CN101005240A - 副边箝位的隔离型直流变换器 - Google Patents
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一种副边箝位的隔离型直流变换器，属直流变换器。该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)、隔离变压器(4)、整流及滤波电路(5)、电流互感器(6)、箝位电路(7)组成。由于加了电流互感器和箝位电路，消除了因整流管的反向恢复而引起的电压振荡和电压尖峰，降低了整流管的电压应力，并且消除了整流管因反向恢复引起的损耗，同时，由于箝位二极管的电压应力比较小，可选用性能很好的管子，消除了由箝位二极管的寄生参数对电路产生的影响。此外，由于箝位电路箝的是变压器副边电压，与箝位二极管放在变压器原边箝变压器原边电压的方式相比，可消除由变压器漏感引起的整流二极管的电压振荡和电压尖峰。
Description
一、技术领域
本发明的副边箝位的隔离型直流变换器，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 0.Sokal andLaszlo Balogh，“A novel soft-switching full-bridge DC/DC converter：analysis，design considerations，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。
但是，当此变换器工作在轻载甚至空载情况时，箝位二极管的结电容放电阶段，释放的能量无法转移到负载端，只能存储在谐振电感中，迫使箝位二极管多导通一次，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，此时变压器原边电流近似为零，箝位二极管中电流约等于谐振电感电流，由于谐振电感被超前桥臂的开关管和箝位二极管短路，电感电流维持不变，所以箝位二极管中电流在近似半个开关周期里维持不变。两只箝位二极管在一个开关周期交替导通，如果箝位二极管的关断速度不够快，容易直通，造成箝位二极管的损坏。
三、发明内容
本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，研制一种副边箝位的隔离型直流变换器，通过输出电压实现变压器两端电压的箝位，以减小输出整流二极管的的电压振荡和电压尖峰。该变换器可选用低电压定额的箝位二极管，从根源上消除了由于箝位二极管的电压定额比较高，其自身寄生参数对电路性能的影响，此外，由于箝位电路箝的是变压器副边电压，与箝位二极管放在变压器原边箝变压器原边电压的方式相比，可以消除由变压器漏感引起的整流二极管的的电压振荡和电压尖峰。
副边箝位的隔离型直流变换器，包括直流电源Vin、第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、谐振电感、隔离变压器、整流及滤波电路，电流互感器、箝位电路。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正向并联在直流电源Vin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Vin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；谐振电感和隔离变压器原边绕组串联，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；上述隔离变压器的副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中两个副边绕组的串联点与整流滤波电路的负端相连，另外两个不相连的端子分别和整流及滤波电路的两个正端相连，同时也和电流互感器原边绕组的两个端子相连；电流互感器的副边绕组接箝位电路，有两种连接方式：第一种方式，电流互感器的副边绕组和两只箝位二极管接成全波整流方式，电流互感器的副边为匝数相同的两个绕组，两个绕组的异名端相连，接输出电压Vo的负端，另外不相连的两个端子分别接两只箝位二极管的阳极，两只箝位二极管的阴极相连，接在输出电压Vo的正端；第二种方式，电流互感器的副边只有一个绕组和四只箝位二极管接成全桥整流方式，箝位二极管的输出接在输出电压Vo的两端。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，由于加了电流互感器和箝位电路，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，由于箝位二极管的电压应力比较小，可选用性能很好的管子，从根源上消除了由箝位二极管的寄生参数对电路产生的影响。
四、附图说明
附图1和附图2是本发明的副边箝位的隔离型直流变换器两种实例电路结构示意图。
附图3是本发明的副边箝位的隔离型直流变换器的主要工作波形示意图。
附图4~13是本发明的副边箝位的隔离型直流变换器的等效电路结构示意图。上述图中的符号名称：Vin、直流电源电压，Q1～Q4、主开关管，D1～D4、开关管的体二极管，C1～C4、开关管寄生电容，Lr、谐振电感，Tr、隔离变压器，DR1、DR2、输出整流二极管，CDR1、CDR2、输出整流二极管DE1、DR2的结电容，Lf、输出滤波电感，Cf、输出滤波电容，RLd、负载，Tc、电流互感器，D5～D8、箝位二极管，vrect、变压器副边整流后电压，vAB、A与B两点间电压，ip、变压器原边电流，iLr、谐振电感电流，iD5、流过箝位二极管D5的电流，iD6、流过箝位二极管D6的电流。
五、具体实施方式
附图1和附图2所示的是副边箝位的隔离型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、隔离变压器4、整流及滤波电路5、电流互感器6、箝位电路7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分别是开关管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，CDR1和CDR2为输出整流二极管DR1、DR2的结电容，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RLd为负载，Tc是电流互感器，D5～D8是箝位二极管。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。谐振电感3和上述隔离变压器4原边绕组串联，该串联支路中谐振电感另一端和第一逆变桥臂1的两个开关管Q1、Q3的串联点A相连，隔离变压器5原边绕组的另一端和第二逆变桥臂2的两个开关管Q2、Q4的串联点B相连；上述隔离变压器4的副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中两个副边绕组的串联点与整流滤波电路的负端相连，另外两个不相连的端子分别和整流及滤波电路的两个正端相连，本发明的特点是：上述变压器两个副边绕组不相连的两个端点同时也和电流互感器原边绕组的两个端子相连；电流互感器的副边绕组接箝位二极管，有两种连接方式：第一种方式，电流互感器的副边绕组和两只箝位二极管接成全波整流方式，电流互感器的副边为匝数相同的两个绕组，两个绕组的异名端相连，接输出电压Vo的负端，另外不相连的两个端子分别接两只箝位二极管的阳极，两只箝位二极管的阴极相连，接在输出电压Vo的正端；第二二种方式，电流互感器的副边只有一个绕组和四只箝位二极管接成全桥整流方式，箝位二极管的输出接在输出电压Vo的两端。
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。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，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。
由附图3可知整个变换器在一个开关周期有21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]、[t18，t19][t19，t20](见附图3)，其中，[t0以前，t10]为前半周期，[t10，t20]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
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和谐振电感电流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的电压上升至直流电源电压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，因此直流电源电压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，T8][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CFR1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点电压固定在直流电源电压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。t7时刻，结电容CDR1被充电到2Vin/N，此时变压器原边电压等于Vin，C点电压下降至零。t7时刻以后，结电容CDR1继续被充电，变压器原副边电压继续升高，由于C点电压已经小于0，所以谐振电感电流iLr开始反向减小。
9.开关模态9[t8，t9][对应于附图12]
t8时刻，副边箝位电路开始工作，电流互感器Tc同名端电压为负，箝位二极管D6导通，把Tc的副边电压筘在输出电压Vo，原边电压筘在nVo，下正上负。即主变压器Tr两副边绕组的电压被箝在nVo。结电容CFR1电压被箝位后，结电容CDR1的充电电流突变到0，这部分电流被Tc转移，从箝位二极管D6流向输出侧。此后，滤波电流增加，Tr原边电压箝在nNVo/2，左负右正，此时B点电压等于输入电压Vin，所以C点电压被箝位在一个小于0的值，使得谐振电感电流和原边电流反向减小，所以流过箝位二极管D6的电流iD6可以快速的下降。
10.开关模态10[t9，t10][对应于附图13]
t9时刻，谐振电感电流以及主变压器原边电流和折算到原边的滤波电感电流相等，流过箝位二极管D6的电流iD6下降到0，箝位二极管D6被关断，没有电流从电流互感器Tc流过。此后，谐振电感和结电容CDR1发生谐振，副边整流后的电压上，虽然存在振荡，但是稳态值仍然是Vin/N。
由以上描述可知，本发明提出的副边箝位的隔离型直流变换器具有如下优点：
①副边箝位电路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。
②箝位二极管电压应力与输出电压有关，和输入电压无关，在高压输入低压输出应用场合，箝位二极管可选用的电压定额比较低的管子，性能更优。
③可以实现开关管的零电压开关。
Claims (4)
1、一种副边箝位的隔离型直流变换器，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)、隔离变压器(4)、整流及滤波电路(5)，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；谐振电感(3)和隔离变压器(4)原边绕组串联，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)；隔离变压器(4)的副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中两个副边绕组的串联点与整流滤波电路(5)的负端相连，另外两个不相连的端子分别和整流及滤波电路(5)的两个正端相连；其特征在于还包括电流互感器(6)、箝位电路(7)，上述隔离变压器(4)的副边两个不相连的端子同时也和电流互感器(6)原边绕组的两个端子相连；电流互感器(6)的副边绕组接箝位电路(7)，电流互感器(6)的副边绕组和箝位电路(7)的两只箝位二极管(D5、D6)接成全波整流方式时，电流互感器(6)的副边为匝数相同的两个绕组，两个绕组的异名端相连，接输出电压Vo的负端，另外不相连的两个端子分别接两只箝位二极管(D5、D6)的阳极，两只箝位二极管(D5、D6)的阴极相连，接在输出电压Vo的正端。
2、根据权利要求1所述的副边箝位的隔离型直流变换器，其特征在于，所述电流互感器(6)的副边只有一个绕组和箝位电路(7)的四只箝位二极管(D5、D6、D7、D8)接成全桥整流方式，箝位电路(7)的输出接在输出电压Vo的两端。
3、根据权利要求1或2所述的副边箝位的隔离型直流变换器，其特征在于，所述电流互感器(6)的原边绕组可加在任何电压两端。
4、根据权利要求1或2所述的副边箝位的隔离型直流变换器，其特征在于，所述箝位电路(7)的输出可接在任何直流电压的两端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: JIANGSU LEADING ELECTRONICS CO., LTD. Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Contract fulfillment period: 2009.2.18 to 2014.2.18 Contract record no.: 2009320000953 Denomination of invention: Isolated DC transducer of side edge clamp Granted publication date: 20081105 License type: Exclusive license Record date: 2009.5.18 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.2.18 TO 2014.2.18; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: JIANGSU LINGXIAN ELECTRONICS CO., LTD. Effective date: 20090518 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081105 Termination date: 20190115 |