CN103501109B

CN103501109B - 具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路及变换器

Info

Publication number: CN103501109B
Application number: CN201310513213.XA
Authority: CN
Inventors: 郑琼林; 王蓓蓓; 邵天骢; 张捷频; 李艳; 黄先进; 游小杰; 张立伟; 王剑; 郭希铮
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: CN103501109A

Abstract

本发明公开了一种具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路及变换器，涉及电路设计技术领域，所述变换器桥臂电路包括：依次连接的电源、桥臂单元、吸收单元、缓冲单元和能量有源回馈单元，所述能量有源回馈单元与所述电源连接；所述桥臂单元将所述电源供应的能量传递到负载；所述吸收单元抑制了所述桥臂单元工作时电压和电流的变化率，并将此过程所获得的残留能量转移到所述缓冲单元中；所述缓冲单元将接收到的残留能量经由所述能量有源回馈单元反馈至所述电源。本发明通过缓冲单元将残留能量集中接收，并通过能量有源回馈单元将残留能量回馈到电源中，不仅消除了无损吸收回路的电流环流问题，而且提高了变换器的效率。

Description

具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路及变换器

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，特别涉及一种具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路及变换器。

背景技术

变换器桥臂电路以其高开关频率特性被广泛的应用在电子电力变换器中来减小装置的体积和重量，或提高系统效率。但是，随着开关频率的增大，其开关损耗将会增大，同时也会产生很大的EMI噪声，影响周围电气设备和变换器本身的正常工作。

无损吸收回路是指把开关过程转移到吸收回路中的能量不经由电阻消耗掉，而是设法回馈到电源侧或负载侧。现有的各种无损吸收回路技术几乎都是通过无源元件和二极管来实现能量回馈，达到降低开关损耗的目的，故无损吸收回路也被称作无源软开关（passivesoftswitching）。开关过程中，无损吸收回路对开通di/dt和关断dv/dt的抑制，以及吸收回路中能量转移和回馈都是通过电路运行的参数条件变化自动切换工作模式实现的，故吸收回路中元器件参数的变化或不一致性对开关管的开关过程具有很好的鲁棒性；而软开关的开关时序与辅助回路元器件的谐振条件有关，其辅助元器件参数的变化或不一致性会恶化开关管的开关过程，甚至毁坏开关管。因此无损吸收回路相比较软开关技术而言，具有可靠性高、成本低、以及适宜于工业化批量生产等优点，从而得到广泛的研究。但现有的变换器桥臂电路无损吸收回路，要么电路结构非常复杂，要么能量回馈支路一直有电流环流存在，导致变换器的效率低下。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何避免无损吸收回路的电流环流问题，以提高变换器的效率。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路，所述变换器桥臂电路包括：依次连接的电源、桥臂单元、吸收单元、缓冲单元和能量有源回馈单元，所述能量有源回馈单元与所述电源连接；

所述桥臂单元将所述电源供应的能量传递到负载；

所述吸收单元抑制了所述桥臂单元工作时电压和电流的变化率，并将此过程获得的残留能量转移到所述缓冲单元中；

所述缓冲单元将接收到的残留能量经由所述能量有源回馈单元反馈至所述电源。

其中，所述桥臂单元包括：两个开关管S₁、S₂和两个二极管，每个开关管均包括：集电极、发射极和栅极，第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极连接，所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S₁的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S₁的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S₂的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S₂的集电极连接，由所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极的连接点为所述负载供电；

其中，所述吸收单元包括：两个电感L₁、L₂、两个电容C₁₁、C₂₁和两个二极管D₁₁、D₂₁，第一电感L₁串联于所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极之间，第二电感L₂串联于所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极之间，第一电容C₁₁并联于所述第一开关管S₁的集电极和发射极之间，所述第二电容C₂₁并联于所述第二开关管S₂的集电极和发射极之间，所述第三二极管D₁₁串联于所述第一开关管S₁的集电极与所述第一电容C₁₁之间，且其阴极a₁与所述第一电容C₁₁连接，所述第四二极管D₂₁串联于所述第二开关管S₂的发射极与第二电容C₂₁之间，且其阳极a₂与所述第二电容C₂₁连接。

其中，所述缓冲单元包括：两个电容C₁₂、C₂₂和两个二极管D₁₂、D₂₂，第三电容C₁₂的第一端与所述电源的阳极连接，所述第三电容C₁₂的第二端与第五二极管D₁₂的阴极连接，所述第五二极管D₁₂的阳极与所述第三二极管D₁₁的阴极a₁连接，第四电容C₂₂的第一端与所述电源的阴极连接，所述第四电容C₂₂的第二端与所述第六二极管D₂₂的阳极连接，所述第六二极管D₂₂的阴极与所述第四二极管D₂₁的阳极a₂连接；

其中，所述缓冲单元包括：第三电容C_o和第五二极管D_o，所述第五二极管D_o的阳极与所述第三二极管D₁₁的阴极a₁连接，所述第五二极管D_o的阴极与所述第三电容C_o的第一端连接，所述第三电容C_o的第二端与所述第四二极管D₂₁的阳极a₂连接。

其中，所述吸收单元包括：两个电感L₁、L₂、两个电容C₁₁、C₂₁和两个二极管D₁₁、D₂₁，第一电感L₁和第二电感L₂串联连接，且连接后的所述第一电感L₁和第二电感L₂串联于所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极之间，第一电容C₁₁并联于所述第一开关管S₁的集电极和发射极之间，所述第二电容C₂₁并联于所述第二开关管S₂的集电极和发射极之间，由所述第一电感L₁和第二电感L₂的连接点为负载供电，所述第三二极管D₁₁串联于所述第一开关管S₁的发射极与所述第一电容C₁₁之间，且其阳极a₁与所述第一电容C₁₁连接，所述第四二极管D₂₁串联于所述第二开关管S₂的集电极与所述第二电容C₂₁之间，且其阴极a₂与所述第二电容C₂₁连接。

其中，所述缓冲单元包括：第三电容C_o和第五二极管D_o，所述第五二极管D_o的阳极与所述第四二极管D₂₁的阴极a₂连接，所述第五二极管D_o的阴极与所述第三电容C_o的第一端连接，所述第三电容C_o的第二端与所述第三二极管D₁₁的阳极a₁连接。

其中，所述缓冲单元包括：两个电容C₁₂、C₂₂和两个二极管D₁₂、D₂₂，第三电容C₁₂的第一端与所述第四二极管D₂₁的阳极b₂连接，所述第三电容C₁₂的第二端与所述第五二极管D₁₂的阴极连接，所述第五二极管D₁₂的阳极与所述电源的负极连接，第四电容C₂₂的第一端与所述第三二极管D₁₁的阴极b₁，所述第四电容C₂₂的第二端与所述第六二极管D₂₂的阳极连接，所述第六二极管D₂₂的阴极与所述电源的阳极连接。

其中，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述缓冲单元中电容的电压低于所述电源的电压，所述缓冲单元中电容的电压由所述电源的电压、所述缓冲单元中电容的电容值、所述直流/直流隔离式变换电路中的变压器匝比和控制占空比决定。

其中，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述直流/直流隔离式变换电路为推挽式变换电路、正激式变换电路、反激式变换电路、全桥式变换电路或半桥式变换电路。

其中，所述能量有源回馈单元为直流/直流非隔离式变换电路，所述直流/直流非隔离式变换电路包括辅助开关管S_a1和S_a2，每个辅助开关管均包括：集电极、发射极和栅极，所述辅助开关管S_a1的发射极与第三二极管D₁₁的阳极a₁连接，所述辅助开关管S_a1的集电极与所述第五二极管D₁₂的阴极连接，所述辅助开关管S_a2的集电极与所述第四二极管D₂₁的阴极a₂连接，所述辅助开关管S_a2的发射极与所述第六二极管D₂₂的阳极连接；

所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极的连接点的电流I_o在开关管S₁和第二二极管之间换向时，所述辅助开关管S_a1处于常通状态，所述辅助开关管S_a2处于常断状态，且所述辅助开关管S_a2能承受预设的反向电压；所述电流I_o在开关管S₂和第一二极管之间换向时，所述辅助开关管S_a2处于常通状态，S_a1处于常断状态，且所述辅助开关管S_a1能承受预设的反向电压，所述反向电压大小通过改变所述缓冲单元中电容的电容值和吸收单元中电容的电容值之间的比值来调整。

其中，所述第一电感L₁和第二电感L₂为独立电感或耦合电感。

本发明还公开了一种变换器，其特征在于，所述变换器包括：至少两个所述的变换器桥臂电路，所有变换器桥臂电路共用一个能量有源回馈单元。

（三）有益效果

本发明通过缓冲单元将残留能量集中接收，并通过能量有源回馈单元将残留能量回馈到电源中，不仅消除了无损吸收回路的电流环流问题，而且提高了变换器的效率。

附图说明

图1是本发明第一种实施方式的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构框图；

图2是本发明第一种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；

图3是本发明第二种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；

图4是本发明第三种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；

图5是本发明第四种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明第一种实施方式的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构框图；参照图1，所述变换器桥臂电路包括：依次连接的电源、桥臂单元、吸收单元、缓冲单元和能量有源回馈单元，所述能量有源回馈单元与所述电源连接；

所述桥臂单元将所述电源供应的能量传递到负载；

本实施方式通过缓冲单元将残留能量集中接收，并通过能量有源回馈单元将残留能量回馈到电源中，不仅消除了无损吸收回路的电流环流问题，而且提高了变换器的效率。

根据吸收电感和缓冲电容连接位置的不同，能量有源回馈吸收回路(EnergyActiveRecoverySnubber,EARS)的缓冲电容有单缓冲支路电容和双缓冲支路电容两种，辅助开关管的耐压有低压(电压可以是桥臂直流侧电压的十分之一左右)和常压(电压等于桥臂直流侧电压)两种。低压辅助开关管能量回馈电路具有隔离变压电路结构，可以是推挽式变换电路、正激式变换电路、反激式变换电路、全桥式变换电路或半桥式变换电路等直流/直流（DC/DC）隔离变换电路拓扑形式。低压辅助开关管及其能量缓冲电容的电压与隔离变压器的匝比有关。而常压辅助开关管能量回馈电路有隔离式和非隔离式两种。

实施例1

图2是本发明第一种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；本实施例为变换器桥臂电路中具有双缓冲支路电容、低压辅助开关管的能量有源回馈吸收回路，辅助开关管构成的能量回馈电路是推挽式直流/直流变换电路结构；参照图2，所述桥臂单元包括：两个开关管S₁、S₂和两个二极管，每个开关管均包括：集电极、发射极和栅极，第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极连接，所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极（即图中的“P”点）连接，所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极（即图中的“N”点）连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S₁的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S₁的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S₂的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S₂的集电极连接，由所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极的连接点为所述负载供电。

优选地，所述吸收单元包括：两个电感L₁、L₂、两个电容C₁₁、C₂₁和两个二极管D₁₁、D₂₁，第一电感L₁串联于所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极之间，第二电感L₂串联于所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极之间，第一电容C₁₁并联于所述第一开关管S₁的集电极和发射极之间，所述第二电容C₂₁并联于所述第二开关管S₂的集电极和发射极之间，所述第三二极管D₁₁串联于所述第一开关管S₁的集电极与所述第一电容C₁₁之间，且其阴极a₁与所述第一电容C₁₁连接，所述第四二极管D₂₁串联于所述第二开关管S₂的发射极与第二电容C₂₁之间，且其阳极a₂与所述第二电容C₂₁连接；

优选地，所述缓冲单元包括：两个电容C₁₂、C₂₂和两个二极管D₁₂、D₂₂，第三电容C₁₂的第一端与所述电源的阳极连接，所述第三电容C₁₂的第二端与第五二极管D₁₂的阴极连接，所述第五二极管D₁₂的阳极与所述第三二极管D₁₁的阴极a₁连接，所述第四电容C₂₂的第一端与所述电源的阴极连接，所述第四电容C₂₂的第二端与所述第六二极管D₂₂的阳极连接，所述第六二极管D₂₂的阴极与所述第四二极管D₂₁的阳极a₂连接；

其中，L₁和L₂是吸收电感，串联在开关管S₁和S₂的两侧，用于抑制开关管开通过程的电流上升率di/dt，以降低开通损耗；C₁₁和C₂₁是吸收电容，分别并联在开关管S₁和S₂上，用于抑制开关管关断过程中的电压上升率dv/dt；D₁₁和D₂₁分别与吸收电容C₁₁和C₂₁串联，用于防止开关管开通时吸收电容的电压通过开关管短路放电；C₁₂和C₂₂分别为S₁和S₂对应的缓冲电容，通过D₁₂和D₂₂自动换流，在开关过程将吸收电感和吸收电容的谐振能量转移到C₁₂和C₂₂中。

下面以桥臂单元上开关管S₁的开关状态为例进行分析，S₂的开关工作过程与S₁类似，这里便不再赘述。本实施例的变换器桥臂电路的工作原理为：当S₁开通时，电感L₁的电流逐渐增加，电感L₂的电流逐渐减小，二极管D₁₂两端不再承受反向压降，则C₁₁通过二极管D₁₂、电感L₁、开关管S₁谐振回路向缓冲电容C₁₂转移能量。当L₂中的电流谐振减小至0时，电源V_in通过电感L₁、开关管S₁、二极管D₂₁、电感L₂为C₂₁进行谐振充电。当C₁₁放电结束后，若L₁中的电流除了负载电流和L₂中的电流外，仍存在一定的残余电流，则L₁将通过二极管D₁₁和D₁₂将残余电流转移到缓冲电容C₁₂中，与此同时，L₂与C₂₁仍然进行谐振，为C₂₁充电。若L₂电流下降为0、C₂₁的电压充电至时（定义V_C12=V_C22=V_b），则二极管D₂₂不再承受反向压降，开始导通，C₂₁通过电感L₁、电源V_in、缓冲电容C₂₂、二极管D₂₂、负载电流I_o进行谐振放电，当谐振半周，C₂₁放电电流为0时，C₂₁电压稳定在大于等于V_in但小于等于V_in+V_b的值；若C₂₁电压充电至V_in+2V_b时，L₂电流还未下降为0，此时二极管D₂₂导通，电感L₂中多余的电流将经过D₂₁、D₂₂转移到缓冲电容C₂₂中，当L₂中电流下降为0时，C₂₁按上述所说的过程通过电感L₁、直流侧电压源V_in、缓冲电容C₂₂、二极管D₂₂、负载电流I_o进行谐振放电，谐振半周之后该过程结束，C₂₁电压稳定在V_in，此后进入S₁开通稳态。当S₁关断时，电感L₁对C₁₁进行线性充电，当C₁₁电压充电至V_in+V_b-V_c21时，二极管D₂₂开始导通，则C₂₁通过二极管D₂₂、负载电流源I_o、缓冲电容C₂₂进行谐振放电，C₁₁通过L₁继续谐振充电，当V_c21下降到小于等于V_b时，S₁的续流二极管（S₂的反并联二极管，即第二二极管）开始导通，则L₂通过S₁的续流二极管参与谐振过程，电流逐渐上升。当L₂的电流上升到I_o时，若C₂₁的电压还未放电到0，留有残余电压ΔV，则C₁₁充电至V_in+2V_b-ΔV；当L₂的电流上升到I_o时，C₂₁的电压已经放电到0，则C₁₁充电至V_in+2V_b。此后电容C₁₁通过二极管D₁₂、缓冲电容C₁₂、电源V_in、电感L₂、S₂的反并联二极管、负载电流I_o进行谐振放电，谐振半周之后C₁₁放电电流为0时，C₁₁电压稳定在大于等于V_in但小于等于V_in+V_b的某个值，而后进入S₁关断稳态。在S₁开关过程中，吸收回路中的能量转移到C₁₂和C₂₂中，因此C₁₂和C₂₂中的电压是波动的。由于吸收回路的能量缓冲由桥臂上下两侧的两个电容C₁₂和C₂₂分别来承担，因此其相应的回馈电路需要用两个辅助开关管和两个变压器原边，故本实施例的辅助DC/DC隔离变换器采用推挽式变换电路的形式来实现，但不限于推挽式变换电路。

本实施例的变换器桥臂电路中的能量有源回馈单元为推挽式变换电路，其由辅助开关管S_a1、S_a2、二极管D_a1、D_a2、D_s、变压器组成，由于推挽式变换电路的工作原理为本领域技术人员所公知的技术，故而在此不再赘述。辅助开关管S_a1、S_a2的控制方式独立于开关管S₁、S₂的控制逻辑，缓冲电容C₁₂和C₂₂上的电压平均值取决于变压器的匝比，变换器输出侧滤波电感可用变压器的漏感来获得。因推挽式变换电路输出侧为桥臂单元两侧的电源V_in，输出电压需要维持恒定不变，因此可以采用前馈或者反馈的形式实现可调占空比。

图2中的辅助直流/直流隔离变换电路中的低压辅助开关管的选择只依赖于C₁₂或C₂₂中的电压和需要回馈的能量，且其控制独立于桥臂单元中的开关管控制逻辑时序。这非常有利于辅助直流/直流隔离变换器的设计。同一变换器中不同桥臂单元对应的缓冲单元可以共用一个辅助直流/直流隔离变换电路。这种具有辅助开关管的能量有源回馈吸收回路(EARS)技术，解决了无损吸收回路的能量无源回馈的环流问题。变换器桥臂电路上的吸收电感、吸收电容及其串联的二极管和能量回馈支路在图2电路的基础上，可以进行相应的变化，得到不同的无损吸收回路。

实施例2

图3是本发明第二种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；本实施例的变换器桥臂电路中具有单缓冲支路电容、低压辅助开关管的能量有源回馈吸收回路，辅助开关管构成的能量回馈电路是单端正激式直流/直流变换电路结构；参照图3，所述桥臂单元包括：两个开关管S₁、S₂和两个二极管，每个开关管均包括：集电极、发射极和栅极，第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极连接，所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S₁的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S₁的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S₂的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S₂的集电极连接，由所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极的连接点为所述负载供电。

所述吸收单元包括：两个电感L₁、L₂、两个电容C₁₁、C₂₁和两个二极管D₁₁、D₂₁，所述第一电感L₁和第二电感L₂串联连接，且连接后的所述第一电感L₁和第二电感L₂串联于所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极之间，第一电容C₁₁并联于所述第一开关管S₁的集电极和发射极之间，所述第二电容C₂₁并联于所述第二开关管S₂的集电极和发射极之间，由所述第一电感L₁和第二电感L₂的连接点为负载供电，所述第三二极管D₁₁串联于所述第一开关管S₁的发射极与所述第一电容C₁₁之间，且其阳极a₁与所述第一电容C₁₁连接，所述第四二极管D₂₁串联于所述第二开关管S₂的集电极与所述第二电容C₂₁之间，且其阴极a₂与所述第二电容C₂₁连接。

优选地，所述缓冲单元包括：第三电容C_o和第五二极管D_o，所述第五二极管D_o的阳极与所述第四二极管D₂₁的阴极a₂连接，所述第五二极管D_o的阴极与所述第三电容C_o的第一端连接，所述第三电容C_o的第二端与所述第三二极管D₁₁的阳极a₁连接。

下面以桥臂单元上开关管S₁的开关状态为例进行分析，S₂的开关工作过程与S₁类似，这里便不再赘述。本实施例的变换器桥臂电路的工作原理为：当S₁开通时，电感L₁电流线性增加到I_o，L₂中电流线性减小为0，之后C₁₁通过开关管S₁、电感L₁和L₂、二极管D₂₁、D_o构成的放电谐振回路向缓冲电容C_o转移能量，电源V_in通过开关管S₁、电感L₁和L₂、二极管D₂₁给C₂₁进行谐振充电。当C₁₁放电结束，C₂₁充电至V_in+V_Co时，谐振过程结束。此后，L₁和L₂中的电流能量通过二极管D₁₁、D₂₁、D_o转移到缓冲电容C_o中。当L₂中电流降为零时，L₁中电流降为I_o，此后S₁开通暂态过程结束，进入稳态。当S₁关断时，C₁₁线性充电至V_in，C₂₁通过缓冲电容C_o线性放电至V_Co；此后输入电压源V_in、电容C₁₁、C₂₁、C_o、输出电流源I_o、L₁和L₂构成谐振回路；当L₁电流谐振到0时、L₂的电流谐振到I_o时，C₁₁电压充电至V_in+V_Co、C₂₁电压放电至0，而后进入S₁关断稳态。依据电路原理，在S₁开关过程中，吸收回路中的能量转移到同一个缓冲电容C_o中，因此C_o的电压是波动的。本实施例的辅助DC/DC隔离变换器采用单端正激式变换电路的形式来实现，但不限于单端正激式变换电路。

本实施例的变换器桥臂电路中的能量有源回馈单元为单端正激式变换电路，其由辅助开关管S_a、二极管D_a、D_s、变压器组成，由于单端正激式变换电路的工作原理为本领域技术人员所公知的技术，故而在此不再赘述。辅助开关管S_a的控制方式独立于桥臂开关管的控制逻辑，缓冲电容C_o上的电压平均值取决于变压器的匝比。同样其输出侧的滤波电感可以用变压器的漏感来实现。为维持输出电压的恒定不变，可以采用前馈或者反馈的控制方式实现可调占空比。辅助DC/DC隔离变换器不限于正激形式，也可以采用其他形式。

实施例3

图4是本发明第三种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；本实施例的变换器桥臂电路中具有单缓冲支路电容、常压辅助开关管的能量有源回馈吸收回路，辅助开关管构成的能量回馈电路是双端正激式直流/直流变换电路结构；参照图4，本实施例的变换器桥臂电路与实施例1的电路结构基本相同，不同之处在于：

所述缓冲单元包括：第三电容C_o和第五二极管D_o，所述第五二极管D_o的阳极与所述第三二极管D₁₁的阴极a₁连接，所述第五二极管D_o的阴极与所述第三电容C_o的第一端连接，所述第三电容C_o的第二端与所述第四二极管D₂₁的阳极a₂连接。

本实施例的辅助DC/DC隔离变换器采用双端正激式变换电路的形式来实现，但不限于双端正激式变换电路。本实施例的变换器桥臂电路中的能量有源回馈单元为双端正激式变换电路，其由辅助开关管S_a1、S_a2、二极管D_a1、D_a2、D_s、变压器组成，由于单端正激式变换电路的工作原理为本领域技术人员所公知的技术，故而在此不再赘述。

下面以桥臂单元上开关管S₁的开关状态为例进行分析，S₂的开关工作过程与S₁类似，这里便不再赘述。本实施例的变换器桥臂电路的工作原理为：当S₁开通时，电感L₁中电流线性增加到I_o，L₂中电流线性减小到0，开关管S₂的反并联二极管截止。此后，C₁₁通过二极管D_o、D₂₁、L₂、电源V_in、L₁、S₁组成的谐振回路将能量转移到缓冲电容C_o中，电源V_in通过L₁、S₁、D₂₁、L₂为C₂₁进行谐振充电。当C₁₁放电结束、C₂₁充电至V_in时，谐振过程结束。谐振过程结束时，L₁和L₂中的谐振电流达到最大值。此后，L₁和L₂中的谐振电流向C_o和C₂₁并联放电，当L₂电流降为零时，L₁电流降为I_o。此后S₁开通暂态过程结束，进入稳态。当S₁关断时，输入电压源V_in通过电感L₁、二极管D₁₁、输出电流源I_o对C₁₁进行充电，同时，C₂₁通过输出电流源I_o、输入电压源V_in、电感L₁、二极管D₁₁、D_o回路将能量转移到缓冲电容C_o中。此过程V_co近似看作不变，则C₁₁是线性充电，C₂₁是线性放电，C₁₁和C₂₁的充放电电流相等，均为I_o的一半。当C₂₁放电结束后，C₁₁充电至V_in。此后D₂₁、S₁的续流二极管（S₂的反并联二极管，即第二二极管）导通，将C₂₁的电压箝位在零电平，L₁通过V_in和输出电流源I_o向C₁₁和C_o电容中谐振放电，同时，C₁₁和C_o通过V_in和输出电流源I_o给L₂进行谐振充电。当L₁电流由I_o降为零时，L₂电流由零上升为I_o，谐振过程结束，S₁关断暂态过程也结束，进入稳态。当C₁₁充电至V_in时，谐振过程结束，D₂₁中的电流转移到L₂中。与实施例2的原理类似，在开关换向期间，C_o的电压是波动的，缓冲电容C_o的能量以双端正激式变换电路的形式回馈到电源侧。同一变换器中不同桥臂单元对应的缓冲单元可以共用一个辅助直流/直流隔离变换电路。辅助开关管S_a1、S_a2的控制独立于开关管S₁、S₂的控制逻辑时序，缓冲电容C_o上的电压平均值等于直流侧输入电压V_in，其输出侧的滤波电感也可以用变压器的漏感实现。由于双端正激式变换电路的输出端为电源，因此要维持输出电压的恒定不变，可以采用前馈或反馈的形式实现可调占空比。

实施例4

图5是本发明第四种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；本实施例的变换器桥臂电路中具有双缓冲支路电容、常压辅助开关管的能量有源回馈吸收回路，辅助开关管构成的能量回馈电路是直流/直流非隔离式变换电路结构；参照图5，本实施例的变换器桥臂电路与实施例2的电路结构基本相同，不同之处在于：

所述缓冲单元包括：两个电容C₁₂、C₂₂和两个二极管D₁₂、D₂₂，所述第三电容C₁₂的第一端与所述第四二极管D₂₁的阳极b₂连接，所述第三电容C₁₂的第二端与所述第五二极管D₁₂的阴极连接，所述第五二极管D₁₂的阳极与所述电源的负极连接，所述第四电容C₂₂的第一端与所述第三二极管D₁₁的阴极b₁，所述第四电容C₂₂的第二端与所述第六二极管D₂₂的阳极连接，所述第六二极管D₂₂的阴极与所述电源的阳极连接。

本实施例的所述能量有源回馈单元为直流/直流非隔离式变换电路，由辅助开关管S_a1和S_a2组成，所述辅助开关管S_a1的发射极与第三二极管D₁₁的阳极a₁连接，所述辅助开关管S_a1的集电极与所述第五二极管D₁₂的阴极连接，所述辅助开关管S_a2的集电极与所述第四二极管D₂₁的阴极a₂连接，所述辅助开关管S_a2的发射极与所述第六二极管D₂₂的阳极连接。

由于本实施例的，下面开关管S₁的开关状态为例进行分析，S₂的开关工作过程与S₁类似，这里便不再赘述。本实施例的变换器桥臂电路的工作原理为：当I_o电流为正时，辅助开关管S_a1工作在导通状态，S_a2工作在截止状态，电流I_o在开关管S₁与其续流二极管（即第二二极管）之间换向，且S_a2能承受预设的反向电压，所述反向电压大小通过改变所述缓冲单元中电容C₁₂、C₂₂的电容值和吸收单元中电容C₁₁、C₂₁的电容值之间的比值来调整。当S₁开通时，电感L₁中电流线性上升，L₂中电流线性下降，当L₁电流上升到I_o，L₂电流下降为零时，C₁₁通过开关管S₁，电感L₁和L₂回路为缓冲电容C₁₂进行充电，将C₁₁和谐振电感L₁和L₂的能量全部转移到C₁₂中；当S₁关断时，C₁₁线性充电，当C₁₁电压上升至使D₁₂不再承受反向压降时，C₁₂开始向负载放电，将C₁₂的能量全部转移到负载侧，当C₁₂中电压下降为零时，S₁的续流二极管（即第一二极管）开始导通。

当图4中的I_o电流为负时，则辅助开关管S_a1工作在截止状态，S_a2工作在导通状态，电流I_o在开关管S₂与其续流二极管（即开关管S₁的反并联二极管）之间换向。

图5的工作原理表明，辅助开关管S_a1和S_a2的导通和关断状态，只与电流I_o的方向有关，与桥臂开关管的控制逻辑时序无关。因此辅助开关管S_a1和S_a2的控制非常简单。但在实际电路中，该辅助开关管S_a1和S_a2会承受反向压降。可通过调节吸收电容C₁₁或C₂₁与缓冲电容C₁₂或C₂₂的比值来降低辅助开关管所承受的反向电压。显然，辅助开关管承受的反向电压可以远小于正向电压，因此该辅助开关管S_a1和S_a2可以用IGBT等器件来实现。

对于实施例1～4中任一项所述的变换器桥臂电路，其中，所述第一电感L₁和第二电感L₂可以为独立电感（即普通意义上的电感），还可以为耦合电感，但为耦合电感时，不仅可以使桥臂电路中主开关管的电流应力更小，还可以使开通损耗进一步减小。

对于实施例1或2所述的变换器桥臂电路，其中，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述缓冲单元中电容的电压低于所述电源的电压，所述缓冲单元中电容的电压由所述电源的电压、所述缓冲单元中电容的电容值、所述直流/直流隔离式变换电路中的变压器匝比和控制占空比决定。

本发明还公开了一种变换器，所述变换器包括：至少两个实施例1或3所述的变换器桥臂电路，所有变换器桥臂电路可共用一个能量有源回馈单元，从而简化电路和节约成本。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路，其特征在于，所述变换器桥臂电路包括：依次连接的电源、桥臂单元、吸收单元、缓冲单元和能量有源回馈单元，所述能量有源回馈单元与所述电源连接；

所述桥臂单元将所述电源供应的能量传递到负载；

2.如权利要求1所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述桥臂单元包括：两个开关管S₁、S₂和两个二极管，每个开关管均包括：集电极、发射极和栅极，第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极连接，所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S₁的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S₁的集电极连接，第二二极管的阳极与所述第二开关管S₂的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S₂的集电极连接，由所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极的连接点为所述负载供电；

其中，所述吸收单元包括：两个电感L₁、L₂、两个电容C₁₁、C₂₁和两个二极管D₁₁、D₂₁，第一电感L₁串联于所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极之间，第二电感L₂串联于所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极之间，第一电容C₁₁并联于所述第一开关管S₁的集电极和发射极之间，第二电容C₂₁并联于所述第二开关管S₂的集电极和发射极之间，第三二极管D₁₁串联于所述第一开关管S₁的集电极与所述第一电容C₁₁之间，且其阴极a₁与所述第一电容C₁₁连接，第四二极管D₂₁串联于所述第二开关管S₂的发射极与第二电容C₂₁之间，且其阳极a₂与所述第二电容C₂₁连接；

其中，所述缓冲单元包括：两个电容C₁₂、C₂₂和两个二极管D₁₂、D₂₂，第三电容C₁₂的第一端与所述电源的阳极连接，所述第三电容C₁₂的第二端与第五二极管D₁₂的阴极连接，所述第五二极管D₁₂的阳极与所述第三二极管D₁₁的阴极a₁连接，第四电容C₂₂的第一端与所述电源的阴极连接，所述第四电容C₂₂的第二端与第六二极管D₂₂的阳极连接，所述第六二极管D₂₂的阴极与所述第四二极管D₂₁的阳极a₂连接。

3.如权利要求1所述的变换器桥臂电路，其特征在于，

所述桥臂单元包括：两个开关管S₁、S₂和两个二极管，每个开关管均包括：集电极、发射极和栅极，第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极连接，所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S₁的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S₁的集电极连接，第二二极管的阳极与所述第二开关管S₂的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S₂的集电极连接，由所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极的连接点为所述负载供电；

4.如权利要求1所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述桥臂单元包括：两个开关管S₁、S₂和两个二极管，每个开关管均包括：集电极、发射极和栅极，第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极连接，所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S₁的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S₁的集电极连接，第二二极管的阳极与所述第二开关管S₂的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S₂的集电极连接，由所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极的连接点为所述负载供电；

其中，所述吸收单元包括：两个电感L₁、L₂、两个电容C₁₁、C₂₁和两个二极管D₁₁、D₂₁，第一电感L₁和第二电感L₂串联连接，且连接后的所述第一电感L₁和第二电感L₂串联于所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极之间，第一电容C₁₁并联于所述第一开关管S₁的集电极和发射极之间，第二电容C₂₁并联于所述第二开关管S₂的集电极和发射极之间，由所述第一电感L₁和第二电感L₂的连接点为负载供电，第三二极管D₁₁串联于所述第一开关管S₁的发射极与所述第一电容C₁₁之间，且其阳极a₁与所述第一电容C₁₁连接，第四二极管D₂₁串联于所述第二开关管S₂的集电极与所述第二电容C₂₁之间，且其阴极a₂与所述第二电容C₂₁连接；

5.如权利要求1所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述桥臂单元包括：两个开关管S₁、S₂和两个二极管，每个开关管均包括：集电极、发射极和栅极，第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极连接，所述第一开关管S₁的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S₂的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S₁的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S₁的集电极连接，第二二极管的阳极与所述第二开关管S₂的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S₂的集电极连接，由所述第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极的连接点为所述负载供电；

其中，所述缓冲单元包括：两个电容C₁₂、C₂₂和两个二极管D₁₂、D₂₂，第三电容C₁₂的第一端与所述第四二极管D₂₁的阳极b₂连接，所述第三电容C₁₂的第二端与第五二极管D₁₂的阴极连接，所述第五二极管D₁₂的阳极与所述电源的负极连接，第四电容C₂₂的第一端与所述第三二极管D₁₁的阴极b₁，所述第四电容C₂₂的第二端与第六二极管D₂₂的阳极连接，所述第六二极管D₂₂的阴极与所述电源的阳极连接。

6.如权利要求2或4所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述缓冲单元中电容的电压低于所述电源的电压，所述缓冲单元中电容的电压由所述电源的电压、所述缓冲单元中电容的电容值、所述直流/直流隔离式变换电路中的变压器匝比和控制占空比决定。

7.如权利要求2～4中任一项所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述直流/直流隔离式变换电路为推挽式变换电路、正激式变换电路、反激式变换电路、全桥式变换电路或半桥式变换电路。

8.如权利要求5所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述能量有源回馈单元为直流/直流非隔离式变换电路，所述直流/直流非隔离式变换电路包括辅助开关管S_a1和S_a2，每个辅助开关管均包括：集电极、发射极和栅极，所述辅助开关管S_a1的发射极与第三二极管D₁₁的阳极a₁连接，所述辅助开关管S_a1的集电极与所述第五二极管D₁₂的阴极连接，所述辅助开关管S_a2的集电极与所述第四二极管D₂₁的阴极a₂连接，所述辅助开关管S_a2的发射极与所述第六二极管D₂₂的阳极连接；

9.如权利要求2～5中任一项所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述第一电感L₁和第二电感L₂为独立电感或耦合电感。

10.一种变换器，其特征在于，所述变换器包括：至少两个权利要求2或3所述的变换器桥臂电路，连接到相同直流电源的所有变换器桥臂电路共用一个能量有源回馈单元。