CN104242665A - 采用中心抽头电感滤波的zvzcs交错并联双管正激电路 - Google Patents

Abstract

采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路，涉及ZVZCS交错并联双管正激电路。它为解决现有交错并联双管正激变换器由于多采用两个开关管同时导通同时关断，较难实现理想的软开关，以及在变压器原边电流下降时，副边的两组整流二极管会同时导通续流，将变压器副边短路，造成占空比丢失的现象，降低了变压器功率传输的效率的问题。它包括第一至第四开关管模组、第一至第九二极管、第一、第二原边绕组、副边绕组、第一、第二漏感、第一、第二缓冲电容、第一、第二缓冲电感、第一电容、具有中心抽头的滤波电感和第一至第四整流二极管；第一开关管模组至第四开关管模组的组成及连接方式均相同；它适用于中高功率场合中的DC-DC变换器。

Description

采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路

技术领域

本发明涉及一种ZVZCS交错并联双管正激电路。

背景技术

交错并联正激电路是较常用的DC-DC变换电路，该电路没有直通的危险，安全可靠性高，功率等级高，在中高功率场合应用广泛。现有传统结构的具有LCD无源缓冲网络的交错并联双管正激变换器结构及其开关管信号示意图，如图1和图2所示。传统结构的交错并联双管正激变换器可以有效抑制变换器在进行磁复位时由于二极管反向恢复造成的变压器原边电压震荡与过冲，同时该网络可辅助开关管实现软开关。但是传统电路在开关管的控制策略上多采用两个开关管同时导通同时关断。这种控制方法较难实现理想的软开关。同时在变压器原边电流下降时，副边的两组整流二极管会同时导通续流，将变压器副边短路，造成占空比丢失的现象，降低了变压器功率传输的效率。

发明内容

本发明为了解决现有交错并联双管正激变换器由于多采用两个开关管同时导通同时关断，较难实现理想的软开关，以及在变压器原边电流下降时，副边的两组整流二极管会同时导通续流，将变压器副边短路，造成占空比丢失的现象，降低了变压器功率传输的效率的问题，而提出的采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路。

采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路，它包括第一开关管模组至第四开关管模组、第一二极管D₁至第九二极管D₉、第一原边绕组L₁、第二原边绕组L₂、副边绕组L₃、第一漏感L_1k1、第二漏感L_1k2、第一缓冲电容C_r1、第二缓冲电容C_r2、第一缓冲电感L_r1、第二缓冲电感L_r2、第一电容C_f、具有中心抽头的滤波电感和第一整流二极管D_R1至第四整流二极管D_R4；所述第一开关管模组至第四开关管模组的组成及连接方式均相同，所述第一开关管模组由第一三极管Q₁、第一模组二极管和第一结电容C_ds1组成；所述第一三极管Q₁的集电极同时与第一模组二极管的阴极和第一结电容C_ds1的一端相连；所述第一三极管Q₁的发射极同时与第一模组二极管的阳极和第一结电容C_ds1的另一端相连；所述第一三极管Q₁的集电极即为第一开关管模组的正向连接端，所述第一三极管Q₁的发射极即为第一开关管模组的负向连接端；具有中心抽头的滤波电感由第一滤波电感L_f1和第二滤波电感L_f2组成，所述第一滤波电感L_f1的同名端与第二滤波电感L_f2的非同名端相连；第一开关管模组的正向连接端同时与供电电源正极、第三开关管模组的正向连接端、第五二极管D₅的阴极、第二二极管D₂的阴极、第七二极管D₇的阴极和第四二极管D₄的阴极连接；第一开关管模组的负向连接端同时与第一缓冲电容C_r1的一端、第一漏感L_1k1的一端和第一二极管D₁的阴极相连；第五二极管D₅的阳极与第一缓冲电感L_r1的一端相连，第一缓冲电感L_r1的另一端同时与第一缓冲电容C_r1的另一端和第六二极管D₆的阴极相连，第六二极管D₆的阳极同时与第二二极管D₂的阳极、第二开关管模组的正向连接端和第一原边绕组L₁的非同名端相连；第一漏感L_1k1的另一端与第一原边绕组L₁的同名端相连；第一二极管D₁的阳极同时与供电电源负极、第三二极管D₃的阳极、第四开关管模组的负向连接端和第二开关管模组的负向连接端相连；第三开关管模组的负向连接端同时与第二缓冲电容C_r2的一端、第二漏感L_1k2的一端和第三二极管D₃的阴极相连；第七二极管D₇的阳极同时与第二缓冲电感L_r2的另一端和第八二极管D₈的阴极相连，第八二极管D₈的阳极同时与第四二极管D₄的阳极、第四开关管模组的正向连接端和第二原边绕组L₂的同名端相连；第二漏感L_1k2的另一端和第二原边绕组L₂的非同名端相连；副边绕组L₃的同名端同时与第一整流二极管D_R1的阳极和第二整流二极管D_R2的阴极相连，第一整流二极管D_R1的阴极同时与第四整流二极管D_R4的阴极、第一滤波电感L_f1的同名端、第二滤波电感L_f2的非同名端相连，第一滤波电感L_f1的非同名端与第一电容C_f的一端相连，第一电容C_f的另一端同时与第九二极管D₉的阳极、第二整流二极管D_R2的阳极和第三整流二极管D_R3的阳极相连，第三整流二极管D_R3的阴极同时与第四整流二极管D_R4的阳极和副边绕组L₃的非同名端相连；第一电容C_f的两端即为采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路的负载正向端和负载负向端。

本发明的出发点正是保留了传统交错并联正激变换器的优点，同时针对它的缺点进行发明创新的。在不改变变压器原边拓扑结构的基础上，通过采用适当的移相控制方法实现了变换器开关器件的软开关。将变压器副边的滤波电感改为带有中心抽头的滤波电感。该电感的加入，可以有效防止两组整流二极管同时导通造成的占空比丢失问题，也可以软化整流二极管的关断过程，从而抑制因二极管反向恢复带来的电压震荡和过冲。通过本次发明，使交错并联结构的双管正激电路性能更优越。变压器原边采用两路结构完全相同的双管正激子电路进行并联，每个子电路工作半个周期。变压器原边的LCD网络用以抑制原边电压过冲和震荡并辅助实现软开关。变压器副边整流滤波部分采用带有中心抽头的滤波电感，在原边电流下降时，负载电流一部分通过变压器副边另一部分通过第二滤波电感L_f2进行续流。这样可以有效防止两组整流二极管同时导通，从而抑制占空比丢失。同时，由于经过电感的电流只能较缓慢的变化因此通过二极管的电流变化率下降，可抑制由于二极管反向恢复带来的震荡问题。移相控制的开关管信号如图4所示，同一子电路的两个开关管既不同时导通也不同时关断。这样使得两个开关管的通断过程相互独立，利用电路中的谐振分别为两只开关管创造软开通和软关断的条件，可以更好地实现软开关。

本申请所述变换器的升压比根据变压器的匝数比确定。功率等级要根据器件的耐压耐流值，可以达到几千瓦。本发明的变换器所达到的主要参数指标为：

电压调整率：<1％；

负载调整率：<1％；

纹波系数：<0.5％；

变换器的效率：>90％。

附图说明

图1为现有采用LCD无源网络的交错并联正激电路图；图2为现有采用LCD无源网络的交错并联正激电路的开关管信号图；图3为本申请所述采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路图；图4为本申请所述采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路的开关管信号图；图5为本申请所述采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路的控制信号和电路工作波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路，它包括第一开关管模组至第四开关管模组、第一二极管D₁至第九二极管D₉、第一原边绕组L₁、第二原边绕组L₂、副边绕组L₃、第一漏感L_1k1、第二漏感L_1k2、第一缓冲电容C_r1、第二缓冲电容C_r2、第一缓冲电感L_r1、第二缓冲电感L_r2、第一电容C_f、具有中心抽头的滤波电感和第一整流二极管D_R1至第四整流二极管D_R4；所述第一开关管模组至第四开关管模组的组成及连接方式均相同，所述第一开关管模组由第一三极管Q₁、第一模组二极管和第一结电容C_ds1组成；所述第一三极管Q₁的集电极同时与第一模组二极管的阴极和第一结电容C_ds1的一端相连；所述第一三极管Q₁的发射极同时与第一模组二极管的阳极和第一结电容C_ds1的另一端相连；所述第一三极管Q₁的集电极即为第一开关管模组的正向连接端，所述第一三极管Q₁的发射极即为第一开关管模组的负向连接端；具有中心抽头的滤波电感由第一滤波电感L_f1和第二滤波电感L_f2组成，所述第一滤波电感L_f1的同名端与第二滤波电感L_f2的非同名端相连；第一开关管模组的正向连接端同时与供电电源正极、第三开关管模组的正向连接端、第五二极管D₅的阴极、第二二极管D₂的阴极、第七二极管D₇的阴极和第四二极管D₄的阴极连接；第一开关管模组的负向连接端同时与第一缓冲电容C_r1的一端、第一漏感L_1k1的一端和第一二极管D₁的阴极相连；第五二极管D₅的阳极与第一缓冲电感L_r1的一端相连，第一缓冲电感L_r1的另一端同时与第一缓冲电容C_r1的另一端和第六二极管D₆的阴极相连，第六二极管D₆的阳极同时与第二二极管D₂的阳极、第二开关管模组的正向连接端和第一原边绕组L₁的非同名端相连；第一漏感L_1k1的另一端与第一原边绕组L₁的同名端相连；第一二极管D₁的阳极同时与供电电源负极、第三二极管D₃的阳极、第四开关管模组的负向连接端和第二开关管模组的负向连接端相连；第三开关管模组的负向连接端同时与第二缓冲电容C_r2的一端、第二漏感L_1k2的一端和第三二极管D₃的阴极相连；第七二极管D₇的阳极同时与第二缓冲电感L_r2的另一端和第八二极管D₈的阴极相连，第八二极管D₈的阳极同时与第四二极管D₄的阳极、第四开关管模组的正向连接端和第二原边绕组L₂的同名端相连；第二漏感L_1k2的另一端和第二原边绕组L₂的非同名端相连；副边绕组L₃的同名端同时与第一整流二极管D_R1的阳极和第二整流二极管D_R2的阴极相连，第一整流二极管D_R1的阴极同时与第四整流二极管D_R4的阴极、第一滤波电感L_f1的同名端、第二滤波电感L_f2的非同名端相连，第一滤波电感L_f1的非同名端与第一电容C_f的一端相连，第一电容C_f的另一端同时与第九二极管D₉的阳极、第二整流二极管D_R2的阳极和第三整流二极管D_R3的阳极相连，第三整流二极管D_R3的阴极同时与第四整流二极管D_R4的阳极和副边绕组L₃的非同名端相连；第一电容C_f的两端即为采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路的负载正向端和负载负向端。

本发明的工作原理：

结合图4、图5说明分析改进后的变换器的工作原理，在半个周期内分为12个模态，其主要理论分析波形图如图5所示；

模态1[t₀-t₁]，t₀时刻之前，第一开关管模组中的第一三级管Q₁与第二开关管模组中的第二三级管Q₂已经开通。变压器第一原边绕组L₁在输入电压V_in作用下充电，变压器第一原边绕组L₁的电流i_L1线性增长。电流i_L3上升至I_o，i_L1上升至I_o/k+I_m，并在t₁时刻到来之前保持稳定。

模态2[t₁-t₂]，t₁时刻，第二开关管模组中的第二三级管Q₂关断。由于漏源结电容的作用，第二三级管Q₂两端电压v_ds2缓慢的上升，第二三级管Q₂近似零电压关断。第六二极管D₆与第一缓冲电容C_r1组成的支路在t₁时刻导通，变压器原边电流I_o/K+I_m给第二三级管Q₂及结电容C_ds2充电，给第一缓冲电容C_r1放电。同时，变换器2中，第三结电容C_ds3、第四结电容C_ds4、第二原边绕组L₂、第二漏感L_lk2、第二缓冲电容C_r2、第二缓冲电感L_r2通过V_in发生谐振，第三结电容C_ds3、第四结电容C_ds4、第二原边绕组L₂、第二漏感L_lk2放电，第二缓冲电容C_r2、第二缓冲电感L_r2充电。

模态3[t₂-t₃]，t₂时刻，第六二极管D₆关断，第二二极管D₂开通，第一原边绕组L₁通过第一三极管Q₁与第二二极管D₂续流，原边绕组电压被箝位在v_L2t₂＝-v_L1t₂＝0，变换器2中，第三结电容C_ds3、第四结电容C_ds4、第二原边绕组L₂、第二漏感L_lk2、第二缓冲电容C_r2、第二缓冲电感L_r2继续通过V_in发生谐振。

模态4[t₃-t₄]，t₃时刻，第一原边绕组L₁的电流下降到I_m，即励磁电流，副边绕组L₃电流下降到零，第二缓冲电感L_f2上的电流缓慢上升到最大值I_o。由于中心抽头滤波电感的作用，第一整流二极管D_R1、第三整流二极管D_R3流过的电流在下降到零后自然关断。关断过程被软化，因此反向恢复导致的变压器二次侧电压过冲被明显抑制。

模态5[t₄-t₅]，t₄时刻，第一三极管Q₁关断，原边变换器1缓冲电路中的第六二极管D₆与第一缓冲电容C_r1支路导通，并联于第一原边绕组L₁两端，抑制原边绕组电压过冲。第一三极管Q₁关断前，流过第一三极管Q₁的电流已经提前降到励磁电流I_m，相比于变压器正常工作电流是一个小数值，并且在第一三极管Q₁关断瞬间由于第六二极管D₆导通，使第一缓冲电容C_r1并联于第一三极管Q₁两端，第一三极管Q₁两端电压不能瞬变，完成ZVZCS关断。变压器副边绕组L₃上产生不断增加的反压使第二整流二极管D_R2、第四整流二极管D_R4导通，副边电流i_L3反向增加，电流i_Lf2降低。

模态6[t₅-t₆]，t₅时刻，第二原边绕组L₂电压被箝位在V_in。第一原边绕组L₁通过续流二极管放电，励磁电流减小，变压器继续进行磁复位，副边绕组L₃电流反向增大，当原边励磁电流降为0时，此模态结束。

模态7[t₆-t₇]，t₆时刻，第一原边绕组L₁励磁电流降为零，第一续流二极管D₁与第二续流二极管D₂续流结束从而关断，原边两路变换器均发生谐振。

模态8[t₇，t₈]，t₇时刻，变压器副边续流工作，各元器件上的电压电流值均保持不变，则原边绕组电压、开关管漏源电压在谐振结束后均被箝位在稳定不变的电压值上，且原边两路绕组电流也都将保持为零。t₈时刻，变换器2中的第四三极管Q₄导通，此模态结束。

模态9[t₈，t₉]，t₉时刻，第四结电容C_ds4、第三结电容C_ds3充放电过程完成。工作模态9完成了第四三极管Q₄的驱动作用，但第四三极管Q₄并没有真正开通，只是已经完全满足了提供电流通路的条件，并且开关管两端电压已经降为0。

模态10[t₉，t₁₀]，模态10与模态8相同。t₁₀时刻，第三三极管Q₃开通，此工作模态结束。

模态11[t₁₀-t₁₁]，t₁₀时刻，第三三极管Q₃导通。变换器2，第三结电容C_ds3、第二原边绕组L₂、第二漏感L_lk2、第二缓冲电容C_r2、第二缓冲电感L_r2通过V_in发生谐振，第二原边绕组L₂电压升高，第三结电容C_ds3放电电压降低。变换器1中，第一结电容C_ds1、第二结电容C_ds2、第一原边绕组L₁、第一漏感L_lk1，也通过V_in发生谐振，第二结电容C_ds2、第二结电容C_ds2电压升高。副边电流i_L3反向增加，为保持输出恒流，电流i_Lf2将会随之降低。

模态12[t₁₁-t₁₂]，t₁₁时刻之后，第二原边绕组L₂继续充电，副边绕组i_L3电流在-V_in/K电压作用下继续反向上升，第二滤波电感L_f2电流继续降低。t₁₂时刻，第二原边绕组L₂电流上升至I_o/K+I_m，副边绕组L₃电流上升至I_o，第二滤波电感L_f2上的电流降为0并且第九二极管D₉关断，此模态结束。由于中心抽头滤波电感漏感相当于和第二滤波电感L_f2串联的电感，所以第九二极管D₉的关断过程将被软化，其关断引起的电压过冲也被削弱。

中心抽头滤波电感的除了可以滤波，还起到了抑制占空比丢失的作用。但是该电感要想起到了良好的效果需要对它两个绕组的电感值进行合理的设计。根据电感两端电压与电流变化的关系式可以算出在整流二极管将要进行换流时L_f2两端的电压。该段持续时间为t₁₂-t₁₀，电流值则从i_Lf210降到零。因此，该段时间内电感L_f2两端的感应电势为：

$u_{\mathrm{Lf}2}=L_{f2}\frac{i_{\mathrm{Lf}2}\left(10\right)}{t_{12}-t_{10}}$

相应的与其公用同一铁芯的另一绕组上的电势则为：

$u_{\mathrm{Lf}1}=\frac{N_1}{N_2}{u}_{\mathrm{Lf}1}=\frac{N_1}{N_2}{L}_{f2}\frac{i_{\mathrm{Lf}2}\left(10\right)}{t_{12}-t_{10}}$

为保证在这一时间段内两组整流二极管都不会同时导通，应该让u_Lf1保持大于v_L3的最大值，即u_Lf1>NV_in。其中，N为高频变压器变比，V_in为输入电压。这样在设计出适当的第二滤波电感L_f2之后，就可以计算出相应的满足要求的第一滤波电感L_f1。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路，其特征在于它包括第一开关管模组至第四开关管模组、第一二极管(D₁)至第九二极管(D₉)、第一原边绕组(L₁)、第二原边绕组(L₂)、副边绕组(L₃)、第一漏感(L_1k1)、第二漏感(L_1k2)、第一缓冲电容(C_r1)、第二缓冲电容(C_r2)、第一缓冲电感(L_r1)、第二缓冲电感(L_r2)、第一电容(C_f)、具有中心抽头的滤波电感和第一整流二极管(D_R1)至第四整流二极管(D_R4)；

所述第一开关管模组至第四开关管模组的组成及连接方式均相同，所述第一开关管模组由第一三极管(Q₁)、第一模组二极管和第一结电容(C_ds1)组成；

所述第一三极管(Q₁)的集电极同时与第一模组二极管的阴极和第一结电容(C_ds1)的一端相连；

所述第一三极管(Q₁)的发射极同时与第一模组二极管的阳极和第一结电容(C_ds1)的另一端相连；

所述第一三极管(Q₁)的集电极即为第一开关管模组的正向连接端，所述第一三极管(Q₁)的发射极即为第一开关管模组的负向连接端；

具有中心抽头的滤波电感由第一滤波电感(L_f1)和第二滤波电感(L_f2)组成，所述第一滤波电感(L_f1)的同名端与第二滤波电感(L_f2)的非同名端相连；

第一开关管模组的正向连接端同时与供电电源正极、第三开关管模组的正向连接端、第五二极管(D₅)的阴极、第二二极管(D₂)的阴极、第七二极管(D₇)的阴极和第四二极管(D₄)的阴极连接；

第一开关管模组的负向连接端同时与第一缓冲电容(C_r1)的一端、第一漏感(L_1k1)的一端和第一二极管(D₁)的阴极相连；

第五二极管(D₅)的阳极与第一缓冲电感(L_r1)的一端相连，第一缓冲电感(L_r1)的另一端同时与第一缓冲电容(C_r1)的另一端和第六二极管(D₆)的阴极相连，第六二极管(D₆)的阳极同时与第二二极管(D₂)的阳极、第二开关管模组的正向连接端和第一原边绕组(L₁)的非同名端相连；第一漏感(L_1k1)的另一端与第一原边绕组(L₁)的同名端相连；

第一二极管(D₁)的阳极同时与供电电源负极、第三二极管(D₃)的阳极、第四开关管模组的负向连接端和第二开关管模组的负向连接端相连；

第三开关管模组的负向连接端同时与第二缓冲电容(C_r2)的一端、第二漏感(L_1k2)的一端和第三二极管(D₃)的阴极相连；

第七二极管(D₇)的阳极同时与第二缓冲电感(L_r2)的另一端和第八二极管(D₈)的阴极相连，第八二极管(D₈)的阳极同时与第四二极管(D₄)的阳极、第四开关管模组的正向连接端和第二原边绕组(L₂)的同名端相连；第二漏感(L_1k2)的另一端和第二原边绕组(L₂)的非同名端相连；

副边绕组(L₃)的同名端同时与第一整流二极管(D_R1)的阳极和第二整流二极管(D_R2)的阴极相连，第一整流二极管(D_R1)的阴极同时与第四整流二极管(D_R4)的阴极、第一滤波电感(L_f1)的同名端、第二滤波电感(L_f2)的非同名端相连，第一滤波电感(L_f1)的非同名端与第一电容(C_f)的一端相连，第一电容(C_f)的另一端同时与第九二极管(D₉)的阳极、第二整流二极管(D_R2)的阳极和第三整流二极管(D_R3)的阳极相连，第三整流二极管(D_R3)的阴极同时与第四整流二极管(D_R4)的阳极和副边绕组(L₃)的非同名端相连；

第一电容(C_f)的两端即为采用中心抽头电感滤波的ZVZCS交错并联双管正激电路的负载正向端和负载负向端。