CN101521460B - 一种多路输出直流-直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路输出直流-直流变换器，它包括公共逆变桥臂和多个独立逆变桥臂；各独立逆变桥臂均包括两个带有反并联二极管的第一、第二功率开关管；公共逆变桥臂包括均由功率二极管和第三功率开关管串联而成的上、下单元；每个独立逆变桥臂中点与公共逆变桥臂中点分别接有输出电路。本发明装置工作于恒定频率，各路输出电压均利用该路的独立逆变桥臂与公共逆变桥臂之间的相移来进行调节，各路输出之间完全独立，互不影响。各独立逆变桥臂作为移相控制中的超前桥臂，桥臂中的各功率开关管均可实现零电压开通；公共逆变桥臂作为移相控制中的滞后桥臂，通过二个功率二极管及各路输出电路中复位电容的作用，公共逆变桥臂中的功率开关管均可实现零电流开关。

Description

一种多路输出直流-直流变换器

技术领域

本发明涉及直流-直流变换器，尤其是大功率全桥软开关隔离型多路输出直流-直流变换器。

背景技术

多路输出的直流-直流变换器有着极为广泛的应用，对多路输出的直流-直流变换器的基本要求有高效率，低成本，小体积，控制方法简单，输入输出隔离以及各路输出电压均可调节等。目前，已有多种技术可以同时满足上述的一种或多种需求，然而，这些技术中大都利用了一个或两个功率开关管来形成正激或反激电路，不能应用于大功率输出场合。例如，名为“一种多路输出直流/直流变换器及变换方法”，公告号1389971，公告日2003年1月8日的中国专利，通过两个结构对称的单端隔离变换器对输入电压进行变换，将两个隔离变换器输出端相并联，形成共用的第一级低压直流母线，再将多个直流-直流变换单元的输入端与低压直流母线连接，得到多路电压可调节的直流输出。该电路结构简单，成本低，但由于仅使用单个功率开关管进行功率变换，难以应用于大功率场合。

在需要大功率多路输出的场合，通常使用全桥变换器进行功率变换。但是，若每一路输出使用一个全桥变换器进行功率变换，则N路可调节输出需要4N个功率开关管，导致系统结构复杂，成本过高，体积过大。为解决上述问题，一种常用的大功率多路输出全桥直流-直流变换器如图1所示，它包括了由变压器原边侧绕组n_p和反并联有二极管的功率开关管Q₁-Q₄组成的输入电路，由变压器副边侧绕组n_s1、二极管组成的整流桥D_s1、滤波电感L_o1，滤波电容C_o1组成的主输出，以及由变压器副边绕组n_si、整流桥D_si、辅助功率开关管Q_oi、滤波电感L_oi，滤波电容C_oi和续流二极管D_i组成的辅助输出，其中N为大于等于2的整数。通过对功率开关管Q₁-Q₄进行移相控制，可以调节第一路输出电压，同时可以在一定范围内实现功率开关管的零电压开通；通过对辅助功率开关管Q_oi进行PWM控制，可以调节第2至第N路输出电压。这种全桥隔离型直流-直流变换器仅使用了N+3个功率开关管，就可以得到N路输出电压，结构简单。但是，该电路存在许多缺点：需要额外的电路来控制辅助功率开关管；仅当第一路输出满载时，其它的各路输出才能完全可调；并且所有副边绕组均处于同一变压器内，不便于输出路数的扩充。

名为“一种隔离型多路输出直流-直流变换器”，公开号1790887，公开日2006年6月21日的中国专利申请，提出了一种结构简单且适用于中大功率场合的多路输出直流-直流变换器。该发明在全桥变换器的第一逆变桥臂中点与电源负端之间接有第一路输出电路，在第二逆变桥臂中点与电源负端之间接有第二路输出电路，在第一逆变桥臂与第二逆变桥臂的中点之间接有第三路输出电路。其中第一路输出电压依靠第一逆变桥臂的占空比调节，第二路输出电压依靠第二逆变桥臂的占空比调节，第三路输出依靠第一逆变桥臂与第二逆变桥臂之间的相移来调节。通过增加一个新的桥臂，可以在桥臂中点与电源负端及相邻桥臂中点之间增加两个新的输出，该技术理论上可以用N个功率开关管实现N-1路输出。该技术的缺点是：第一输出与第二输出实际上是由半桥变换器进行功率变换的，输出能力不及全桥变换器；各路输出均处于不对称工作状态，变压器利用不充分；各输出之间互相影响，耦合严重；控制策略涉及占空比与移相之间的配合，实现困难；并且控制策略随输出路数的增加而变得更为复杂，不利于输出路数的扩充。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多路输出直流-直流变换器，该变换器可以提供多路精确可调的输出，且各路输出均具有与全桥变换器相当的功率容量，能够提高效率与功率密度；并具有简单的主电路结构以及控制方法，便于进行输出路数的扩充。

本发明提供的多路输出直流-直流变换器，其特征在于：它包括公共逆变桥臂、N个独立逆变桥臂以及N路输出电路，N为大于等于2的整数；

N个独立逆变桥臂具有同样的结构，均包括两个带有反并联二极管的第一、第二功率开关管；每个独立逆变桥臂的第一功率开关管的漏极与电源正端相连，源极与第二功率开关管的漏极相连；第二功率开关管的源极与电源负端相连；第一功率开关管源极与第二功率开关管漏极之间的连结点作为该独立逆变桥臂的中点；

公共逆变桥臂包括上、下单元，上、下单元均由功率二极管和第三功率开关管串联而成，且功率二极管的阳极和第三功率开关管漏极为承受高电位端；所述上单元的一端接电源正端，另一端接公共逆变桥臂的中点，所述下单元的一端接公共逆变桥臂的中点，另一端接电源负端；

每个独立逆变桥臂的中点与公共逆变桥臂中点分别接有输出电路，各输出电路均包括复位电容、隔离整流电路和滤波电路；隔离整流电路的第一输入端与独立逆变桥臂和公共逆变桥臂的其中一个中点相连，第二输入端通过复位电容与独立逆变桥臂和公共逆变桥臂的另一个中点相连；滤波电路由滤波电感和滤波电容串接而成，并接在隔离整流电路的正、负输出端之间。

本发明的共用零电流开关滞后桥臂的多路输出直流-直流变换器工作于恒定频率，各路输出电压均利用该路的独立逆变桥臂与公共逆变桥臂之间的相移来进行调节，各路输出之间完全独立，互不影响。各独立逆变桥臂作为移相控制中的超前桥臂，桥臂中的各功率开关管均可实现零电压开通；公共逆变桥臂作为移相控制中的滞后桥臂，通过第一和第二功率二极管及各路输出电路中复位电容的作用，公共逆变桥臂中的功率开关管均可实现零电流开关。

通过本发明提出的电路结构，可达到如下效果：仅用2N+2个功率开关管实现了N路大功率可调节输出，且各路输出的工作与控制方式与全桥变换器完全相同；各独立桥臂上的功率开关管均可实现零电压开通，公共桥臂的功率开关管均可实现零电流开关，从而减小了开关损耗，提高了效率与工作频率，有利于提高功率密度；在各路输出中，变压器均工作于对称状态，变压器利用充分；通过新增一路独立逆变桥臂、输出电路及控制电路，就可得到一路新的输出，易于实现输出路数的扩充；新增的输出不影响零电压开通与零电流开通的实现条件。

附图说明

图1是现有的一种全桥隔离型多路输出直流-直流变换器；

图2是本发明的电路原理框图；

图3是本发明中公共逆变桥臂的具体实现形式；

图4是图2原理框图中隔离整流电路的具体实现形式；

图5是本发明的各功率开关管栅极驱动脉冲的时序及各独立桥臂中点与公共桥臂中点间的电压波形图；

图6是令本发明中N＝3时得到的三路输出直流-直流变换器；

图7是令本发明中N＝3时得到的三路输出直流-直流变换器工作时的驱动脉冲时序以及主要电压和电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图2的原理框图所示，本发明提供的变换器包括N个独立逆变桥臂1.i，其中N为大于等于2的整数，i取值为1至N，一个公共逆变桥臂2，以及分别连接在各独立逆变桥臂中点M_i与公共逆变桥臂中点M_C之间的N路输出电路。

N个独立逆变桥臂具有同样的结构，如图2中所示，独立逆变桥臂1.i均分别由两个带有反并联二极管的功率开关管S_i1，S_i2组成，i取值为1至N。每个独立逆变桥臂的第一功率开关管S_i1的漏极与电源正端相连；源极与第二功率开关管S_i2的漏极相连；第二功率开关管的源极与电源负端相连；第一功率开关管S_i1源极与第二功率开关管S_i2漏极之间的连结点作为该独立逆变桥臂的中点M_i。各功率开关管S_i1，S_i2的栅极外接驱动电路。并联于各功率开关管漏源极之间的电容可以是功率开关管自身的输出电容，也可以是额外并联于漏源极之间的电容。

公共逆变桥臂包括上、下单元。上、下单元均由功率二极管和第三功率开关管串联而成，且功率二极管的阳极和第三功率开关管漏极为承受高电位端。如图2所示，公共逆变桥臂的上、下单元均分别由两个功率二极管D_C1，D_C2和两个带有或不带有反并联二极管的第三功率开关管S_C1，S_C2组成。根据功率开关管与功率二极管位置的不同，公共逆变桥臂有多种具体实现形式。在图2中的实现形式中，选用带有反并联二极管的功率开关管S_C1，S_C2；其中功率二极管D_C1的阳极与电源正端相连，阴极与功率开关管S_C1的漏极相连；功率开关管S_C1的源极与功率开关管S_C2的漏极相连；功率开关管S_C2的源极与功率二极管D_C2的阳极相连；功率二极管D_C2的阴极与电源负端相连。此时功率开关管S_C1源极与功率开关管S_C2漏极的连结点作为公共逆变桥臂的中点M_C。

公共逆变桥臂另外的具体实现形式如图3.1至3.3所示。它们与电源正端的连接点A、与电源负端的连接点B以及桥臂中点M_C的定义均在图中标注。另外，图3中带有反并联二极管的功率开关管也可以采用不带反并联二极管的功率开关管代替。

每个独立逆变桥臂中点M_i与公共逆变桥臂中点M_C之间的第i路输出电路均由复位电容C_di、隔离整流电路3.i和滤波电路组成，滤波电路包括滤波电感L_oi和滤波电容C_oi，i取值为1至N。其中复位电容C_di一端与独立逆变桥臂的中点M_i相连，复位电容C_di另一端与隔离整流电路一端输入相连，隔离整流电路的另一输入端与公共桥臂中点M_C相连；隔离整流电路的正输出端与滤波电感L_oi一端相连；滤波电感L_oi的另一端与滤波电容C_oi正端相连；滤波电容C_oi的负端与隔离整流电路的负输出端相连。使用时，滤波电容C_oi与外接的负载R_oi并联。另外，复位电容C_di也可以接在隔离整流电路与公共逆变桥臂中点M_C之间。滤波电感L_oi和滤波电容C_oi的位置可以互换。

上述输出电路中的隔离整流电路由变压器与二极管整流桥组成，根据的整流桥形式的不同，可有如图4所示的两种具体实现形式：

在图4.1的具体实现形式中，变压器T_i原边绕组n_pi的一端与原边电感L_lki的一端相连，原边电感L_lki的另一端及变压器原边绕组n_pi的另一端作为隔离整流电路的两个输入端；变压器T_i副边绕组n_si的一端与第一整流二极管D_i1的阳极及第二整流二极管D_i2的阴极共接，变压器T_i副边绕组n_si的另一端与第三整流二极管D_i3的阳极与第四整流二极管D_i4的阴极共接；第一整流二极管D_i1的阴极与第三整流二极管D_i3的阴极相连，并作为该路隔离整流电路的正输出端，第二整流二极管D_i2的阳极与第四整流二极管D_i3的阳极相连，并作为该路隔离整流电路的负输出端。

在图4.2的具体实现形式中，变压器T_i原边绕组n_pi的一端与原边电感L_lki的一端相连，原边电感L_1ki的另一端及变压器原边绕组n_pi的另一端作为隔离整流电路的两个输入端；变压器T_i副边绕组n_si的两端分别与第一整流二极管D_i1的阳极及第二整流二极管D_i2的阳极共接，第一整流二极管D_i1的阴极与第二整流二极管D_i2的阴极相连，并作为该路隔离整流电路的正输出端，变压器T_i副边绕组n_si的中心抽头引线作为该路隔离整流电路的负输出端。

在图4中，L_lki可以是对应的变压器T_i内部的漏感，也可以是额外串联于变压器原边侧的电感；构成整流桥的各整流二极管，或其中之一，也可为同步整流管。

本发明的共用零电流开关滞后桥臂的多路输出直流-直流变换器工作于恒定频率，其控制策略如图5所示。连接各独立逆变桥臂开关管S_i1，S_i2栅极的驱动脉冲PWM_i1，PWM_i2以及连接共用逆变桥臂功率开关管S_C1，S_C2栅极的驱动脉冲PWM_C1，PWM_C2，均为180°互补且带有死区时间d的脉冲，以防止上下管直通，并为功率开关管的零电压开通提供条件。以共用逆变桥臂的驱动脉冲PWM_C1，PWM_C2为基准，通过调节每一路独立逆变桥臂与公共逆变桥臂之间的相移D_i，可以改变该路变压器T_i原边电压V_Mi-_MC的脉宽，从而可以精确调整该路输出电压。

为了充分描述本发明的各种工作状态，现以一个三路输出N＝3的电路来进行说明。一个三路输出直流-直流变换器如图6所示，其对应的脉冲时序与主要电压、电流波形如图7所示，以此来说明电路的工作状态。为了更好地描述本发明的工作过程，假设图5所示的三路输出分别处于三种典型的带载状态：第一路输出工作于轻载状态，其输出滤波电感L_o1上电流处于断续状态；第二路输出工作于半载状态，其输出滤波电感L_o2上电流处于临界断续状态；第三路输出工作于满载状态，其输出滤波电感L_o3上电流处于连续状态。在闭环控制器的作用下，稳态时三路输出的移相角将满足D₃＞D₂＞D₁。在一个工作周期内，一组时间上相邻的逆变桥臂的开关过程与另一组时间上相邻的逆变桥臂的开关过程基本类似，因此在此只分析半个工作周期，另外半个工作周期可作类似分析。在半个工作周期内，变换器的主要工作过程如下：

阶段1(t₀-t₁)：

在此阶段，各独立逆变桥臂的上侧功率开关管S₁₁、S₂₁、S₃₁均导通，同时公共逆变桥臂的下侧功率开关管S_C2导通。因此各路输出电路的整流二极管D₁₁、D₂₁、D₃₁导通。在D₁₁、D₂₁、D₃₁换流结束后，各路输出的原边侧电流i_p1、i_p2、i_p3以及各路输出的滤波电感电流i_Lo1、i_Lo2、i_Lo3均线性上升，三路输出的功率均由变压器原边侧向负载侧传送。同时，复位电容C_d1、C_d2、C_d3被充电，电容电压V_Cd1、V_Cd2、V_Cd3正向增加。

阶段2(t₁-t₂)：

在t₁时刻，功率开关管S₁₁关断。第一路输出的原边侧电流i_p1开始对功率开关管S₁₁的输出电容充电，并对功率开关管S₁₂输出电容放电。在t₂时刻前，功率开关管S₁₂的输出电容已被放电至零，原边电流i_p1开始流过功率开关管S₁₂的反并联二极管，为功率开关管S₁₂的零电压开通创造了条件。

阶段3(t₂-t₃)：

在t₂时刻，功率开关管S₁₂开通。由于功率开关管S₁₂开通前，其两侧电压已为零，因此功率开关管S₁₂是零电压开通。此后当原边向副边提供的功率不足时，副边侧的两个整流二极管D₁₁、D₁₂均导通，滤波电感L_o1上的电流i_Lo1经整流二极管D₁₁、D₁₂续流并线性减小。此时变压器T₁的原边侧相当于被短接，因此复位电容C_d1上的电压V_Cd1将直接加到变压器的漏感L_lk1上，原边电流i_p1迅速减小。

在此阶段，除第一路原边电流i_p1外，其它各路输出的原边电流i_p2、i_p3及滤波电感电流i_Lo2、i_Lo3均继续线性上升，复位电容C_d2、C_d3的电压V_Cd2、V_Cd3继续正向增加。第2、三路输出的功率继续由原边侧向负载侧传送。

阶段4(t₃-t₄)：

由于第一路输出所带负载很轻，因此滤波电感L_o1的电流i_Lo1断续。在t₃时刻，L_o1下降为零。此时变压器T₁的原边侧相当于被断开，该路输出中的复位电容C_d1与变压器漏感L_lki将保持该时刻的状态，且对其它各路产生的影响可以忽略不计。

阶段5(t₄-t₅)：

在t₄时刻，功率开关管S₂₁关断。第二路输出的原边侧电流i_p2开始对功率开关管S₂₁的输出电容充电，并对功率开关管S₂₂输出电容放电。在t₅时刻前，功率开关管S₂₂的输出电容已被放电至零，原边电流i_p2开始流过功率开关管S₂₂的反并联二极管，为功率开关管S₂₂的零电压开通创造了条件。

阶段6(t₅-t₆)：

在t₅时刻，功率开关管S₂₂开通。由于功率开关管S₂₂开通前，其两侧电压已为零，因此功率开关管S₂₂是零电压开通。此后当原边向副边提供的功率不足时，输出电路副边侧的两个整流二极管D₂₁、D₂₂均导通，滤波电感L_o2上的电流经整流二极管D₂₁、D₂₂续流，变压器T₂的原边侧相当于被短接。由于第二路输出的滤波电感L_o2的电流i_Lo2处于临界断续状态，因此变压器T₂的原边侧一直被短接。复位电容C_d2上的电压V_Cd2将直接加到变压器的漏感L_lk2上，原边电流i_p2减小，但仍未减少至零。

在此阶段，第三路输出的原边电流i_p3及滤波电感电流i_Lo3继续线性上升，复位电容C_d3的电压V_Cd3继续正向增加。第三路输出的功率继续由原边侧向负载侧传送。

阶段7(t₆-t₇)：

在t₆时刻，功率开关管S₃₁关断。第三路输出的原边侧电流i_p3开始对功率开关管S₃₁的输出电容充电，对功率开关管S₃₂输出电容放电。在t₆时刻前，功率开关管S₃₂的输出电容已被放电至零，原边电流i_p3开始流过功率开关管S₃₂的反并联二极管，为功率开关管S₃₂的零电压开通创造了条件。

阶段8(t₇-t₈)：

在t₇时刻，功率开关管S₃₂开通。由于功率开关管S₃₂开通前，其两侧电压已为零，因此功率开关管S₃₂是零电压开通。此后当原边向副边提供的功率不足时，输出电路副边侧的两个整流二极管D₃₁、D₃₂均导通，滤波电感L_o3上的电流经整流二极管D₃₁、D₃₂续流，变压器T₃的原边侧相当于被短接。由于第三路输出满载，对应滤波电感L_o3上的电流i_Lo3处于连续状态，因此变压器T₃的原边侧一直被短接。此时，复位电容C_d3上的电压V_Cd3将直接加到变压器的漏感L_lk3上，原边电流i_p3减小，但仍未减少至零。

阶段9(t₈-t₉)：

在t₈时刻，原边电流i_p2与i_p3减小为零。由于功率二极管D_C2的存在，电流i_p2、i_p3不能反向增加。因此，在t₈时刻后，功率开关管S₃₂里已无电流。为功率开关管的零电流关断提供了条件。同时，复位电容C_d2、C_d3、变压器漏感L_lk2、L_lk3将通过开关管S₂₂、S₃₂及直流电源构成充放电回路。

阶段10(t₉-t₁₀)：

在t₉时刻，功率开关管S_C2关断。由于功率开关管S_C2关断前电流已为零，因此功率开关管S_C2是零电流关断。在t₁₀时刻，功率开关管S_C1开通。由于各路输出变压器中漏感L_lk1、L_lk2、L_lk3的存在，在功率开关管S_C1开通过程中，流过功率开关管S_C1的电流仍近似为零，实现了功率开关管S_C2的零电流开通。

另外半个工作周期也可作类似分析。尽管上述分析只有三路输出，但其概括了3种不同的典型工作状态，因此，当输出扩充到N路时，仍可以上述分析为基础进行推广。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种多路输出直流-直流变换器，其特征在于：它包括公共逆变桥臂、N个独立逆变桥臂以及N路输出电路，N为大于等于2的整数；

N个独立逆变桥臂具有同样的结构，均包括带有反并联二极管的第一、第二功率开关管；每个独立逆变桥臂的第一功率开关管的漏极与电源正端相连，源极与第二功率开关管的漏极相连；第二功率开关管的源极与电源负端相连；第一功率开关管源极与第二功率开关管漏极之间的连结点作为该独立逆变桥臂的中点；

公共逆变桥臂包括上、下单元，上、下单元均由功率二极管和第三功率开关管串联而成，且功率二极管的阳极和第三功率开关管漏极为承受高电位端；所述上单元的一端接电源正端，另一端接公共逆变桥臂的中点，所述下单元的一端接公共逆变桥臂的中点，另一端接电源负端；

每个独立逆变桥臂的中点与公共逆变桥臂中点之间分别接有输出电路，各输出电路均包括复位电容、隔离整流电路和滤波电路；隔离整流电路的第一输入端与独立逆变桥臂的中点和公共逆变桥臂的中点中的其中一个相连，第二输入端通过复位电容与独立逆变桥臂的中点和公共逆变桥臂的中点中的另一个相连；滤波电路由滤波电感和滤波电容串接而成，并接在隔离整流电路的正、负输出端之间。

2.根据权利要求1所述的多路输出直流-直流变换器，其特征在于：所述隔离整流电路由变压器与二极管整流桥组成，变压器原边绕组的两端作为隔离整流电路的上述两个输入端；变压器副边绕组的一端与第一整流二极管的阳极及第二整流二极管的阴极共接，变压器副边绕组的另一端与第三整流二极管的阳极与第四整流二极管的阴极相连；第一整流二极管的阴极与第三整流二极管的阴极相连，并作为该路隔离整流电路的正输出端，第二整流二极管的阳极与第四整流二极管的阳极相连，并作为该路隔离整流电路的负输出端。

3.根据权利要求1所述的多路输出直流-直流变换器，其特征在于：所述隔离整流电路的结构为：

变压器原边绕组的两端作为隔离整流电路的上述两个输入端；变压器副边绕组的两端分别与第五整流二极管的阳极及第六整流二极管的阳极相连，第五整流二极管的阴极与第六整流二极管的阴极相连，并作为该路隔离整流电路的正输出端，变压器副边绕组的中心抽头引线作为该路隔离整流电路的负输出端。

4.根据权利要求2或3所述的多路输出直流-直流变换器，其特征在于：变压器原边绕组的一端串接电感后作为隔离整流电路的上述两个输入端中的一个输入端。

5.根据权利要求1、2或3所述的多路输出直流-直流变换器，其特征在于：所述第三功率开关管为带有反并联二极管的功率开关管。

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