CN101030731A - 二极管加电流互感器箝位的零电压开关全桥直流变换器 - Google Patents

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Abstract

一种二极管加电流互感器箝位的零电压开关全桥直流变换器，属直流变换器，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)、箝位电路(4)、隔离变压器(5)、整流及滤波电路(6)，电流互感器(7)、电流互感器整流电路(8)、直流电源Vc(9)。其主要技术特点是，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，引入的电流互感器，可以有效地快速减小流过箝位二极管中电流，改善箝位二极管的工作环境。

Description

二极管加电流互感器箝位的零电压开关全桥直流变换器
一、技术领域
本发明的二极管加电流互感器箝位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，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，研制一种二极管加电流互感器箝位的零电压开关全桥直流变换器，无论变换器工作在何种负载情况下都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，
二极管加电流互感器箝位的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，电流互感器、电流互感器整流电路、直流电源Vc。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；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，箝位二极管还各自并联一个寄生电容；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；谐振电感和上述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；电流互感器原边绕组的一端与谐振电感和隔离变压器原边绕组的串联点相连，另一端与箝位电路的两个箝位二极管串联点相连，电流互感器的副边接电流互感器整流电路，电流互感器整流电路有两种整流方式：全波整流方式和全桥整流方式。电流互感器整流电路采用全波整流方式时，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，另外不相连的两个端子分别接在电流互感器整流电路的两个输入端；电流互感器整流电路采用全桥整流方式时，电流互感器的副边只有一个绕组，分别接电流互感器整流电路的两个输入端；电流互感器整流电路的输出接直流电源Vc。本发明中，有三处直流电源都可替代直流电源Vc，第一种接法：电流互感器整流电路的正负输出端分别接输入直流电源Vin的正负端；第二种接法：电流互感器整流电路的正负输出端分别接输出电压Vo的正负端；第三种接法：电流互感器整流电路的正负输出端分别接给控制及驱动电路供电的辅助电压源的正负端；
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，引入的电流互感器，可以有效地快速减小流过箝位二极管中电流，改善在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和附图4分别是本发明的零电压开关全桥直流变换器在满载和轻载(或是空载)的主要工作波形示意图。
附图4~21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。D5、D6、箝位二极管。DR1、DR2、输出整流二极管。CDR1、CDR2、输出整流二极管的结电容。C5、C6、箝位二极管的结电容。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。Ts、电流互感器。n、电流互感器原副边的匝比。DR3～DR6、电流互感器输出整流二极管。Vc、辅助控制电源电压。
五、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、电流互感器7、电流互感器整流电路8及辅助控制电源电压Vc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，D5、D6是箝位二极管，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，Ts是电流互感器，DR3～DR6是电流互感器输出整流二极管。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5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；本发明的特点是谐振电感3和隔离变压器5原边绕组的串联点C和箝位电路4的两个箝位二极管D5、D6串联点D不直接相连，而是在点C和点D之间串入电流互感器7的原边绕组。电流互感器7副边绕组接电流互感器整流电路8；电流互感器整流电路8的输出接直流电压源Vc9，本发明中，有三处直流电源都可替代直流电源Vc9，第一种接法：电流互感器整流电路8的正负输出端分别接输入直流电源Vin的正负端；第二种接法：电流互感器整流电路8的正负输出端分别接输出电压Vo的正负端；第三种接法：电流互感器整流电路8的正负输出端分别接给控制及驱动电路供电的辅助电压源的正负端；根据Vc的幅值可选择电流互感器整流电路8的整流方式，如果Vc幅值比较低，可选用附图1所示全波整流方式。如果Vc幅值比较高，可选用附图2所示全桥整流方式。
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。本发明在不同负载时的工作原理不同，下面分两种情况进行讨论，一种情况是满载，主要波形如附图3所示；另一种情况为轻载，主要波形如附图4所示。
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以及箝位二极管D5和D6除外，它们都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。
首先分析本发明工作在满载情况的工作原理。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。
1.开关模态1[t0以前][对应于附图5]
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6]
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7]
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8]
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9]
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10]
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11]
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12]
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。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箝在直流电源电压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13]
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。此时有电流从电流互感器Ts原边绕组的同名端流出，感应到副边从同名端流入，使得电流互感器输出整流二极管DR4导通，直流电压Vc反向加在副边绕组上，感应到原边，电压为Vcn，电压方向为左负右正，即D点电位高于C点，由于D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Vcn，因此谐振电感电流iLr快速反向减小。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14]
箝位二极管D6关断，没有电流流过电流互感器Ts，电流互感器输出整流二极管DR4关断。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。
下面分析本发明工作在轻载情况的工作原理。由附图4可知整个变换器在一个开关周期有12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]、(见附图4)，其中，[t0以前，t5]为前半周期，[t5，t11]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15]
t0以前，开关管Q1导通，开关管Q3已经关断，但是由于变压器原边电流和谐振电感电流都是零，没有电流给寄生电容C3充电，A、B、C、D四点电压都是直流电源电压Vin，因此变压器原副边电压均为零。此时滤波电感电流已经过零，副边整流二极管DR1和DR2截止，滤波电感和输出整流二极管的结电容CDR1、CDR2发生谐振。
2.开关模态2[t0，t1][对应于附图16]
t0时刻开通开关管Q4，开关管Q4是硬开通，B点电压下降到0，变压器原边电压上升直流电源电压Vin，副边电压上升，当变压器副边电压大于变压器副边整流后电压vrect后，副边整流二极管DR1导通。滤波电感电流开始上升，变压器原边电流和谐振电感电流一起上升。A点电压保持在直流电源电压Vin不变，C、D点电压略有下降，基本保持在直流电源电压Vin。
3.开关模态3[t1，t2][对应于附图17]
t1时刻关断开关管Q1，开通开关管Q3，A点电压迅速的下降到0，谐振电感电流开始下降，谐振电感Lr、箝位二极管D5、D6的结电容C5、C6以及副边整流二极管DR2的结电容CDR2进行谐振，结电容C6和结电容CDR2放电，箝位二极管的结电容C6充电。C、D点电压一起下降，此时有电流从电流互感器Ts原边绕组的同名端流出，感应到副边从同名端流入，使得电流互感器输出整流二极管DR4导通，直流电压Vc反向加在副边绕组上，感应到原边，电压为Vcn，电压方向为左负右正，即D点电位高于C点。流过副边整流二极管DR1的电流减小，若负载很轻，在C点电压下降到0之前，流过副边整流二极管DR1的电流已经下降到0，副边整流二极管DR1截止，副边整流二极管DR1、DR2的结电容CDR1、CDR2串联，和谐振电感Lr、箝位二极管D5、D6的结电容C5、C6继续谐振，谐振电感电流和变压器原边电流继续减小，C、D点电压继续下降，直到t2时刻，D点电压下降到0，箝位二极管D6导通。
4.开关模态4[t2，t3][对应于附图18]
箝位二极管D6导通，D点电压被箝在0，电流互感器Ts原边绕组上电压为Vcn，电压方向为左负右正，所以D点电压被箝在Vcn，此时B点电压为0，所以变压器Tr原边电压也是Vcn，折算到副边，近似为0，副边整流二极管DR1、DR2的结电容CDR1、CDR2继续放电，放电电流大小相等，所以流过变压器原边电流ip为0，谐振电感电流与原边电流ip的差值从箝位二极管D6中流过。此时谐振电感上承受一个左正右负的电压，大小为Vcn，因此谐振电感电流iLr快速反向减小。
5.开关模态5[t3，t4][对应于附图19]
t3时刻，副边整流二极管DR1、DR2的结电容CDR1、CDR2放电到0，整流二极管DR1和DR2同时导通，它们的电流分别为滤波电感电流的一半。谐振电感电流继续减小。
6.开关模态6[t4，t5][对应于附图20]
t4时刻，滤波电感电流下降到0后反向，滤波电感和副边整流二极管DR1、DR2的结电容发生谐振。
7.开关模态7[t5，t6][对应于附图21]
t4时刻，谐振电感电流和箝位二极管D6电流下降到0，箝位二极管D6、电流互感器输出整流二极管DR4截止。电路进入稳态工作，变压器Tr原边电流、谐振电感电流都是0。
由以上描述可知，本发明提出的带电流互感器的零电压开关全桥直流变换器具有如下优点：
①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。
②由于增加了电流互感器，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。
③改善箝位二极管在轻载情况下的工作条件，提高系统的可靠性。
④可以实现开关管的零电压开关。

Claims (3)

1、一种二极管加电流互感器箝位的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，箝位二极管(D6、D6)还各自并联一个寄生电容；隔离变压器(5)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(6)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(6)的两个正端相连；谐振电感(3)和上述隔离变压器(5)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)；其特征在于还包括电流互感器(7)、电流互感器整流电路(8)、直流电源Vc(9)。所述电流互感器(7)原边绕组的一端与谐振电感(3)和隔离变压器(5)原边绕组的串联点(C)相连，另一端与箝位电路(4)的两个箝位二极管(D5、D6)串联点(D)相连，电流互感器(7)的副边接电流互感器整流电路(8)；所述电流互感器整流电路(8)采用全波整流方式时，电流互感器(7)的副边为匝数相同的两个绕组，两个绕组的异名端相连，连接点与直流电源Vc(9)的负端相连，另外两个不相连的端子分别和电流互感器整流电路(8)的两个正端相连。
2、根据权利要求1所述的二极管加电流互感器箝位的零电压开关全桥直流变换器，其特征在于，所述电流互感器整流电路(8)采用全桥整流方式时，电流互感器(7)的副边只有一个绕组，分别接电流互感器整流电路(8)的两个输入端；电流互感器整流电路(8)的输出接直流电源Vc(9)。
3、根据权利要求1所述的二极管加电流互感器箝位的零电压开关全桥直流变换器，其特征在于，所述电流互感器整流电路(8)可与有三处直流电源相连，以替代直流电源Vc(9)；第一种接法，电流互感器整流电路(8)的正负输出端分别接输入直流电源Vin的正负端；第二种接法，电流互感器整流电路(8)的正负输出端分别接输出电压Vo的正负端；第三种接法，电流互感器整流电路(8)的正负输出端分别接给控制及驱动电路供电的辅助电压源的正负端。
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Denomination of invention: DC zero-voltage switched full-bridged converter of diode mutual inductor clamp

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