CN102931844A - 有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器，包括直流电源、第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、辅助电容、辅助电感、换流电容、隔离变压器及整流滤波电路。本发明采用移相控制方式，通过加入换流电容以及LC辅助网络，输出整流二极管电压尖峰和振荡得到很好的抑制，可以在宽负载范围内实现开关管的零电压开关，同时消除了副边占空比的丢失。

Description

有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器

技术领域

发明涉及一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器，属于恒频、隔离的全桥直流变换器，可以有效抑制副边整流二极管的电压尖峰与振荡，同时可以在宽的输入电压和负载电流的范围内实现开关管的零电压开关。

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。但是传统的移相控制零电压开关全桥变换器在变压器副边具有严重的电压尖峰和振荡。这个电压尖峰和振荡是由整流二极管的结电容和变压器的漏感以及外部电感谐振引起的，增大了整流管的电压应力及输出电压噪声。另外，传统的移相控制零电压开关全桥变换器在负载较轻时，滞后臂容易失去软开关。

副边采用RCD吸收电路，其抑制电压尖峰和振荡的效果较好，但功率耗散问题严重，降低了变换器的整机效率。副边采用有源或无源箝位的方式，箝位效果明显，并很好的解决了功率耗散问题，但均需要较大的箝位电容，易引起一次侧的电流尖峰。采用饱和电感的方法可以明显增加滞后臂的软开关范围，占空比丢失小，且原边换流结束后主功率传输路径的电感值小可有效地抑制副边的电压尖峰和振荡，但是饱和电感体积较大，不利于变换器的集成。Redl等人采用原边加入箝位二极管的箝位方式，拓宽了软开关范围，并大大抑制了整流二极管的电压尖峰和振荡，但谐振电感的加入导致的占空比丢失仍然存在，并不能消除变压器漏感引起的电压振荡，且箝位二极管的工作条件往往较差，降低了变换器工作可靠性及其效率。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器，可以抑制整流二极管的电压尖峰和振荡，同时使变换器在宽负载条件下实现零电压开关，拓宽了变换器的工作范围，提高了变换效率。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明的一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器，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，其特征在于：

还包括由辅助电感、辅助电容构成的LC辅助网络和换流电容，其中辅助电感的输入端接第二逆变桥臂的输出端，辅助电容的输入端接辅助电感的输出端，辅助电容的输出端接第二逆变桥臂的负输入端，换流电容的输入端接第一逆变桥臂的输出端，换流电容的输出端接隔离变压器原边绕组的一端，隔离变压器原边绕组的另一端接第二逆变桥臂的输出端。

本发明披露了一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器，大大减小了输出整流二极管电压尖峰，并可以在宽负载范围实现开关管的零电压开关。与原有技术相比其主要技术特点是，利用换流电容的电压，实现原边超前换流，同时采用LC辅助网络帮助滞后桥臂开关管在全负载范围内实现软开关，输出整流管上的电压尖峰和振荡大大减小，输出整流管的电压应力也随之减小，同时消除了副边占空比丢失，提高变换器的效率。由于滞后桥臂主要依靠LC辅助网络的能量实现零电压开关，漏感取值可以很小，明显减小了漏感对变换器的不利影响。

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是本发明的一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器电路结构示意图。

附图3是本发明的一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器主要工作波形示意图。

附图4～附图9是本发明的一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器的各开关模态示意图。

附图10是本发明的一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器部分简化工作波形图。

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。L_a、辅助电感。C_a、辅助电容。C_c、换流电容。T_r、隔离变压器。D_R1、D_R2、输出整流二极管。C_DR1、C_DR2、输出整流二极管结电容。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。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

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所示的是一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥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、辅助电感4、辅助电容5、换流电容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_a是辅助电容，C_c是换流电容，T_r是隔离变压器，其原副边匝比为n，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Q₄和Q₂一个相位，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。

下面以附图2为主电路结构，结合附图3～附图9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12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]、[t₁₀-t₁₁]、[t₁₁-t₁₂]，其中，[t₀-t₆]为前半周期，[t₆-t₁₂]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所有开关管为理想器件，考虑其体二极管以及寄生电容，C₁＝C₃＝C₂＝C₄＝C_oss；②整流二极管视为理想器件，考虑其结电容，以模拟其反向恢复；③所有电感、电容均为理想元件；④辅助电容、滤波电容足够大，都可以等效为电压源；

1.开关模态1[t₀-t₁][对应于附图4]

Q₁和Q₄导通，Q₂和Q₃截止，原边电流近似不变，v_AB＝V_in，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。同时，原边电流i_p给C_c充电，C_c电压线性上升。由于v_Ca电压稳定在V_in/2，B点电压为零，加在辅助电感上的电压为V_in/2，辅助电流i_a线性上升。

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于附图5]

t₁时刻关断Q₁，电流i_p从Q₁中转移到C₁和C₃支路中，在这个时段里，储存在L_lk和L_f中的能量给C₁充电，同时给C₃放电，由于L_f很大，i_p近似不变，可以看作恒流源，因此C₃电压线性下降，v_AB下降，变压器副边电压也相应下降，整流二极管结电容C_DR1开始放电。从而有：

$v_{Q1}\left(t\right)=\frac{i_p\left(t_1\right)}{{2C}_{\mathrm{oss}}}(t-t_1)---\left(1\right)$

$v_{Q3}\left(t\right)=V_{\mathrm{in}}-\frac{i_p\left(t_1\right)}{2C_{\mathrm{oss}}}(t-t_1)---\left(2\right)$

$v_{\mathrm{rec}}\left(t\right)=\frac{v_{Q3}\left(t\right)-v_{\mathrm{Cc}}\left(t\right)}{n}---\left(3\right)$

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图6]

C_DR1的电压下降到零，整流二极管D_R1自然导通，变压器副边被箝在零位。在此过程中，C_c视作电压源，L_lk与C₁、C₃发生谐振，C₃电压继续下降，直到t₃时刻，C₃电压下降到零，D₃导通，模态3结束。

4.开关模态4[t₃-t₄][对应于附图7]

D₃导通后，Q₃电压被箝在零位，可以零电压开通Q₃，Q₁和Q₃驱动信号之间的死区时间t_d(1ead)＞t₁₃。A点电位下降为零，v_AB＝0，C_c上的电压反向加在L_lk上，因此，i_p迅速下降。与传统全桥变换器相比，原边实现超前换流。

5.开关模态5[t₄-t₅][对应于附图8]

t₄时刻换流结束，整流管D_R2关断，漏感和整流二极管结电容组成谐振回路，整流输出电压v_rec可表示为：

$v_{\mathrm{rec}}\left(t\right)=\frac{1}{n}{v}_{\mathrm{Ct}}\left(t\right)=\frac{1}{n}[v_{\mathrm{Cc}}\left(t_4\right)-v_{\mathrm{Cc}}\left(t_4\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_0(t-t_4)\right)]---\left(4\right)$

其中：

Ct为结电容C_DR2折算至原边的等效电容。

由于v_Cc(t₄)与输入电压V_in相比很小，因此在原边换流结束后引起的副边电压尖峰和振荡很小。且此时副边不存在占空比的丢失。

6.开关模态6[t₅-t₆][对应于附图9]

t₅时刻Q₄关断，电流(i_p+i_a)同时给开关管寄生电容以及二极管结电容充电，在这个阶段中，电流(i_p+i_a)可以视作恒流源，由于漏感较小，忽略其影响，由于C₂和C₄的缓冲作用，Q₄实现了零电压开关。而v_Q2(t)、v_Q4(t)、v_rec(t)可表示如下：

$v_{Q2}\left(t\right)=V_{\mathrm{in}}-\frac{i_p\left(t_5\right)+i_a\left(t_5\right)}{2C_{\mathrm{oss}}+C_t}(t-t_5)---\left(5\right)$

$v_{Q4}\left(t\right)=\frac{i_p\left(t_5\right)+i_a\left(t_5\right)}{2C_{\mathrm{oss}}+C_t}(t-t_5)---\left(6\right)$

$v_{\mathrm{rec}}\left(t\right)=\frac{v_{Q4}\left(t\right)+v_{\mathrm{Cc}}\left(t\right)}{n}---\left(7\right)$

可看出v_rec线性增加，没有振荡，且因v_Cc(t)较小，t₆时刻副边整流输出电压尖峰也很小。t₆时刻，C₂上的电压下降到零，Q₂的反并二极管D₂自然导通，模态6结束。

Q₂开通之后，Q₂和Q₃导通，Q₁和Q₄截止，v_AB＝-V_in，整流二极管D_R1流过全部负载电流，D_R2截止，原边给负载供电。变换器开始另一半个周期[t₆，t₁₂]，其工作情况类似于上述的周期[t₀-t₆]。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器具有以下几方面的优点：

1)利用换流电容上的电压使原边超前换流，使得原(副)边换流和滞后臂软开关这两个过程解耦，为实现副边输出整流二极管上的电压尖峰和振荡抑制创造了前提条件。

2)通过LC辅助网络的能量使滞后桥臂实现零电压开关，拓宽了滞后臂的软开关范围，综合换流电容的作用后有效地消除了输出整流二极管上的电压尖峰和振荡，降低了输出整流二极管的电压应力。

3)改善变换器轻载时的工作条件，提高系统的可靠性，减轻EMI。

本发明中所涉及换流电容的设计十分重要，换流电容取值是否适合直接影响电压尖峰和振荡抑制的效果。以下给出换流电容的设计思路。

C_c的设计思路是：在v_Cc的作用下，需在滞后臂关断前，即零状态阶段结束前实现原边换流。由于C_c串联在变压器原边，半个周期内近似恒定不变的正向的原边电流不断给C_c充电，如附图10所示。则v_Cc的峰值为：

$v_{\mathrm{Ccp}}=\frac{(i_{\mathrm{Lf}1}+i_{\mathrm{Lf}2})T_s}{8n{C}_c}---\left(8\right)$

因换流时间很短，C_c电压可视为不变且为峰值v_Ccp。则换流时间t_com为：

$t_{\mathrm{com}}=\frac{(i_{\mathrm{Lf}1}+i_{\mathrm{Lf}2})L_{\mathrm{lk}}}{{\mathrm{nv}}_{\mathrm{Ccp}}}---\left(9\right)$

换流需在零状态结束前完成，从而有：

$t_{\mathrm{com}\left(\max \right)}=\frac{T_s}{2}(1-D)---\left(10\right)$

而D＝nV_o/V_in，联立式(8)(9)(10)得：

$C_c\≤\frac{T_s^2}{16L_{\mathrm{lk}}}(1-\frac{{\mathrm{nV}}_o}{V_{\mathrm{in}}})---\left(11\right)$

以上换流电容的设计步骤是结合具体优选实施方式对本发明进行的具体说明，不能认定换流电容设计的具体实施方式只局限于此种简化设计方法，凡是基于所述换流电容C_c设计思路的简化或细化的设计方法都应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器，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)、辅助电容(5)构成的LC辅助网络和换流电容(6)。其中辅助电感(4)的输入端接第二逆变桥臂(2)的输出端，辅助电容(5)的输入端接辅助电感(4)的输出端，辅助电容(5)的输出端接第二逆变桥臂(2)的负输入端，换流电容(6)的输入端接第一逆变桥臂(1)的输出端，换流电容(6)的输出端接隔离变压器(3)原边绕组的一端，隔离变压器(3)原边绕组的另一端接第二逆变桥臂(2)的输出端。

2.如权利要求1所述的一种有效抑制副边电压尖峰的宽负载范围零电压开关全桥变换器，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。

3.换流电容(6)也可以串联在隔离变压器(3)副边绕组的输出端和整流滤波电路(7)的输入端之间，整流滤波电路(7)可以采用权利要求2中所涉及的全桥整流电路或倍流整流电路。

4.如权利要求3所述的换流电容，其特征在于，原边电流在换流电容的作用下需在零状态期间实现原边完全换流。

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