CN105978356A - 一种有源钳位串并联全桥dc/dc变换器 - Google Patents

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李娜
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Abstract

本发明公开了一种有源钳位串并联全桥DC/DC变换器，包括逆变电路、谐振网络、变压器、整流滤波网络和有源钳位电路。谐振网络包括串联谐振电感、MOS管寄生电容。主整流滤波网络即为全桥整流电路；有源钳位电路包括钳位二极管(DB)、电容(Cc)。本变换器能够在不增加控制电路复杂性的基础上实现全桥(FB)臂全负载范围内的软开关，并且，可以消除整流部分的电压尖峰。本变换器以输入电压范围为基准，有两种工作模式：正产输入范围下，工作在串并联变换器状态；低于正常范围下，工作在有源钳位升压来拓宽工作范围。

Description

一种有源钳位串并联全桥DC/DC变换器
【技术领域】
本发明属于开关操作电源技术领域，涉及一种有源钳位串并联全桥DC/DC变换器。
【背景技术】
能源转换效率一直是人们关注的热点，其中功率转换器件作为电力行业效率转换的一个代表，被广泛应用在如开关电源，分布式电源，不间断电源等各个方面，传统的功率转换器件大多工作于硬开关状态具有开关损耗大，电压应力大，功率密度低，EMI大，转换效率低等诸多问题，而电流型(串并联变换器、LLC等)变换器则能很好的削弱或者解决这些问题。
电流型变换器工作于软开关状态，减小开关损耗，提高变换器效率，为变换器高频化提供了可能性，进一步缩小变换器的体积和重量，提高变换器的功率密度和动态性能，同时改善电磁兼容。
另外，除了电能质量和效率一直是关注焦点外，现代社会对电源的供电范围，尤其是在针对新能源等款输入范围的应用方面，更是倍加关注。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种高频、高效，并在宽输入电压时能继续高效、稳定工作的有源钳位串并联全桥DC/DC变换器。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种有源钳位串并联全桥DC/DC变换器，包括直流电源Vin、带有若干MOS管的逆变电路、谐振网络、变压器TR、输出整流滤波电路、有源钳位电路以及控制回路；直流电源Vin通过逆变电路、谐振网络与变压器的原边绕组Np相连；谐振网络包括谐振电感Lr和MOS管寄生电容；谐振电感Lr与变压器TR的原边绕组Np串联，变压器TR的副边绕组通过输出整流滤波电路输出；控制回路采集直流电源Vin、变压器TR以及输出端Vo的电压信号，通过驱动电路将控制信号发给逆变电路的MOS管。
本发明进一步的改进在于：
所述逆变电路包括MOS管Q1及其体二极管DQ1和寄生电容C1、MOS管Q2及其体二极管DQ2和寄生电容C2、MOS管Q3及其体二极管DQ3和寄生电容C3、MOS管Q4及其体二极管DQ4和寄生电容C4；
MOS管Q1的漏极和MOS管Q3的漏极与直流电源Vin的正极相连，MOS管Q2的源极和MOS管Q4的源极与直流电源Vin的负极相连；MOS管Q1的源极和MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极相连。
所述变压器TR的原边绕组Np一端与谐振电感Lr相连，另一端连接至MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极之间的节点上。
所述有源钳位电路包括钳位二极管DB和电容Cc，钳位二极管DB的阳极接MOS管Q1的漏极，阴极接MOS管Q3的漏极；电容Cc的一端接MOS管Q3的漏极另一端接MOS管Q4的源极。
所述输出整流滤波电路包括整流二极管D1及其寄生电容CD1、整流二极管D2及其寄生电容CD2、整流二极管D3及其寄生电容CD3、整流二极管D4及其寄生电容CD4、谐振电容Cp、滤波电感Lf以及滤波电容Co；
变压器TR副边绕组Ns的一端分别接整流二极管D1的阳极和整流二极管D2的阴极，另一端接整流二极管D3的阳极和整流二极管D4的阴极，励磁电感Lm并联在变压器TR副边绕组Ns的两端；谐振电容Cp并联在整流二极管D3的阴极和整流二极管D4的阳极两端，滤波电感Lf和滤波电容Co串联后并联在谐振电容Cp两端，且谐振电容Cp的两端为变换器输出端Vo。
所述控制回路包括控制处理器、第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路以及驱动方波发生电路；第一采样电路的输入端与直流电源Vin的正极相连，第二采样电路的输入端与变压器原边绕组Np相连，第三采样电路的输入端与输出端Vo的正极相连；第一采样电路、第二采样电路和第三采样电路的输出端均与控制处理器的输入端相连；控制处理器的输出端与驱动方波发生电路相连，驱动方波发生电路的输出端分别与各MOS管相连。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过将全桥和有源钳位电路结合，以利于实现转化高效，工作高频，大功率等的应用，在变换器输入范围低于正常输入范围时，稳定输出电压，继续保持高效率的电能变换，保护后级精密用电设备。
【附图说明】
图1是谐振变换器电路拓扑结构；
图2a是正常输入范围内变换器工作的波形图；
图2b是输入降低时的不对称PWM时序信号。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明包括直流电源Vin、逆变电路、谐振网络、变压器TR、输出整流滤波电路以及有源钳位电路；直流电源Vin通过逆变电路、谐振网络与变压器的原边绕组Np相连；谐振网络包括谐振电感Lr和MOS管寄生电容；谐振电感Lr与变压器TR的原边绕组Np串联，变压器TR的副边绕组通过输出整流滤波电路输出。
逆变电路包括MOS管Q1及其体二极管DQ1和寄生电容C1、MOS管Q2及其体二极管DQ2和寄生电容C2、MOS管Q3及其体二极管DQ3和寄生电容C3、MOS管Q4及其体二极管DQ4和寄生电容C4；MOS管Q1的漏极和MOS管Q3的漏极与直流电源Vin的正极相连，MOS管Q2的源极和MOS管Q4的源极与直流电源Vin的负极相连；MOS管Q1的源极和MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极相连。变压器TR的原边绕组Np一端与谐振电感Lr相连，另一端连接至MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极之间的节点上。
有源钳位电路包括钳位二极管DB和电容Cc，钳位二极管DB的阳极接MOS管Q1的漏极，阴极接MOS管Q3的漏极；电容Cc的一端接MOS管Q3的漏极另一端接MOS管Q4的源极。
输出整流滤波电路包括整流二极管D1及其寄生电容CD1、整流二极管D2及其寄生电容CD2、整流二极管D3及其寄生电容CD3、整流二极管D4及其寄生电容CD4、谐振电容Cp、滤波电感Lf以及滤波电容Co；变压器TR副边绕组Ns的一端分别接整流二极管D1的阳极和整流二极管D2的阴极，另一端接整流二极管D3的阳极和整流二极管D4的阴极，励磁电感Lm并联在变压器TR副边绕组Ns的两端；谐振电容Cp并联在整流二极管D3的阴极和整流二极管D4的阳极两端，滤波电感Lf和滤波电容Co串联后并联在谐振电容Cp两端，且谐振电容Cp的两端为变换器输出端。
控制回路包括采样电路，控制处理器(单片机、DSP、FPGA等对反馈给自己的信号进行处理)，驱动电路，采用调控方式调节占空比驱动方波发生电路给开关管信号。
如图2a所示，本发明在正常输入范围内工作时的电路波形图，图2b为低于正常输入范围时的控制时序图。
本发明在正常工作期间钳位电路对主电路没有任何影响，在输入电压偏低时，变换器输出无法满足需要，此时，改变变换器工作方式(不对称开关)使变换器工作在有源钳位升压状态，保持后级正常工作。电流型变换器结构，可以充分保证轻载所有MOS管的软开关。变换器的一个完整的周期由不同的子区间和对应的不同的模态组成，下面对其工作过程进行分析：
Mode1[t0-t1]阶段，Q1、Q3导通，变压器副边整流电流(iDB)为零，原边电流(ip)通过Q1、DB、Q3、原边绕组环流，该阶段变压器原边电压(Vp)与副边电压(Vs)均为零，励磁电感电流iLm近似恒定且满足：iLm(t)＝ip(t)＝iLm(t0)。
Mode2[t1-t2]阶段，在t1时，Q3近似零电流关断，该模态下，ip给C3、C4充、放电。
Mode3[t2-t3]阶段，在t2时，VQ4为零，TR原边电流ip从D4通过，Q4可实现零电压(ZVS)开通，变压器正常工作，副边电流开始通过D1、D4。
Mode4[t3-t4]阶段，Q1关断时，该模态开始，TR原边电流ip给C1、C2充放电，当VQ2为零时，D2自然导通，Q2可实现零电压开通(ZVS)。在t4时，TR原边电压Vp为零，此时，D1、D4仍然开通，-Vcp施加到Lr上，原边电流开始下降。
下办周期的工作原理和上面所述工作原理相同，方向相反。
当输入电压范围低于正常工作时的输入电压时，变压器不再工作在移相状态，控制信号调整为不对称PWM，变换器工作在有源钳位升压状态，占空比D大于0.5，其工作过程分析如下：
Mode1[t0-t1]阶段，在t0时，Q1、Q4导通，同时TR副边D1、D4导通，变换器TR进行正常的能量传递，电容Cc此时处于充电状态。
Mode2[t1-t2]阶段，该阶段为死区时间。
Mode3[t2-t3]阶段，与Mode1相反，Q2、Q3导通，此阶段中DB因承受反压而关断，此时给负载供电的是电容Cc中存储的能量。
Mode4[t3-t4]阶段，同Mode2。
在有源钳位升压模态，电容Cc的电压Vc(D＞0.5)可表示为
因为占空比的变化，使得Cc中的能量可以高于输入，这样，可以适当加宽输入电压的范围。由于，串并联的谐振的结构，可以保证逆变部分的软开关和工作的高频化。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种有源钳位串并联全桥DC/DC变换器，其特征在于，包括直流电源Vin、带有若干MOS管的逆变电路、谐振网络、变压器TR、输出整流滤波电路、有源钳位电路以及控制回路；直流电源Vin通过逆变电路、谐振网络与变压器的原边绕组Np相连；谐振网络包括谐振电感Lr和MOS管寄生电容；谐振电感Lr与变压器TR的原边绕组Np串联，变压器TR的副边绕组通过输出整流滤波电路输出；控制回路采集直流电源Vin、变压器TR以及输出端Vo的电压信号，通过驱动电路将控制信号发给逆变电路的MOS管。
2.根据权利要求1所述的有源钳位串并联全桥DC/DC变换器，其特征在于，所述逆变电路包括MOS管Q1及其体二极管DQ1和寄生电容C1、MOS管Q2及其体二极管DQ2和寄生电容C2、MOS管Q3及其体二极管DQ3和寄生电容C3、MOS管Q4及其体二极管DQ4和寄生电容C4；
MOS管Q1的漏极和MOS管Q3的漏极与直流电源Vin的正极相连，MOS管Q2的源极和MOS管Q4的源极与直流电源Vin的负极相连；MOS管Q1的源极和MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极相连。
3.根据权利要求1所述的有源钳位串并联全桥DC/DC变换器，其特征在于，所述变压器TR的原边绕组Np一端与谐振电感Lr相连，另一端连接至MOS管Q3的源极和MOS管Q4的漏极之间的节点上。
4.根据权利要求1所述的有源钳位串并联全桥DC/DC变换器，其特征在于，所述有源钳位电路包括钳位二极管DB和电容Cc，钳位二极管DB的阳极接MOS管Q1的漏极，阴极接MOS管Q3的漏极；电容Cc的一端接MOS管Q3的漏极另一端接MOS管Q4的源极。
5.根据权利要求1所述的有源钳位串并联全桥DC/DC变换器，其特征在于，所述输出整流滤波电路包括整流二极管D1及其寄生电容CD1、整流二极管D2及其寄生电容CD2、整流二极管D3及其寄生电容CD3、整流二极管D4及其寄生电容CD4、谐振电容Cp、滤波电感Lf以及滤波电容Co；
变压器TR副边绕组Ns的一端分别接整流二极管D1的阳极和整流二极管D2的阴极，另一端接整流二极管D3的阳极和整流二极管D4的阴极，励磁电感Lm并联在变压器TR副边绕组Ns的两端；谐振电容Cp并联在整流二极管D3的阴极和整流二极管D4的阳极两端，滤波电感Lf和滤波电容Co串联后并联在谐振电容Cp两端，且谐振电容Cp的两端为变换器输出端Vo。
6.根据权利要求1所述的有源钳位串并联全桥DC/DC变换器，其特征在于，所述控制回路包括控制处理器、第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路以及驱动方波发生电路；第一采样电路的输入端与直流电源Vin的正极相连，第二采样电路的输入端与变压器原边绕组Np相连，第三采样电路的输入端与输出端Vo的正极相连；第一采样电路、第二采样电路和第三采样电路的输出端均与控制处理器的输入端相连；控制处理器的输出端与驱动方波发生电路相连，驱动方波发生电路的输出端分别与各MOS管相连。
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