CN103731040B - 一种高效率的dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效率的DC‑DC变换器，包括结构相同的第一全桥、第二全桥和第三全桥，全桥的桥臂均与输入电源并联且第一全桥、第二全桥和第三全桥之间的相位相差120度；超前桥臂的桥上管先发驱动，桥下管比桥上管延时半个周期驱动；滞后桥臂的桥上管比超前桥臂的桥上管延时一个X时间驱动。由于对于每阶能量传递的5个状态，第一全桥、第二全桥和第三全桥中都至少有一相、最多两相进行工作，在整个过程中电流由同时工作的全桥分担，减少了单个全桥的电流负荷，不但有效降低电路损耗，解决传统全桥在做大功率时的电流限制问题，而且还降低了器件的耐流要求。由于在部分时段实现软开关状态，降低了由开关管的硬开关状态带来的开关管损耗，从而提高了DC‑DC变换器的变换效率。

Description

一种高效率的DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种电压变换器，具体涉及一种高效率的DC-DC变换器。

背景技术

在太阳能发电系统、燃料电池发电系统等低压、大电流供电系统中，直流-直流(DC-DC)变换器能够将固定的直流电压变换成可变的直流电压并进行输出，因而是实现能量装换、传递电压电流及功率控制的关键执行部件。传统的DC-DC变换器采用硬开关的工作方式，影响硬开关DC-DC变换器工作效率的因素主要是开关管的损耗。开关管的损耗主要分为两部分，一是开关管在开通和关断的过程中，由于电压和电流的同时存在而产生的开断损耗；而是在开关管开通时，因为其本身导通电阻的存在而产生的导通损耗。

目前的DC-DC变换器主要以单相全桥拓扑的形式为主，其具有控制方式灵活、功率等级高的特点，在高电压小电流输入的降压场合能达到较好的效率。但如果将这种全桥式DC-DC变换器直接应用于低压大电流输入的场合时，由于电流增大导致开关管的导通损耗倍增，因此难以达到预期变换效率，且随着功率等级进一步增加，电流进一步增大时，对器件的耐流和散热要求就越来越高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种可同时实现开关管的零电压开通和零电流开通、关闭，可以解决传统全桥在做大功率时的电流限制问题，且能实现小体积、对器件耐流要求低的高效率的DC-DC变换器。

本发明的技术方案如下：

一种高效率的DC-DC变换器，其特征在于：它包括结构相同的第一全桥、第二全桥和第三全桥，每个全桥包括两个并联的桥臂和一个变压器，所述桥臂由两个串联的开关管构成，所述桥臂均与输入电源并联；所述同一桥臂中驱动信号超前的开关管为桥上管，驱动信号滞后的开关管为桥下管，所述全桥中驱动信号超前的桥臂为超前桥臂，驱动信号滞后的桥臂为滞后桥臂；所述变压器的正极输入端子连接所述超前桥臂的两开关管之间，负极输入端子连接所述滞后桥臂的两开关管之间；

所述第一全桥、第二全桥和第三全桥之间的相位相差120度；所述超前桥臂的桥上管先发驱动，所述桥下管比所述桥上管延时半个周期驱动；滞后桥臂的桥上管比超前桥臂的桥上管延时一个X时间驱动。

所述X的取值范围应该在60-120°之间。

所述变压器的输出端先后连接一个整流电路和一个LC滤波电路。

所述整流电路包括三组并联电路，每组电路包括两个串联的二极管。

所述第一全桥、第二全桥和第三全桥的变压器的副边线圈的负极端子连接在一起。

所述变压器的副线圈正极端子连接在两所述二极管之间。

所述开关管为场效应管。

本发明的技术效果如下：

本发明的一种高效率的DC-DC变换器，包括结构相同的第一全桥、第二全桥和第三全桥，全桥的桥臂均与输入电源并联且第一全桥、第二全桥和第三全桥之间的相位相差120度；超前桥臂的桥上管先发驱动，桥下管比桥上管延时半个周期发驱动；滞后桥臂的桥上管比超前桥臂的桥上管延时一个X时间驱动。由于对于每阶能量传递的5个状态，第一全桥、第二全桥和第三全桥中都至少有一相、最多两相进行工作，这样在整个过程中电流由同时工作的全桥分担，减少了单个全桥的电流负荷，不但有效降低电路损耗，还解决传统全桥在做大功率时的电流限制问题，而且还降低了器件的耐流要求。

由于滞后桥臂的开关管(SA2P,SA2N,SB2P，SB2N,SC2P,SC2N)实现零电压开通，超前桥臂的开关管(SA1P,SA1N,SB1P,SB1N,SC1P,SC1N)实现零电流关断和零电流开通，因此本发明的DC-DC变换器能够在整个过程时段实现软开关状态，这样就降低了由开关管的硬开关状态带来的开关管损耗，从而提高了DC-DC变换器的变换效率。

附图说明

图1是本发明的DC-DC变换器拓扑结构图

图2是本发明的DC-DC变换器控制时序图

图3是本发明的第一阶段电路示意图

图4是本发明的第二阶段电路示意图

图5是本发明的第三阶段电路示意图

图6是本发明的第四阶段电路示意图

图7是本发明的第五阶段电路示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的DC-DC变换器的输入端包括三个结构相同的全桥，其中每个全桥包括两个桥臂和一个单相变压器，每个桥臂由两个串联的开关管构成，所有全桥的桥臂均与输入电源并联；变压器的输入端子分别连接在桥臂的开关管之间，输出电压经过一个由二极管构成的整流电路进行整流，之后再经过一个LC滤波电路滤波，这样就得到了所需的直流输出电压。

本发明将同一全桥中驱动信号超前的桥臂称为超前桥臂，驱动信号滞后的桥臂称为滞后桥臂；将同一桥臂中驱动信号超前的开关管称为桥上管，驱动信号滞后的开关管称为桥下管。变压器原线圈的正极端子连接在超前桥臂的两个开关管之间，负极端子连接在滞后桥臂的两个开关管之间；副线圈的正极端子连接在整流电路的两个二极管之间，三个全桥的负极端子连接在一起。

由于开关管的所有占空比都为50％，需要留有一定的死区时间，对于第一全桥而言，超前桥臂的桥上管先发驱动，桥下管比桥上管延时半个周期驱动，滞后桥臂的桥上管比超前桥臂的桥上管延时一个X时间驱动；第二全桥、第三全桥与第一全桥一样，桥下管、桥上管间相差半个周期，滞后桥臂的桥上管、超前桥臂的桥上管间相差一个X时间；第一全桥、第二全桥、第三全桥，每个全桥之间的相位相差120度。由此实现开关管的零电压(ZVS)开通和零电流(ZCS)开通和关闭。由于X时间是根据预期的输出电压Vout确定的，因此X越大输出电压Vout越高，X越小输出电压Vout越低。本发明的X的取值范围应该在60-120°之间，这样输出电压Vout在NVin与2NVin之间，其中N代表变压器的匝比。这样对比一般的升压系统来说，也能减少设计时变压器的匝数比，进而也能进一步提高效率。

如图1所示，由第一超前桥上管SA1P、第一超前桥下管SA1N、第一滞后桥上管SA2P、第一滞后桥下管SA2N组成第一全桥A的超前桥臂和滞后桥臂，由第二超前桥上管SB1P、第二超前桥下管SB1N、第二滞后桥上管SB2P、第二滞后桥下管SB2N组成第二全桥B的超前桥臂和滞后桥臂，由第三超前桥上管SC1P、第三超前桥下管SC1N、第三滞后桥上管SC2P、第三滞后桥下管SC2N组成第三全桥C的超前桥臂和滞后桥臂。

如图2所示，6个桥臂共12个开关管的控制信号，1-24为一个完整的开关周期，其中1-5为第一阶能量传递，第一全桥A和第三全桥C开通，能量从第二全桥B传递到第三全桥C；6-11为第二阶能量传递，第二全桥B开通，能量从第一全桥A和第三全桥C传递到第二全桥B；12-17为第三阶能量传递，第一全桥A和第三全桥C开通，能量从第二个全桥B传递到第一个全桥A和第三个全桥C；18-23为第四阶能量传递，第二全桥B开通，能量从第一个全桥A和第三个全桥C传递到第二个全桥B。

由于第一阶能量传递、第二阶能量传递、第三阶能量传递和第四阶能量传递的原理相同只是电流在不同相之间进行了转移，因此仅以第一阶能量传递为例进行阐述。第一阶能量传递又分为五个阶段：

如图3所示，第一阶段的控制时序为：第一超前桥上管SA1P、第一滞后桥下管SA2N、第二滞后桥上管SB2P、第二超前桥下管SB1N、第三超前桥上管SC1P、第三滞后桥上管SC2P开，此时电流的流向如图3所示。由于第三超前桥上管SC1P和第三滞后桥上管SC2P都在开通，所以第三全桥C里没有电流流过，由第一全桥A和第二全桥B共同给负载提供电流，一个全桥提供一半。

如图4所示，第二阶段的控制时序为：第一超前桥上管SA1P、第一滞后桥下管SA2N、第二超前桥下管SB1N、第三超前桥上管SC1P、第三滞后桥上管SC2P开，第二滞后桥上管SB2P关断，第二滞后桥下管SB2N预备开通。由于第二滞后桥上管SB2P先关断，第二全桥B里电感要维持电流继续流，所以B2点的电压逐渐减小，直到第二滞后桥下管SB2N中的体二极管自然导通，使得第二滞后桥下管SB2N零电压开通。

如图5所示，第三个阶段的控制时序为：第一超前桥上管SA1P、第一滞后桥下管SA2N、第二超前桥下管SB1N、第二滞后桥下管SB2N、第三超前桥上管SC1P、第三滞后桥上管SC2P开。此时第二全桥B里面没有电流，只有第一全桥A给负载传递能量。

如图6所示，第四个阶段的控制时序为：第一超前桥上管SA1P、第一滞后桥下管SA2N、第二超前桥下管SB1N、第二滞后桥下管SB2N、第三滞后桥上管SC2P开，第三超前桥上管SC1P预备关断。这时第三全桥C里面没有电流，所以第三超前桥上管SC1P的关断为零电流关断。

如图7所示，第五个阶段的控制时序为：第一超前桥上管SA1P、第一滞后桥下管SA2N、第二超前桥下管SB1N、第二滞后桥下管SB2N、第三滞后桥上管SC2P开，第三超前桥上管SC1P预备开通。此时第三全桥C里面只有很小的给节电容充电的电流，所以这时第三超前桥上管SC1P的开通几乎是零电流开通。第三超前桥上管SC1P开通后第一全桥A与第三全桥C共同给负载提供电流，一个全桥提供一半，能量实现从第二全桥B传递到第三全桥C。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种高效率的DC-DC变换器，其特征在于：它包括结构相同的第一全桥、第二全桥和第三全桥，每个全桥包括两个并联的桥臂和一个变压器，所述桥臂由两个串联的开关管构成，所述桥臂均与输入电源并联；所述桥臂中驱动信号超前的开关管为桥上管，驱动信号滞后的开关管为桥下管，所述全桥中驱动信号超前的桥臂为超前桥臂，驱动信号滞后的桥臂为滞后桥臂；所述变压器的正极输入端子连接所述超前桥臂的两开关管之间，负极输入端子连接所述滞后桥臂的两开关管之间；

所述第一全桥、第二全桥和第三全桥之间的相位相差120度；所述超前桥臂的桥上管先发驱动，所述桥下管比所述桥上管延时半个周期驱动；滞后桥臂的桥上管比超前桥臂的桥上管延时一个X时间驱动；

所述X的取值范围在60-120°之间；

所述驱动的控制信号的开关周期为24个，其中1-5个开关周期为第一阶能量传递，所述第一全桥和第三全桥开通，能量从第二全桥传递至第三全桥；6-11个开关周期为第二阶能量传递，所述第二全桥开通，能量从第一全桥和第三全桥传递至第二全桥；12-17个开关周期为第三阶能量传递，所述第一全桥和第三全桥开通，能量从第二个全桥传递到第一个全桥和第三个全桥；18-23个开关周期为第四阶能量传递，所述第二全桥开通，能量从第一个全桥和第三个全桥传递至第二个全桥；

所述第一阶能量传递、第二阶能量传递、第三阶能量传递和第四阶能量传递的原理相同，电流在不同相之间进行转移；第一阶能量传递的五个阶段包括：

第一阶段：第一超前桥上管、第一滞后桥下管、第二滞后桥上管、第二超前桥下管、第三超前桥上管和第三滞后桥上管开通，所述第一全桥和第二全桥共同给负载提供电流；

第二阶段：第一超前桥上管、第一滞后桥下管、第二超前桥下管、第三超前桥上管和第三滞后桥上管开通，第二滞后桥上管关断，第二滞后桥下管预备开通；

第三阶段：第一超前桥上管、第一滞后桥下管、第二超前桥下管、第二滞后桥下管、第三超前桥上管和第三滞后桥上管开通，所述第一全桥给负载提供电流；

第四阶段：第一超前桥上管、第一滞后桥下管、第二超前桥下管、第二滞后桥下管和第三滞后桥上管开通，第三超前桥上管预备关断；

第五阶段：第一超前桥上管、第一滞后桥下管、第二超前桥下管第二滞后桥下管和第三滞后桥上管开通，第三超前桥上管预备开通；所述第三超前桥上管开通后第一全桥与第三全桥共同给负载提供电流。

2.如权利要求1所述的一种高效率的DC-DC变换器，其特征在于：所述变压器的输出端先后连接一个整流电路和一个LC滤波电路。

3.如权利要求2所述的一种高效率的DC-DC变换器，其特征在于：所述整流电路包括三组并联电路，每组电路包括两个串联的二极管。

4.如权利要求1所述的一种高效率的DC-DC变换器，其特征在于：所述第一全桥、第二全桥和第三全桥的变压器的副线圈的负极端子连接在一起。

5.如权利要求3所述的一种高效率的DC-DC变换器，其特征在于：所述变压器的副线圈正极端子连接在两所述二极管之间。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种高效率的DC-DC变换器，其特征在于：所述开关管为场效应管。