CN104539161B - 移相全桥零电压开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移相全桥零电压开关变换器，其主电路包括输入直流电源，全桥逆变电路，变压器，不控整流电路和滤波输出电路；其特征在于，全桥逆变电路中设有变压器原边的有源箝位电路，包括两个箝位开关管(Q5，Q6)，以及一个谐振电容或功率电阻；在全桥电路中，两个箝位开关管(Q5，Q6)形成新的一对桥臂，两个箝位开关管(Q5，Q6)之间的连接点通过所述谐振电容或功率电阻连接在变压器原边与全桥逆变电路的电感(Lr)之间。本发明在变压器原边的全桥逆变电路中，利用箝位开关管形成新的电路拓扑，既避免了副边加箝位电路的缺陷，也克服了现有的原边箝位导通损耗高、导通效率无法有效提高的问题。

Description

移相全桥零电压开关变换器
技术领域
本发明涉及一种移相全桥零电压开关变换器，特别是其中的原边有源箝位电路。
背景技术
目前，国家电网公司大力推动电动车充电站的发展，动力电池的发展要求大功率的电动汽车充电机的跟进。移相全桥零电压开关变换器因其诸多优点，在中大功率电源中得到了广泛的应用，该电路拓扑输出整流二极管硬开关开通与关断，带了电压尖峰增加了EMI干扰。目前研究诸多的是在原边或副边加箝位二极管，箝位的位置又有所不同，总结起来有以下几种：
(1)在原边加箝位二极管，这又分为两种：变压器超前型(变压器与超前桥臂连接为变压器超前型)见图1；变压器滞后型(变压器与滞后桥臂连接为变压器滞后型)见图2。原理都是当变压器副边二极管电压尖峰反射到原边的电压高于母线电压时，箝位二极管导通，把电压箝位到母线电压。这两种箝位方式优点是解决了副边整流二极管的电压尖峰，也有不足之处，由于箝位二极管多是高耐压二极管，正向导通压降VF较大，引入了箝位二极管导通损耗，导致效率不能够有效提高。
(2)在副边加无源、无损吸收电路，一种典型的是在副边加无源无损箝位电路，(见图3)，Cr、D9、D10为外加电路，构成副边箝位电路。当副边二极管关断时，二极管上反向恢复尖峰电压通过Cr和D10给输出电容充电，使尖峰电压箝位到输出电容上电压。当原边开关管超前臂(Q1或Q3)关断后，Cr上面电压反射到原边，使原边电流复位到零，实现了原边零电流开关。这种电路的缺点是当输出电压很高、输出短路时，由于Lf较大，加上Cr上面能量，短路瞬间D9上面冲击电流过大，超过了D9所能承受的电流范围，易冲坏D9二极管。另外，原边开关管开通时，副边要给Cr充电，导致原边开关管的冲击电流过大，当箝位电容Cr箝位时，输出电感上面电流有Cr提供，不反馈到原边，导致原边开关管超前臂Q1、Q3失去零电压条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种移相全桥零电压开关变换器，用以解决现有电路的缺陷。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种移相全桥零电压开关变换器，其主电路包括输入直流电源，全桥逆变电路，变压器，不控整流电路和滤波输出电路；全桥逆变电路中设有变压器原边的有源箝位电路，包括两个箝位开关管(Q5，Q6)，以及一个谐振电容或功率电阻；在全桥电路中，两个箝位开关管(Q5，Q6)形成新的一对桥臂，两个箝位开关管(Q5，Q6)之间的连接点通过所述谐振电容或功率电阻连接在变压器原边与全桥逆变电路的电感(Lr)之间。
两个箝位开关管(Q5，Q6)是MOSFET或半导体三极管。
两个箝位开关管(Q5，Q6)可以与全桥逆变电路的主开关管规格相同，或者电流、导通内阻小于主开关管。
本发明在变压器原边的全桥逆变电路中，利用箝位开关管形成新的电路拓扑，既避免了副边加箝位电路的缺陷，也克服了现有的原边箝位导通损耗高、导通效率无法有效提高的问题。
附图说明
图1现有技术中的变压器超前型电路拓扑图；
图2现有技术中的滞后型电路拓扑图；
图3现有技术中的副边加无源、无损吸收电路拓扑图；
图4为本发明的一种原边有源无损箝位电路的实施例；
图5为图4电路的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图4所示的一种移相全桥零电压开关变换器主电路，其主体结构由输入直流电源Vin，全桥逆变电路，变压器，不控整流电路和滤波输出电路构成。
其特点在于虚线部分的原边有源箝位电路，包括谐振电容Cx和箝位开关管Q5，Q6，Q5、Q6也包括其上的反并联二极管D5、D6和并联电容C5、C6。在Q1、Q2、Q3、Q4形成的全桥电路中，Q5，Q6形成新的一对桥臂，Q5连接电源正极，Q6连接电源负极，Q5与Q6之间的连接点通过谐振电感Cx连接在变压器Tr原边与逆变电路的电感Lr之间(变压器Tr原边同名端)。
谐振电容Cx是高压谐振电容，可以对箝位开关管Q5、Q6上电流起到阻尼作用。作为其他实施方式，也可以是功率电阻，对箝位开关管起到泄能作用，阻值选取较小的功率电阻，可以由设计人员根据具体情况进行设计。
开关管Q5、Q6是MOSFET。作为其他实施方式，也可以是半导体三极管。可以与主开关管Q1、Q2、Q3、Q4相同规格的开关管，也可以选取电流较小、低导通内阻的开关管，以减小导通损耗，便于驱动电路的设计。开关管Q5、Q6在开通与关断时都是软开关，控制导通角可以实现ZVS(零电压开关)开通，ZCS(零电流开关)关断。
图4电路的工作原理如下：见图5，在[t7，t8]时段，t7时刻，Q2、Q3导通，CDR1上面的电压上升到Vin/K(K为系数)，此时UBC上面的电压上升到Vin，C点电位下降到0，D6自然导通，将C6上面电压泄放到零，此时开通Q6，Q6零电压开通，Q6将BC点电位箝位到Vin，将CDR1电压箝位在Vin/K，消除整流二极管上面的电压尖峰和二极管反相恢复带来的损耗。此时iLr＝-i4，ip＝iLr+i6。到t8时刻，i6线性下降到零，此时关断Q6，实现零电流关断；在[t16，t17]时段，t16时刻，Q1、Q4导通，CDR2上面的电压上升到Vin/K，此时UCB上面的电压上升到Vin，B点电位下降到0，D5自然导通，此时开通Q5，Q5零电压开通，Q6将CB点电位箝位到Vin，将CDR2电压箝位在Vin/K，消除整流二极管上面的电压尖峰和二极管反相恢复带来的损耗。此时iLr＝-i4，ip＝iLr+i6。到t17时刻，i5线性下降到零，此时关断Q5，实现零电流关断。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种移相全桥零电压开关变换器，其主电路包括输入直流电源，全桥逆变电路，变压器，不控整流电路和滤波输出电路；其特征在于，全桥逆变电路中设有变压器原边的有源箝位电路，包括两个箝位开关管Q5，Q6，以及一个谐振电容或功率电阻；在全桥电路中，两个箝位开关管Q5，Q6形成新的一对桥臂，两个箝位开关管Q5，Q6之间的连接点通过所述谐振电容或功率电阻连接在变压器原边与全桥逆变电路的电感(Lr)之间；
所述全桥逆变电路的工作原理如下：当Q2、Q3导通，CDR1上面的电压上升到Vin/K，此时UBC上面的电压上升到Vin，C点电位下降到0，D6自然导通，将C6上面电压泄放到零，此时开通Q6，Q6零电压开通，Q6将BC点电压箝位到Vin，将CDR1电压箝位在Vin/K，消除整流二极管上面的电压尖峰和二极管反相恢复带来的损耗；当i6线性下降到零，此时关断Q6，实现零电流关断；当Q1、Q4导通，CDR2上面的电压上升到Vin/K，此时UCB上面的电压上升到Vin，B点电位下降到0，D5自然导通，此时开通Q5，Q5零电压开通，Q6将CB点电压箝位到Vin，将CDR2电压箝位在Vin/K，消除整流二极管上面的电压尖峰和二极管反相恢复带来的损耗；当i5线性下降到零，此时关断Q5，实现零电流关断；
其中Q1、Q2为所述全桥逆变电路的超前臂开关管，Q3、Q4为所述全桥逆变电路的滞后臂开关管，Vin为输入端电压，K为系数，D5、C5分别为与箝位开关管Q5并联的二极管和电容，D6、C6分别为与箝位开关管Q6并联的二极管和电容，CDR1是与变压器副边整流二极管DR1并联的电容，CDR2是与变压器副边整流二极管DR2并联的电容，i5是流过Q5的电流，i6是流过Q6的电流，A点为变压器原边与全桥逆变电路的电感连接电路与全桥逆变电路超前臂连接点，B点为变压器原边和全桥逆变电路的电感连接电路与全桥逆变电路滞后臂连接点，C点为所述谐振电容或功率电阻与变压器原边和全桥逆变电路的电感连接电路的连接点；
UBC为从B点到C点的电压，UCB为从C点到B点的电压。
2.根据权利要求1所述的一种移相全桥零电压开关变换器，其特征在于，两个箝位开关管(Q5，Q6)是MOSFET或半导体三极管。
3.根据权利要求1所述的一种移相全桥零电压开关变换器，其特征在于，两个箝位开关管(Q5，Q6)可以与全桥逆变电路的主开关管规格相同，或者电流、导通内阻小于主开关管。
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