CN102857106A - 采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器，包括直流电源、第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、辅助电感、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，由于加入了由辅助电感和辅助电容组成的辅助网络，可以在全负载范围内实现开关管的零电压开关，并且储存在辅助电路中的能量能随着负载变化而自适应的变化，同时副边电压尖峰和振荡得到很好的抑制。

Description

采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器

技术领域

发明涉及一种采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器，属于恒频、隔离的全桥直流变换器，其利用增加的辅助电路在整个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，甚至在很轻载时，由于死区时间的限制，超前桥臂也会失去软开关的条件。如果想拓宽原边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超前臂开关的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，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

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采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器，变换器工作在各种负载条件下都可以实现原边开关管的零电压开关，且辅助电路提供的能量可以随着负载变化而自适应的变化，从而提高变换效率。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：一种采用无源辅助电路零电压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(V_in)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(V_in)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，其创新点在于：

还包括由辅助电感、第一辅助电容、第二辅助电容构成的无源辅助电路，其中辅助电感的输入端接第一逆变桥臂的输出端，辅助电感的输出端与第二逆变桥臂的输出端相连接，第一辅助电容的输入端接直流电源(V_in)的正极，第一辅助电容的输出端和第二辅助电容的输入端相连接，第二辅助电容的输出端接直流电源(V_in)的负极，隔离变压器(3)两个副边绕组的异名端相连接。

相对于现有技术，本发明采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器，基本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，由于加入了辅助电路，使得在轻载时一部分能量储存于辅助电路中，存储于辅助电路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，且储存于辅助电路的能量随着负载的变化而自适应的变化，由于变压器漏感取值小，输出整流二极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

图1是传统的零电压开关全桥变换器结构示意图。

图2是本发明采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器电路结构示意图。

图3是本发明采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器主要工作波形示意图。

图4～图8是本发明采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器的各开关模态示意图。

其中：V_in为电源电压；Q₁～Q₄为功率开关管；C₁～C₄为寄生电容；D₁～D₄为体二极管；L_a为辅助电感；C_a1为第一辅助电容；C_a2为第二辅助电容；T_r为隔离变压器；D_R1、D_R2、D_R3、D_R4为输出整流二极管；L_f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。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

图1所示的是传统的零电压开关全桥变换器结构示意图。

如图2所示，本发明优选实施例提供的采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器由直流电源V_in、两个逆变桥臂1和2、隔离变压器3、辅助电感4、第一辅助电容5、第二辅助电容6及整流滤波电路7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，L_a是辅助电感，C_a1、C_a2是辅助电容，T_r是隔离变压器，D_R1、D_R2、D_R3、D_R4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。其中分压电容C_a1、C_a2的电压为输入电压V_in的一半，即v_ca1＝v_ca2＝V_in/2，可看作为V_in/2的电压源。

下面以图2为主电路结构，结合图3～图8叙述本发明的具体工作原理。由图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，[t₁-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滤波电容足够大，因此副边输出可等效为电压源，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][对应于图4]

在t₀时刻之前，Q₁和Q₂导通，Q₄和Q₃截止，原边电流近似不变，v_AB＝0，原边给负载供电。t₀时刻关断Q₁，电流i₁从Q₁中转移到C₁和C₃支路中，v_AB由零逐渐变为-V_in，在这个时段里，储存在L_a和L_f中的能量给C₁充电，同时给C₃放电。在t₁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。

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于图5]

D₃导通后，开通Q₃，Q₁和Q₃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＝-V_in，原边不向负载提供能量。此时辅助电感L_a承受的电压为-V_in，因此i_La不断减小。在t₂时刻，L_a中的电流下降为最小值-I_La。辅助电感储存的能量与负载电流具有一定的关系，当负载电流减小时，I_La的幅值增大，储存在辅助电感中的能量增加；当负载电流增大时，I_La的幅值减小，储存在辅助电感中的能量降低。

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于图6]

在t₂时刻，关断Q₂，电流i₂给C₂充电，同时给C₄放电，L_a储存的能量可供实现软开关。由于C₂和C₄的缓冲作用，Q₂是零电压关断。在t₃时刻，C₄上的电压下降到零，Q₄的反并二极管D₄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][对应于图7]

D₄导通后，可以零电压开通Q₄。Q₂、Q₄驱动信号之间的死区时间t_d(lag)＞t₂₃。Q₄开通后，v_AB＝0。此时副边四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，副边电流i_s由线性下降再反向线性上升。

5.开关模态5[t₄-t₅][对应于图8]

在t4时刻，原边电流折算等于副边电流，副边换流成功。电源给负载供电。

t₅时刻，Q₃关断，变换器开始另一半个周期[t₅，t₁₀]，其工作情况类似于上述的周期[t₀-t₅]。

从以上的描述可以得知，本发明提出的采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器具有以下几方面的优点：(1)增加的辅助电路使得漏感取值很小，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。(2)利用储存在辅助电感的能量在全负载范围内实现开关管的零电压开关，并且储存于辅助电感的能量随着负载条件自适应的变化。(3)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)

1.一种采用无源辅助电路零电压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(7)；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(7)的输入端，其特征在于：

还包括由辅助电感(4)、第一辅助电容(5)、第二辅助电容(6)构成的无源辅助电路，其中辅助电感(4)的输入端接第一逆变桥臂(1)的输出端，辅助电感(4)的输出端接第二逆变桥臂(2)的输出端，第一辅助电容(5)的输入端接直流电源(V_in)的正极，第一辅助电容(5)的输出端和第二辅助电容(6)的输入端相连接，第二辅助电容(6)的输出端接直流电源(V_in)的负极，隔离变压器(3)两个副边绕组的异名端相连接。

2.如权利要求1所述的采用无源辅助电路零电压开关全桥直流变换器，其特征在于，所述的整流滤波电路(7)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。

Images