CN101917128B - 以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路 - Google Patents

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。该整流电路包括两个功率变压器和四个整流二极管，所述功率变压器的副边是具有两个绕组的中心抽头整流结构，还包括两个辅助电容。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。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。本发明不需增加任何有源辅助器件，而是借助无损的电容储能元件，有效地抑制整流管上的电压寄生振荡；中心抽头的变压器副边绕组结构的制作相对简单，变压器与外部电元件的连接减少，有利于提高功率密度。能适用于多种变流器拓扑结构。

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，本发明涉及一种由多个变压器组成的组合变流器，采用了副边电压箝位的整流电路。

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。

采用箝位型变压器双绕组整流结构(图2)，可以消除整流二极管上的电压振荡，降低整流器件的电压应力。但是，变压器副边的两个绕组分别需要两个独立的连接点，增加了变压器加工和PCB布线的复杂度。另外，单个变压器面对大电流输出时，单个变压器绕组很难优化，不利于变压器的散热，单个变压器体积很大。因此多个变压器并联可以使热应力分散，有利于单个变压器的尺寸变薄(如图3)。但是，仅采用多个中心抽头整流电路进行并联，仍然存在漏感与整流器件结电容振荡的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，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。

为了解决技术问题，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，包括两个功率变压器和四个整流二极管，所述功率变压器是两个均分别具有一个原边绕组和两个副边绕组的中心抽头整流结构；在所述功率变压器中，定义变压器绕组同名端标识端为正端、另一为负端，则：第一整流二极管D1的阴极、第一功率变压器T1的第一副边绕组Ws1的负端、第三整流二极管D3的阴极、第一功率变压器T1的第二副边绕组Ws2的正端，均连接至输出滤波电容Co的正端；第二功率变压器T2的第一副边绕组Ws3的负端、第二整流二极管D2的阳极、第二功率变压器T2的第二副边绕组Ws4的正端、第四整流二极管D4的阳极，均连接至输出滤波电容Co的负端；且：第一整流二极管D1的阳极与第二功率变压器T2的第一副边绕组Ws3的正端相接、第一功率变压器T1的第一副边绕组Ws1的正端与第二整流二极管D2的阴极相接、第三整流二极管D3的阳极与第二功率变压器T2的第二副边绕组Ws4的负端相接、第一功率变压器T1的第二副边绕组Ws2的负端与第四整流二极管D4的阴极相接；该整流电路还包括两个辅助电容，并且：

第一辅助电容C1的负端与第一整流二极管D1的阳极相接，其正端与第二整流二极管D2的阴极相接；第二辅助电容C2的负端与第三整流二极管D3的阳极相接，其正端与第四整流二极管D4的阴极相接。

本发明中，所述两个功率变压器为对称结构，具有相同的匝比。

本发明中，所述功率变压器的副边绕组中的整流器件是普通二极管、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。

本发明中，两个功率变压器原边绕组采用串联结构；所述的第一功率变压器T1的原边绕组Wp1的同名端与输入交流电压源的一端连接，原边绕组Wp1的另一端与第二功率变压器T2的原边绕组Wp2的同名端连接，原边绕组Wp2的另一端与输入交流电压源的另一端连接(参见图5)。

本发明中，两个功率变压器的原边绕组采用并联结构；并且，第一变压器的原边绕组Wp1的同名端与第一辅助电感Lr1、第二辅助电感Lr2、第二变压器原边绕组Wp2的同名端依次连接，第一变压器的原边绕组Wp1和第二变压器原边绕组Wp2的另一端相互连接与交流源的一端相连，交流源的另一端连接至第一辅助电感Lr1和第二辅助电感Lr2的连接点(参见图6)。

本发明中，所述的第一辅助电感Lr1是独立的电感，或者是第一功率变压器T1的漏感；所述第二辅助电感Lr2是独立的电感，或者是第二功率变压器T2的漏感。

本发明中，所述的输入交流源是有PWM半桥或者全桥逆变产生的方波源，或者是变频控制的逆变半桥或全桥方波源。

在本发明的整流电路中，由于辅助箝位电容C1和C2的存在，使整流二极管D1和D2的两端的电压箝位在(Vo+VC1)，而整流二极管D3和D4两端的电压箝位在(Vo+VC2)，其中VC1是辅助电容C1两端的电压，VC2是辅助电容C2两端的电压。由于辅助电容C1和C2的容值较大，因此，其两端电压在一个开关周期内可以看作稳定的直流。另外，由于辅助电容可以起到吸收部分变压器中的交流电流纹波，因此流入输出滤波电容Co的开关交流纹波减少，从而可以减少输出滤波器的体积和成本。

本发明的有益效果在于：

(1)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C1和C2，有效地抑制整流管上的电压寄生振荡，电压应力被箝位于较低的值。输出电流纹波因辅助电容的旁路作用而下降，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。

(2)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。

(3)本发明不需增加任何有源辅助器件，而是借助无损的电容储能元件，有效地抑制整流管上的电压寄生振荡；

(4)中心抽头的变压器副边绕组结构的制作相对简单，变压器与外部电元件的连接减少，有利于提高功率密度。

(5)本发明的另一优点在于能适用于多种变流器拓扑结构，包括半桥和全桥串并联谐振(LLC)电路，以及PWM半桥和全桥电路。

附图说明

图1传统的中心抽头电容性输出整流电路。

图2传统的单变压器箝位整流电路。

图3采用两个变压器的传统中心抽头整流结构。

图4本发明提出的双变压器的箝位型中心抽头整流电路。

图5原边变压器绕组串联的双变压器的箝位型中心抽头整流电路。

图6原边变压器绕组并联结构的双变压器的箝位型中心抽头整流电路。

图7LLC谐振半桥原边绕组串联的双变压器箝位型整流结构的组合变流器。

图8LLC谐振半桥原边绕组并联的双变压器箝位型整流结构的组合变流器。

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。

参照图4，以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路，包括两个功率变压器和四个整流二极管，所述功率变压器是两个均分别具有一个原边绕组和两个副边绕组的中心抽头整流结构；在所述功率变压器中，定义变压器绕组同名端标识端为正端、另一为负端，则：第一整流二极管D1的阴极、第一功率变压器T1的第一副边绕组Ws1的负端、第三整流二极管D3的阴极、第一功率变压器T1的第二副边绕组Ws2的正端，均连接至输出滤波电容Co的正端；第二功率变压器T2的第一副边绕组Ws3的负端、第二整流二极管D2的阳极、第二功率变压器T2的第二副边绕组Ws4的正端、第四整流二极管D4的阳极，均连接至输出滤波电容Co的负端；且：第一整流二极管D1的阳极与第二功率变压器T2的第一副边绕组Ws3的正端相接、第一功率变压器T1的第一副边绕组Ws1的正端与第二整流二极管D2的阴极相接、第三整流二极管D3的阳极与第二功率变压器T2的第二副边绕组Ws4的负端相接、第一功率变压器T1的第二副边绕组Ws2的负端与第四整流二极管D4的阴极相接；该整流电路还包括两个辅助电容，并且：第一辅助电容C1的负端与第一整流二极管D1的阳极相接，其正端与第二整流二极管D2的阴极相接；第二辅助电容C2的负端与第三整流二极管D3的阳极相接，其正端与第四整流二极管D4的阴极相接。

本发明的具体应用实例如下：

参照图7，本发明应用于半桥LLC谐振变流器。其中S1至S2为原边第一，第二开关管；Lr1为谐振电感；Cr1为谐振电容；输入直流电压源Vin的正端连接到开关S1的一端，S1的另一端接到开关管S2的一端，并连接到谐振电感Lr1的一端；S2的另一端接到输入电压源Vin的负端；开关管S1和S2的控制端接到控制电路的两个输出端；电感Lr1的另一端接到第一变压器T1的原边绕组Wp1的同名端，原边绕组wp1的另一端接到第二功率变压器T2的原边绕组Wp2的同名端，原边绕组Wp2的另一端接到谐振电容Cr1的一端，Cr1的另一端接到输入电压源Vin的负端。其余部分的连接与图4的连接相同，不再赘述。

参照图8，本发明应用于半桥LLC谐振变流器，两个功率变压器原边绕组采用并联结构。其中S1至S2为原边第一，第二开关管；Lr1为谐振电感；Cr1为谐振电容；输入直流电压源Vin的正端连接到开关S1的一端，S1的另一端接到开关管S2的一端，并连接到第一谐振电感Lr1的一端和第二谐振电感Lr2的一端；S2的另一端接到输入电压源Vin的负端；开关管S1和S2的控制端接到控制电路的两个输出端；电感Lr1的另一端接到第一功率变压器T1的原边绕组Wp1的同名端，电感Lr2的另一端接到第二功率变压器T2的原边绕组Wp2的同名端，原边绕组Wp1和wp2的另一端接到一起，并连接到第一谐振电容Cr1的一端，Cr1的另一端连街道输入直流电源Vin负端。其余部分的连接方式与图4相同，不再赘述。

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 (7)

1.一种以双功率变压器实现整流管电压箝位的整流电路，包括两个功率变压器和四个整流二极管，所述功率变压器的副边是具有两个绕组的中心抽头整流结构；在所述功率变压器中，定义变压器绕组同名端标识端为正端、另一为负端，则：第一整流二极管(D1)的阴极、第一功率变压器(T1)的第一副边绕组(Ws1)的负端、第三整流二极管(D3)的阴极、第一功率变压器(T1)的第二副边绕组(Ws2)的正端，均连接至输出滤波电容(Co)的正端；第二功率变压器(T2)的第一副边绕组(Ws3)的负端、第二整流二极管(D2)的阳极、第二功率变压器(T2)的第二副边绕组(Ws4)的正端、第四整流二极管(D4)的阳极，均连接至输出滤波电容(Co)的负端；且：第一整流二极管(D1)的阳极与第二功率变压器(T2)的第一副边绕组(Ws3)的正端相接、第一功率变压器(T1)的第一副边绕组(Ws1)的正端与第二整流二极管(D2)的阴极相接、第三整流二极管(D3)的阳极与第二功率变压器(T2)的第二副边绕组(Ws4)的负端相接、第一功率变压器(T1)的第二副边绕组(Ws2)的负端与第四整流二极管(D4)的阴极相接；其特征在于，该整流电路还包括两个辅助电容，并且：

第一辅助电容(C1)的负端与第一整流二极管(D1)的阳极相接，其正端与第二整流二极管(D2)的阴极相接；第二辅助电容(C2)的负端与第三整流二极管(D3)的阳极相接，其正端与第四整流二极管(D4)的阴极相接。

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，所述功率变压器的副边绕组中的整流器件是普通二极管、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所述的整流电路，其特征在于，两个功率变压器原边绕组采用串联结构；所述的第一功率变压器(T1)的原边绕组(Wp1)的同名端与输入交流电压源的一端连接，原边绕组(Wp1)的另一端与第二功率变压器(T2)的原边绕组(Wp2)的同名端连接，原边绕组(Wp2)的另一端与输入交流电压源的另一端连接。

5.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，两个功率变压器的原边绕组采用并联结构；并且，第一变压器的原边绕组(Wp1)的同名端与第一辅助电感(Lr1)、第二辅助电感(Lr2)、第二变压器原边绕组(Wp2)的同名端依次连接，第一变压器的原边绕组(Wp1)和第二变压器原边绕组(Wp2)的另一端相互连接与交流源的一端相连，交流源的另一端连接至第一辅助电感(Lr1)和第二辅助电感(Lr2)的连接点。

6.根据权利要求5所述的整流电路，其特征在于，所述的第一辅助电感(Lr1)是独立的电感，或者是第一功率变压器(T1)的漏感；所述第二辅助电感(Lr2)是独立的电感，或者是第二功率变压器(T2)的漏感。

7.根据权利要求4至6任意一项中所述的整流电路，其特征在于，所述的输入交流源是有PWM半桥或者全桥逆变产生的方波源，或者是变频控制的逆变半桥或全桥方波源。

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