CN101355307A - 一种零电压零电流全桥dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零电压零电流全桥DC－DC变换器，在超前臂开关管和滞后臂开关管的两端分别反向并联二极管，再在超前臂开关管S1、S3上并联电容C1、C3，在变压器TX1原边的同名端连接超前臂开关管S1的发射端，在变压器TX1原边的非同名端连接电感Llk；在变压器副边的同名端连接二极管D6的正极，副边的非同名端连接二极管D5的正极，在二极管D5、D6的负极和变压器副边的中心点两端增设输出耦合电感电路，该输出耦合电感电路主要由钳位电容Ch、输出耦合电感Lc以及二极管Df、Dd、Dc组成；本发明可在较宽的负载范围上实现零电压零电流软开关；辅助电路没有耗能元件，电感无需预先储能，不增加原边电流应力。

Description

一种零电压零电流全桥DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种DC/DC(直流/直流)电源变换装置；特指一种利用输出耦合电感实现零电压零电流开关PWM(脉冲宽度调制)全桥变换器。

背景技术

目前，零电压零电流软开关全桥DC/DC变换器电路是一种用于主开关回路的软开关技术，常用的电路结构有两种，一是如图1所示的全桥结构，在超前臂开关管S₁、S₃和滞后臂开关管S₂、S₄的两端分别反向并联二极管D₁、D₃、D₂、D₄，再在D₁、D₃上并联电容，C₁、C₃。在变压器TX₁原边的同名端连接C_b的一端，C_b的另一端连接S₁的发射端，在变压器TX₁原边的非同名端连接饱和电感Ls。在变压器TX₁的副边的同名端连接两端D₅的正极，副边的非同名端连接D₆的正极。二是如图2所示的全桥结构，在滞后桥臂开关管S₂、S₄的集电极上串联二极管D₂、D₄。这两种全桥DC/DC变换器的电路结构的缺陷是：1、由于主开关回路中饱和电感Ls的存在，不仅导致占空比的丢失，而且饱和电感的设计和磁性材料的选择比较困难；2、滞后桥臂串联的二极管D₂、D₄增加了电路的通态损耗，因此限制了电路最大效率的提高。

发明内容

本发明的目的是克服目前零电压零电流软开关全桥DC/DC变换器的不足，提供一种工作可靠的新的零电压零电流全桥DC-DC变换器。

本发明采用的技术方案是：在超前臂开关管和滞后臂开关管的两端分别反向并联二极管，再在超前臂开关管S₁、S₃上并联电容C₁、C₃，在变压器TX₁原边的同名端连接超前臂开关管S₁的发射端，在变压器TX₁原边的非同名端连接电感Llk；在变压器副边的同名端连接二极管D₆的正极，副边的非同名端连接二极管D₅的正极，在二极管D₅、D₆的负极和变压器副边的中心点两端增设输出耦合电感电路，该输出耦合电感电路主要由钳位电容C_h、输出耦合电感Lc以及二极管D_f、D_d、D_c组成。

本发明是一种利用副边输出耦合电感实现超前桥臂的零电压和滞后桥臂的零电流软开关的全桥移相PWM的DC-DC变换器，辅助谐振电路结构简单；副边整流二极管的电压和电流应力与传统的全桥PWM变换器相同，不会产生电压和电流过冲；由于用来给维持电容充放电的电流大小是根据负载情况自动调节的，从而可以在较宽的负载范围上实现零电压零电流软开关。辅助电路没有耗能元件，电感无需预先储能，不增加原边电流应力，因此工作可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是利用饱和电感实现的零电压零电流软开关全桥DC/DC变换器。

图2是滞后桥臂串联二极管实现的零电压零电流软开关全桥DC/DC变换器。

图3是本发明的电路连接结构。

图4是本发明主电路各个模态的工作原理图。

具体实施方式

如图3所示，主电路包括四个功率管S₁、S₃、S₂、S₄、九个二极管D1～D6、D_d、D_f、D_C、三个电容C₁、C₃和Ch、变压器TX₁、滤波电感Lf和电源Vs组成的全桥PWM变换器。在超前臂开关管S₁、S₃₎和滞后臂开关管S₂、S₄的两端分别反向并联二极管D₁、D₃、D₂、D₄，再在超前臂开关管S₁、S₃上并联电容C₁、C₃；在变压器TX₁原边的同名端连接开关管S₁的发射端，在变压器TX₁原边的非同名端连接电感Llk；在变压器TX₁副边的同名端连接二极管D₆的正极，副边的非同名端连接二极管D₅的正极。在二极管D₅、D₆的负极和变压器TX₁副边的中心点两端增设增设输出耦合电感电路，该输出耦合电感电路主要由钳位电容C_h、输出耦合电感Lc以及二极管D_f、D_d、D_c组成。

在二极管D₅、D₆的负极连接二极管D_f的负极、二极管D_d的负极和滤波电感Lf的同名端；二极管D_d的正极连接钳位电容C_h的正极和电感Liks一端；电感Liks的另一端连接输出耦合电感Lc；变压器TX₁副边的中心点连接二极管D_f的正极、钳位电容C_h的负极和二极管D_c的正极；输出耦合电感Lc与滤波电感Lf耦合。

本发明的变压器TX₁副边采用中央抽头结构，全波整流方式。超前臂开关管S₁、S₃零电压开关原理是：由于增设输出耦合电感电路，使输出耦合电感Lc参与了超前桥臂的谐振，所以在原边串联电感L_lk很小的情况下，也可以给超前臂开关管S₁、S₃的并联电容C₁、C₃提供能量，来实现S₁、S₃零电压开关。而实现滞后桥臂S₂、S₄零电流开关的基本原理是在续流期间，钳位电容C_h上的电压反射到变压器TX₁原边加在变压器漏感上，使得原边电流迅速下降来实现的。在原边向副边提供能量阶段，钳位电容C_h与滤波电感L_f的耦合绕组Lc的等效漏感L_lks发生谐振，经过Dc-L_lks-C_h回路向钳位电容C_h充电。而在续流期间，钳位电容C_h上的电压逐渐下降，一方面经过滤波电感Lf向负载提供部分能量，一方面反射到变压器原边，反方向阻止原边电流，使得原边电流以较快的速度降为零，从而实现滞后桥臂开关管S₂、S₄的零电流开关。

如图4，本发明的零电压零电流软开关DC/DC变换器电路的工作过程如下面的八种模态：

模态1(t₀-t₁)：t₀时，开关管S₁、S₄都导通，输入电源电压V_in加在变压器原边电感L_lk上，变压器原边电流I_p线性增加，直到等于输出电流折算到原边值，所以S₂的开通是零电流开通。

$I_p\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_{\mathrm{lk}}}t---\left(1\right)$

在I_p达到输出电流折算到原边值前，由于二极管D_f导通，变压器副边电压为零，原边不向副边传送能量，这段时间为占空比丢失。

模态2(t1-t2)：二极管Df关断，输入功率传递到变压器副边。箝位电容Ch通过辅助电路与绕组漏感Llks谐振来充电，其电压、电流满足关系式

$V_{\mathrm{ch}}\left(t\right)=\frac{V_H}{2}[1-\cos \left({\mathrm{\ω}}_{s}t\right)]---\left(2\right)$

$I_{\mathrm{ch}}\left(t\right)=-\frac{V_H}{2}\sqrt{\frac{C_h}{L_{\mathrm{lks}}}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{s}t\right)---\left(3\right)$

其中 $V_H=\frac{2}{m}(\frac{V_{\mathrm{in}}}{n}-V_0)---\left(4\right)$

${\mathrm{\ω}}_s=1/\sqrt{L_{\mathrm{lks}}{C}_h},$ n＝N₁/N₂    m＝N₃/N₄

在t₂时，箝位电容C_h充电结束，其电压为V_H，设计中应注意使V_H(max)小于V_in/n，以防二极管D_d此时导通。

模态3(t₂-t₃)：箝位电容C_h充满电荷并保持电压V_H，充电电流I_ch等于零，D_c零电流软关断，原边继续向副边传送能量。

模态4(t₃-t₄)：在t₃时，开关管S₁关断，原边的串联电感与开关管并联电容C₁、C₃谐振，原边电流i_p给C₁充电，C₃放电，变压器原边电压：

$V_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=V_{\mathrm{in}}-\frac{I_o}{n{C}_{\mathrm{eq}}}t---\left(5\right)$

其中I_o是输出电流，C_eq＝C₁+C₃

同时变压器副边电压V_rec以同样的速率下降，直到电压等于V_H被箝位。

模态5(t₄-t₅)：当变压器副边电压下降到V_rec＝V_H时，D_d导通，变压器原边电压V_AB以同样的速率下降，直到零，但V_rec由于箝位电容的箝位，下降缓慢，相对原边电压来说，可被看作恒压源。变压器副边折算到原边的电压与原边电压的差加在漏感上，原边的电压、电流为：

$I_p\left(t\right)=\frac{I_o}{n}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{b}t\right)---\left(6\right)$

$V_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=n{V}_H-\frac{I_o}{n{C}_{\mathrm{eq}}{\mathrm{\ω}}_b}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{b}t\right)---\left(7\right)$

其中 ${\mathrm{\ω}}_b=1/\sqrt{L_{\mathrm{lk}}{C}_{\mathrm{eq}}}$

当C₁充满到输-入电压V_in，C₃完全放电，其反并联二极管D₃导通，原边电压V_AB也降到零。

模态6(t₅-t₆)：电容C₃完全放电，开关管S₃反并联二极管D₃开通，随后S₃零电压开通，变压器副边折算到原边的电压完全加在漏感上，原边电流I_P快速下降到零：

$I_p\left(t\right)=\frac{I_o}{n}\cos \left({\mathrm{\ω}}_b{t}_{m5}\right)-\frac{V_H}{Z_c}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)---\left(8\right)$

其中 ${\mathrm{\ω}}_c=n/\sqrt{L_{\mathrm{lk}}{C}_h},$ t_m5＝t₅-t₄， $Z_c=\sqrt{L_{\mathrm{lk}}/C_h}$

同时变压器副边电压也下降，其值为：V_rec(t)＝V_Hcos(ω_ct)(9)

模态7(t₆-t₇)：原边电流完全复位，整流二极管D₅、D₆关断，C_h通过D_d放电给整个负载供电，副边电压随着电容C_h的电压下降，直到零：

$V_{\mathrm{rec}}\left(t\right)=V_H\cos \left({\mathrm{\ω}}_c{t}_{m6}\right)-\frac{I_o}{C_h}t---\left(10\right)$

其中t_m6＝t₆-t₅

模态8(t₇-t₉)：箝位电容C_h完全放电，二极管D_f导通，输出滤波电感通过D_f续流，给负载供电，原边电流为零，在t₈时，S₄零电流关断。

Claims (2)

1.一种零电压零电流全桥DC-DC变换器，在超前臂开关管(S₁、S₃)和滞后臂开关管(S₂、S₄)的两端分别反向并联二极管(D₁、D₃、D₂、D₄)，再在超前臂开关管(S₁、S₃)上并联电容(C₁、C₃)；在变压器(TX₁)原边的同名端连接超前臂开关管S₁的发射端，在变压器(TX₁)原边的非同名端连接电感(L_1K)；在变压器(TX₁)副边的同名端连接二极管(D₆)的正极，副边的非同名端连接二极管(D₅)的正极，其特征是：在二极管(D₅、D₆)的负极和变压器(TX₁)副边的中心点两端增设输出耦合电感电路，该输出耦合电感电路主要由钳位电容(C_h)、输出耦合电感(Lc)以及二极管(D_f、D_d、D_c)组成。

2.根据权利要求1所述的一种零电压零电流全桥DC-DC变换器，其特征是：在二极管(D₅、D₆)的负极连接二极管(D_f)的负极、二极管(D_d)的负极和滤波电感(Lf)的同名端；二极管(D_d)的正极连接钳位电容(C_h)的正极和电感(Liks)一端；电感(Liks)的另一端连接输出耦合电感(Lc)；变压器(TX₁)副边的中心点连接二极管(D_f)的正极、钳位电容(C_h)的负极和二极管(D_c)的正极；输出耦合电感(Lc)与滤波电感(Lf)耦合。

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