CN101488706B - 双频桥式拓扑电路 - Google Patents

Abstract

一种双频桥式拓扑电路，由Z源电感LZ1和LZ2、电容C1和C2、及二极管DIN和Do组成Z源主体；高电位双臂VS11、VS12工作于400Hz低频推挽，低电位高频推挽双臂VS1、VS2工作于20000Hz至开关VS1、VS2的截止频率，输出在两半桥中点对角线P点与O点之间，负载HID灯受串Lr限流。采用本发明可节省传统第一BOOST(APFC)和第二级BUCK(降压)，成本下降，性价比竞争能力上升。适用于电源电压较宽范围和负载变化较大的范围，较好应用于大批量生产各种电力电子开关产品。

Description

双频桥式拓扑电路

技术领域

本发明涉及开关电源的控制方法，特别涉及一种双频桥式拓扑电路。

背景技术

全桥电路是开关电源中广泛应用的拓扑之一，传统全桥电路是对角线同步同相驱动，相邻两臂异相驱动，千方百计避免两半桥发生直通；然而，由于“米勒效应”以及各元器件的非对称性，所以直通危险是客观存在的。直通必然损坏全桥，并涉及全桥的前级也可能烧坏。

一般高频全桥谐振式软开关拓扑，当元器件对称性差，或电源变动，或负载变动，超过谐振软开关边界条件之外时，转为硬开关，损耗大，发热恶性循环损坏的。

发明内容

本发明目的在于提供一种双频桥式拓扑电路，它将电压源借助于“Z源”，转化为可控升压或降压无缝控制的电流源，即DC(V)-DC(I)的Z源技术，直接供电给双频桥式拓扑，可省去传统的BOOST升压APFC级和BUCK降压中间级，提升可靠性和性价比。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：提供一种双频桥式拓扑电路，所述拓扑电路由Z源电感LZ1和LZ2、电容C1和C2、及二级管DIN和Do组成Z源主体；高电位双臂VS11、VS12工作于400Hz低频推挽，低电位高频推挽双臂VS1、VS2工作于20000Hz至开关VS1、VS2的截止频率，输出在两半桥中点对角线P点与O点之间，负载HID灯受串Lr限流。

所述低电位双臂VS1、VS2分别并联的支路中有电容CZV串二级管DZV；在VS1断开时，与VS1并联的DZV1串的电容CZV1吸收瞬间充电能量，保证VS1零电压断开ZVS；同理，在VS2断开时，与VS2并联的DZV2串的电容CZV2吸收瞬间充电能量，保证VS2零电压断开ZVS；当VS1开关导通时，经反馈二极管DF1回收能量馈给电感LZ2；当VS2开关导通时，经反馈二极管DF2回收能量馈给电感LZ2；主动实现主开关VS1、VS2工作在ZVZCS软开关状态。

本发明利用全桥高电位推挽双臂，工作于低频，为可控激磁提供前题，而全桥低电位推挽双臂工作于高频，实现高频半波脉冲，反复用来作为即控制“短路”为Z源激磁，又把电压源经Z源转化为电流源，给全桥供电。

当占空比D＝0.33时，Z源不升压也不降压

当占空比D＞0.33时，z源工作于升压

当占空比D＜0.33时，Z源工作于降压

Z源的输出电压由占空比控制：见下式所示

( $\mathrm{Uz}\left(\mathrm{oUt}\right)=\frac{D}{1-2D}\mathrm{UIN}$ )

由于高频推挽双臂可精确实施占空比控制，高频推挽双臂之一臂导通时，高频半波用于Z源充磁，高频推挽双臂另一臂导通时，高频另半波向负载输出，于是，为引入单周期控制策略，并为逐脉冲峰值控制，为谷底开关控制打下良好的基础。

本发明的双频全桥区别于传统的全桥开关电路，一方面要为本级之前的Z源电感提供所需的适当“占空比可控直通”，又要为本级输出负载匹配功率，且在电源波动和负载波动时，始终承前(Z源)启后(负载)工作于ZCZVS软开关工作状态。

双频全桥中高电位的推挽低频(低于0.4KHz)开关难度不大，难点在低位的推挽高频(高于20KHz)开关须精心设计，才能实现本发明效果。

考虑到一般高频全桥谐振式软开关拓扑，当元器件对称性差，或电源变动，或负载变动，超过谐振软开关边界条件之外时，转为硬开关，损耗大，发热恶性循环损坏的。为此，在本发明中将高频推挽双臂均设计为CUK主动软开关ZVZCS，确保了各种控制策略的引入实施时，不像传统谐振软开关那样受到局限。

本发明的突出优点在于：

1、采用双频全桥电路，借助于Z源，节省传统第一BOOST(APFC)和第二级BUCK(降压)，所以成本下降，性价比竞争能力上升。

2、由于引入双CUK主动软开关(ZVZCS)，适用于电源电压较宽范围和负载变化较大的范围，较好应用于大批量生产各种电力电子开关产品。

附图说明

图1是基于Z源的双频桥式拓扑示意图

具体实施方式

以下通附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

图1可分四部分来分析

1、Z源部分由电压源UIN和隔离二级管DIN、Z源电感LZ1和LZ2、电容C1和C2、及二级管Do组成Z源主体。

2、全桥主开关VS11、VS12工作于400Hz低频推挽，主开关VS1、VS2工作于20000Hz高频推挽，输出在两半桥中点对角线P点与O点之间，负载HID灯受串Lr限流。

3、主动软开关的实施，得益于高频主开关并联的CUK电容CZV，CZV1、CZV2分别各自串二级管DZV，DZV1、DZV2分别各将贮能电容CZV的能量，当高频主开关导通时，分别电馈能二极管DF1、DF2馈能给电感LZ2，就可以主动实施保证主开关VS1、VS2工作在ZVZCS软开关。

4、现在我们来定性定量分析电路，假设VS11、VS12工作于0.4KHz，则两个主开关工作周期400分之一秒，即25ms，每个低频主开关工作一半时间即12.5ms，又假设占空比为0.5，则每个低频主开关导通(NO)6.25ms，断开(OFF)6.25ms。又假设VS1，VS2工作于20KHZ，则两个主开关工作周期为二万分之一秒即50μs。又假设占空比0.5；则每个高频半波主开关导通(NO)12.5μs，断开(OFF)12.5μs。显然在一个低频主开关导通的6.25ms时间内，有一半时间发生多次高频半波主开关12.5μs直通，给Z源充磁，在另一半时间多次12.5μs半波高频主开关才给负载输出Z源放电的能量。于是，可以用“以销定产”的概念来类比，正是高频主开关每周期内一半时间内给Z源电感充磁，实现Z源把“电压源”转化为“电流源”的优势，才能在高频主开关每周期内另一半时间给全桥对角线负载输出交流高频脉冲能量。

控制高频主开关的通与断的“占空比”，可精确实施单周期控制，逐个脉冲波峰控制，或用谷底开关精确控制，使本发明实现高效率和很强的可控性(鲁棒性)。

注意到高频主开关是基于CUK软开关拓扑特征，又由辅助开关二级管DF1、DF2配合主开关每次导通时，把CZV贮存(主开关断开的ZVS时段)的电能，经主开关——辅助二级管DF1、DF2，回馈给电感LZ2，所以本拓扑是主动型有源无损补偿软开关(ZVZCS)，可靠性高于传统的“谐振式全桥”。

由于是全桥ZVZCS软开关，所以EMC电平低，并且，由于Z源还客观上起到收集PCB杂波回馈到LZ1和LZ2的良性作用，本发明产品的EMC达标的富裕度很好。

基于Z源的双频桥式拓扑，是由双频全桥低电位双臂高频推挽开关空度比D来精确控制Z源电感充磁放电，做到负载功率要多少能量，精确到高频半波，精确到一个脉冲波，所以能够广泛应用于各种放电灯，各种电力电子变压器及隔离式LED灯，还适用于电机变频。实现功率因数和电源效率，双超0.9以上没问题。

当应用于多相负载时，用多相半桥组合而成，也可以充分得到Z源优势，由可控电压的可控电流源供电的多相全桥拓扑。

Claims (2)

1.一种双频桥式拓扑电路，其特征是，所述拓扑电路由Z源电感LZ1和LZ2、电容C1和C2、及二极管DIN和Do组成Z源主体；

所述Z源主体的构成为：二极管DIN的阳极连接电压源VIN的正极，二极管DIN的阴极连接电感LZ1的一端，电感LZ1的另一端连接电容C1的一端，电容Cl的另一端连接电感LZ2的一端及二极管Do的阳极，电容C2的一端连接电感LZ1的一端及二极管Do的阴极；电感LZ2的一端连接电压源VIN的负极，电感LZ2的另一端连接电容C2的另一端，

高电位双臂开关VS11、VS12的一端连接电感LZ1的另一端，开关VS11的另一端连接P点，开关VS12的另一端连接O点，低电位高频推挽双臂开关VS1的一端连接P点，另一端连接电感LZ2的另一端；开关VS2的一端连接O点，另一端连接电感LZ2的另一端；电容CZV1的一端连接P点，另一端连接二极管DZV1的阳极，二极管DZV1的阴极连接电感LZ2的另一端；电容CZV2的一端连接O点，另一端连接二极管DZV2的阳极，二极管DZV2的阴极连接电感LZ2的另一端；反馈二极管DF1的阴极连接二极管DZV1的阳极，反馈二极管DF1的阳极连接电感LZ2的一端；反馈二极管DF2的阴极连接二极管DZV2的阳极，反馈二极管DF2的阳极连接电感LZ2的一端；

高电位双臂VS11、VS12工作于400Hz低频推挽，低电位高频推挽双臂VS1、VS2工作于20000Hz，负载HID灯与电感Lr串联电路连接在两半桥中点对角线P点与O点之间。

2.根据权利要求1所述双频桥式拓扑电路，其特征在于，在VS1断开时，电容CZV1吸收瞬间充电能量，保证VS1零电压断开ZVS；同理，在VS2断开时，电容CZV2吸收瞬间充电能量，保证VS2零电压断开ZVS；当VS1开关导通时，经反馈二极管DF1回收能量馈给电感LZ2；当VS2开关导通时，经反馈二极管DF2回收能量馈给电感LZ2；主动实现主开关VS1、VS2工作在ZVZCS软开关状态。