制策略和电路拓扑。移相控制零电压开关全桥变换器和移相控制零电压零电流开关全桥变换器均可实现开关管的软开关。但无论是零电压开关还是零电压零电流开关全桥变换器，由于副边整流二极管存在反向恢复，变压器的漏感(或附加的谐振电感)就会同输出整流管的结电容发生谐振，二极管上会承受至少两倍的尖峰电压，因此必须选择高压整流二极管，这也就意味着增加副边整流二极管的正向导通压降。Richard Redl，Nathan O.Sokal andLaszlo Balogh，“A novel soft-switching full-bridge DC/DC converter：analysis，designconsiderations，and experimental results at 1.5kW，100kHz，”in Proc.IEEE PESC，1990，pp.162-172公开了一种零电压开关全桥直流变换器，在变压器的原边引入一个谐振电感和两只箝位二极管，不仅保持了开关管的软开关特性，同时有效地消除了输出整流管上的电压尖峰和电压振荡。
箝位二极管中电流为谐振电感电流与变压器原边电流之差。为了减小流过箝位二极管中电流，减小损耗，就需要减小输出滤波电感。而为了满足输出电压纹波要求，则需增大输出滤波电容，进而增加了变换器的体积和成本。同时，当此变换器工作在轻载甚至空载情况时，占空比相对较小，箝位二极管被硬关断，容易造成箝位二极管的损坏。
发明内容
本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，研制一种带变压器辅助绕组的零电压开关全桥直流变换器，可以有效地快速减小流过箝位二极管中电流，提高变换效率，同时改善在轻载情况下箝位二极管的工作环境。
本发明的零电压开关全桥直流变换器，包括直流电源、第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、谐振电感、箝位电路、隔离变压器、整流及滤波电路，其中由第一开关管和第三开关管串联后组成的第一逆变桥臂1正向并联在直流电源正负输出端；由第二开关管和第四开关管串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在直流电源正负输出端，上述第一至第四的四个开关管还各自并联一个体二极管和一个寄生电容，箝位电路由两个箝位二极管正向串联组成，该箝位电路反向并联在第一逆变桥臂两端和第二逆变桥臂两端，隔离变压器副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中一个绕组的同名端连于整流及滤波电路中的第一整流二极管阳极，另一个副边绕组的异名端连于整流及滤波电路中第二整流二极管阳极，第一、第二两个整流二极管的阴极相连后，连于滤波电感正端，滤波电感负端连于滤波电容正端，两个副边绕组的串联点与整流滤波电路的负端相连，即连于滤波电容负端，其特征在于，所述隔离变压器原边绕组与原边辅助绕组非同名端相连后再与谐振电感串联形成一个串联支路，该串联支路两端分别连于第一逆变桥臂的两个开关管的串联点和第二逆变桥臂的两个开关管的串联点；所述箝位电路的两个箝位二极管的串联点连接在隔离变压器原边绕组和原边辅助绕组的串联点上。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，由于加了箝位二极管电路，消除了因输出整流管的反向恢复而引起的电压振荡和电压尖峰，降低了输出整流管的电压应力，并且消除了输出整流管因反向恢复引起的损耗，同时，增加了变压器的辅助绕组，可以有效地快速减小流过箝位二极管中电流，改善在轻载情况下箝位二极管的工作环境。
四、附图说明
附图1和附图2是本发明的零电压开关全桥直流变换器两种实施例电路结构示意图。
附图3是本发明的零电压开关全桥直流变换器的主要工作波形示意图。
附图4～13是本发明的零电压开关全桥直流变换器的等效电路结构示意图。
上述附图中的主要符号名称：Vin、电源电压。Q1～Q4、开关管。C1～C4、寄生电容。D1～D4、体二极管。Lr、谐振电感。Tr、隔离变压器。n1、变压器原边绕组。n2、变压器副边绕组。n3、变压器原边辅助绕组。D5、D6、箝位二极管。DR1、DR2、输出整流二极管。Lf、滤波电感。Cf、滤波电容。RLd、负载。Vo、输出电压。vrect、变压器副边整流后电压。vAB、A与B两点间电压。
具体实施方式
附图1和附图2所示的是带变压器辅助绕组的零电压开关全桥直流变换器的两种电路结构示意图。由直流电源Vin、两个逆变桥臂1和2、谐振电感3、箝位电路4、隔离变压器5、整流及滤波电路6组成。Q1～Q4是四只主开关管，D1～D4分别是开关管Q1～Q4的体二极管，C1～C4分别是开关Q1～Q4的寄生电容，Lr是谐振电感，Tr是隔离变压器，DR1和DR2是输出整流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RLd为负载。本变换器采用移相控制，开关管Q1和Q3分别超前于开关管Q4和Q2一个相位，称开关管Q1和Q3组成的第一逆变桥臂为超前桥臂，开关管Q2和Q4组成的第二逆变桥臂则为滞后桥臂。本发明的特点是隔离变压器5除了原边绕组n1和副边绕组n2外，还在变压器原边额外增加了一个原边辅助绕组n3。此原边辅助绕组n3与原边绕组n1以非同名端方式联结，即两个绕组的联结端点不能是两个绕组的同名端，也就是原边绕组n1的同名端与原边辅助绕组n3的异名端相联结，或者是原边绕组n1的异名端与原边辅助绕组n3的同名端相联结，两个绕组相联结后，原边辅助绕组n3的另一端与谐振电感Lr的一端相连，谐振电感Lr的另一端可以连于第一逆变桥臂(1)的两个开关管Q1与Q3的串联点，如附图1所示；也可以连于第二逆变桥臂(2)的两个开关管Q2与Q4的串联点，如附图2所示，相应地，原边绕组n1的另一端可以连于第二逆变桥臂(2)的两个开关管Q2与Q4的串联点，如附图1所示，也可以连于第一逆变桥臂(1)的两个开关管Q1与Q3的串联点，如附图2所示。
下面以附图1为主电路结构，结合附图3～13叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器在一个开关周期有18种开关模态，分别是[t0以前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]、[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18](见附图3)，其中，[t0以前，t9]为前半周期，[t9，t18]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
在分析之前，作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件，整流二极管DR1和DR2除外，它等效为一个理想二极管和一个电容并联，以用来模拟反向恢复；②所有电感、电容和变压器均为理想元件。
1.开关模态1[t0以前][对应于附图4]
t0以前，开关管Q1和Q4导通，副边整流二极管DR1导通，整流二极管DR2截止。
2.开关模态2[t0，t1][对应于附图5]
t0时刻关断开关管Q1，原边电流ip给电容C1充电，同时给电容C3放电，A点电压下降。由于有电容C1和C3，开关管Q1是零电压关断。结电容CDR2放电，原边电流ip和谐振电感iLr谐振下降。由于C点电位始终大于零，故箝位二极管D6不可能导通。同时由于结电容CDR2放电，副边电压减小，原边电压随之减小，而B点电位箝在零，所以C点电位必小于输入电压Vin，因此箝位二极管D5也不可能导通。t1时刻，电容C3的电压下降到零，即A点电位降为零，二极管D3导通。
3.开关模态3[t1，t2][对应于附图6]
二极管D3导通后，可以零电压开通开关管Q3。A点电位降为零时，C点电压还没有下降到零，此时整流二极管DR2的结电容CDR2继续放电，谐振电感电流iLr和原边电流ip继续下降。t2时刻，整流二极管DR2的结电容CDR2放电结束，二极管DR2导通，C点电压下降到零。
4.开关模态4[t2，t3][对应于附图7]
整流二极管DR1和DR2同时导通，将变压器原副边电压箝在零位，此时A、B、C三点电位均为零，谐振电感电流iLr与原边电流ip相等，处于自然续流状态，并且一直保持不变。
5.开关模态5[t3，t4][对应于附图8]
t3时刻关断开关管Q4，电流iLr给电容C4充电，同时给电容C2放电。由于电容C2和C4的存在，开关管Q4是零电压关断。由于整流二极管DR1和DR2都导通，因此变压器原副边电压均为零，电压vAB直接加在谐振电感Lr上，因此，在这段时间里，实际上谐振电感Lr和结电容C2、C4在谐振工作。到t4时刻，电容C4的电压上升至Vin，电容C2的电压下降到零，二极管D2自然导通。
6.开关模态6[t4，t5][对应于附图9]
二极管D2导通后，可以零电压开通开关管Q2。此时原边电流ip不足以提供负载电流，整流二极管DR1和DR2同时导通，变压器原副边电压均为零，因此Vin全部加在谐振电感Lr两端，谐振电感电流iLr等于原边电流ip，两者线性下降。
7.开关模态7[t5，t6][对应于附图10]
到t5时刻，谐振电感电流iLr与原边电流ip都下降为零，并且负方向增加，原边电流ip反向后由开关管Q2和Q3提供通路，负载电流仍由两个整流二极管提供回路，变压器原副边电压依旧为零。直到t6时刻，原边电流ip达到折算至原边的负载电流，整流二极管DR1关断。
8.开关模态8[t6，t7][对应于附图11]
在t6时刻，谐振电感Lr与整流二极管结电容CDR1谐振工作，给整流二极管DR1的结电容CDR1充电，原边电流ip和谐振电感电流iLr继续增加。
在这段时间中，B点电压固定在Vin，而变压器原边绕组电压vBC由于整流二极管结电容CDR1的充电也同时上升，故C点电位一直在下降。到t7时刻，整流二极管结电容CDR1的电压上升到2Vin·n2/n1，此时C点电压下降至零，箝位二极管D6导通，将电压vBC箝在电压Vin，因此整流二极管结电容CDR1的电压被箝在2Vin·n2/n1。
9.开关模态9[t7，t8][对应于附图12]
当箝位二极管D6导通后，原边电流ip阶跃下降到折算到原边的滤波电感电流，并负向增加。此时辅助绕组上电压为Vin·n3/n1，电压方向为左负右正，即C点电位高，由于C点电压为零，因此谐振电感上承受一个左正右负的电压，大小为Vin·n3/n1，因此谐振电感电流iLr快速减小。它与原边电流ip的差值从箝位二极管D6中流过。到t8时刻，电流ip和iLr相等，该模态结束，箝位二极管D6关断。
10.开关模态10[t8，t9][对应于附图13]
箝位二极管D6关断，C点电位上升，电压vBC下降，变压器副边整流电压vrect相应下降，当降为Vin·n2/(n1+n3)时电路进入稳态工作，原边给副边提供能量，原边电流ip与谐振电感电流iLr相等。
变压器与谐振电感互换位置的工作原理与上述基本相同，最后得到的效果亦基本相同，因此不再多述。
由以上描述可知，本发明提出的带变压器辅助绕组的零电压开关全桥直流变换器具有如下优点：
箝位二极管可以有效地消除了输出整流管上的电压尖峰和电压振荡，降低输出整流管的电压应力。
由于增加了变压器辅助绕组，可以有效地快速减小流过箝位二极管中电流，提高变换效率。
改善箝位二极管在轻载情况下的工作条件。
可以实现开关管的零电压开关。

Claims (1)

1.一种零电压开关全桥直流变换器，包括直流电源(Vin)、第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、箝位电路(4)、隔离变压器(5)、整流及滤波电路(6)，其中由第一开关管(Q1)和第三开关管(Q3)串联后组成的第一逆变桥臂(1)正向并联在直流电源(Vin)正负输出端；由第二开关管(Q2)和第四开关管(Q4)串联后组成的第二逆变桥臂(2)同样正向并联在直流电源(Vin)正负输出端，上述第一至第四的四个开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)还各自并联一个体二极管和一个寄生电容，箝位电路(4)由两个箝位二极管(D5、D6)正向串联组成，该箝位电路(4)反向并联在第一逆变桥臂(1)两端和第二逆变桥臂(2)两端，隔离变压器(5)副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中一个绕组的同名端连于整流及滤波电路(6)中的第一整流二极管(DR1)阳极，另一个副边绕组的异名端连于整流及滤波电路(6)中的第二整流二极管(DR2)阳极，第一、第二两个整流二极管(DR1、DR2)的阴极相连后，连于滤波电感(Lf)正端，滤波电感(Lf)负端连于滤波电容(Cf)正端，两个副边绕组的串联点与整流及滤波电路(6)的负端相连，即连于滤波电容(Cf)负端，其特征在于，所述隔离变压器(5)原边绕组(n1)与原边辅助绕组(n3)非同名端相连后再与谐振电感(3)串联形成一个串联支路，该串联支路两端分别连于第一逆变桥臂(1)的两个开关管(Q1、Q3)的串联点(A)和第二逆变桥臂(2)的两个开关管(Q2、Q4)的串联点(B)，所述箝位电路(4)的两个箝位二极管(D5、D6)的串联点连接在隔离变压器(5)原边绕组(n1)和原边辅助绕组(n3)的串联点(C)上。
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