CN101847936B - 滞后臂并联辅助网络的软开关全桥直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滞后臂并联辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源(Vin)、第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、辅助变压器、辅助电容、辅助电感、箝位电路、隔离变压器及整流滤波电路。本发明采用移相控制方式，由于加入了由辅助电感、辅助变压器、辅助电容和辅助二极管组成的辅助网络，可以在较宽负载范围内实现开关管的零电压开关，同时副边电压尖峰和振荡得到很好的抑制。

Description

滞后臂并联辅助网络的软开关全桥直流变换器

技术领域：

本发明涉及一种滞后臂并联辅助网络的软开关全桥直流变换器，属于恒频、隔离的全桥直流变换器，其利用增加的辅助网络在宽的输入电压和负载电流的范围内工作。

背景技术：

直直变换作为电力电子技术领域的一个重要组成部分，近年来得到了大量的研究。在中大功率的直流变换场合，全桥变换器由于开关管容易实现软开关和采用恒定频率控制而得到了广泛的应用。近二十年来，出现了很多全桥变换器软开关控制策略和电路拓扑。移相控制零电压开关和移相控制零电压零电流开关全桥变换器均可以实现开关管的软开关。传统的移相控制零电压开关全桥变换器在负载较轻时滞后臂会失去软开关，如果想拓宽滞后臂开关管的软开关范围，可以将附加的谐振电感与变压器串联。如果选择合适的谐振电感，即便在小电流下也能实现滞后臂开关管的ZVS。不过，较大的谐振电感在全负载范围均存储较高的能量，使得产生相当大的循环能量，使变换器效率变低。此外，和变压器一次侧串联大电感延长了一次侧电流从正变负或从负变正所需的时间。这个延长的换向时间引起变压器二次侧的占空比丢失，导致需要减小变压器原副边匝比补偿丢失的占空比，这又使得效率降低。最后，值得指出的是在整流器的截止期间，在变压器的二次侧具有严重的寄生振荡。所谓寄生振荡是由整流器的结电容和变压器的漏感以及外部串联电感引起的。为了控制寄生振荡，需要在二次侧使用大的缓冲电路，这同样使得电路的变换效率大为降低。

发明内容

发明目的：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提供一种滞后臂并联辅助网络的新型软开关全桥直流变换器，变换器工作在宽负载条件下都可以实现原边开关管的零电压开关，提高变换效率。

技术方案：

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明滞后臂并联辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源、结构相同的第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、隔离变压器以及整流滤波电路；其中每个逆变桥臂都包括二个开关管、二个体二极管和二个寄生电容，第一开关管的漏极分别与第一体二极管阴极、第一寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的正输入端，第一开关管的源极分别与第一体二极管阳极、第一寄生电容的另一端、第二开关管的漏极、第二体二极管阴极、第二寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的源极分别与第二体二极管阳极、第二寄生电容的另一端连接构成逆变桥臂的负输入端，直流电源的正极分别接第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的正输入端，直流电源的负极分别接第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的负输入端，隔离变压器副边绕组的输出端接整流滤波电路的输入端，隔离变压器原边绕组具有一中心抽头，

还包括由辅助变压器、辅助电容、辅助电感和箝位电路构成的无源辅助网络，其中辅助变压器原边绕组的输入端接隔离变压器的中心抽头端，辅助变压器原边绕组的输出端接辅助电容的输入端，辅助变压器副边绕组的输出端接第一逆变桥臂的输出端，辅助变压器副边绕组的输入端接辅助电感的输出端，辅助电容的输出端接直流电源的负极，箝位电路包括二个辅助二极管，第一辅助二极管的阴极为箝位电路的正输入端，第二辅助二极管的阳极为箝位电路的负输入端，第一辅助二极管的阳极、第二辅助二极管的阴极连接构成箝位电路的输出端，直流电源的正极接箝位电路的正输入端，直流电源的负极接箝位电路的负输入端，辅助电感的输入端接箝位电路的输出端。

有益效果：

本发明披露了滞后臂并联辅助网络的新型软开关全桥直流变换器，其基本消除了变压器二次侧的寄生振荡，并可以在宽负载范围实现开关管的零电压开关。与原有技术相比的主要技术特点是，由于加入了辅助电路，使得在轻载时一部分能量储存于辅助电感中，存储于辅助电感的能量可以帮助原边开关管在轻载甚至空载时实现软开关，由于变压器漏感取值小，输出整流管因反向恢复引起的损耗大大减小，输出整流管的电压应力也随之减小，变换器的效率可以提高。

附图说明：

附图1是传统的零电压开关全桥变换器结构示意图。

附图2是本发明的滞后臂并联辅助网络的新型软开关全桥直流变换器电路结构示意图。

附图3是本发明的滞后臂并联辅助网络的新型软开关全桥直流变换器主要工作波形示意图。

附图4～附图8是本发明的滞后臂并联辅助网络的新型软开关全桥直流变换器的各开关模态示意图。

上述附图中的主要符号名称：V_in、电源电压；Q₁～Q₄、功率开关管；C₁～C₄、寄生电容；D₁～D₄、体二极管；T_RA、辅助变压器；C_A、辅助电容；L_a、辅助电感；D_C1、D_C2均为辅助二极管；T_R、隔离变压器；L_k、漏感；D_R1、D_R2均为输出整流二极管；L_f、滤波电感；C_f、滤波电容；R_Ld、负载；V_o、输出电压；v_AB、A与B两点间电压。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

附图1所示的是传统的零电压开关全桥变换器结构示意图。

附图2所示的是滞后臂并联辅助网络的新型软开关全桥直流变换器电路结构示意图。由直流电源V_in、两个逆变桥臂1和2、隔离变压器3、辅助变压器4、辅助电容5、辅助电感6、箝位电路7及整流滤波电路8组成。Q₁～Q₄是四只功率开关管，D₁～D₄分别是开关管Q₁～Q₄的体二极管，C₁～C₄分别是开关管Q₁～Q₄的寄生电容，T_RA是辅助变压器，n_A是辅助变压器的原副边匝比，L_a是辅助电感，C_A是辅助电容，T_r是隔离变压器，L_k是漏感，D_C1、D_C2是辅助二极管，D_R1、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分别滞后于开关管Q₄和Q₂一个相位，称开关管Q₁和Q₃组成的第一逆变桥臂为滞后桥臂，开关管Q₂和Q₄组成的第二逆变桥臂则为超前桥臂。其中辅助电容C_A的电压为输入电压V_in的一半，即v_CA＝V_in/2，可看作为V_in/2的电压源。

下面以附图2为主电路结构，结合附图3～附图8叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器一个开关周期有10种开关模态，分别是[t₀-t₁]、[t₁-t₂]、[t₂-t₃]、[t₃-t₄]、[t₄-t₅]、[t₅-t₆]、[t₆-t₇]、[t₇-t₈]、[t₈-t₉]、[t₉-t₁₀]，其中，[t₀-t₅]为前半周期，[t₅-t₁₀]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，先作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件；②滤波电感足够大，因此副边输出可等效为恒流源，所有电感、电容均为理想元件；③C₁＝C₃＝C_lag，C₂＝C₄＝C_lead。

1.开关模态1[t₀-t₁][对应于附图4]

在t₀时刻之前，Q₂和Q₃导通，Q₁和Q₄截止，原边电流近似不变，v_AB＝V_in，下整流二极管D_R2流过全部负载电流，D_R1截止，原边给负载供电。t₀时刻关断Q₂，电流i_p从Q₂中转移到C₂和C₄支路中，v_AB由V_in逐渐变为零，在这个时段里，储存在L_k和L_f中的能量给C₂充电，同时给C₄放电。在t₁时刻，C₄的电压下降到零，Q₄的反并联二极管D₄自然导通，Q₄可实现零电压开通，该模态结束。

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于附图5]

D₄导通后，开通Q₄，Q₂和Q₄驱动信号之间的死区时间t_d(lead)＞t₀₁。A点电位下降为零，所以v_AB＝0，原边不向负载提供能量。此时辅助电感L_a承受的电压为1/2V_in/n_A，辅助二极管D_C2导通，因此i_La从零开始增加。在t₂时刻，辅助电感L_a中的电流上升为最大值I_La。

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图6]

在t₂时刻，关断Q₃，原边电流i_p和辅助电感电流i_La给C₃充电，同时给C₁放电，L_a储存的能量可供帮助滞后管实现软开关。由于C₁和C₃的缓冲作用，Q₃是零电压关断。在t₃时刻，C₁上的电压下降到零，Q₁的反并二极管D₁自然导通。此时副边整流二极管同时导通。

4.开关模态4[t₃-t₄][对应于附图7]

D₁导通后，可以零电压开通Q₁。Q₁、Q₃驱动信号之间的死区时间t_d(lag)＞t₂₃。Q₂开通后，v_AB＝-V_in。此时副边两个整流管仍然同时导通，因此变压器原边绕组电压为零，输入电压V_in直接加在漏感L_k上，原边电流i_p由线性下降再反向线性上升。

5.开关模态5[t₄-t₅][对应于附图8]

在t₄时刻，原边电流折算等于副边电流，D_R2关断，D_R1流过全部负载电流。电源给负载供电。

t₅时刻，Q₄关断，变换器开始另一半个开关周期[t₅-t₁₀]，其工作情况类似于上述的周期[t₀-t₅]，剩余后半周期内的开关模态6～10和前半周期内的开关模态1～5是完全类似的。

从以上的描述可以得知，本发明提出的滞后臂并联辅助网络的新型软开关全桥直流变换器具有以下几方面的优点：

1)辅助网络均采用无源器件，结构简单，易于实现。

2)增加的辅助网络使得漏感取值很小，可以有效的消除输出整流管上的电压尖峰和电压振荡，降低输出整流二极管的电压应力。

3)利用储存在辅助电感的能量在宽负载范围内实现滞后臂开关管的零电压开关。改善变换器在轻载时工作条件，提高系统的可靠性，减轻EMI。

Claims (2)

1.滞后臂并联辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源(V_in)、结构相同的第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)、隔离变压器(3)以及整流滤波电路(8)；其中每个逆变桥臂都包括二个开关管、二个体二极管和二个寄生电容，第一开关管的漏极分别与第一体二极管阴极、第一寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的正输入端，第一开关管的源极分别与第一体二极管阳极、第一寄生电容的另一端、第二开关管的漏极、第二体二极管阴极、第二寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的源极分别与第二体二极管阳极、第二寄生电容的另一端连接构成逆变桥臂的负输入端，直流电源(V_in)的正极分别接第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)的正输入端，直流电源(V_in)的负极分别接第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)的负输入端，隔离变压器(3)副边绕组的输出端接整流滤波电路(8)的输入端，隔离变压器(3)原边绕组具有一中心抽头，其特征在于：

还包括由辅助变压器(4)、辅助电容(5)、辅助电感(6)和箝位电路(7)构成的无源辅助网络，其中辅助变压器(4)原边绕组的输入端接隔离变压器(3)的中心抽头端，辅助变压器(4)原边绕组的输出端接辅助电容(5)的输入端，辅助变压器(4)副边绕组的输出端接第一逆变桥臂(1)的输出端，辅助变压器(4)副边绕组的输入端接辅助电感(6)的输出端，辅助电容(5)的输出端接直流电源(V_in)的负极，箝位电路(7)包括二个辅助二极管，第一辅助二极管的阴极为箝位电路(7)的正输入端，第二辅助二极管的阳极为箝位电路(7)的负输入端，第一辅助二极管的阳极、第二辅助二极管的阴极连接构成箝位电路(7)的输出端，直流电源(V_in)的正极接箝位电路(7)的正输入端，直流电源(V_in)的负极接箝位电路(7)的负输入端，辅助电感(6)的输入端接箝位电路(7)的输出端。

2.如权利要求1所述的滞后臂并联辅助网络的软开关全桥直流变换器，其特征在于，所述的整流滤波电路(8)采用半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路或倍流整流电路。

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