CN105915059A - 新型高效移相全桥zcs-pwm软开关变换器 - Google Patents

Abstract

一种新型高效移相全桥ZCS‑PWM软开关变换器，包括全桥移相软开关变换电路，所述全桥移相软开关变换电路包括全桥逆变电路、变压器和输出整流电路所述ZCS‑PWM软开关变换器还包括有源辅助电路和无源辅助电路，所述有源辅助电路包括前置电感L_a，前置电容C_a，前置二极管D_a和辅助开关管S_a，所述无源辅助电路包括滤波电感L1，后置电容C_c、输出电容C2，第一后置二极管D3和第二后置二极管D4。本发明提供一种减小体积、功率密度较大、成本较低、效率较高的新型高效移相全桥ZCS‑PWM软开关变换器。

Description

新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器

技术领域

本发明涉及软开关变换器，尤其是一种移相全桥软开关变换器。

背景技术

进入21世纪以来，作为强电－弱电接口和推进现代先进制造技术关键的电力电子技术正方兴未艾地在全世界得到发展。伴随着功率半导体器件、高频化和软开关技术以及系统集成技术的发展和应用，作为电力电子变换技术的一个重要分支，DC/DC变换技术几十年来有了飞速的发展和变化，拥有巨大的市场份额。在中大功率直流应用场合，经过几十年的发展，移相全桥软开关变换器逐步趋向成熟，日益发展成为主流。因此，进行移相全桥变换器的相关研究，是具有重要意义的。

移相全桥软开关变换器，作为一种具有优良性能的变换器，开关管均工作在软开关条件下，开关损耗小，而且结构简单、控制也简单，顺应了直流电源小型化、高频化的发展趋势，因此自20世纪八九十年代以来，成为电力电子技术领域的研究热点之一，已经在中大功率DC/DC变换场合得到了广泛研究和应用。但是，在研究和使用过程中，也发现先前所提出的移相全桥软开关技术存在以下问题：一，谐振技术：谐振元器件往往是体积很大的又笨重的，把它们用在很多装置中有点不切实际、二，ZVZCS技术：复杂且增加了很多成本，然而很多时候被限制在低功率设备中、三，无源缓冲技术：虽然用这种变换器可以避免多种辅助开关电路的应用，但是这种电路本身就是很复杂的电路结构，而且没有真正的消除损耗，而是暂时缓解损耗、四，二极管或IGBT辅助电路：需要一系列的反向阻断二极管应用在主开关器件中来阻断电流为了防止电流从它们的体二极管流过或者需要带反向阻断能力的IGBT被使用。这些反向阻断设备的使用在变流器中增加了传导损失的量，因此降低了变流器的效率。分析这些问题的产生原因并找到相应的合适解决方案，对于促进移相全桥软开关变换器的研究和应用来说，是一件迫切的、有益的工作。

发明内容

为了克服已有移相全桥软开关变换器的体积较大、功率密度较小、成本较高、效率较低的不足，本发明提供一种减小体积、功率密度较大、成本较低、效率较高的新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器，包括全桥移相软开关变换电路，所述全桥移相软开关变换电路包括全桥逆变电路、变压器和输出整流电路所述ZCS-PWM软开关变换器还包括有源辅助电路和无源辅助电路，所述有源辅助电路包括前置电感L_a，前置电容C_a，前置二极管D_a和辅助开关管S_a，所述前置二极管D_a和辅助开关管S_a串联且连接在输入电源的正负极之间，所述前置电感L_a和前置电容C_a形成辅助开关支路，所述辅助开关支路的一端与所述前置二极管D_a的阴极和辅助开关管S_a之间的中间节点连接，所述辅助开关支路的另一端与全桥逆变电路连接；所述无源辅助电路包括滤波电感L1，后置电容C_c、输出电容C2，第一后置二极管D3和第二后置二极管D4，所述第一后置二极管D3和后置电容C_c串联且连接在输出整流电路的正负极之间，所述第二后置二极管D4的阳极与所述第一后置二极管D3的阴极和后置电容C_c的一端之间的中间节点连接，所述滤波电感L1的一端与第一后置二极管D3的阳极连接，所述滤波电感L1的另一端、所述第一后置二极管D3的阴极均与输出电容的一端连接，所述输出电容的另一端与后置电容C_c的另一端连接。

进一步，所述全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和第三开关管、第二开关管和第四开关管形成两个并联桥臂，所述前置二极管D_a的阳极、辅助开关管S_a分别与所述桥臂的两端连接，所述辅助开关支路的另一端与第一开关管和第三开关管之间的中间节点连接，两个并联桥臂的中间节点分别与变压器的原边的两端连接。

再进一步，所述输出整流电路包括第一二极管和第二二极管，所述变压器的副边带有三个输出接口，分别为上输出接口、中间输出接口和下输出接口，所述上输出接口与第一二极管的阴极连接，所述下输出接口与第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连接后同时与第一后置二极管D3的阳极连接，所述中间输出接口同时与所述输出电容的另一端、后置电容C_c的另一端连接。

本发明的技术构思为：为了使移相全桥变换器稳定的工作在软开关条件下，又比较容易实现且节省成本也不会出现以上的缺点，又能够实现高效率。本发明设计了一种新型高效移相全桥软开关变换器，这种新型全桥变流器的显著优点就是它允许它的主电源开关运行在ZCS，比传统的全桥变流器有很少的能量损失。它被实现通过应用两个非常简单有效的辅助电路--一个是可以在ZCS开通或关断的开关管，另外一个就是后级的无源辅助电路。

针对移相全桥变换器，本发明设计了一种简单可靠易实现的移相全桥软开关变换器，通过在前级加一个简单的有源辅助电路，在后级加一个简单的无源辅助电路，让主变换器的开关管都工作在ZCS状态下，本身的辅助开关管也工作在ZCS状态下。这样变换器开关损耗都变得很小，能使变换器实现较高的效率，特别是在较大功率的场合尤其明显。

本发明的有益效果主要表现在：没有比较笨重的共振元件，变换器的体积不会很大，所以设计起来比较简单，且功率密度大。可以让四个主电源开关管和辅助电路开关管都ZCS开通和关断。

附图说明

图1为本发明新型高效移相全桥软开关主电路图；

图2为移相全桥软开关各个开关管的驱动波形图；

图3为不同阻抗值Z₀对应的C_a峰值电压的变化；

图4为不同阻抗值Z₁对应的辅助电路开关管I_Sa不同的峰值电流值；

图5为主开关S1电流随时间变换曲线；

图6为开关管两端电压V_S1与其流过的电流图；

图7为本发明新型移相全桥软开关变换器效率曲线与传统的移相全桥软开关效率曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器，包括全桥移相软开关变换电路，所述全桥移相软开关变换电路包括全桥逆变电路、变压器和输出整流电路所述ZCS-PWM软开关变换器还包括有源辅助电路和无源辅助电路，所述有源辅助电路包括前置电感L_a，前置电容C_a，前置二极管D_a和辅助开关管S_a，所述前置二极管D_a和辅助开关管S_a串联且连接在输入电源的正负极之间，所述前置电感L_a和前置电容C_a形成辅助开关支路，所述辅助开关支路的一端与所述前置二极管D_a的阴极和辅助开关管S_a之间的中间节点连接，所述辅助开关支路的另一端与全桥逆变电路连接；所述无源辅助电路包括滤波电感L1，后置电容C_c、输出电容C2，第一后置二极管D3和第二后置二极管D4，所述第一后置二极管D3和后置电容C_c串联且连接在输出整流电路的正负极之间，所述第二后置二极管D4的阳极与所述第一后置二极管D3的阴极和后置电容C_c的一端之间的中间节点连接，所述滤波电感L1的一端与第一后置二极管D3的阳极连接，所述滤波电感L1的另一端、所述第一后置二极管D3的阴极均与输出电容的一端连接，所述输出电容的另一端与后置电容C_c的另一端连接。

进一步，所述全桥逆变电路包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4，所述第一开关管和第三开关管、第二开关管和第四开关管形成两个并联桥臂，所述前置二极管D_a的阳极、辅助开关管S_a分别与所述桥臂的两端连接，所述辅助开关支路的另一端与第一开关管和第三开关管之间的中间节点连接，两个并联桥臂的中间节点分别与变压器的原边的两端连接。

再进一步，所述输出整流电路包括第一二极管D1和第二二极管D2，所述变压器的副边带有三个输出接口，分别为上输出接口、中间输出接口和下输出接口，所述上输出接口与第一二极管的阴极连接，所述下输出接口与第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连接后同时与第一后置二极管D3的阳极连接，所述中间输出接口同时与所述输出电容的另一端、后置电容C_c的另一端连接。

本实施例中，新型高效移相全桥软开关变换器与传统的全桥移相软开关变换器最大的改变就是在传统的全桥电路的前级加了一个有源辅助电路，包括前置电感L_a，前置电容C_a，前置二极管D_a，辅助开关管S_a，在后级整流电路中加入了无源辅助电路模块包括滤波电感Lf，后置电容C_c、输出电容C2，第一后置二极管D3、第二后置二极管D4，如图1所示就是本发明新型高效移相全桥软开关变换器的主电路拓扑。图2是移相全桥软开关各个开关管的驱动波形图。在这步，要确定前置电容C_a和前置电感L_a的初值，前置电容C_a和前置电感L_a的初值被前置电容C_a两端的电压决定。我们希望C_a两端的电压是高的，但是，不能太高不要超过400V。一旦原边电压值被选择，合适的元件值将会依据它允许的辅助电路转移主开关电流在一个合适的速度，这个速度在下一步将会被确认。

前置电容C_a两端的最大电压可以用下面的公式计算出来：

V_Ca(t)-I_inZo＝V_f

$V_f=\frac{V_o}{n}$

Zo²*C_a-L_lk＝L_a

上式用基尔霍夫电流定律得到，考虑到副边反射电压和变压器漏感。Vo是输出电压，Vf是副边反射到原边电压，Zo是阻抗，n为变比n＝N₂₁/N₁＝N₂₂/N₁。

图3被划分不同的Z₀对应不同的在C_a两端的输入电压。当输入电压确定之后，从图中可以看出，阻抗越大，C_a两端的最大电压越大。如果选择较小的阻抗，C_a的值会更大，它必须能储存足够的能量确保模式结束时能够强制电流反方向流进全桥，创造ZCS关断条件。

辅助电路阻抗被定义：

$Z{1}^2=\frac{La}{Ca}$

那将影响辅助电路开关管峰值电流压力，以至于超前臂开管可以ZCS关断。值得注意的是辅助电路开关管峰值电流会比全桥输入电流更高，全桥电流可以是相反的减少到零，以相反的方向通过全桥开关管体二极管，那样便可以ZCS关断。图3展示了在输入电压不同的情况下，不同的阻抗对应的不同辅助电路开关管峰值电流。确定一个Z₁的值，就可以知道对应的I_La的值。在辅助电路中的电流大约是输入电流的两倍是比较合理的，在这个基础上，它可以确保开关管电流足够ZCS开通和关断。

当Z₀和Z₁的值确定了，L_a和C_a的值就可以确定了。下面最主要的就是设计辅助电路开关管的占空比，它应该相当于辅助电路二极管反向恢复时间的三倍左右，可以被确定如下：

w₀＝2πf

t_c＝1/f

$t_c=\frac{\mathrm{\π}}{2w_0}$

w₀ ²*n²Ca(La+L_lk)＝1

$t_c=\frac{\mathrm{\π}*{\mathrm{Ca}}^2}{2}\sqrt{n^2(La+Llk)}$

辅助开关支路L_a和C_a的值知道了，下一步是确认辅助电路变换器超前臂ZCS开通和关断，辅助电路开关管也是ZCS开通和关断。图5是主开关S1随时间变换曲线，这个时间被V_Ca、L_a、C_a、L_lk决定，这每一条曲线负的部分ZCS Window就是S1能被ZCS关断的时间。

当Vca＝400V,ZCS Window大约是0.9us.值得注意的是辅助开关Sa可以被软关断当S1被关断的时候，由于在Sa的电流流过它的体二极管当电流流过S1体二极管时。

一个非常简单的后级无源辅助电路没有任何开关管，被提供在变压器副边为了实现滞后臂ZCS开通和关断，主要通过设置后置电容Cc储存能量的大小即电容值。在Cc充电完成后，Cc两端的电压达到输出电压Vo。Cc两端的电压可以被表达出来通过下列方程式:

$V_{Cc}\left(t\right)={\mathrm{nV}}_{Ca}-Llk\frac{{\mathrm{di}}_{Llk}\left(t\right)}{dt}$

$Llk\frac{{\mathrm{di}}^{2}Llk\left(t\right)}{dt}+\frac{i_{Cc}}{Cc}=0$

i_Llk(t)＝n(I_o+i_Cc(t))

这里V_Cc是后置电容C_c两端的电压，I_Cc是通过它的电流。初始条件都为0。

$V_{Cc}\left(t\right)=Vo(1-\frac{1}{R.w.Cc}(\cos wt)+\frac{t}{R.Cc})$

$I_{Cc}\left(t\right)=\frac{nVin}{\sqrt{Llk.Cc}}\left(\sin wt\right)$

$w=\frac{n}{\sqrt{Llk.Cc}}$

这个C_c最小值储存的能量要确保足够反射到原边电流能提供开关管S2和S4的ZCS开关。但是，要确保C_c的值：

在轻载条件下确保电容完全放电在都不打开期间，Cc的值越大需要占空比越小。Cc应该是尽可能的小的，但是大于等于所得的Cc值。

为验证所提出的方法的有效性，本发明对这种新型高效移相全桥软开关变换器用了一个实例来证明。设定：输入电压V_in＝400V，最大输出功率为3KW，变压器漏感＝3.2uH，变压器变比N＝7:6,开关频率f_sw＝80KHz。确定Z₀＝1.4Ω，Z₁＝0.7Ω，可得L_a＝3uH，C_a＝62nF，C_c＝3.5uF。应用这个实例能够得到理想的效果。如图6是主开关管S₁的电压与对应电流波形图，可见能够实现ZCS开通和关断，其他开关管和开关管S₁一样也能实现ZCS开通和关断。图7是本发明的效率曲线与传统的效率曲线对比图，显然本发明新型移相全桥软开关变换器的效率和传统移相全桥软开关变换器相比较效率有了明显的提高，特别是在大功率场合。

以上阐述的是本发明给出实例用以表明所设计方法的优越性，显然本发明不只是局限于上述实例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下对其可作种种变形加以实施。本发明所设计的一种新型高效移相全桥软开关变换器比传统的移相全桥软开关变换器有很明显的优势，效率有了很大的提高，尤其是在大功率场合。

Claims (3)

1.一种新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器，包括全桥移相软开关变换电路，所述全桥移相软开关变换电路包括全桥逆变电路、变压器和输出整流电路其特征在于：所述ZCS-PWM软开关变换器还包括有源辅助电路和无源辅助电路，所述有源辅助电路包括前置电感L_a，前置电容C_a，前置二极管D_a和辅助开关管S_a，所述前置二极管D_a和辅助开关管S_a串联且连接在输入电源的正负极之间，所述前置电感L_a和前置电容C_a形成辅助开关支路，所述辅助开关支路的一端与所述前置二极管D_a的阴极和辅助开关管S_a之间的中间节点连接，所述辅助开关支路的另一端与全桥逆变电路连接；所述无源辅助电路包括滤波电感L1，后置电容C_c、输出电容C2，第一后置二极管D3和第二后置二极管D4，所述第一后置二极管D3和后置电容C_c串联且连接在输出整流电路的正负极之间，所述第二后置二极管D4的阳极与所述第一后置二极管D3的阴极和后置电容C_c的一端之间的中间节点连接，所述滤波电感L1的一端与第一后置二极管D3的阳极连接，所述滤波电感L1的另一端、所述第一后置二极管D3的阴极均与输出电容的一端连接，所述输出电容的另一端与后置电容C_c的另一端连接。

2.如权利要求1所述的新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器，其特征在于：所述全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和第三开关管、第二开关管和第四开关管形成两个并联桥臂，所述前置二极管D_a的阳极、辅助开关管S_a分别与所述桥臂的两端连接，所述辅助开关支路的另一端与第一开关管和第三开关管之间的中间节点连接，两个并联桥臂的中间节点分别与变压器的原边的两端连接。

3.如权利要求1所述的新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器，其特征在于：所述输出整流电路包括第一二极管和第二二极管，所述变压器的副边带有三个输出接口，分别为上输出接口、中间输出接口和下输出接口，所述上输出接口与第一二极管的阴极连接，所述下输出接口与第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连接后同时与第一后置二极管D3的阳极连接，所述中间输出接口同时与所述输出电容的另一端、后置电容C_c的另一端连接。