CN106300990A - 双变压器结构的有源嵌位正激dc/dc变换器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及DC/DC变换器领域，具体为双变压器结构的有源嵌位正激DC/DC变换器拓扑电路，解决现有拓扑结构电路结构复杂、制造成本高、电流应力和能量传输损耗大、无法在宽输入电压范围及高输出电流情况下获得高能量传输效率的问题，方案为：包括输入电源、出口电容、并联的第一和第二正激变换器，并联正激变换器结构仅含两个开关管，并使用变压器漏感和额外谐振电感实现ZVS，通过改变并联变压器二次侧结构，使输出负载电流均匀分配在四个输出滤波电感上。优点：1、开关管零电压启动，损耗小；2、无额外去磁电路，结构简洁；3、二次侧并联有效减小副边整流器电流应力，适用于高电流输出场合；4、开关管占空比范围增大，适用于宽电压变化输出场合。

Description

双变压器结构的有源嵌位正激DC/DC变换器拓扑电路

技术领域

本发明涉及DC/DC变换器领域，具体为双变压器结构的有源嵌位正激DC/DC变换器拓扑电路。

背景技术

正激变换器由于其结构简单、效率高的特点，已经广泛应用于中高功率隔离型DC/DC变换器领域。考虑设备电流/电压应力、电路复杂程度、成本投入等因素，国内外研究工作者对不同拓扑结构的正激变换器进行了深入研究。

由于存在变压器结构，必须采用适当的磁复位技术，以保证变压器的磁平衡。现有的解决方案主要有以下四种：

1、RCD嵌位电路：传统RCD嵌位结构，因结构简单、体积小、成本低而倍受青睐，但其使用的电阻制动装置造成了额外功耗，且不能进行变压器漏感能量和励磁能量的回馈，致使能量传输效率降低；

2、有源嵌位电路：传统有源嵌位正激转换器可以使嵌位开关管实现ZVS，同时可以减小主开关管的电压应力，提高变流器的效率，但在相同输出功率情况下，却需要额外的嵌位开关管，使得系统成本增加；

3、双管正激变换器：双管正激变换器结构可回馈变压器励磁能量和漏感能量，具有磁复位方式简单、效率高、开关管电压应力低、可靠性高等优点，但由于开关管只能工作在占空比为0～0.5之间，不适合输入电压宽范围变化的场合；

4、并联正激变换器：并联正激变换器可以减低器件电流应力和功率损耗，但却需要配备更多开关管以及正激变换器的附加磁复位电路，导致电路复杂性和成本增高。

由于现有的四种方案均存在一定缺陷，因此，设计一种结构简单、制造成本低廉、能够适用于输入电压变化范围较宽的场合的变换器拓扑电路是很有必要的。

发明内容

本发明解决现有变换器拓扑结构电路存在的缺陷，提供一种结构简单、制造成本低廉、能够适用于输入电压变化范围较宽的场合的变换器拓扑电路。

本发明是通过以下技术方案实现的：双变压器结构的有源嵌位正激DC/DC变换器拓扑电路，包括：直流输入电源、第一正激变换器、第二正激变换器和出口电容；

所述第一正激变换器由第一开关管(主开关管)、第二开关管(嵌位开关管)、谐振电感、第一嵌位电容、第一变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一输出滤波电感、第二输出滤波电感构成；

所述第二正激变换器由第二开关管(主开关管)、第一开关管(嵌位开关管)、谐振电容、第二嵌位电容、谐振电感、第二变压器、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第三输出滤波电感、第四输出滤波电感构成；所述谐振电容为第一开关管、第二开关管输出电容总和；

所述第一变压器由第一一次侧绕组、第一二次侧绕组、第一激磁电感构成；所述第二变压器由第二一次侧绕组、第二二次侧绕组、第二激磁电感构成；

所述直流输入电源正极分别连接第一嵌位电容负极、第一激磁电感一端和第一一次侧绕组同名端，所述直流输入电源负极分别连接第二嵌位电容负极和第一开关管源极，所述第一嵌位电容正极连接第二开关管的漏极，所述第二开关管的源极分别连接第一开关管的漏极和谐振电感一端，所述谐振电感另一端分别连接第一激磁电感另一端、第一一次侧绕组异名端、第二激磁电感一端和第二一次侧绕组同名端；所述谐振电容正极与第一开关管漏极相连，所述谐振电容负极与第一开关管源极相连；所述第二一次侧绕组异名端分别连接第二激磁电感另一端和第二嵌位电容正极；所述第一二次侧绕组同名端连接第一二极管阳极，所述第一二次侧绕组异名端分别连接第二输出滤波电感一端和第三二极管阳极，所述第一二极管阴极分别连接第二二极管阴极和第一输出滤波电感一端，所述第一输出滤波电感另一端分别连接出口电容正极和第三二极管阴极，所述出口电容负极分别连接第二二极管阳极和第二输出滤波电感另一端；

所述第二二次侧绕组同名端分别连接第四输出滤波电感一端和第六二极管阳极，所述第二二次侧绕组异名端连接第四二极管阳极，所述第四二极管阴极分别连接第五二极管阴极和第三输出滤波电感一端，所述第三输出滤波电感另一端分别连接第六二极管阴极和出口电容正极，所述第四输出滤波电感另一端分别连接第五二极管阳极和出口电容负极，所述出口电容的两端分别作为输出电压的输出端。

本发明在电路结构中将第一开关管内的电容和第二开关管内的电容等效为谐振电容，方便之后进行电路工作过程分析，和定量的公式推导，并不影响电路功能的实现。

本发明具有以下优点：1、两个开关管均可以零电压启动，减小开关损耗；2、电路中无额外去磁电路，拓扑结构简洁；3、二次侧并联结构有效减小副边整流器电流应力，适用于高电流输出场合；4、开关管占空比范围增大，适用于宽电压变化输出场合。

附图说明

图1为本发明电路结构示意图；

图2为本发明工作时各器件电压电流波形图；

图3为t₀～t₁时段参与工作的器件图以及电流流向图；

图4为t₁～t₂时段参与工作的器件图以及电流流向图；

图5为t₂～t₃时段参与工作的器件图以及电流流向图；

图6为t₃～t₄时段参与工作的器件图以及电流流向图；

图7为t₄～t₅时段参与工作的器件图以及电流流向图；

图8为t₅～t₆时段参与工作的器件图以及电流流向图；

图9为t₆～t₇时段参与工作的器件图以及电流流向图；

图10为t₇～t₈时段参与工作的器件图以及电流流向图；

图中：-直流输入电源V_in，S₁-第-一开关管，S₂-第二开关管，L_r-谐振电感，C₁-第一嵌位电容，C₂-第二嵌位电容，C_r-谐振电容，T_a-第一变压器，T_b-第二变压器，D₁-第一二极管，D₂-第二二极管，D₃-第三二极管，D₄-第四二极管，D₅-第五二极管，D₆-第六二极管，L_o1-第一输出滤波电感，L_o2-第二输出滤波电感，L_o3-第三输出滤波电感，L_o4-第四输出滤波电感，C₀-出口电容，N_pa-第一一次侧绕组，N_sa-第一二次侧绕组，L_ma-第一激磁电感，N_pb-第二一次侧绕组，N_sb-第二二次侧绕组，L_mb-第二激磁电感。

具体实施方式

双变压器结构的有源嵌位正激DC/DC变换器拓扑电路，包括：直流输入电源V_in、第一正激变换器、第二正激变换器和出口电容C₀；

所述第一正激变换器由第一开关管S₁、第二开关管S₂、谐振电感L_r、第一嵌位电容C₁、第一变压器T_a、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一输出滤波电感L_o1、第二输出滤波电感L_o2构成；

所述第二正激变换器由第二开关管S₂、第一开关管S₁、谐振电容C_r、第二嵌位电容C₂、谐振电感L_r、第二变压器T_b、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第三输出滤波电感L_o3、第四输出滤波电感L_o4构成；所述谐振电容C_r为第一开关管、第二开关管输出电容总和；

所述第一变压器T_a由第一一次侧绕组N_pa、第一二次侧绕组N_sa、第一激磁电感L_ma构成；所述第二变压器T_b由第二一次侧绕组N_pb、第二二次侧绕组N_sb、第二激磁电感L_mb构成；

所述直流输入电源V_in正极分别连接第一嵌位电容C₁负极、第一激磁电感L_ma一端和第一一次侧绕组N_pa同名端，所述直流输入电源V_in负极分别连接第二嵌位电容C₂负极和第一开关管S₁源极，所述第一嵌位电容C₁正极连接第二开关管S₂的漏极，所述第二开关管S₂的源极分别连接第一开关管S₁的漏极和谐振电感L_r一端，所述谐振电感L_r另一端分别连接第一激磁电感L_ma另一端、第一一次侧绕组N_pa异名端、第二激磁电感L_mb一端和和第二一次侧绕组N_pb同名端；所述谐振电容C_r正极与第一开关管漏极相连，所述谐振电容C_r负极与第一开关管源极相连；所述第二一次侧绕组N_pb异名端分别连接第二激磁电感L_mb另一端和第二嵌位电容C₂正极；所述第一二次侧绕组N_sa同名端连接第一二极管D₁阳极，所述第一二次侧绕组N_sa异名端分别连接第二输出滤波电感L_o2一端和第三二极管D₃阳极，所述第一二极管D₁阴极分别连接第二二极管D₂阴极和第一输出滤波电感L_o1一端，所述第一输出滤波电感L_o1另一端分别连接出口电容C₀正极和第三二极管D₃阴极，所述出口电容C₀负极分别连接第二二极管D₂阳极和第二输出滤波电感L_o2另一端；

所述第二二次侧绕组N_sb同名端分别连接第四输出滤波电感L_o4一端和第六二极管D₆阳极，所述第二二次侧绕组N_sb异名端连接第四二极管D₄阳极，所述第四二极管D₄阴极分别连接第五二极管D₅阴极和第三输出滤波电感L_o3一端，所述第三输出滤波电感L_o3另一端分别连接第六二极管D₆阴极和出口电容C₀正极，所述第四输出滤波电感L_o4另一端分别连接第五二极管D₅阳极和出口电容C₀负极，所述出口电容C₀的两端分别作为输出电压的输出端。

下面结合附图2-3说明本发明具体工作原理及工作过程如下：

t₀～t₁时段：第一开关管S₁导通，第二开关管S₂关断，第一一次侧绕组电压V_pa近似等于直流输入电源电压V_in。磁化电流I_Lma线性增加，第二一次侧绕组电压V_pb近似等于-V_C2(即-V_in)。输入功率通过变压器传输到二次侧，二极管D₁、D₄导通。滤波电感电流I_Lr线性增加，谐振电容电压V_Cr为0；

t₁～t₂时段：第一开关管S₁在t₁时刻关断，D₁和D₄持续导通，滤波电感电流I_Lr为谐振电容C_r充电，使其从0增加至V_in；

t₂～t₃时段：V_Cr在t₂时刻达到V_in并继续增加至V_in+V_C1，第一一次侧绕组电压V_pa和第二一次侧绕组电压V_pb逐渐降低至0。此时二次侧所有二极管导通。流经D₁和D₄电流线性减小，流经D₂、D₃、D₅、D₆电流线性增加，所有输出滤波电感电流向负载供电；

t₃～t₄时段：在t₃时刻，V_Cr达到V_in+V_C1且第二开关管S₂导通，由于C₁较大，V_C1值近似恒定不变。I_Lr线性增加，流经D₁、D₄电流继续线性减小，流经D₂、D₃、D₅、D₆电流继续线性增加；

t₄～t₅时段：第二开关管S₂保持导通，第一一次侧绕组电压V_pa等于-V_C1，第二一次侧绕组电压V_pb等于V_C1，此时I_Lma、I_Lmb线性增加。在t₄时刻，流经D₁、D₄电流衰减至0；

t₅～t₆时段：第二开关管S₂在t₅时刻关断，谐振电容C_r向外放电，V_Cr从V_in+V_C1减小至V_in，V_pa近似等于V_in-V_Cr，V_pb近似等于V_Cr-V_C2，二极管D₁、D₄反向截止，输出滤波电感均分负载电流并流过二极管D₂、D₃、D₅、D₆；

t₆～t₇时段：V_Cr在t₆时刻降至V_in，第一、第二一次侧绕组电压为零。D₁、D₄正向导通且流经二极管电流线性增加，流经二极管D₂、D₃、D₅、D₆电流线性减小。此时为保证第一开关管的零电压导通，V_Cr将从V_in降至0；

t₇～t₈时段：V_Cr在t₇时刻减小至0，第一开关管导通，流经D₁、D₄电流继续增加。流经二极管D₂、D₃、D₅、D₆电流线性减小至0；

根据对以上各时段运行状态的分析，可推导公式如下：

$\frac{V_{in}/n-V_0}{2}{\mathrm{DT}}_s=V_0(1-D)T_s\⇒V_0=\frac{1}{n}\frac{D}{2-D}{V}_{in}---\left(1\right)$

其中V_in为直流输入电源电压、n为变压器变比、V₀为输出电压、D为占空比、T_s为运行周期时间。与传统有源嵌位拓扑结构比较，在相同输出电压情况下，本拓扑结构具有更大的电压输入范围。

流经各二极管的电流可由下式表示：

$I_{D1,avg}=I_{D4,avg}=\frac{D}{2-D}\frac{I_0}{2}---\left(2\right)$

$I_{D2,avg}=I_{D3,avg}=I_{D5,avg}=I_{D6,avg}=\frac{1-D}{2-D}\frac{I_0}{4}---\left(3\right)$

I_Dx,avg为流经各二极管平均电流，I₀为输出电流。与传统正激变换器相比，各二极管电流较原来降低2×(2-D)倍。

Claims (1)

1.一种双变压器结构的有源嵌位正激DC/DC变换器拓扑电路，其特征在于：包括直流输入电源(V_in)、第一正激变换器、第二正激变换器和出口电容(C₀)；

所述第一正激变换器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、谐振电感(L_r)、第一嵌位电容(C₁)、第一变压器(T_a)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第一输出滤波电感(L_o1)、第二输出滤波电感(L_o2)构成；

所述第二正激变换器由第二开关管(S₂)、第一开关管(S₁)、谐振电容(C_r)、第二嵌位电容(C₂)、谐振电感(L_r)、第二变压器(T_b)、第四二极管(D₄)、第五二极管(D₅)、第六二极管(D₆)、第三输出滤波电感(L_o3)、第四输出滤波电感(L_o4)构成；所述谐振电容(C_r)为第一开关管、第二开关管输出电容总和；

所述第一变压器(T_a)由第一一次侧绕组(N_pa)、第一二次侧绕组(N_sa)、第一激磁电感(L_ma)构成；所述第二变压器(T_b)由第二一次侧绕组(N_pb)、第二二次侧绕组(N_sb)、第二激磁电感(L_mb)构成；

所述直流输入电源(V_in)正极分别连接第一嵌位电容(C₁)负极、第一激磁电感(L_ma)和第一一次侧绕组(N_pa)同名端，所述直流输入电源(V_in)负极分别连接第二嵌位电容(C₂)负极和第一开关管(S₁)源极，所述第一嵌位电容(C₁)正极连接第二开关管(S₂)的漏极，所述第二开关管(S₂)的源极分别连接第一开关管(S₁)的漏极和谐振电感(L_r)一端，所述谐振电感(L_r)另一端分别连接分别连接第一激磁电感(L_ma)另一端、第一一次侧绕组(N_pa)异名端、第二激磁电感(L_mb)一端和第二一次侧绕组(N_pb)同名端；所述谐振电容(C_r)正极与第一开关管漏极相连，所述谐振电容(C_r)负极与第一开关管源极相连；所述第二一次侧绕组(N_pb)异名端分别连接第二激磁电感(L_mb)另一端和第二嵌位电容(C₂)正极；所述第一二次侧绕组(N_sa)同名端连接第一二极管(D₁)阳极，所述第一二次侧绕组(N_sa)异名端分别连接第二输出滤波电感(L_o2)一端和第三二极管(D₃)阳极，所述第一二极管(D₁)阴极分别连接第二二极管(D₂)阴极和第一输出滤波电感(L_o1)一端，所述第一输出滤波电感(L_o1)另一端分别连接出口电容(C₀)正极和第三二极管(D₃)阴极，所述出口电容(C₀)负极分别连接第二二极管(D₂)阳极和第二输出滤波电感(L_o2)另一端；

所述第二二次侧绕组(N_sb)同名端分别连接第四输出滤波电感(L_o4)一端和第六二极管(D₆)阳极，所述第二二次侧绕组(N_sb)异名端连接第四二极管(D₄)阳极，所述第四二极管(D₄)阴极分别连接第五二极管(D₅)阴极和第三输出滤波电感(L_o3)一端，所述第三输出滤波电感(L_o3)另一端分别连接第六二极管(D₆)阴极和出口电容(C₀)正极，所述第四输出滤波电感(L_o4)另一端分别连接第五二极管(D₅)阳极和出口电容(C₀)负极，所述出口电容(C₀)的两端分别作为输出电压的输出端。