CN107612340A - 一种低电压应力隔离全桥变换器电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低电压应力隔离全桥变换器电路装置，属于功率变换电路领域。本发明中变压器原边由开关管和串联电容组成，隔离变压器由励磁电感和理想变压器组成，变压器副边由二极管全桥整流桥、输出滤波电感、输出滤波电容和负载等效电阻组成。通过在变压器原边增加储能电容，桥臂开关管的电压应力降低为输入电压的一半，同时采用移相控制策略或不对称移相控制策略，实现开关管的零电压软开关；与传统全桥变换器电路相比，扩宽了软开关的实现范围，且无需额外的辅助电感也可获得宽范围软开关，从而实现变换器电路的高效率。

Description

一种低电压应力隔离全桥变换器电路装置

技术领域

本发明属于功率变换电路技术领域，具体涉及一种低电压应力隔离全桥变换器电路装置。

背景技术

目前，随着功率变换器小型化、高频化的发展需求和宽带器件的广泛推广利用，软开关变换器以其具有的低开管损耗、高开关频率、高效率等优点，在无线储能新兴技术、高压直流变流器、电动汽车、不间断电源、新能源功率变换系统等场合得到广泛应用。在中大功率应用场合，移相全桥变换器无需额外辅助电路实现变换器桥臂开关管的软开关、电路拓扑简单、容易实现等优势得到工业界的广泛应用。传统的移相全桥变换器如图1所示，通过控制50％占空比的桥臂开关管的移相角实现对输出电压的有效调节。

然而，对于如图1所示的移相全桥变换器存在以下不足之处：

(1)桥臂开关管电压箝位于输入电压，高输入直流电压需采用高电压等级的开关器件带来成本的增加，例如在三相整流变流器后端的780V中间直流母线电压和分布式电源系统的380V直流母线电压应用场合。在780V母线电压的应用场合，现有的解决方案是采用三电平或多电平技术来降低开关管的电压应力，然而，带来开关管数量的增加和电路拓扑复杂度、控制难度的增加；在380V直流母线电压应用场合，采用600V/650V的MOSFET管来实现功率的变换，然而，高电压等级的MOSFET管的Rds,on较大，导致导通损耗增加；

(2)桥臂开关管的寄生参数不一致或驱动信号不一致，不能保证变压器原边电压的正负对称性，可能导致变压器励磁电感存在偏磁甚至有可能可能导致变压器饱和，现有的方案是在变压器原边增加较大的隔直电容来保证变压器励磁电感无直流偏量，以避免变压器的饱和现象；

(3)现有的全桥变换器电路装置，虽然实现了桥臂所有开关管的软开关，但是变换器滞后桥臂开关管软开关范围受限，目前国际标准对全范围电源变换效率均有要求，因此传统的电路装置难以满足其效率要求。现有的解决方案是需要增加额外的串联辅助电感来扩宽软开关的范围，增加了电路复杂度；

(4)采用移相控制技术，变换器原边存在环流，造成较大的环流损耗；现有的解决方案是增加辅助电路使原边环流电流迅速归零，以减小环流损耗，然而，额外电路的增加带来电路拓扑复杂，分析与设计难度相应增加。

因此，传统的全桥电路装置存在电压应力较高、开关管软开关范围较窄、环流损耗较大等缺点，现有的解决方案通常仅针对某一不足之处提出的，不能全面的优化变换器的性能。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种低电压应力隔离全桥变换器电路装置。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种低电压应力隔离全桥变换器电路装置，包括变压器原边、隔离变压器和变压器副边；所述变压器原边为带储能电容的桥臂开关电路网络，包括输入端开关管S₁、储能电容C₁和桥臂开关管S₂、S₃和S₄；所述隔离变压器包括励磁电感L_m和理想变压器；所述变压器副边包括二极管全桥整流桥、输出滤波电感L₀、输出滤波电容C₀和负载等效电阻R；

输入端开关管S₁与电压源串联；储能电容C₁与桥臂开关管S₃串联形成桥臂开关电路网络的第一桥臂，桥臂开关管S₂与S₄串联形成桥臂开关电路网络的第二桥臂；桥臂开关电路网络的两个桥臂并联，再与输入端开关管S₁串联；桥臂开关电路网络的两个桥臂的中点连接理想变压器的原边；励磁电感L_m和理想变压器的原边并联；二极管全桥整流桥包括四个二极管D₁、D₂、D₃和D₄；其中二极管D₁和D₃串联形成二极管全桥整流桥的第一桥臂，二极管D₂和D₄串联形成二极管全桥整流桥的第二桥臂；二极管全桥整流桥的两个桥臂并联，与输出滤波电感L₀串联，再与输出滤波电容C₀和负载等效电阻R并联；二极管全桥整流桥的两个桥臂的中点连接理想变压器的副边。

储能电容C₁具有充放电自平衡原则，使加载在变压器原边的电压降低，从而降低开关管的电压应力，实现变换器的宽范围软开关；保证了变换器桥臂的自动均流特性，原边变压器不受器件参数不一致或驱动信号不一致的影响，避免了变压器的饱和。

在低压输出应用场合，变压器副边也可采用中心抽头式全波整流电路和倍流整流电路。

变换器的调制策略可采用移相调制策略、不对称移相调制策略或不对称调制策略；采用移相调制技术和不对称移相调制技术可实现变换器宽范围软开关，采用不对称调制技术消除变换器环流损耗。

变压器原边电压为输入直流电压降压后的斩波电压，因而更适合应用于降压应用场合；斩波电压的降压特性以便能更加灵活地设计变压器的变比，以简化变压器绕组的设计。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中变压器原边为带储能电容的桥臂开关电路网络，有效降低了开关管的电压应力，使桥臂开关管S₁、S₃、S₄的电压应力降低为输入电压的一半且没有增加开关管的数量；因此，本发明的全桥变换器可直接应用于高压输入直流电源应用场合；

(2)本发明中提出的带储能电容的桥臂开关电路网络，在实现低开关电压应力优点的同时，使功率器件输出电容充放电所需的能量得到减小，因此无需额外的辅助电感，仅需要较小的电感即可扩宽变换器桥臂软开关的范围，同时开关管的关断损耗降低，进一步提升了变换器的效率；

(3)本发明所述的带储能电容的桥臂开关电路网络，利用桥臂储能电容的充放电平衡，自动实现桥臂电流的均流，变压器励磁电感不存在直流偏量，避免了功率器件等参数不一致带来的变压器饱和现象；

(4)本发明所述的带储能电容的桥臂开关电路网络，采用移相策略实现桥臂开关管的软开关，降低开关管的电压应力；采用不对称移相调制策略在实现软开关的同时消除变换器原边的环流损耗，以进一步减小变换器的导通损耗，从而提升变换器的效率；

(5)本发明所述的带储能电容的桥臂开关电路网络，使变压器原边的斩波电压为输入电压的一半，因此在降压应用场合，可更加能更加灵活地设计变压器的变比，以简化变压器绕组的设计，减小变压器的绕组损耗。

附图说明

图1为传统的移相全桥变换器电路示意图；

图2为传统的移相全桥变换器电路的关键波形示意图；

图3为本发明所述的低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置示意图；

图4为本发明所述的低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置的移相调制策略及关键仿真波形示意图；

图5为本发明所述的低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置的不对称移相调制策略及关键仿真波形示意图；

图6为本发明所述的低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置的不对称调制策略及关键仿真波形；

图7为中心抽头式低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置原理图；

图8为倍流整流式低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行更深入的详细说明。

传统的移相全桥变换器电路示意图如图1所示，变压器原边为开关管S1、S2、S3和S4组成的全桥开关网络，副边为全桥整流电路，且采用电感电容滤波电路。图2为该电路装置的关键电压电流波形。由图2可知，开关管S₁和S₃以50％占空比互补导通，开关管S₂和S₄以50％占空比互补导通，S₁和S₂之间移相时间为DT_s/2。由关键波形分析可知，变换器原边开关管的电压应力为输入电压，工作于移相调制模式时，通过控制移相时间实现对输出电压的有效调节。在桥臂换流发生阶段，超前桥臂换流所需的能量由输出电感和漏感提供，容易实现开关管S₁和S₃的零电压开关；而滞后桥臂换流所需的能量仅变压器的漏感提供，开关管S₂和S₄的软开关实现范围受限。此外，传统的移相全桥变换器电路还存在换向过程带来的占空比丢失现象和环流导通损耗等缺点，从而导致变换器的输出端等效电压减小，从而需要增加副边绕组以提升变换器的输出电压调节能力，环流损耗导致变换器的效率降低。

本具体实施方式提供一种低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置，其电路结构示意图如图3所示。所述的低电压应力隔离全桥功率变换器与传统的移相全桥变换器相比，仅在原边增加了储能电容C₁，改变了原有的全桥开关网络架构。

当采用移相调制策略，即开关管S₁和S₃以50％占空比互补导通，开关管S₂和S₄以50％占空比互补导通，开关管S₁和S₂之间存在移相角，所述的电路装置关键工作波形如图4所示。由图4可知，变换器原边电压为不对称的电压，但始终保持平均值为零，避免了变压器励磁电感的饱和现象。由开关管S1-S4的电压波形可知，开关管S₁和S₃的电压应力减小，且其值等于(1-D_eff)*V_in，其中V_in为输入电压，D_eff为有效占空比；开关管S₂和S₄的电压应力等于输入电压。由此可知，开关管S₁和S₃的电压应力降低带来的优势是桥臂换流时所需的能量降低，与传统的移相全桥变换器相比，所需的漏感能量降低，相同负载条件下扩宽了软开关的范围。此外，所述的低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置工作于移相调制策略下，仅负半周存在换流损耗。

图5本发明所述的低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置工作于不对称移相调制策略时的关键波形，即开关管S₁和S₃互补导通，开关管S₂和S₄互补导通，开关管S₁和S₂的导通占空比为D，S₁和S₂之间存在移相角。工作于该调制策略下，变换器原边的波形形状与传统移相全桥变换器相同，其峰值将低为传统的一半。此外，相对于传统的移相全桥电路，开关管S₁、S₃和S₄的电压应力降低为输入电压的一半，开关管S₂的电压应力仍保持为输入电压，带来的优势是扩宽了开关管的软开关范围。

图6为本发明所述低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置工作于不对称调制策略时的关键波形。开关管S₁和S₄的驱动波形同相且占空比相同，开关管S₂和S₃的驱动波形同相且占空比相同，开关管S₁和S₃互补导通，D为开关管S₁和S₄的占空比。采用此调制技术，开关管S₁、S₃和S₄的电压应力减小，开关管S₂的电压应力等于输入电压，且该技术消除了变换器电路的换流损耗。

仿真结果分析：图4～6为此发明分别采用移相调制策略、不对称移相调制策略、不对称调制策略，所述的低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置工作于连续导电模式下的关键波形。图4～6为图3实施例的仿真波形，其仿真参数为：输入电压V_in＝400V，负载电阻R＝10Ω，变压器原边励磁电感选取为1000μH，变压器变比为n₁：n₂＝3.3:1，输出滤波器电感L_o＝100μH，电容Co＝100μF，移相占空比选取为D＝0.3，开关频率f_s＝100kHz。由图4所示的移相调制方针结果克制，开关管S₁和S₃的电压应力为280V，开关管S₂和S₄的电压应力为400V，且S₂和S₄两端电压为阶梯波形，在换流期间所需的电压仅为120V，因此与传统的移相全桥变换器相比，所述的变换器具有电压应力低的优势，同时可扩宽软开关范围。由图5所示的不对称移相调制仿真结果可知，开关管S₁、S₃和S₄的电压应力为200V，开关管S₂的电压应力为400V，且S₂两端电压为阶梯波形，在换流期间所需的电压仅为200V，因此，可扩宽软开关范围。由图6所示的仿真波形结果可知，开关管S₁和S₃的电压应力为280V，开关管S₄的电压应力为120V，开关管S₂的电压应力为400V，且原边电流不存在环流工作阶段，消除了传统变换器的环流损耗。由于需要保持桥臂储能电容的充放电平衡，变压器原边电压平均值为零，避免了变压器饱和现象。

图7和图8分别为低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置的原边保持不变，副边分别采用中心抽头式整流器和倍流整流器的电路。在低压大电流应用场合，采用图7和图8所示的电路拓扑更好的降低副边二极管的电压应力，以便进一步提升变换器的效率。此外，在变压器副边也可采用同步整流技术。

综上，本发明所提出的低电压应力隔离全桥功率变换器电路装置，利用带储能电容桥臂开关网络实现隔离全桥变换器电压应力降低、开关管软开关范围变宽的思想，仅需要在传统全桥变换器电路拓扑中增加一个储能电容，改变变压器原边的电路开关网络形式，无需额外的辅助电路和开关管，且驱动方式简单，易实现，成本较低，克服了传统辅助电路实现变换器宽范围软开关或增加开关管数量降低电压应力等解决方案的缺点。

Claims (5)

1.一种低电压应力隔离全桥变换器电路装置，包括变压器原边、隔离变压器和变压器副边，其特征在于，所述变压器原边为带储能电容的桥臂开关电路网络，包括输入端开关管S₁、储能电容C₁和桥臂开关管S₂、S₃和S₄；

输入端开关管S₁与电压源串联；储能电容C₁与桥臂开关管S₃串联形成桥臂开关电路网络的第一桥臂，桥臂开关管S₂与S₄串联形成桥臂开关电路网络的第二桥臂；桥臂开关电路网络的两个桥臂并联，再与输入端开关管S₁串联；桥臂开关电路网络的两个桥臂的中点连接隔离变压器的原边。

2.根据权利要求1所述的低电压应力隔离全桥变换器电路装置，其特征在于，所述变压器副边包括副边整流电路和输出滤波电路；所述输出滤波电路包括输出滤波电感L₀、输出滤波电容C₀和负载等效电阻R；所述副边整流电路与与输出滤波电感L₀串联，再与输出滤波电容C₀和负载等效电阻R并联。

3.根据权利要求2所述的低电压应力隔离全桥变换器电路装置，其特征在于，所述副边整流电路为二极管全桥整流桥，包括四个二极管D₁、D₂、D₃和D₄；其中二极管D₁和D₃串联形成二极管全桥整流桥的第一桥臂，二极管D₂和D₄串联形成二极管全桥整流桥的第二桥臂；二极管全桥整流桥的两个桥臂并联，与输出滤波电感L₀串联，再与输出滤波电容C₀和负载等效电阻R并联；二极管全桥整流桥的两个桥臂的中点连接隔离变压器的副边。

4.根据权利要求2所述的低电压应力隔离全桥变换器电路装置，其特征在于，所述副边整流电路采用中心抽头式全波整流电路或倍流电路，输出电压为低电压。

5.根据权利要求1所述的低电压应力隔离全桥变换器电路装置，其特征在于，变换器的调制策略为移相调制策略、不对称移相调制策略或不对称调制策略。