CN106300993A - 一种前后桥臂复用高效率全桥移相变换器 - Google Patents

一种前后桥臂复用高效率全桥移相变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种前后桥臂复用高效率全桥移相变换器，包括全桥移相变换单元；所述全桥移向变换单元包括由第一功率开关器件和第三功率开关器件串联构成的超前臂，由第二功率开关器件和第四功率开关器件串联构成的滞后臂；所述超前臂与所述滞后臂并联，所述超前臂、滞后臂均与全桥整流模块连接；所述全桥移相变换单元与第一半桥LLC谐振变换器共享超前臂；所述全桥移相变换单元与第二半桥LLC谐振变换器共享滞后臂。本发明的第一谐振LLC变换器帮助超前臂实现ZVS，同时使全桥移相变换器的次级整流二极管的电压应力钳位在一个较小的电压，并使全桥移相变换器在续流阶段的环流减小，有效减小占空比丢失现象；变换器的最高效率可到98%以上。

Description

一种前后桥臂复用高效率全桥移相变换器
技术领域
本发明涉及一种软开关变换器，具体的说是一种实现全范围软开关，高效率的全桥移相变换器，适用于大功率充电设备。
背景技术
随着社会发展，储能电池电源系统的应用越来越广泛，例如电动汽车储能电池电源，海岛大功率后备储能电池电源系统等。为提高能源利用率，减低碳排放，提高经济效益，为这些储能电池电源系统充电的充电电源设备应具备尽可能高的电能转换效率。
全桥移相变换器目前在大功率高频开关电源设备中得到广泛应用。但是传统的全桥移相变换器存在滞后臂ZVS开关范围窄，初级环流损耗大、占空比丢失明显、次级整流二极管上电压振铃严重，电压应力大等缺点，这些缺点直接影响了电能转换效率的提高。
LLC谐振拓扑是目前高频开关电源中最常用的一种电路拓扑，具有良好的ZVS特性，次级整流二极管实现ZCS，电压应力小，输出不需要滤波电感，减小了损耗和变换器的体积，因此获得电磁干扰小，效率高的优点。但是LLC谐振变换器是通过调节频率来调节输出电压的，一旦谐振频率偏离LLC谐振腔的谐振频率点较大，变换器的效率会降低，而在大功率充电设备应用中需要输出电压在一个较宽的范围内变化，因此LLC谐振变换器在这方面存在缺陷。
为提高变换器的电能转换效率，人们对全桥移相变换器与LLC谐振变换器的组合进行了大量研究。文献《Zero-Voltage-Switching PWM Resonant Full-Bridge ConverterWith Minimized Circulating Losses and Minimal Voltage Stresses of BridgeRectifiers for Electric Vehicle Battery Chargers》提出了一种全桥移相变换器与半桥LLC谐振变换器共享滞后臂的电路，转换效率大大提高。
所以，针对全桥移相变换器与LLC谐振变换器的组合方式的研究对提高变换器的电能转换效率有现实意义。
发明内容
本发明所要解的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种前后桥臂复用高效率全桥移相变换器，解决现有技术中超前臂和滞后臂不能全负载范围实现ZVS的问题，解决次级整流二极管的电压振铃的问题，降低电压应力，有效减小移相全桥功率变换器主回路环流损耗，适用于大容量蓄电池的充电设备及相关需要高输出电压的场合。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种前后桥臂复用高效率全桥移相变换器，包括全桥移相变换单元；所述全桥移向变换单元包括由第一功率开关器件和第三功率开关器件串联构成的超前臂，由第二功率开关器件和第四功率开关器件串联构成的滞后臂；所述超前臂与所述滞后臂并联，所述超前臂、滞后臂均与全桥整流模块连接；所述全桥移相变换单元与第一半桥LLC谐振变换器共享超前臂，所述第一半桥LLC谐振变换器次级输出采用全桥整流电路，所述第一半桥LLC谐振变换器次级整流电路的低电位端与全桥移相变换器的次级整流电路低电位端相连，第一半桥LLC谐振变换器次级整流电路的高电位端与所述全桥整流模块高电位端通过一个谐振电容相连；所述全桥移相变换单元与第二半桥LLC谐振变换器共享滞后臂，所述第二半桥LLC谐振变换器次级采用全波整流电路，为扇热直流风机提供直流电源。
所述超前臂、滞后臂的四个功率开关器件的集电极/漏极与发射极/源极均并联有用于改善功率开关器件关断特性的吸收电容，且四个电容的参数相同。
所述超前臂与所述全桥整流模块之间依次通过隔直电容、主功率变压器连接。
与全桥移相变换器共享超前臂的第一半桥LLC谐振变换器，其次级输出采用全桥整流，第一半桥LLC谐振变换器次级整流电路的低电位端与全桥移相变换器的次级整流电路低电位端直接相连，第一半桥LLC谐振变换器次级整流电路的高电位端与全桥移相变换器的次级整流电路高电位端通过一个谐振电容Cre相连，利用主功率变换器T的初级漏感Llk与谐振电容Cre谐振，实现变换器初级环流快速置零，次级整流二极管电压钳位，谐振能量储存到CO2中；续流期间，储存在Cre和CO2的能量通过输出电感Lo传递到输出端。
与全桥移相变换器共享滞后臂的第二半桥LLC谐振变换器，其次级采用全波整流电路，在为扇热直流风机提供48V直流电源的同时，帮助滞后臂功率开关器件实现ZVS。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过第一半桥LLC谐振变换器共享全桥移相变换器的超前臂，LLC谐振腔的谐振电流可以帮助全桥移相电路完成对电容C1、C3的谐振，实现超前臂的ZVS开关，有利于减小开关损耗。主功率变换器T的初级漏感Llk与谐振电容Cre谐振，谐振电容端电压和第一半桥LLC谐振变换器的输出电容CO2端电压之和共同作用于变换器T的次级，帮助全桥移相变换器在续流阶段环流迅速归零，减小了全桥移相变换器的导通损耗，并在续流阶段通过输出电感Lo向输出端传递能量，提高了能量传递效率并有利于提高变换器效率。第二半桥LLC谐振变换器为设备的散热风机提供电能的同时，帮助滞后臂在全负载范围内实现ZVS，提高了设备的可靠性的同时，效率也得到提高。
附图说明
图1是本发明的电路拓扑结构图；
图2是本发明的主变换器次级等效电路图；
图3所示为QS导通状态下(有效占空比器件)的等效电路；
图4所示为QS截止状态下(有效占空比器件)的等效电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括全桥移相变换单元1，与全桥移相变换器共享超前臂的第一半桥LLC谐振变换器单元2，与全桥移相变换器共享滞后臂的第二半桥LLC谐振变换器单元3。全桥移相变换单元1中的功率开关器件Q1～Q4构成全桥移相变换器的四个桥臂，D1～D4为功率开关器件的体二极管，C1～C4为并联在功率开关器件集电极(漏极)和发射极(源极)之间的吸收电容，其中Q1、Q3构成超前臂，Q2、Q4构成滞后臂，Cg为隔直电容，T为主功率变压器，Llk是变压器T的初级漏感，DO1～DO4构成次级的全桥整流，LO为输出滤波电感。移相全桥变换器和第一半桥LLC谐振变换器共同构成功率传递通路，其中全桥移相变换器为主功率传递通路。
与全桥移相变换单元共享超前臂的第一半桥LLC谐振变换器单元2，工作在固定频率状态下，其谐振腔的谐振频率等于全桥移相变换器的功率器件的开关工作频率，谐振腔电流满足空载条件下实现超前臂ZVS：
1 2 ( L m 1 + L r 1 ) · I L m - p e a k 1 2 ≥ 1 2 C H B V i n ( m a x ) 2 - - - ( 1 )
式中ILm-peak1为第一半桥LLC谐振腔励磁电流峰值，CHB为桥臂并联吸收电容：
CHB＝C1＝C2＝C3＝C4 (2)
第一半桥LLC谐振变换器次级整流电路的低电位端与全桥移相变换器的次级整流电路低电位端直接相连，第一半桥LLC谐振变换器次级整流电路的高电位端与全桥移相变换器的次级整流电路高电位端通过一个谐振电容Cre相连，CO2为第一半桥LLC谐振变换器次级整流后的滤波的电容，其容值远大于Cre。谐振电容Cre与变压器T的漏感谐振，谐振频率为：
T r = 2 π ( n 1 / n 2 ) 2 L l k C r e = T s - - - ( 3 )
式中，TS为全桥移相变换器功率开关器件的工作周期。
与全桥移相变换器共享滞后臂的第二半桥LLC谐振变换器单元3，其谐振腔的谐振频率等于全桥移相变换器的功率器件的开关工作频率，谐振腔电流满足空载条件下实现滞后臂ZVS：
1 2 ( L m 2 + L r 2 ) · I L m - p e a k 2 2 ≥ 1 2 C H B V i n ( m a x ) 2 - - - ( 4 )
式中ILm-peak2为第二半桥LLC谐振腔励磁电流峰值，CHB为桥臂并联吸收电容。
图2所示，为功率传递通路次级的等效电路。VCo2为第一半桥LLC谐振变换器滤波电容上的电压，因CO2容值远大于Cre，且第一半桥变换器只在续流阶段向输出端传递能量，所以VCo2在一个周期内可以看做一个恒压源。图3所示为QS导通状态下(有效占空比器件)的等效电路，功率通过输出电感传递到输出端的同时，通过谐振电容Cre对CO2充电。图4所示为QS截止状态下(有效占空比器件)的等效电路，输出电感电流经过负载、CO2、Cre形成续流回路，存在在CO2、Cre中的能量通过输出电感Lo传递到输出端，相比只有输出电感的传统方式，在相同纹波情况下，输出电感的体积和电感值可以减小。
由以上表述，本发明所提出的前后桥臂复用高效率全桥移相变换器有以下几个优点：
⑴全桥移相的四个桥臂功率开关器件在全负载范围内都能实现ZVS，降低了开关损耗。
⑵实现了全桥移相变换器输出整流二极管的ZCS关断，降低了输出整流二极管的开关损耗。
⑶变压器T的漏感Llk与电容Cre谐振，在有效占空比期间将漏感中的能量存储到电容CO2、Cre内，在续流期间，电容CO2、Cre上的电压叠加，使全桥移相变换器初级电流迅速归零，减小了环流损耗和占空比丢失，同时为输出电感提供续流通路，存储在电容CO2、Cre和电感Lo中的能量传递到输出端，减小了输出电感的电感值和体积，减小因输出电感带来的损耗。
⑷滞后臂为散热系统提供能量，简便而且高效。
实验表明，采用本技术方案时，变换器的四个功率开关器件均实现了ZVS开关，最大变换效率提高到了98％以上。

Claims (3)

1.一种前后桥臂复用高效率全桥移相变换器，其特征在于，包括全桥移相变换单元；所述全桥移向变换单元包括由第一功率开关器件和第三功率开关器件串联构成的超前臂，由第二功率开关器件和第四功率开关器件串联构成的滞后臂；所述超前臂与所述滞后臂并联，所述超前臂、滞后臂均与全桥整流模块连接；所述全桥移相变换单元与第一半桥LLC谐振变换器共享超前臂，所述第一半桥LLC谐振变换器次级输出采用全桥整流电路，所述第一半桥LLC谐振变换器次级整流电路的低电位端与全桥移相变换器的次级整流电路低电位端相连，第一半桥LLC谐振变换器次级整流电路的高电位端与所述全桥整流模块高电位端通过一个谐振电容相连；所述全桥移相变换单元与第二半桥LLC谐振变换器共享滞后臂，所述第二半桥LLC谐振变换器次级采用全波整流电路，为扇热直流风机提供直流电源。
2.根据权利要求1所述的前后桥臂复用高效率全桥移相变换器，其特征在于，所述超前臂、滞后臂的四个功率开关器件的集电极/漏极与发射极/源极均并联有用于改善功率开关器件关断特性的吸收电容，且四个电容的参数相同。
3.根据权利要求1所述的前后桥臂复用高效率全桥移相变换器，其特征在于，所述超前臂与所述全桥整流模块之间依次通过隔直电容、主功率变压器连接。
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