CN101697456B

CN101697456B - 以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路

Info

Publication number: CN101697456B
Application number: CN2009101532387A
Authority: CN
Inventors: 吴新科; 陈越
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: CN101697456A

Abstract

本发明涉及直流/直流变换领域，旨在提供一种以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路。该整流电路包括功率变压器、一个辅助电容及两个整流二极管，所述功率变压器是两个，均分别具有一个原边绕组和一个副边绕组，两个功率变压器采用串联或并联结构。本发明简化了每个变压器的绕组结构，提高了磁芯窗口利用率。可以选用较小的输出滤波电容，从而减小产品体积；变压器副边绕组内的电流有效值下降，减小了副边绕组损耗。能够使用更小的磁芯，提高磁芯利用率，缩小体积，节约成本，提高效率，同时在功率变压器设计和生产时也更加方便。因此本发明能有效地提高变流器的整体变换效率和功率密度，同时兼顾生产成本。

Description

以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路

技术领域

本发明属于直流/直流变换领域，涉及一种能够实现整流管电压箝位以达到低整流管电压应力的整流电路。更具体的说，本发明涉及一种由两个各带有一个副边绕组的功率变压器实现整流管电压箝位的电路。本发明还涉及磁集成领域，提出了电路中功率变压器的两种磁集成实现方案。

背景技术

电容性输出中心抽头整流电路(如图1)因其简单的结构，较低的整流管电压应力，无输出电感损耗以及容易实现整流管的软开关工作环境等众多优势被广泛地应用于大电流输出场合。但高频功率变压器漏感及引线电感等与副边整流管的等效寄生输出结电容在换流时极易产生电压寄生振荡，增加整流管的电压应力，因此在实际应用中仍需采用辅助的电压缓冲吸收电路或者选用相对耐压较高的输出整流管，从而增加了辅助损耗或者导通损耗，降低了变流器的整体变换效率。而且变压器副边的两个绕组不能同时有电流，因此变压器窗口利用率低，变压器结构复杂。采用全桥式容性整流电路(如图2)能有效地抑制寄生振荡，将副边整流管的电压应力箝位到输出电压，但所增加的整流管会影响导通损耗，尤其是大电流输出时，导通损耗较大。另外，若采用同步整流技术以适应于大电流输出场合，每个桥臂上管的同步整流驱动较难实现。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路。为实现发明目的，本发明的解决方案是：

提供一种以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路，包括功率变压器、一个辅助电容及两个整流二极管，所述功率变压器是两个，均分别具有一个原边绕组和一个副边绕组，两个功率变压器采用串联或并联结构；所述功率变压器，定义变压器绕组同名端标识端为正端，另一为负端，则第一功率变压器的副边绕组的正端与第二整流管的阴极相连，并连接至输出滤波电容的阳极；第一功率变压器的副边绕组的负端与第一整流管的阴极相连，并连接至辅助电容的阳极；第二功率变压器的副边绕组的正端与第一整流二极管的阳极相连，并连接至输出滤波电容的阴极；第二功率变压器的副边绕组的负端与第二整流二极管的阳极相连，并连接至辅助电容的阴极。

本发明的整流电路，在前半个开关周期内，由第一功率变压器向输出传递能量，此时第一整流二极管导通，第二整流二极管阻断，第二整流二极管两端电压被辅助电容和输出滤波电容箝位在两倍输出电压；在后半个开关周期内，第二功率变压器向输出传递能量，此时第二整流二极管导通，第一整流二极管阻断，第一整流二极管两端电压被辅助电容和输出滤波电容箝位在两倍输出电压。在整个开关周期内辅助电容还具有旁路作用，能够减小输出侧电流纹波。

作为一种改进，所述两个功率变压器为对称结构，具有相同的匝比。

作为一种改进，所述副边绕组是普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管、N沟道的MOSFET同步整流管或P沟道的MOSFET同步整流管中的任意一种。

作为一种改进，所述两个功率变压器的磁芯是具有三个磁柱的对称结构的磁芯。

作为一种改进，当两个功率变压器采用串联结构时，所述两个功率变压器的磁集成的结构为下述两种方案的任意一种：

(1)定义磁芯柱从左至右依次为1号柱、2号柱、3号柱，两个功率变压器的原边串联绕在磁芯的2号柱上，T₁和T₂的副边分别绕在1号柱和3号柱上，气隙开在磁芯2号柱上；

(2)定义磁芯柱从左至右依次为1号柱、2号柱、3号柱，两个功率变压器的原边分别绕在磁芯的1号柱和3号柱上，并连接在一起；绕制和连接时需使得两个绕组产生的磁通在1号柱和3号柱形成环路，即若1号柱上的绕组在变流器工作时，产生一个方向向上的磁通；绕制和连接时需使得3号柱上绕组产生的磁通方向向下，从而与1号柱绕组产生的磁通形成环路；副边分别绕在1号柱和3号柱上；三个柱上都需要开气隙，其中1号柱和3号柱的气隙大小相同，2号柱的气隙大于1号柱和3号柱的气隙。

作为一种改进，当两个功率变压器采用并联结构时，所述两个功率变压器的磁集成的结构为：定义磁芯柱从左至右依次为1号柱、2号柱、3号柱，两个功率变压器的原边分别绕在磁芯的1号柱和3号柱上，并连接在一起；绕制和连接时需使得两个绕组产生的磁通在1号柱和3号柱形成环路，即若1号柱上的绕组在变流器工作时，产生一个方向向上的磁通；绕制和连接时需使得3号柱上绕组产生的磁通方向向下，从而与1号柱绕组产生的磁通形成环路；副边分别绕在1号柱和3号柱上；三个柱上都需要开气隙，其中1号柱和3号柱的气隙大小相同，2号柱的气隙大于1号柱和3号柱的气隙。

本发明的有益效果在于：

本发明简化了每个变压器的绕组结构，提高了磁芯窗口利用率。借助辅助电容C2，有效地抑制整流管上的电压寄生振荡，电压应力被箝位于两倍的输出电压。输出电流纹波因辅助电容的旁路作用而下降为整流管内电流纹波的一半，变压器副边绕组内的电流有效值下降，因此可以选用较低耐压的整流管降低导通损耗，而且可以采用较小的输出滤波电容减小产品体积。副边绕组和输出滤波电容中的导通损耗也能得到改善。另外，双变压器的结构在不同的场合，两个功率变压器原边绕组可以灵活的采用串联或并联的结构：当输入为高压小电流的场合，两个功率变压器原边绕组可采用串联结构，使得两个功率变压器原边绕组上各自承受的电压减小，功率变压器原边绕组匝数可以减小，从而可以使用更小的磁芯，提高磁芯利用率，缩小体积，节约成本，提高效率，同时使得功率变压器设计和生产时也更加方便；当输入为低压大电流的场合，两个功率变压器原边绕组可以采用并联结构，使得两个功率变压器原边绕组上各自流过的电流减小，于是原边绕组的线径可以变小，从而可以使用更小的磁芯，提高磁芯利用率，缩小体积，节约成本，提高效率。此外，本发明还提出了该电路中两个功率变压器的两种磁集成方案，不仅仅适用于E型的磁芯，只要是具有三个磁柱的对称结构的磁芯都可以采用。将两个变压器集成在一个磁芯上，以进一步缩小体积，提高磁芯利用率。

本发明不需增加任何有源辅助器件，而是借助辅助电容，有效地抑制整流管上的电压寄生振荡，电压应力被箝位于两倍的输出电压，因此可以选用较低耐压的整流管降低导通损耗；输出电流纹波因辅助电容的旁路作用而下降为整流管内电流纹波的一半，因此可以选用较小的输出滤波电容，从而减小产品体积；变压器副边绕组内的电流有效值下降，减小了副边绕组损耗。

另外，两个功率变压器原边根据应用场合的不同可以采用串联或并联两种结构，以便能够使用更小的磁芯，提高磁芯利用率，缩小体积，节约成本，提高效率，同时在功率变压器设计和生产时也更加方便。因此本发明能有效地提高变流器的整体变换效率和功率密度，同时兼顾生产成本。

本发明的另一优点在于能适用于多种变流器拓扑结构，包括全桥LLC谐振电路(如图5)及半桥LLC谐振电路(如图6)，以及普通的PWM半桥和全桥电路。

附图说明

图1是传统的中心抽头电容性输出整流电路。

图2是传统的全桥电容性输出整流电路。

图3是本发明采用两个变压器的整流管电压箝位作用的变流器(变压器原边串联结构)。

图4是本发明采用两个变压器的整流管电压箝位作用的变流器(变压器原边并联结构)。

图5是图3所示本发明整流电路应用于全桥LLC谐振变流器。

图6是图3所示本发明整流电路应用于半桥LLC谐振变流器。

图7是本发明整流电路应用于半桥LLC谐振变流器的第一种磁集成方案。

图8是本发明整流电路应用于半桥LLC谐振变流器的第二种磁集成方案(变压器绕组原边串联结构)。

图9是本发明整流电路应用于半桥LLC谐振变流器的第二种磁集成方案(变压器绕组原边并联结构)。

具体实施方式

下面参考附图，结合具体实施例对本发明加以详细描述。

具有整流管电压箝位作用的整流电路包括两个各带有一个副边绕组的功率变压器T₁和T₂，一个辅助电容C2及两个整流二极管D₁和D₂。

所述的两个各带有一个副边绕组的功率变压器T₁和T₂，定义变压器绕组同名端标识端为正端，另一为负端，则第一功率变压器T₁的副边绕组w_s1的正端与第二整流管D₂的阴极相连，并连接至输出滤波电容C₁的阳极；第一功率变压器T₁的副边绕组w_s1的负端与第一整流管D₁的阴极相连，并连接至辅助电容C₂的阳极；第二功率变压器T₂的副边绕组w_s2的正端与第一整流二极管D₁的阳极相连，并连接至输出滤波电容C₁的阴极；第二功率变压器T₂的副边绕组w_s2的负端与第二整流二极管D₂的阳极相连，并连接至辅助电容C₂的阴极。图3为两个功率变压器T₁和T₂的原边采用串联结构，图4为两个功率变压器T₁和T₂的原边采用并联结构。

在前半个开关周期内，由第一功率变压器T₁向输出传递能量，此时第一整流二极管D₁导通，第二整流二极管D₂阻断，第二整流二极管D₂两端电压被辅助电容C₂和输出滤波电容C₁箝位在两倍输出电压；在后半个开关周期内，第二功率变压器T₂向输出传递能量，此时第二整流二极管D₂导通，第一整流二极管D₁阻断，第一整流二极管D₁两端电压被辅助电容C₂和输出滤波电容C₁箝位在两倍输出电压。在整个开关周期内辅助电容C₂还具有旁路作用，能够减小输出侧电流纹波。

参照图5，本发明应用于全桥LLC谐振变流器。其中Q₁至Q₄为原边第一至第四开关管；L_r为谐振电感；C_r为谐振电容；L_M1和L_M2分别为功率变压器T₁和T₂的原边激磁电感。前半个开关周期内，第一和第三开关管Q₁和Q₃导通，原边能量通过第一功率变压器T₁向输出传递，此时第一整流二极管D₁导通，第二整流二极管D₂阻断，第二整流二极管D₂两端电压被辅助电容C₂和输出滤波电容C₁箝位在两倍输出电压；后半个开关周期内，第二和第四开关管Q₂和Q₄导通，原边能量通过第二功率变压器T₂向输出传递，此时第二整流二极管D₂导通，第一整流二极管D₁阻断，第一整流二极管D₁两端电压被辅助电容C₂和输出滤波电容C₁箝位在两倍输出电压。整个过程中，利用副边辅助电容C₂的交流旁路作用，第一功率变压器T₁的副边绕组w_s1与第二功率变压器T₂的副边绕组w_s2中的电流纹波在输出侧得到抵消。

参照图6，本发明应用于半桥LLC谐振变流器。其中Q₁和Q₂分别为第一和第二开关管；L_r为谐振电感；C_r为谐振电容；L_M1和L_M2分别为功率变压器T₁和T₂的原边激磁电感。前半个开关周期内，第一开关管Q₁导通，输入侧能量通过第一功率变压器T₁向输出传递，此时第一整流二极管D₁导通，第二整流二极管D₂阻断，第二整流二极管D₂两端电压被辅助电容C₂和输出滤波电容C₁箝位在两倍输出电压；后半个开关周期内，原边第二开关管Q₂导通，原边能量通过第二功率变压器T₂向输出传递，此时第二整流二极管D₂导通，第一整流二极管D₁阻断，第一整流二极管D₁两端电压被辅助电容C₂和输出滤波电容C₁箝位在两倍输出电压。整个过程中，利用副边辅助电容C₂的交流旁路作用，第一功率变压器T₁的副边绕组w_s1)与第二功率变压器T₂的副边绕组w_s2中的电流纹波在输出侧得到抵消。

参照图7，为图6所示本发明应用于半桥LLC谐振变流器时，两个功率变压器的一种磁集成方案。图中的谐振电感Lr可以是外加的电感，也可以利用变压器自身的漏感。定义磁芯柱从左至右依次为1号柱、2号柱、3号柱，则两个功率变压器T₁和T₂的原边串联绕在磁芯的2号柱上，T₁和T₂的副边分别绕在1号柱和3号柱上，气隙开在磁芯2号柱上。若定义两个功率变压器原副边匝数分别为N_p1、N_p2、N_s1、N_s2，且满足N_p1＝N_p2，N_s1＝N_s2。则此时2号柱所绕匝数为N_p1＝N_p2，1号柱和3号柱所绕匝数分别为N_s1和N_s2，且匝比关系满足N_p1/N_s1＝N_p2/N_s2＝n_t/2，其中n_t为一般情况下LLC谐振变流器设计匝比n_t＝V_in/(2*V_out)。

参照图8和图9，为图6所示本发明应用于半桥LLC谐振变流器时，两个功率变压器的另一种磁集成方案。其中图8为两个功率变压器原边串联结构，图9为两个功率变压器原边并联结构。定义磁芯柱从左至右依次为1号柱、2号柱、3号柱，则两个功率变压器T₁和T₂的原边分别绕在磁芯的1号柱和3号柱上，并连接在一起。绕制和连线时需使得两个绕组产生的磁通在1号柱和3号柱形成环路，即若1号柱上的绕组在变流器工作时，产生一个方向向上的磁通，那么绕制和连线时需使得此时3号柱上绕组产生的磁通方向为向下。T₁和T₂的副边分别绕在1号柱和3号柱上。三个柱上都需要开气隙，其中1号柱和3号柱的气隙大小相同，2号柱的气隙大于1号柱3号柱的气隙。若定义两个功率变压器原副边匝数分别为N_p1、N_p2、N_s1、N_s2，且满足N_p1＝N_p2，N_s1＝N_s2，则T₁和T₂的原边在1号柱和3号柱上的匝数分别为N_p1和N_p2，T₁和T₂的副边在1号柱和3号柱上的匝数分别为N_s1和N_s2。匝比关系满足N_p1/N_s1＝N_p2/N_s2＝n_t/2，其中n_t为一般情况下LLC谐振变流器设计匝比n_t＝V_in/(2*V_out)。

应该理解到的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是发明的保护范围。

Claims

1.一种以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路，包括功率变压器、一个辅助电容及两个整流管；整流管的两端中，电流流入的一端为阳极，电流流出的一端为阴极；其特征在于，所述功率变压器是两个，均分别具有一个原边绕组和一个副边绕组，两个功率变压器的原边采用串联或并联结构；

所述功率变压器，定义变压器绕组同名端标识端为正端，另一为负端，则第一功率变压器的副边绕组的正端与第二整流管的阴极相连，并连接至输出滤波电容的正极；第一功率变压器的副边绕组的负端与第一整流管的阴极相连，并连接至辅助电容的正极；第二功率变压器的副边绕组的正端与第一整流管的阳极相连，并连接至输出滤波电容的负极；第二功率变压器的副边绕组的负端与第二整流管的阳极相连，并连接至辅助电容的负极。

2.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述两个功率变压器为对称结构，具有相同的匝比。

3.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，第一整流管和第二整流管是普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管、N沟道的MOSFET同步整流管或P沟道的MOSFET同步整流管中的任意一种。

4.根据权利要求1至3所述的任意一种整流电路，其特征在于，所述两个功率变压器的磁芯是具有三个磁柱的对称结构的磁芯。

5.根据权利要求4所述的整流电路，其特征在于，当两个功率变压器的原边采用串联结构时，所述两个功率变压器的磁集成的结构为下述两种方案的任意一种：

(1)定义磁芯柱从左至右依次为1号柱、2号柱、3号柱，两个功率变压器的原边串联绕在磁芯的2号柱上，第一功率变压器和第二功率变压器的副边分别绕在1号柱和3号柱上，气隙开在磁芯2号柱上；

(2)定义磁芯柱从左至右依次为1号柱、2号柱、3号柱，两个功率变压器的原边分别绕在磁芯的1号柱和3号柱上，并连接在一起；绕制和连接时需使得两个绕组产生的磁通在1号柱和3号柱形成环路，即若1号柱上的绕组在变流器工作时，产生一个方向向上的磁通；绕制和连接时需使得3号柱上绕组产生的磁通方向向下，从而与1号柱绕组产生的磁通形成环路；副边绕组分别绕在1号柱和3号柱上；三个柱上都需要开气隙，其中1号柱和3号柱的气隙大小相同，2号柱的气隙大于1号柱和3号柱的气隙。

6.根据权利要求4所述的整流电路，其特征在于，当两个功率变压器的原边采用并联结构时，所述两个功率变压器的磁集成的结构为：定义磁芯柱从左至右依次为1号柱、2号柱、3号柱，两个功率变压器的原边分别绕在磁芯的1号柱和3号柱上，并连接在一起；绕制和连接时需使得两个绕组产生的磁通在1号柱和3号柱形成环路，即若1号柱上的绕组在变流器工作时，产生一个方向向上的磁通；绕制和连接时需使得3号柱上绕组产生的磁通方向向下，从而与1号柱绕组产生的磁通形成环路；副边绕组分别绕在1号柱和3号柱上；三个柱上都需要开气隙，其中1号柱和3号柱的气隙大小相同，2号柱的气隙大于1号柱和3号柱的气隙。