CN103401430A - 对称半桥式软开关直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种对称半桥式软开关直流变换器，包括输入直流电压源V_in，第一、第二输入电容C₁、C₂，第一、第二主开关管S₁、S₂，第一、第二辅助开关管S₃、S₄，变压器T_r，第一、第二二极管D_O1、D_O2，第一、第二辅助二极管D₁、D₂，输出滤波电感L，输出滤波电容C和负载R。在常规对称半桥式直流变换器的基础上增加辅助元件，即第一、第二辅助开关管S₃、S₄与第一、第二辅助二极管D₁、D₂，利用中点钳位技术，通过合理的控制，实现了对称半桥电路中的开关管S₁、S₂、S₃、S₄的软开关，同时有效抑制了电路中由于寄生参数引起的电压振荡。

Description

对称半桥式软开关直流变换器

【技术领域】

本发明涉及电力电子变换器领域，尤其涉及一种对称半桥式软开关直流变换器。

【背景技术】

半桥式结构变换器具有功率器件少，结构简单，控制简单，变压器磁芯利用率高等优点，在中等功率场合得到了广泛应用。

传统半桥变换器，存在两种控制方法，即对称式控制和非对称式控制。使用对称式控制的半桥变换铁芯双向磁化，利用率高，且不存磁偏，功率管上的电压应力低，因此适用于高输入电压场合，但是两个开关管完全工作在硬开关状况下，限制了变换器开关频率和效率的提高。而采用非对称式控制的半桥变换器可实现软开关，但却使变压器产生磁偏，增大了开关管的电压应力，而且该变换器的输出电压与占空比的关系是非线性的，在输入电压波动范围较大时，相比对称半桥，其稳定性变差。

【发明内容】

本发明所要解决的是技术方案在于提供一种对称半桥式软开关直流变换器，能够有效解决对称半桥直流变换器的硬开关以及电路振荡问题，同时具有抑制磁偏的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种对称半桥式软开关直流变换器，包括输入直流电压源V_in，第一、第二输入电容C₁、C₂，第一、第二主开关管S₁、S₂，第一、第二辅助开关管S₃、S₄，变压器T_r，第一、第二二极管D_O1、D_O2，第一、二辅助二极管D₁、D₂，输出滤波电感L，输出滤波电容C和负载R；

其连接结构为：第一主开关管S₁的漏极与输入直流电压源V_in的正极以及第一输入电容C₁的一端相连，第一主开关管S₁的源极与第二辅助开关管S₂的漏极、第一辅助二极管D₁的阳极、第二辅助二极管D₂的阴极以及变压器T_r原边绕组的一端相连；第二主开关管S₂的源极与输入直流电压源V_in的负极以及第二输入电容C₂的一端连接；第一辅助开关管S₃的漏极与第二辅助开关管S₄的源极、第一输入电容C₁的另一端、第二输入电容C₂的另一端以及变压器T_r原边绕组的另一端相连；变压器T_r的第一副边绕组的一端与第二副边绕组的一端、输出滤波电容C的一端、负载R的一端相连,变压器T_r的第一副边绕组的另一端与第一二极管D_O1的阳极相连，变压器T_r的第二副边绕组的另一端与第二二极管D_O2的阳极相连，第一二极管D_O1的阴极与第二二极管D_O2的阴极以及输出滤波电感L的一端相连，输出滤波电感L的另一端与输出滤波电容C的另一端以及负载R的另一端相连。

与现有技术相比，本发明在常规对称半桥式直流变换器的基础上增加第一、第二辅助开关管S₃、S₄与第一、第二辅助二极管D₁、D₂，在自动纠正磁偏的同时，还可以实现主开关管以及辅助开关管的软开关，有效抑制由于电路寄生参数引起的电路振荡问题等特点。

【附图说明】

图1为本发明的对称半桥式软开关直流变换器的电气原理图。

图2为本发明的对称半桥式软开关直流变换器的工作波形示意图。

图3（a）～图3（l）为本发明的对称半桥式软开关直流变换器的等效电路示意图。

上述附图中的符号意义：V_in为输入直流电压源；C₁、C₂为第一、第二输入电容；S₁、S₂为第一、第二主开关管；S₃、S₄为第一、第二辅助开关管；D₁、D₂为第一、二辅助二极管；C_r1、C_r2分别为第一、第二主开关管的寄生电容；C_r3、C_r4分别为第一、第二辅助开关管的寄生电容；C_D1、C_D2分别为第一、二辅助二极管的寄生电容；T_r为变压器，L_k为变压器漏感；D_O1、D_O2为第一、第二二极管；L为输出滤波电感；C为输出滤波电容；R是负载；V_S1、V_S2分别为第一、第二主开关管的驱动电压；V_S3、V_S4分别为S₃、S₄第一、第二辅助开关管的驱动电压；V_Cr1、V_Cr2分别为第一、第二主开关管的寄生电容电压；V_ab为a、b两点电压；i_Lk为变压器原边电流；V_o为输出电压；t、t₀～t₁₂为时间。

【具体实施方式】

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种对称半桥式软开关直流变换器，其包括输入直流电压源V_in，第一、第二输入电容C₁、C₂，第一、第二主开关管S₁、S₂，第一、第二辅助开关管S₃、S₄，变压器T_r，第一、第二二极管D_O1、D_O2，第一、第二辅助二极管D₁、D₂，输出滤波电感L，输出滤波电容C和负载R。

其连接结构为：第一主开关管S₁的漏极与输入直流电压源V_in的正极以及第一输入电容C₁的一端相连，第一主开关管S₁的源极与第二主开关管S₂的漏极、第一辅助二极管D₁的阳极、第二辅助二极管D₂的阴极以及变压器T_r原边绕组的一端相连；第二主开关管S₂的源极与输入直流电压源V_in的负极以及第二输入电容C₂的一端连接；第一辅助开关管S₃的漏极与第二辅助开关管S₄的源极、第一输入电容C₁的另一端、第二输入电容C₂的另一端以及变压器T_r原边绕组的另一端相连；变压器T_r的第一副边绕组的一端与第二副边绕组的一端、输出滤波电容C的一端、负载R的一端相连,变压器T_r的第一副边绕组的另一端与第一二极管D_O1的阳极相连，变压器T_r的第二副边绕组的另一端与第二二极管D_O2的阳极相连，第一二极管D_O1的阴极与第二二极管D_O2的阴极以及输出滤波电感L的一端相连，输出滤波电感L的另一端与输出滤波电容C的另一端以及负载R的另一端相连。

所述的对称半桥式软开关直流变换器的控制方法，工作波形，工作过程如图2所示，在变换器工作的前半个周期中第一主开关管S₁、第一辅助开关管S₃互补导通，后半个周期中第二主开关管S₂、第二辅助开关管S₄互补导通，前半个周期和后半个周期中间留有一定的死区。从半桥开关管的驱动波形上看，该电路中半桥开关管的驱动波形与传统的对称半桥中开关管驱动波形是一致的，同为对称PWM控制，控制方法简单。

下面结合图3对本发明变换器的工作原理进行具体分析。上述各元件之前的第一、第二定义仅用来区分不同元件，而无先后顺序，在有元件标号清楚表示的情况下，也可以省略该等第一、第二的表述。在分析之前，先作如下假设：

(1)电源侧输入电容C₁、C₂足够大，使其能够对电源进行分压，其上的电压基本稳定，忽略其上的波动；

(2)C_r2、C_r2为主开关管S₁、S₂的寄生电容，且C_r2=Cr₂=C_r，C_r3、C_r4为辅助开关管S₃、S₄的寄生电容，且C_r3=C_r4=C_s，C_D1、C_D2为辅助二极管D₁、D₂的寄生电容，且C_D1=C_D2=C_D;

(3)L_k为变压器漏感，n²L为滤波电感归算到变压器原边电感值，nV_O为输出电压归算到变压器原边值。

根据功率开关管S₁～S₄的开关状态，可将变换器分为以下12种工作模态：

1.开关模态1：

如图3（a）所示，S₁开通，输入电容C₁上的电压通过主开关管S₁加在变压器T_r的原边，输入直流电压源向副边传递能量。此时，辅助开关管S₃两端的电压为零，辅助二极管D₂两端的电压为V_in/2，辅助开关管S₄两端的电压为V_in/2，辅助二极管D₁两端的电压为零。

2.开关模态2：

如图3（b）所示，主开关管S₁在其寄生电容C_r1的作用下，零电压关断，同时辅助开关管S₃零电压开通。在这个过程中，变压器原边电流i_Lk对电容C_r1充电，对电容C_r2放电，对电容C_r4放电，对电容C_D1充电，对电容C_D2放电。变压器原边电流i_Lk为副边折射过来的电流，可近似为一个电流源对电容进行恒流充放电。主开关管寄生电容C_r1、C_r2充放电到V_in/2后此阶段结束。

3.开关模态3：

如图3（c）所示，t₂时刻，主开关管寄生电容C_r1、C_r2充放电到V_in/2，辅助二极管D₁两端的电压为V_in/4，辅助开关管S₄两端的电压为V_in/4，辅助二极管D₂两端的电压为零。此时，半桥中点的电压和直流电源中点的电位相同，起到了电压钳位的作用。变压器原边电流i_Lk通过辅助开关管S₃和辅助二极管D₂进行续流，变压器原边电流i_Lk近似保持不变。

4.开关模态4：

如图3（d）所示，t₃时刻，辅助开关管S₃断开，变压器漏感电流继续对电容C_r1充电，对电容C_r2放电，对电容C_r3充电，对电容C_D2放电，对电容C_r4放电，对电容C_D1充电。随着变压器原边电流i_Lk的减小，变压器副边二极管开始换流将变压器T_r短路。一直到电容C_r1充电到V_in，电容C_r2放电到零，电容C_r3充电到Vi_n/2，电容Cr₄放电到零，电容C_D1充电到V_in/2,该阶段结束。

5.开关模态5：

如图3（e）所示，t₄时刻，电容C_r2的电压下降到零。假设漏感能量足够大，这时主开关管S₂的反并联二极管开始导通，漏感电流通过其续流，漏感电流线性下降，直至t₅时刻漏感电流下降到零。在此阶段期间，给S₂开通信号，即可实现主开关管S₂的ZVS开通。

6.开关模态6：

如图3（f）所示，t₅时刻，当漏感电流下降到零后，漏感电流开始反向增加。当漏感电流增加到副边电流折射到原边的电流值时，该阶段结束。

7.开关模态7：

如图3（g）所示，t₆时刻，漏感电流增加到副边电流折射到原边的电流值，输入电容C₂上的电压通过主开关管S₂加在变压器T_r的原边，输入直流电压源向副边传递能量。此阶段，辅助开关管S₄两端的电压为零，辅助二极管D₁两端的电压为V_in/2，辅助开关管S₃两端的电压为V_in/2，辅助二极管D₂两端的电压为零。

8.开关模态8：

如图3（h）所示，主开关管S₂在其寄生电容C_r2的作用下，零电压关断，同时辅助开关管S₄零电压开通。在这个过程中，变压器原边电流i_Lk对电容C_r2充电，对电容C_r1放电，对电容C_r3放电，对电容C_D2充电，对电容C_D1放电。变压器原边电流i_Lk为副边折射过来的电流，可近似为一个电流源对电容进行恒流充放电。主开关管寄生电容C_r2、C_r1充放电到V_in/2后此阶段结束。

9.开关模态9：

如图3（i）所示，t₈时刻，主开关管寄生电容C_r2、C_r1充放电到V_in/2，辅助二极管D₂两端的电压为V_in/4，辅助开关管S₃两端的电压为V_in/4，辅助二极管D₁两端的电压为零。此时，半桥中点的电压和直流电源中点的电位相同，起到了电压钳位的作用。变压器原边电流i_Lk通过辅助开关管S₄和辅助二极管D₁进行续流，变压器原边电流i_Lk近似保持不变。

10.开关模态10：

如图3（j）所示，t9时刻，辅助开关管S₄断开，变压器漏感电流继续对电容C_r2充电，对电容C_r1放电，对电容C_r4充电，对电容C_D1放电，对电容C_r3放电，对电容C_D2充电。随着变压器原边电流i_Lk的减小，变压器副边二极管开始换流将变压器T_r短路。一直到电容C_r2充电到Vi_n，电容C_r1放电到零，电容C_r4充电到V_in/2，电容C_r3放电到零，电容C_D2充电到V_in/2，该阶段结束。

11.开关模态11：

如图3（k）所示，t₁₀时刻，电容C_r1的电压下降到零。假设漏感能量足够大，这时主开关管S₁的反并联二极管开始导通，漏感电流通过其续流，漏感电流反向线性下降，直至到t₁₁时刻漏感电流上升到零。在此阶段期间给S₁开通信号，即可实现主开关管S₁的ZVS开通。

12.开关模态12：

如图3（l）所示，当漏感电流上升到零后，漏感电流开始增加。当漏感电流增加到副边电流折射到原边的电流值时，该阶段结束。

从上面的分析可以得知，在常规对称半桥式直流变换器的基础上增加辅助元件S₃、S₄、D₁、D₂，利用中点钳位技术，通过合理的控制，实现了对称半桥电路中的功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄的软开关，同时有效抑制了电路中由于寄生参数引起的电压振荡。本发明具有结构简单，控制方便，变压器双向磁化，磁芯利用率高，自动纠正磁偏，可实现主开关管以及辅助开关管的软开关，效率高，有效抑制由于电路寄生参数引起的电路振荡问题等特点，易于实现高频化、高集成度和高功率密度，适用于中等功率的场合。

Claims (1)

1.一种对称半桥式软开关直流变换器，其特征在于：所述对称半桥式软开关直流变换包括输入直流电压源（V_in），第一、第二输入电容（C₁、C₂），第一、第二主开关管（S₁、S₂），第一、第二辅助开关管（S₃、S₄），变压器（T_r），第一、第二二极管（D_O1、D_O2），第一、第二辅助二极管（D₁、D₂），输出滤波电感（L），输出滤波电容（C）和负载（R）；

其连接结构为：第一主开关管（S₁）的漏极与输入直流电压源（V_in）的正极以及第一输入电容（C₁）的一端相连，第一主开关管（S₁）的源极与第二辅助开关管（S₂）的漏极、第一辅助二极管（D₁）的阳极、第二辅助二极管（D₂）的阴极以及变压器（T_r）原边绕组的一端相连；第二主开关管（S₂）的源极与输入直流电压源（V_in）的负极以及第二输入电容（C₂）的一端连接；第一辅助开关管（S₃）的漏极与第二辅助开关管（S₄）的源极、第一输入电容（C₁）的另一端、第二输入电容（C₂）的另一端以及变压器（T_r）原边绕组的另一端相连；变压器（T_r）的第一副边绕组的一端与第二副边绕组的一端、输出滤波电(C)的一端、负载(R)的一端相连,变压器（T_r）的第一副边绕组的另一端与二极管（D_O1）的阳极相连，变压器（T_r）的第二副边绕组的另一端与二极管（D_O2）的阳极相连，第一二极管（D_O1）的阴极与第二二极管（D_O2）的阴极以及输出滤波电感（L）的一端相连，输出滤波电感(L)的另一端与输出滤波电容(C)的另一端以及负载（R）的另一端相连。

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