CN101604917A - 采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明的采用无源源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器，其结构包括直流电源(V_in)、第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(4)、辅助电感(5)、分压电容电路(6)、整流及滤波电路(7)，还包括一个原边辅助绕组(N₃)，原边辅助绕组(N₃)、辅助电感(5)以及分压电容电路(6)组成无源辅助网络。该直流变换器不仅实现了开关管的零电压开关，且为滞后桥臂开关管实现零电压开关提供的能量与负载电流相关，负载较重时，辅助电感中存储的能量较少，随着负载的减轻，辅助电感中存储的能量逐渐增加。因此一方面可以减小在负载较重时由辅助网络带来的损耗，另一方面在负载较轻时可以实现滞后桥臂开关管的ZVS。

Description

采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器

技术领域

本发明涉及一种零电压开关直流变换器，特别是一种零电压开关全桥直流变换器，属于电能变换装置中的直流变换器。

背景技术

目前很多标准都从节能的角度对电源效率提出了严格的要求，希望变换器在整个负载范围内，尤其是在轻载时仍可以高效工作。移相控制零电压开关(Zero-Voltage-Switching，简称ZVS)全桥变换器利用变压器的漏感和开关管的结电容实现了开关管的ZVS，广泛应用于中大功率的场合。由于变压器漏感一般较小，在轻载时其能量不足以实现滞后桥臂的ZVS，此时变换器效率较低。

为了在轻载时实现滞后桥臂的ZVS，可以增加变压器漏感或者串联谐振电感，但会增加次级有效占空比的丢失，使变压器匝比减少而导致开关管电流应力和整流二极管电压应力增加。采用饱和电感可以增加滞后桥臂ZVS的实现范围，但是饱和电感损耗较大。为了减小漏感或串联谐振电感，提高次级有效占空比，加入辅助网络成为一种趋势。有文献在全桥变换器中增加了一个无源辅助网络，利用辅助电感电流帮助滞后桥臂实现ZVS，但是辅助电感电流恒定不变，满载时，谐振电感中存储的能量已经可以实现滞后桥臂的ZVS，辅助能量是存在一定损耗的。

以上的各种方法在不同的程度上实现了滞后桥臂的ZVS，但是它们存在一个共同的问题，即实现滞后桥臂ZVS的辅助能量基本不变且和负载电流无关。满载时，谐振电感中储存的能量已经可以实现滞后桥臂的ZVS，辅助能量是存在一定损耗的，从而降低了效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，设计一种能在较宽负载范围内实现了滞后桥臂开关管的ZVS，还可以在较宽的负载范围里实现高的变换效率的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器。

本发明的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器，包括直流电源V_in、第一逆变桥臂1和第二逆变桥臂2、谐振电感3、隔离变压器4、辅助电感5、分压电容电路6、整流及滤波电路7，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V_in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V_in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，分压电容电路6由两个电容C_a1、C_a1正向串联组成，正向并联在直流电源V_in正负输出端，隔离变压器4副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中一个绕组另一端的同名端连于整流及滤波电路7正端，另一个副边绕组另一端的异名端连于整流及滤波电路7正端，两个副边绕组的串联点与整流及滤波电路7的负端相连，其特征在于增设一个原边辅助绕组(N₃)，该原边辅助绕组(N₃)与辅助电感(5)和分压电容电路(6)组成无源辅助网络，所述原边绕组(N₁)与原边辅助绕组(N₃)同名端相连后再连于第二逆变桥臂(2)的两个开关管(Q₂、Q₄)的串联点(B)，原边辅助绕组(N₃)另一端连于辅助电感(5)一端，辅助电感(5)的另一端连于分压电容电路(6)的两个电容(C_a1、C_a2)的串联点(C)，原边绕组(N₁)另一端连于谐振电感(3)一端，谐振电感(3)的另一端连于第一逆变桥臂(1)的两个开关管(Q₁、Q₃)的串联点(A)上。

所述隔离变压器(4)原边绕组(N₁)与原边辅助绕组(N₃)的匝比关系为N₁∶N₃＝2∶1。

本发明与现有技术相比的主要技术特点是，由于增加了由原边辅助绕组(N3)与辅助电感(5)和分压电容电路(6)组成无源辅助网络，该直流变换器不仅实现了开关管的零电压开关，且为滞后桥臂开关管实现零电压开关提供的能量与负载电流相关，负载较重时，辅助电感中存储的能量较少，随着负载的减轻，辅助电感中存储的能量逐渐增加。因此一方面可以减小在负载较重时由辅助网络带来的损耗，另一方面在负载较轻时可以实现滞后桥臂开关管的ZVS。能在较宽负载范围内实现了滞后桥臂开关管的ZVS，还可以在较宽的负载范围里实现高的变换效率。

附图说明

附图1是本发明的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器的实施例电路结构示意图。

附图2是本发明的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器的主要工作波形示意图。

附图3～8是本发明的采用无源辅助网络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：V_in、电源电压。Q₁～Q₄、开关管。C₁～C₄、寄生电容。D₁～D₄、体二极管。L_r、谐振电感。T_r、隔离变压器。N₁、变压器原边绕组。N₂、变压器副边绕组。N₃、变压器原边辅助绕组。L_a、辅助电感。C_a1～C_a2、分压电容。D_R1、D_R2、输出整流二极管。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。R_Ld、负载。V_o、输出电压。v_rect、变压器副边整流后电压。v_AB、A与B两点间电压。

具体实施方式

附图1所示的是采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器的电路结构示意图。由直流电源V_in、两个逆变桥臂1和2、谐振电感3、隔离变压器4、辅助电感5、分压电容6、整流及滤波电路7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，L_r是谐振电感，T_r是隔离变压器，L_a是辅助电感，Ca₁和Ca₂是两个分压电容，D_R1和D_R2是输出整流二极管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容，R_Ld为负载。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。

本发明的特点是隔离变压器4除了原边绕组N₁和副边绕组N₂外，还在变压器原边额外增加了一个原边辅助绕组N₃，且原边绕组N₁与原边辅助绕组N₃的匝比关系为N₁∶N₃＝2∶1。此原边辅助绕组N₃与原边绕组N₁以同名端方式联结，即两个绕组的联结端点是两个绕组的同名端，也就是原边绕组N₁的同名端与原边辅助绕组N₃的同名端相联结，或者是原边绕组N₁的异名端与原边辅助绕组N₃的异名端相联结，其联结端点为第二逆变桥臂2的两个开关管Q₂与Q₄的串联点。原边辅助绕组N₃的另一端与辅助电感L_a的一端相连，辅助电感L_a的另一端相连分压电容电路6的两个电容C_a1与C_a2的串联点C，原边绕组N₁的另一端与谐振电感L_r的一端相连，谐振电感L_r的另一端可以连于第一逆变桥臂(1)的两个开关管Q₁与Q₃的串联点。

下面以附图1为主电路结构，结合附图2～8叙述本发明的具体工作原理。由附图2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，t_11](见附图2)，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。

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；②所有电感、电容和变压器均为理想元件；③分压电容C_a1和C_a2很大，可看作一个恒压源，即V_ca1＝V_ca2＝V_in/2。

1.开关模态1[t₀以前][对应于附图3]

t₀以前，Q₁和Q₄导通，D_R1导通，D_R2截止，电源向负载传递功率。此时由变压器匝比关系可得辅助电感两端电压为零，辅助电感电流i_a处于续流状态，方向与正参考方向相反，幅值为L_a。由安匝平衡关系N₁·i_p＝N₃·L_a+N₂·I_o可得变压器原边电流i_p为I_o/K+I_a/2，流经Q₁的电流与i_p相同，也为I_o/K+I_a/2，而流经Q₄的电流I_o/K-I_a/2。

2.开关模态2[t₀，t₁][对应于附图4]

t₀时刻关断Q₁，i_p给C₁充电，给C₃放电，A点电压下降。由于有C₁和C₃，Q₁是零电压关断。开关模态2持续时间很短，因此可以认为辅助电感电流近似不变，仍为-I_a，则变压器原边电流近似不变，为I_o/K+I_a/2。可见，相比于基本全桥变换器，本文提出的全桥变换器的超前桥臂开关管更容易实现ZVS。t₁时刻，C₁的电压上升到V_in，C₃的电压下降到零，D₃自然导通，从而结束此开关模态。

3.开关模态3[t₁，t₂][对应于附图5]

D₃导通后，此时可以零电压开通Q₃。此时变压器原边绕组电压为零，因此辅助绕组电压也为零，加在辅助电感两端的电压为V_in/2，因此辅助电感电流反方向增加。

4.开关模态4[t₂，t₃][对应于附图6]

t₂时刻关断Q₄，i_p和i_a共同给C₄充电，给C₂放电。由于C₂和C₄的存在，Q₄是零电压关断，当B点电位上升到V_in/2时，L_a两端的电压为零，此时i_a达到正的最大值I_a，t₃时刻，C₄的电压上升到V_in，C₂的电压下降到零。在这段时间内，v_AB极性自零变负，从而使D_R2导通。整流管D_R1和D_R2同时导通，将变压器副边绕组短接，这样变压器副边电压为零，原边绕组电压也为零，因此v_AB全部加在L_r上，也就是说，这段时间里，实际上L_r和C₂、C₄在谐振工作，这段时间很短，可以认为辅助电感电流保持不变。

5.开关模态5[t₃，t₄][对应于附图7]

在t₃时刻，C₂的电压下降到零，D₂自然导通，将Q₂的电压箝在零位，此时可以零电压开通Q₂。由于副边两只整流管同时导通，因此变压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，此时V_in全部加在L_r两端，使i_p线性下降，t₄时刻，i_p下降到零，二极管D₂和D₃自然关断，Q₂和Q₃中将流过电流。此模态中，L_a两端的电压为V_in与Vc_a2之差，即L_a两端的电压为-V_in/2，该电压将使i_a减小，由于该模态持续时间较短，i_a下降较小。

6.开关模态6[t₄，t₅][对应于附图8]

在t₄时刻，i_p由正值过零，并且向负方向增加，此时Q₂和Q₃为原边电流提供通路，由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两只整流管提供回路，因此原边绕组电压仍然为零，加在L_r两端电压仍是V_in，i_p反向线性增加，t₅时刻，i_p增加到-(I_o/K+I_a/2)，此时，i_p已增加到可以提供副边负载电流，则D_R1关断，D_R2流过全部负载电流，该开关模态结束。t₅时刻之后，电源向负载传递功率，开始后半周期的工作，其工作情况与前半周期类似，因此不再多述。

由以上描述可知，本发明提出的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器具有如下优点：

①无源辅助网络结构简单，不需要任何主控器件；载轻时辅助网络中存储的能量可以帮助滞后桥臂开关管实现零电压开关，实现零电压开关的负载范围宽。

②由于增加了无源辅助网络，可以采用较小的谐振电感值就可以宽负载范围内实现滞后桥臂开关管的ZVS，因此副边占空比丢失较少，可以优化变压器匝比的设计。

③可以实现开关管的零电压开关。

Claims (2)

1、一种采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器，包括直流电源(V_in)、第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(4)、辅助电感(5)、分压电容电路(6)、整流及滤波电路(7)，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(V_in)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(V_in)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，分压电容电路(6)由两个电容(C_a1、C_a1)正向串联组成，正向并联在直流电源(V_in)正负输出端，隔离变压器(4)副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中一个绕组另一端的同名端连于整流及滤波电路(7)正端，另一个副边绕组另一端的异名端连于整流及滤波电路(7)正端，两个副边绕组的串联点与整流及滤波电路(7)的负端相连，其特征在于增设一个原边辅助绕组(N₃)，该原边辅助绕组(N₃)与辅助电感(5)和分压电容电路(6)组成无源辅助网络，所述原边绕组(N₁)与原边辅助绕组(N₃)同名端相连后再连于第二逆变桥臂(2)的两个开关管(Q₂、Q₄)的串联点(B)，原边辅助绕组(N₃)另一端连于辅助电感(5)一端，辅助电感(5)的另一端连于分压电容电路(6)的两个电容(C_a1、C_a2)的串联点(C)，原边绕组(N₁)另一端连于谐振电感(3)一端，谐振电感(3)的另一端连于第一逆变桥臂(1)的两个开关管(Q₁、Q₃)的串联点(A)上。

2、如权利要求1所述的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器，其特征在于所述隔离变压器(4)原边绕组(N₁)与原边辅助绕组(N₃)的匝比关系为N₁∶N₃＝2∶1。

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