CN101047339A - 一种零电压开关有源钳位正反激变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源电路，它公开了一种零电压开关有源钳位正反激变换器，包括变压器、开关管、钳位管、钳位电容、整流管、谐振电感、储能电感和输出电容。变换器原边电路是有源钳位电路，其中开关管与变压器原边绕组串联后与输入电压两端连接；钳位管与钳位电容串联后与变压器原边绕组或开关管并联。变换器副边电路是全桥整流或全波整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感，使变压器副边绕组电流流过谐振电感，并使得变压器副边绕组的电流变化成为谐振电感的励磁电流变化。这种零电压开关有源钳位正反激变换器的开关管能够实现零电压开通，因而减小了开关管的开通损耗，降低了变换器的EMI发射。

Description

一种零电压开关有源钳位正反激变换器

技术领域

本发明涉及一种电源电路，具体地说，涉及一种开关电源及电力变换的电源电路。

背景技术

正反激变换器综合了正激变换器和反激变换器的优点，具有比较好的总体性能。有一类正反激变换器利用一只变压器实现正激变压器和反激变压器的功能，使变压器的利用更加充分，例如图1至图4所示的有源钳位正反激(FFAC)变换器。这种正反激变换器工作时，钳位管具有自然的零电压开通条件，但开关管的开通则是硬开通，会造成比较大的开通损耗。

发明内容

本发明正是为了解决上述技术问题而提出了一种新型的零电压开关(ZVS)有源钳位正反激变换器电路，它在有源钳位正反激(FFAC)变换器的基础上增加副边谐振电感，实现了开关管的零电压开通。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种零电压开关有源钳位正反激变换器，包括变压器、开关管、钳位管、钳位电容、整流管、谐振电感、储能电感和输出电容。变换器原边电路是有源钳位电路，其中开关管与变压器原边绕组串联后与输入电压两端连接；钳位管与钳位电容串联后与变压器原边绕组或开关管并联。变换器副边电路是整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感，使变压器副边绕组电流流过谐振电感，并使得变压器副边绕组的电流变化成为谐振电感的励磁电流变化。

所述零电压开关有源钳位正反激变换器的变换器副边电路由变压器副边绕组与整流管构成全桥整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感，谐振电感与变压器副边绕组串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感与输出电容串联后与a点和b点相连。

所述零电压开关有源钳位正反激变换器的变换器副边电路由变压器副边绕组与整流管构成全桥整流电路，在变换器副边电路中串接两个谐振电感，两个谐振电感分别串联在全桥整流电路的两组整流管之间，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感与输出电容串联后与a点和b点相连。

所述零电压开关有源钳位正反激变换器的变换器副边电路由变压器副边绕组与整流管构成全桥整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感，谐振电感为耦合电感，其内部的两个电感分别串联在全桥整流电路的两组整流管之间，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感与输出电容串联后与a点和b点相连。

所述零电压开关有源钳位正反激变换器的变换器副边电路由变压器副边绕组与整流管构成全波整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感，谐振电感与整流管串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感与输出电容串联后与a点和b点相连。

所述零电压开关有源钳位正反激变换器的变换器副边电路由变压器副边绕组与整流管构成全波整流电路，在变换器副边电路中串接两个谐振电感，两个谐振电感分别与两个整流管串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感与输出电容串联后与a点和b点相连。

所述零电压开关有源钳位正反激变换器的变换器副边电路由变压器副边绕组与整流管构成全波整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感，谐振电感为耦合电感，其内部的两个电感分别与两个整流管串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感与输出电容串联后与a点和b点相连。

本发明的有益效果是一种零电压开关有源钳位正反激变换器的开关管能够实现零电压开通，因而减小了开关管的开通损耗，降低了变换器的EMI发射。

附图说明

图1至图4是单变压器正反激变换器的四种电路原理图。

图5为本发明一种零电压开关有源钳位正反激变换器电路原理图。

图6至图10分别是本发明一种零电压开关有源钳位正反激变换器副边电路五个实施例的电路原理图。

图11是图5的等效电路图

图12至图19是图11所示电路的不同工作模式示意图。

图20是图11所示电路工作时的主要电参数波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图4所示为现有技术单变压器正反激变换器的四种电路原理图。

如图5所示一种零电压开关有源钳位正反激变换器，包括变压器、开关管、钳位管、钳位电容、整流管、谐振电感、储能电感和输出电容。变换器原边电路是有源钳位电路，开关管S1与变压器原边绕组Np串联后与输入电压两端连接；钳位管S2与钳位电容C1串联后与变压器原边绕组Np并联；变换器副边电路由变压器副边绕组Ns与整流管D1、D2、D3和D4构成全桥整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感Lr，谐振电感Lr与变压器副边绕组Ns串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感L1与输出电容C2串联后与a点和b点相连。

图6至图10分别是本发明副边电路的五个实施例，其原理与图5所示电路相似。下面以图5所示电路原理图为例对其工作原理进行详细说明，为了便于分析，对电路进行等效变换，变压器采用理想变压器和励磁电感并联的等效电路模型替代，副边谐振电感等效变换为原边谐振电感。图11即为图5的等效电路图，图11中的电感Lp为变压器的原边励磁电感，电感Lrp为副边谐振电感Lr的原边等效电感，电容Cr是等效电容，主要包含开关管、钳位管输出电容和变压器杂散电容。分析时假定开关管、钳位管及整流管均为理想器件，正向导通压降和反向导通压降均忽略不计，C1和C2电容容量足够大，在一个开关周期内的电压变化忽略不计，电感L1的电感量足够大，在一个开关周期内的电流变化忽略不计。

工作原理分析：

一个完整的工作周期可以分成八种工作模式。参见图12至图19，电路主要参数的波形见图20。

①工作模式1(对应t0时刻之前，其等效电路见图12)

t0时刻之前，开关管S1导通，钳位管S2关断，变压器原边承受输入电压，副边整流管D1、D4导通，D2、D3关断。原边输入电流包括两部分，一部分是副边绕组电流折算到原边的电流ip，另一部分是原边励磁电流im，im在输入电压的作用下斜率增大。此工作模式下，原边向副边传递能量，同时励磁电感进行储能。

②工作模式2(对应t0～t1，其等效电路见图13)

t0时刻，开关管S1关断，原边输入电流对Cr充电，S1两端电压逐渐上升。励磁电流im在此期间继续增大，但速度逐渐降低。由于励磁电感量较大，im在此期间变化不大，副边绕组电流折算到原边的电流ip不变，开关管两端电压近似线性上升。

③工作模式3(对应t1～t2，其等效电路见图14)

t1时刻，开关管S1两端电压上升至输入电压，励磁电流im达到最大值。随后变压器原边电压反向，励磁电流im开始下降，谐振电感Lrp承受电压上负下正，ip逐渐减小，副边整流电路开始换流，D1、D2、D3、D4同时导通，D1、D4电流逐渐减小，D2、D3电流逐渐增大，整流电路输出电压Vab被钳位为零。Cr继续充电，但充电电流逐渐减小。此工作模式下，Lp与Lrp并联，与Cr产生谐振，开关管两端电压谐振上升。因为谐振槽路的初始电流较大(相比较工作模式7)，开关管两端电压上升较快。

④工作模式4(对应t2～t3，其等效电路见图15)

t2时刻，开关管S1两端电压上升至输入电压与钳位电容电压之和，钳位管本体二极管自然开通，Cr充电结束，励磁电流im和副边绕组折算电流ip流向钳位电容C1。变压器原边电压被钳位在钳位电容电压，励磁电流im在钳位电压作用下斜率下降，谐振电感Lrp承受钳位电压，ip斜率减小，直到减小为零然后反向逐渐增大，副边整流电路继续换流过程。

⑤工作模式5(对应t3～t5，其等效电路见图16)

t3时刻，ip达到反向最大值，副边整流电路换流过程结束，D1、D4关断，D2、D3导通。随后ip保持不变，变压器原边仍承受钳位电容电压，励磁电流im在钳位电压作用下继续斜率下降。钳位电容的充电电流ic逐渐减小为零然后反向逐渐增大。此工作模式下原边励磁电感的储能向副边传递，钳位电容C1对励磁电感的能量起了缓冲作用，使得传向副边的能量呈现为恒定功率的方式。

⑥工作模式6(对应t5～t6，其等效电路见图17)

t5时刻，钳位管S2关断，钳位电容停止放电，Cr开始放电，开关管S1两端电压逐渐降低。励磁电流im在此期间继续下降，但速度逐渐降低。由于励磁电感量较大，im在此期间变化不大，输出电流折算到原边的电流ip不变，开关管两端电压近似线性下降。

⑦工作模式7(对应t6～t7，其等效电路见图18)

t6时刻，开关管S1两端电压下降至输入电压，励磁电流im达到最小值(代数值)。随后变压器原边电压反向，励磁电流im开始上升，谐振电感Lrp承受电压上正下负，ip逐渐减小，副边整流电路开始换流，D1、D2、D3、D4同时导通，D2、D3电流逐渐减小，D1、D4电流逐渐增大，整流电路输出电压Vab被钳位为零。Cr继续放电，但放电电流逐渐减小。此工作模式下，Lp与Lrp并联，与Cr产生谐振，开关管两端电压谐振下降。因为谐振槽路的初始电流较小(相比较工作模式3)，开关管两端电压下降较慢。

⑧工作模式8(对应t7～t9，其等效电路见图19)

t7时刻，开关管S1两端电压下降至零，开关管本体二极管自然开通，t7时刻之后开关开通(零电压开通)。Cr放电结束。变压器原边电压为输入电压，励磁电流im在输入电压作用下斜率上升，谐振电感Lrp承受输入电压，ip斜率减小，逐渐减小为零然后反向逐渐增大，副边整流电路继续换流过程。直至t9时刻，ip达到最大值，副边整流电路换流过程结束，线路重新进入工作模式1。

开关管实现零电压开关(ZVS)的条件：

由工作原理的分析可知，创造开关管ZVS条件的谐振槽路包括原边等效电容C_r、原边励磁电感L_p和副边谐振电感的原边等效电感L_rp，其中L_p与L_rp为并联关系。

设定L_p与L_rp并联等效电感为L_eq，流过L_eq的等效电流为i_eq，参考方向同图示的i_p参考方向一致，可知

$L_{\mathrm{eq}}=\frac{L_p\·L_{\mathrm{rp}}}{L_p+L_{\mathrm{rp}}}$

i_eq＝i_m+i_p

在实际电路中，励磁电感量一般比谐振电感量大很多，两个电感的并联等效电感约等于谐振电感，这里忽略励磁电感对等效电感量的影响，即假定

L_eq＝L_rp    (1)

设i_m的平均值为I_m，一个周期内总的变化幅度为ΔI_m，设i_p的正向最大幅值为I_p，则其负向最大幅值为-I_p

忽略开关过程(t0～t3，t5～t9)对励磁电流大小的影响，可知I_m＝I_p，i_m在t6时刻取得其最低值(代数值)

$i_{m\left(t6\right)}=I_m-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{I}_m=I_p-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{I}_m$

则t6时刻，i_eq为

$i_{\mathrm{eq}\left(t6\right)}=i_{m\left(t6\right)}+i_{p\left(t6\right)}=(I_p-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{I}_m)+(-I_p)=-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{I}_m...\left(2\right)$

设变换器开关频率为f_s，开关管的导通占空比为D，可得ΔI_m为：

$\mathrm{\Δ}{I}_m=\frac{V_{\mathrm{in}}D}{f_s{L}_p}...\left(3\right)$

将(3)代入(2)，得

$i_{\mathrm{eq}\left(t6\right)}=-\frac{1}{2}\·\frac{V_{\mathrm{in}}D}{f_s{L}_p}...\left(4\right)$

开关管要实现ZVS，必须使得t6时刻L_eq的储能大于C_r的储能，即

$\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{eq}}{i_{\mathrm{eq}\left(t6\right)}}^2\≥\frac{1}{2}{C}_r{V_{\mathrm{in}}}^2...\left(5\right)$

将(1)、(4)代入(5)可得：

$\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{rp}}{(-\frac{1}{2}\·\frac{V_{\mathrm{in}}D}{f_s{L}_p})}^2\≥\frac{1}{2}{C}_r{V_{\mathrm{in}}}^2$

化简后得：

$L_{\mathrm{rp}}\≥4C_r\frac{{f_s}^2}{D^2}\·{L_p}^2...\left(6\right)$

由(6)式可见，开关管实现ZVS的条件不仅与谐振电感、谐振电容相关，而且与开关频率、占空比、原边励磁电感均相关。但值得注意的是ZVS条件与i_p无关，即与负载电流无关，因此变换器比较容易实现轻载时的ZVS。

关于t4、t8时刻的说明：

t4时刻是钳位电容电流ic的过零时刻，该时刻可能会因为电路参数不同而早于t3时刻发生，即副边换流过程尚未结束而钳位电容的电流就已经过零并反向。然而这对换流过程并不会产生特别的影响。t2至t4时间段是钳位管具备ZVS条件的时间段，钳位管在这段时间内开通均为零电压开通。

t8时刻是输入电流的过零时刻，t7时刻至t8时刻是开关管具备ZVS条件的时间段，开关管在这段时间内开通均为零电压开通。当线路参数不满足开关管的ZVS条件时，t7时刻的电路状态将不会出现，即当t8时刻输入电流过零时，开关管两端电压尚未下降为零并在t8时刻之后转为谐振上升而不能实现开关管的ZVS条件。这种情况下t8时刻成为开关管的最佳开通时刻，t8时刻开通开关管可使开通损耗降到最小。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种零电压开关有源钳位正反激变换器，包括变压器、开关管、钳位管、钳位电容、整流管、谐振电感、储能电感和输出电容；其特征在于：变换器原边电路是有源钳位电路，开关管(S1)与变压器原边绕组(Np)串联后与输入电压两端连接；钳位管(S2)与钳位电容(C1)串联后与变压器原边绕组(Np)或开关管(S1)并联；变换器副边电路是全桥整流或全波整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感，使变压器副边绕组电流流过谐振电感，并使得变压器副边绕组的电流变化成为谐振电感的励磁电流变化。

2、根据权利要求1所述的零电压开关有源钳位正反激变换器，其特征在于：变换器副边电路由变压器副边绕组(Ns)与整流管(D1、D2、D3和D4)构成全桥整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感(Lr)，谐振电感(Lr)与变压器副边绕组(Ns)串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感(L1)与输出电容(C2)串联后与a点和b点相连。

3、根据权利要求1所述的零电压开关有源钳位正反激变换器，其特征在于：变换器副边电路由变压器副边绕组(Ns)与整流管(D1、D2、D3、D4)构成全桥整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感(Lr1、Lr2)，谐振电感(Lr1、Lr2)分别串联在全桥整流电路的整流管(D1)和(D3)、整流管(D2)和(D4)之间，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感(L1)与输出电容(C2)串联后与a点和b点相连。

4、根据权利要求1所述的零电压开关有源钳位正反激变换器，其特征在于：变换器副边电路由变压器副边绕组(Ns)与整流管(D1、D2、D3、D4)构成全桥整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感(Lr1、Lr2)，谐振电感(Lr1、Lr2)为耦合电感，其内部的两个电感(Lr1、Lr2)分别串联在全桥整流电路的整流管(D1)和(D3)、整流管(D2)和(D4)之间，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感(L1)与输出电容(C2)串联后与a点和b点相连。

5、根据权利要求1所述的零电压开关有源钳位正反激变换器，其特征在于：变换器副边电路由变压器副边绕组(Ns1、Ns2)与整流管(D1、D2)构成全波整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感(Lr)，谐振电感(Lr)与整流管(D1或D2)串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感(L1)与输出电容(C2)串联后与a点和b点相连。

6、根据权利要求1所述的零电压开关有源钳位正反激变换器，其特征在于：变换器副边电路由变压器副边绕组(Ns1、Ns2)与整流管(D1、D2)构成全波整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感(Lr1、Lr2)，谐振电感(Lr1、Lr2)分别与整流管(D1)和整流管(D2)串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感(L1)与输出电容(C2)串联后与a点和b点相连。

7、根据权利要求1所述的零电压开关有源钳位正反激变换器，其特征在于：变换器副边电路由变压器副边绕组(Ns1、Ns2)与整流管(D1、D2)构成全波整流电路，在变换器副边电路中串接谐振电感(Lr1、Lr2)，谐振电感(Lr1、Lr2)为耦合电感，其内部的两个电感(Lr1、Lr2)分别与整流管(D1)和整流管(D2)串联，整流电路的两个输出端分别为a点和b点，储能电感(L1)与输出电容(C2)串联后与a点和b点相连。

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