CN101951157A

CN101951157A - 改进型三电平半桥移相零电压变换器

Info

Publication number: CN101951157A
Application number: CN 201010299599
Authority: CN
Inventors: 袁明祥
Original assignee: HANGZHOU ZHONGHENG ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU ZHONGHENG ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-01-19

Abstract

一种改进型三电平半桥移相零电压变换器，包括两个分压电容(C5、C6)、两个箝位二极管(D5、D6)、上开关桥臂、下开关桥臂、变压器(T1)、输出整流滤波电路和负载Rl，还包括辅助支路，第一附加电容(C7)的一端与上桥臂支路连接，第一附加电容(C7)另一端与第二附加电容(C7a)连接，第二附加电容(C7a)的另一端与下桥臂支路连接，附加电感(L1)的一端与变压器(T1)的原边的另一端连接，附加电感(L1)的另一端与第一附加电容(C7)和第二附加电容(C7a)之间的中间节点连接。本发明能有效改善滞后管零压条件、提高能量转换效率、增强可靠性、降低开通损耗、减少占空比流失。

Description

改进型三电平半桥移相零电压变换器

技术领域

本发明涉及大功率开关电源装置领域，尤其是一种三电平半桥移相零电压设备。

背景技术

三电平半桥移相零电压开关变换器保留了全桥移相零电压开关变换器的恒频控制、零电压开关的优势，同时使开关管耐压要求减半，特别适合应用于高压输入的大、中功率DC/DC变换场合，但传统的全桥移相零电压开关变换器的缺陷在三电平半桥移相零电压开关变换器也同样存在，其主要表现在：

1）如附图1所示，轻载时，谐振电感Lr贮能不足，无法实现滞后管Q2、Q3的零电压开通，损耗大，能量转换效率不高；

2）滞后管开通时，副边二极管D7～D10反向恢复存在强烈振荡，二极管上电压应力较大，对二极管的电参数要求高，降低系统可靠性，滞后管的开通损耗很大；

3）谐振电感Lr的存在会引起副边占空比丢失，同样会降低变换器转换效率。

发明内容

为了克服已有三电平半桥移相零电压变换器的滞后管零压困难、能量转换效率低、可靠性差、开通损耗大、占空比流失较重的不足,本发明提供一种有效改善滞后管零压条件、提高能量转换效率、增强可靠性、降低开通损耗、减少占空比流失的改进型三电平半桥移相零电压变换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种改进型三电平半桥移相零电压变换器，包括两个分压电容（C5、C6）、两个箝位二极管（D5、D6）、上开关桥臂、下开关桥臂、变压器（T1）、输出整流滤波电路和负载Rl，其中，所述上开关桥臂包括第一上桥臂支路和第二上桥臂支路，第一上桥臂支路和第二上桥臂支路串联，所述下开关桥臂包括包括第一下桥臂支路和第二下桥臂支路，第一下桥臂支路和第二下桥臂支路串联；

两个分压电容（C5、C6）之间串联，两个箝位二极管（D5、D6）之间串联，所述两个分压（C5、C6）之间的中间节点和两个箝位二极管（D5、D6）之间的连接节点连接，所述两个箝位二极管（D5、D6）之间的连接节点与变压器（T1）的原边的一端连接，一个分压电容（C5）与第一上桥臂支路连接，一个箝位二极管（D5）与第一上桥臂支路和第二上桥臂支路之间的中间节点连接，所述第二上桥臂支路与变压器（T1）的原边的另一端连接；另一个分压电容（C6）与第一下桥臂支路连接，另一个箝位二极管（D5）与第一下桥臂支路和第二下桥臂支路之间的中间节点连接，所述第一下桥臂支路与变压器（T1）的原边的另一端连接；

变压器（T1）的副边与输出整流滤波电路连接，所述整流滤波电路输出接负载R_L；所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器还包括辅助支路，所述辅助支路包括第一附加电容（C7）、第二附加电容（C7a）和附加电感（L1），其中，第一附加电容（C7）的一端与第一上桥臂支路和第二上桥臂支路之间的中间节点连接，第一附加电容（C7）另一端与第二附加电容（C7a）连接，第二附加电容（C7a）的另一端与第一下桥臂支路和第二下桥臂支路之间的中间节点连接，附加电感（L1）的一端与变压器（T1）的原边的另一端连接，附加电感（L1）的另一端与第一附加电容（C7）和第二附加电容（C7a）之间的中间节点连接。

进一步，所述的输出整流滤波电路为全桥整流滤波电路。或者是：所述的输出整流滤波电路为半桥整流滤波电路。

进一步，第一上桥臂支路路包括相互并联的第一上开关管（Q1）、第一上二极管（D1）和第一上开关电容（C1），第二上桥臂支路包括相互并联的第二上开关管（Q2）、第二上二极管（D2）和第二上开关电容（C2）；第一下桥臂支路路包括相互并联的第一下开关管（Q3）、第一下二极管（D3）和第一下开关电容（C3），第二上桥臂支路包括相互并联的第二下开关管（Q4）、第二下二极管（D4）和第二下开关电容（C4）。

再进一步，所述第一上二极管（D1）为第一上开关管（Q1）的寄生二极管，所述第二上二极管（D2）为第二上开关管（Q2）的寄生二极管，所述第一下二极管（D3）为第一下开关管（Q3）的寄生二极管，所述第二下二极管（D4）为第二下开关管（Q4）的寄生二极管。

本发明的技术构思为：在普通的三电平半桥移相电路基础上构建了一条辅助支路。参见图3，把普通的三电平半桥移相电路中电容C7改成C7和C7a串联，电感L1与C7、C7a串联点E和上、下桥臂连接点A相连，去掉普通的三电平半桥移相电路中的谐振电感Lr。

由于辅助支路L1、C7、C7a的作用使得变换器的滞后臂能够在轻载实现零电压开关。去掉与变压器T1相连的谐振电感Lr后，使得占空比丢失的问题得到很大改善，仅变压器T1的漏感L_1K在起作用，而变压器漏感L_1K是很小的。

本发明的有益效果主要表现在：1、在不增加额外功率器件的条件下，改善了开关管的全负载范围零电压开关条件；2、减少占空比丢失；3、很好的抑制住副边二极管D7~D10的反向恢复电压尖峰，同时由于开关管在副边二极管完成反向恢复后才开通，开通损耗大幅下降，使得器件工作更可靠稳定，提高了整机效率，减少了电磁辐射。

附图说明

图1是普通三电平半桥移相零电压变换器示意图。

图2是本发明的三电平半桥移相零电压变换器的示意图（输出整流采用全桥整流方式）。

图3是本发明的三电平半桥移相零电压变换器的示意图（输出整流采用全波整流方式）。

图4是t₀~t₁阶段的工作模式示意图。

图5是t₁~t₂阶段的工作模式示意图。

图6是t₂~t₃阶段工作模式示意图。

图7是t₃~t₄阶段工作模式示意图。

图8是t₄~t₅阶段工作模式示意图。

图9是t₅~阶段工作模式示意图。

图10是本发明实施方式的工作波形图，其中：

Vg1、Vg2、Vg3、Vg4为Q1、Q2、Q3、Q4的驱动波形；

Vds1、Vds2、Vds3、Vds4为Q1Q2Q3Q4的漏、源极电压波形；

Vp1为变压器T1原边电压波形；

Ip1为变压器T1原边电流波形；

Id1、Id2、Id3、Id4为D1、D2、D3、D4的电流波形；

Il1为L1的电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图10，一种改进型三电平半桥移相零电压变换器，包括两个分压电容（C5、C6）、两个箝位二极管（D5、D6）、上开关桥臂、下开关桥臂、变压器（T1）、输出整流滤波电路和负载Rl，其中，所述上开关桥臂包括第一上桥臂支路和第二上桥臂支路，第一上桥臂支路和第二上桥臂支路串联，所述下开关桥臂包括包括第一下桥臂支路和第二下桥臂支路，第一下桥臂支路和第二下桥臂支路串联；

参照图2，所述的输出整流滤波电路为全桥整流滤波电路。或者是：参照图3，所述的输出整流滤波电路为半桥整流滤波电路。

第一上桥臂支路路包括相互并联的第一上开关管（Q1）、第一上二极管（D1）和第一上开关电容（C1），第二上桥臂支路包括相互并联的第二上开关管（Q2）、第二上二极管（D2）和第二上开关电容（C2）；第一下桥臂支路路包括相互并联的第一下开关管（Q3）、第一下二极管（D3）和第一下开关电容（C3），第二上桥臂支路包括相互并联的第二下开关管（Q4）、第二下二极管（D4）和第二下开关电容（C4）。

所述第一上二极管（D1）为第一上开关管（Q1）的寄生二极管，所述第二上二极管（D2）为第二上开关管（Q2）的寄生二极管，所述第一下二极管（D3）为第一下开关管（Q3）的寄生二极管，所述第二下二极管（D4）为第二下开关管（Q4）的寄生二极管。

在移相控制中第一上开关管（Q1）、第二下开关管（Q4）作为超前管，第二上开关管（Q2）、第一下开关管（Q3）作为滞后管。

图4至图10为图2的工作模式图，图3的工作模式也可以作类似分析。其中实体器件为相应模式下电流实际所走路径，虚体元件则在该模式下不参与工作。图10则是对应于各模式阶段所形成的波形。为了方便分析，假设没有特殊说明的器件均为理想器件；L1足够大，其电流为线性变化，在滞后管开关过程中其电流保持不变；第一附加电容（C7）、第二附加电容（C7a）足够大，其电压保持不变。

两个箝位二极管（D5、D6）的作用是在第一上开关管（Q1）、第二下开关管（Q4）开通时对第一附加电容（C7）和第二附加电容（C7a）充电以实现第一附加电容（C7）和第二附加电容（C7a）串联后的电压箝位在输入电压的一半，在后续分析中不再涉及。

初始状态，第一上开关管（Q1）、第二上开关管（Q2）处于导通状态，第一附加电容（C7）的电压通过第二上开关管（Q2）加在附加电感（L1）两端，附加电感（L1）的电流线性增加，变压器副边通过整流电路的整流二极管（D7、D10）、整流电感（Lf）向负载R1馈能。

参照图4、图10，模式1（t0~t1阶段），在t0时刻，第一上开关管（Q1）零电压关断（C1、C4的作用）。第一上电容开关（C1）被负载电流充电，第二下开关电容（C4）通过第二附加电容（C7a）、第一附加电容（C7）、第二上开关管（Q2）、变压器（T1）向负载放电，第一上电容开关（C1）、第二下开关电容C4）电压分别线性上升和下降，变压器（T1）副边电压也线性下降；附加电感（L1）电流继续线性增加。

参照图5、图10，模式2（t₁~t₂阶段），在t₁时刻，第一上电容开关（C1）充电到Vin/2，第二下开关电容（C4）放电到0，变压器（T1）副边电压也降为0，被整流电路的整流二极管（D8、D9）短路，第二下开关管（Q4）的第二下二极管（D4）导通，变压器（T1）原边电流沿变压器（T1）、分压电容（C6）、第二下二极管（D4）、第二附加电容（C7a）、第一附加电容（C7）、第二上开关管（Q2）、变压器漏感（Lk）、变压器（T1）作环流；附加电感（L1）电流继续线性增加。在此阶段开通第二下开关管（Q4），第二下开关管（Q4）为零电压开通。

参照图6、图10，模式3（t₂~t₃阶段），在t₂时刻，第二上开关管（Q2）零电压关断第二上开关电容（C2）、第一下开关电容（C3）的作用）。由于变压器（T1）副边被短路，第一下开关电容（C3）、第二上开关电容（C2）和漏感（Lk）发生谐振，由于附加电感（L1）的电流参与，第一下开关电容（C3）、第二上开关电容（C2）分别被充、放电，漏感（Lk）电流迅速反向，变压器副边的整流电路的整流二极管（D7、D10）开始和其他两个整流二极管（D8、D9）换流。

参照图7、图10，模式4（t₃~t₄阶段），在t₃时刻，变压器副边的整流电路的整流二极管（D7、D10）电流降为零，换流结束。变压器原边电压开始上升，整流电路的整流二极管（D7、D10）开始承受反向电压，出现反向恢复现象，当整流电路的整流二极管（D7、D10）的反向恢复电流与负载电流两者之和折算到原边大于附加电感（L1）的电流，第一下开关电容（C3）充电、第二上开关电容（C2）放电从而使第一下开关电容（C3）的电压出现短暂的上升，当D7、D10 反向恢复结束后，反向截止，第一下开关电容（C3）继续放电、第二上开关电容（C2）继续充电，第一下开关电容（C3）电压继续下降。此阶段由于附加电感（L1）电流的限制，抑制了其他两个整流二极管（D8、D9）的反向恢复电流和电压尖峰。

参照图8、图10，模式5（t₄~t₅阶段），在t₄时刻，第一下开关电容（C3）放电到零伏，第二上开关电容（C2）充电到Vin/2，第一下开关管（Q3）的第一下二极管（D3）导通。电感附加电感（L1）的电流一部分向负载供电，一部分通过第一下二极管（D3）走环流，附加电感（L1）的电流开始线性下降；此时开通，第一下开关管（Q3）为零电压开通。由于附加电感（L1）电流的作用，很容易把第一下开关电容（C3）放电到0，实现，第一下开关管（Q3）的零电压开通，由于主变不串谐振电感（Lr）且附加电感（L1）向负载预供电，使得占空比丢失问题得到解决，另外其他两个整流二极管（D8、D9）的反向恢复发生在，第一下开关管（Q3）开通前，因此，第一下开关管（Q3）没有反向恢复引起的额外损耗。

参照图9、图10，模式6（t₅~阶段），随着附加电感（L1）电流的下降，第一下二极管（D3）电流也跟着下降，在t₅时刻第一下二极管（D3）电流下降为零，，第一下开关管（Q3）开始走正向电流，进入另外半个工作周期。重复模式t₁至t₅的过程，不再累述。

Claims

1.一种改进型三电平半桥移相零电压变换器，包括两个分压电容（C5、C6）、两个箝位二极管（D5、D6）、上开关桥臂、下开关桥臂、变压器（T1）、输出整流滤波电路和负载Rl，其中，所述上开关桥臂包括第一上桥臂支路和第二上桥臂支路，第一上桥臂支路和第二上桥臂支路串联，所述下开关桥臂包括包括第一下桥臂支路和第二下桥臂支路，第一下桥臂支路和第二下桥臂支路串联；

变压器（T1）的副边与输出整流滤波电路连接，所述整流滤波电路输出接负载RL；其特征在于：所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器还包括辅助支路，所述辅助支路包括第一附加电容（C7）、第二附加电容（C7a）和附加电感（L1），其中，第一附加电容（C7）的一端与第一上桥臂支路和第二上桥臂支路之间的中间节点连接，第一附加电容（C7）另一端与第二附加电容（C7a）连接，第二附加电容（C7a）的另一端与第一下桥臂支路和第二下桥臂支路之间的中间节点连接，附加电感（L1）的一端与变压器（T1）的原边的另一端连接，附加电感（L1）的另一端与第一附加电容（C7）和第二附加电容（C7a）之间的中间节点连接。

2.如权利要求1所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器，其特征在于：所述的输出整流滤波电路为全桥整流滤波电路。

3.如权利要求1所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器，其特征在于：所述的输出整流滤波电路为半桥整流滤波电路。

4.如权利要求1—3之一所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器，其特征在于：第一上桥臂支路路包括相互并联的第一上开关管（Q1）、第一上二极管（D1）和第一上开关电容（C1），第二上桥臂支路包括相互并联的第二上开关管（Q2）、第二上二极管（D2）和第二上开关电容（C2）；第一下桥臂支路路包括相互并联的第一下开关管（Q3）、第一下二极管（D3）和第一下开关电容（C3），第二上桥臂支路包括相互并联的第二下开关管（Q4）、第二下二极管（D4）和第二下开关电容（C4）。

5.如权利要求4所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器，其特征在于：所述第一上二极管（D1）为第一上开关管（Q1）的寄生二极管，所述第二上二极管（D2）为第二上开关管（Q2）的寄生二极管，所述第一下二极管（D3）为第一下开关管（Q3）的寄生二极管，所述第二下二极管（D4）为第二下开关管（Q4）的寄生二极管。