CN101860216A

CN101860216A - 加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器

Info

Publication number: CN101860216A
Application number: CN 201010185864
Authority: CN
Inventors: 陈仲; 陈淼; 季飚; 张鑫
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: CN101860216B

Abstract

本发明提供一种加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器，该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、耦合电感、辅助电容、隔离变压器及整流滤波电路。本发明采用移相控制方式，由于加入了由耦合电感、辅助电容组成的无源辅助网络，可以在全负载范围内实现所有原边开关管的零电压开关，同时副边无占空比丢失，无副边电压尖峰和电压振荡，变换效率高。

Description

加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器

技术领域：

本发明涉及一种加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器，属于恒频、隔离的全桥直流变换器。

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，可以增加变压器的漏感或者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大降低。

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加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器，变换器工作在全负载范围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：

本发明加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器，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，整流滤波电路为倍流整流电路，

还包括由耦合电感、辅助电容构成的无源辅助网络，其中耦合电感包括原边绕组和副边绕组，，耦合电感原边绕组的异名端与耦合电感副边绕组的同名端连接成中心抽头，耦合电感原边绕组的输入端与第一逆变桥臂的输出端相连，耦合电感副边绕组的输出端与第二逆变桥臂的输出端相连，耦合电感的中心抽头与隔离变压器原边绕组的输入端相连，辅助电容包括二个电容，第一辅助电容的输入端构成辅助电容的正输入端，第二辅助电容的输出端构成辅助电容的负输出端，第一辅助电容的输出端与第二辅助电容的输入端相连，构成辅助电容的输出端，辅助电容的正输入端与负输入端分别与直流电源的正极与负极相连接，隔离变压器的原边绕组的输出端与辅助电容的输出端相连。

有益效果：

本发明披露了加耦合电感的倍流整流方式直流变换器，其消除了变压器二次侧的寄生振荡，并可以在全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，由于加入了耦合电感，使得在轻载时一部分能量储存于耦合电感中，存储于耦合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；由于采用倍流整流方式，避免了输出整流二极管因反向恢复引起的损耗，输出整流管的电压应力也随之减小，变换器的效率提高，并且该变换器尤其适用于低压大电流输出场合。

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是本发明的加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器结构示意图。

附图3是本发明的加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器进一步等效电路图。

附图4是本发明的加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器主要工作波形示意图。

附图5～附图11是本发明的加耦合电感的倍流整流方式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为电源电压；Q₁～Q₄均为功率开关管；C₁～C₄均为寄生电容；D₁～D₄均为体二极管；L_C为耦合电感；C_a1和C_a2均为辅助电容；L_k为漏感；T_r为隔离变压器；D_R1、D_R2均为输出整流二极管；L_f1、L_f2均为滤波电感；C_f为滤波电容；R_Ld为负载；V_o为输出电压；v_AB为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所示的是加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器结构示意图。附图3所示的是加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器进一步等效电路图，这里将耦合电感等效为匝比为1∶1的具有较小激磁电感的变压器。由直流电源V_in、两个逆变桥臂1和2、隔离变压器3、耦合电感4、辅助电容5、整流滤波电路6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_C是耦合电感，C_a1和C_a2是辅助电容，T_r是主隔离变压器，L_k是漏感，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分别超前于开关管Q₂和Q₄一个相位，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。其中辅助电容C_a1、C_a2的平均电压为输入电压V_in的一半，即v_ca1＝v_ca2＝V_in/2。

下面以附图3为主电路结构，结合附图4～附图11叙述本发明的具体工作原理。由附图4可知整个变换器一个开关周期有12种开关模态，其中，[t₁-t₇]为前半周期。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；②两个滤波电感的参数均相同，L_f1＝L_f2＝L_f，所有电感、电容均为理想元件；③C₁＝C₃＝C_lead，C₂＝C₄＝C_lag。

1.开关模态1[t₀-t₁][对应于附图5]

在t₁时刻之前，Q₁和Q₂导通，Q₃和Q₄截止，激磁电感L_M中电流I_M保持不变，由于耦合电感及辅助电容的作用，加在主变压器上的电压为1/2V_in，原边电流i_p流经耦合电感、主变压器、辅助电容，整流管D_R2导通，D_R1截止，原边给负载供电。

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于附图6]

t₁时刻关断Q₁，i₁从Q₁中转移到C₁和C₃支路中，在这个时间段里，副边电流i_s＝i_Lf1，储存在L_M和L_f1中的能量给C₁充电，同时给C₃放电。在t₂时刻，C₃的电压下降到零，Q₃的反并联二极管D₃自然导通，Q₃可实现零电压开通，该模态结束

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图7]

D₃导通后，开通Q₃，Q₁和Q₃驱动信号之间的死区时间t_d(lead)＞t₁₂。此时V_AB＝-V_in，辅助电容的纹波电压Δv_Ca加在主隔离变压器T_r原边绕组和漏感上，即V_CO＝-Δv_ca，原边电流i_p下降，同时副边电流i_s也下降，此时i_s＜i_Lf1，所以D_R1导通，从而D_R1和D_R2同时导通，将副边绕组电压箝位为0，原边电压也为0，Δv_Ca全部加在L_k上，i_p减小，该模态中，如果电流i_Lf2变负，并在t₃时刻，i_s＝-i_Lf2，那么i_DR2＝0，D_R2自然关断，i_DR1＝i_Lf1+i_Lf2，D_R1继续导通，副边二极管实现换流，进入下一个模态。

4.开关模态4[t₃-t₄][对应于附图8]

此模态中，i_Lf2继续减小，同时原边电流i_p又开始反向增加。

5.开关模态5[t₄-t₅][对应于附图9]

在t₄时刻，关断Q₂，i₂给C₂充电，同时给C₄放电，L_M和L_f2储存可供实现软开关的能量。由于C₂和C₄的缓冲作用，Q₂是零电压关断，i_p给辅助电容C_a2充电，副边i_s＝-i_Lf2。在t₅时刻，C₄上的电压下降到零，Q₄的反并二极管D₄自然导通。

6.开关模态6[t₅-t₆][对应于附图10]

D₄导通后，可以在零电压下开通Q₄。i_Lf2开始增大，t₆时刻，i_p下降到零，C_a2的电压达到最大。

7.开关模态6[t₆-t₇][对应于附图11]

t₆时刻后，电源给负载供电，L_f2开始储能，C_a2的电压开始下降。

t₇时刻，Q₃关断，变换器开始另一半个周期[t₇，t₁₃]，其工作情况类似于上述的周期[t₁-t₇]。剩余的后半周期内的开关模态7～12和前半周期内的开关模态1～6是完全类似的。

从以上的描述可以得知，本发明提出的加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器具有以下几方面的优点：

1)辅助网络采用无源器件，结构简单，易于实现。

2)利用增加的耦合电感可以实现开关管全负载范围内的零电压开关。

3)利用增加的辅助电容的纹波电压可以实现副边输出整流管的自然换流，消除了副边输出整流二极管的电压尖峰和电压振荡，电路无占空比丢失。

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

1.加耦合电感的倍流整流方式全桥直流变换器，包括直流电源(Vin)、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(6)；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(Vin)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(Vin)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(6)的输入端，整流滤波电路(6)为倍流整流电路，其特征在于：

还包括由耦合电感(4)、辅助电容(5)构成的无源辅助网络，其中耦合电感(4)包括原边绕组和副边绕组，耦合电感(4)原边绕组的异名端与耦合电感(4)副边绕组的同名端连接成中心抽头，耦合电感(4)原边绕组的输入端与第一逆变桥臂(1)的输出端相连，耦合电感(4)副边绕组的输出端与第二逆变桥臂(2)的输出端相连，耦合电感(4)的中心抽头与隔离变压器(3)原边绕组的输入端相连，辅助电容(5)包括二个电容，第一辅助电容的输入端构成辅助电容(5)的正输入端，第二辅助电容的输出端构成辅助电容(5)的负输出端，第一辅助电容的输出端与第二辅助电容的输入端相连，构成辅助电容(5)的输出端，辅助电容(5)的正输入端与负输入端分别与直流电源(Vin)的正极与负极相连，隔离变压器(3)的原边绕组的输出端与辅助电容(5)的输出端相连。