CN108347174A - 一种Boost全桥隔离型变换器及其复合有源箝位电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Boost全桥隔离型变换器及其复合有源箝位电路，所述复合有源箝位电路应用在具有隔离功能、全桥、升压类拓扑的电路中，高频变压器原边的振荡电压得到了有效的抑制，降低了开关管被击穿的危险，提升了系统工作的可靠性，且电容吸收的能量无损转移到输出端，相比RCD缓冲电路，提升了开关电源的效率，相比无源无损吸收电路，减少了开关管的电压应力且可以适用于比较高的开关频率场合的开关电源等电力电子产品中，所述Boost全桥隔离型变换器在实现能量无损的情况下，还适用于比较高的开关频率场合。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种Boost全桥隔离型变换器及其复合有源箝位电路。
背景技术
Boost(升压)全桥隔离型变换器是一种既能实现大升压比又能实现电气隔离的DC-DC变换拓扑，在电动汽车系统、电池储能系统、可再生能源发电以及超导储能系统领域有广阔的应用前景。与其它拓扑相比，该类拓扑由于储能式变压器的电感能够起到限流作用，在负载过载甚至短路时具有过流和短路保护能力，主电路的开关管容易实现软开关等特点，因而广泛应用于开关电源等电力电子产品领域。
图1和图2为两种Boost全桥隔离型拓扑，图1为隔离型DC-DC变换器，包括直流输入电源V1、升压电感L、原边桥臂、变压器漏感Llk、原边隔直电容Cb、高频变压器Tx、原边匝数为Np，副边匝构数为Ns，输出整流电路、输出滤波电容Co、负载电阻R。原边桥臂由开关管M1～M4成，D1～D4为开关管M1～M4的寄生二极管，输出整流电路由整流二极管D5～D8构成。
图2为单级Boost APFC(有源功率因素校正)电路，包括交流输入电源V1，输入整流电路，升压电感L，桥式逆变电路，高频变压器Tx(匝数比为Np和Ns)，Llk为高频变压器的漏感，输出整流电路，Lo为输出滤波电感，Co为输出滤波电容，R为负载电阻。输入整流电路由二极管D9～D12构成，桥式逆变电路由开关管M1～M4构成，D1～D4分别对应开关管的内部寄生电容，输出整流电路由二极管D5～D8构成。
图3是图1和图2开关管M1～M4的开关时序。所有功率开关管占空比D均等于0.5，上桥臂功率开关M1与M3互为反相，下桥臂功率开关M2与M4互为反相，功率开关M4驱动信号相对于功率开关M1驱动信号和功率开关M2驱动信号相对于功率开关M3驱动信号的移相均为θ，式中，(0<θ<180)为每对功率开关M1与M3、M2与M4共同导通时间所对应的角度。
但此类拓扑也存在一个比较严重的缺陷：实际电路并不是理想的，电路中总是有杂散电感，功率开关管存在结电容，隔离变压器存在漏感，由于高频变压器T原边绕组漏感Llk的存在，当桥臂开关管由直通状态向对臂导通状态切换时，因为没有释放回路，电感中的能量不能瞬间流入变压器原边，开关管的结电容会与变压器原边漏感进行谐振，因此在开关管两端会产生很高的浪涌电压，如果不被抑制，在电路工作时很可能会造成功率开关管的电压应力超出器件的安全工作范围，各开关管会因过压而击穿，降低了电路的可靠性。
为了抑制此电压尖峰，目前大多数采用两种方法：
第一种：RCD缓冲吸收电路技术，如图4所示，即在开关管关断时，电容迅速充电，开关管D、S电压被电容箝位，当开关管开通时，电容所吸收的能量通过限流电阻释放，通过发热的形式消耗掉。RCD缓冲电路虽然结构简单，价格低廉，但由于电路中杂散电感电容等的存在，仍然会产生较高的电压尖峰，而且电容吸收的能量在电阻上消耗掉，会降低整个系统的效率，故只能适用于对变换效率要求不高的场合。
第二种：无源无损吸收技术，如图5所示，该缓冲电路在电流源型，尤其具有隔离功能、全桥升压类拓扑中，高频变压器原边的振荡电压得到了有效的抑制，同时变压器漏感的能量无损回馈到电源中去，但高频时较大的LC谐振增加了功率开关管的电压应力及导通损耗，只能适用于开关频率低于几十kHz的场合，以保证较高的变换效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种Boost全桥隔离型变换器及其复合有源箝位电路，所述复合有源箝位电路应用在具有隔离功能、全桥、升压类拓扑的电路中，高频变压器原边的振荡电压得到了有效的抑制，降低了开关管被击穿的危险，提升了系统工作的可靠性，且电容吸收的能量无损转移到输出端，相比RCD缓冲电路，提升了开关电源的效率，相比无源无损吸收电路，减少了开关管的电压应力且可以适用于比较高的开关频率场合的开关电源等电力电子产品中，所述Boost全桥隔离型变换器在实现能量无损的情况下，还适用于比较高的开关频率场合。
本发明是这样实现的：一种Boost全桥隔离型变换器的复合有源箝位电路，包括箝位电容Cc、箝位二极管Dc、辅助开关管Ms，辅助二极管Ds、辅助电容Cs以及采用反激式绕法的变压器Ts；所述变压器Ts包括原边绕组N1和副边绕组N2；所述箝位二极管Dc的阳极作为输入端的正极；所述箝位电容Cc的一端连接和所述原边绕组N1的一端并联后连接于所述箝位二极管Dc的阴极；所述原边绕组N1的另一端串联所述辅助开关管Ms后并联于所述箝位电容Cc的另一端，所述辅助开关管MS和所述箝位电容Cc并联的节点作为输入端的负极；所述副边绕组N2的一端连接于所述辅助二极管Ds的阳极，所述辅助二极管Ds的阴极连接于所述辅助电容Cs的一端；所述副边绕组N2的另一端连接于所述辅助电容Cs的另一端，所述辅助二极管Ds的阴极与所述辅助电容Cs连接的节点作为输出端的正极；所述副边绕组N2的另一端与所述辅助电容Cs连接的节点作为输出端的负极。
本发明还提供一种Boost全桥隔离型变换器，包括直流输入电源V1，负载电阻R、升压电感Lf，所述直流输入电源V1的正极连接于所述升压电感Lf的一端，还包括所述的复合有源箝位电路；所述复合有源箝位电路的输入端的正极连接于所述升压电感Lf的另一端，所述复合有源箝位电路的输入端的负极连接于所述直流输入电源V1的负极，所述复合有源箝位电路的输出端的正极连接于所述负载电阻R靠近所述直流输入电源V1正极的一端，所述复合有源箝位电路的输出端的负极连接于所述负载电阻R靠近所述直流输入电源V1负极的一端。
本发明具有如下优点：本发明一种Boost全桥隔离型变换器及其复合有源箝位电路，所述复合有源箝位电路应用在具有隔离功能、全桥、升压类拓扑的电路中，高频变压器原边的振荡电压得到了有效的抑制，降低了开关管被击穿的危险，提升了系统工作的可靠性，且电容吸收的能量无损转移到输出端，相比RCD缓冲电路，提升了开关电源的效率，相比无源无损吸收电路，减少了开关管的电压应力且可以适用于比较高的开关频率场合的开关电源等电力电子产品中，所述Boost全桥隔离型变换器在实现能量无损的情况下，还适用于比较高的开关频率场合。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为背景技术中隔离型DC-DC变换器的电路图。
图2为背景技术中单级Boost APFC电路的电路图。
图3为图1和图2开关管M1至M4的开关时序图。
图4为背景技术中RCD缓冲吸收电路技术的电路图。
图5为背景技术中无源无损吸收技术的电路图。
图6为本发明一种Boost全桥隔离型变换器的复合有源箝位电路的电路图。
图7为本发明一种Boost全桥隔离型变换器的电路图。
图8为图7中开关管MS、开关管M1至M4的前半个周期的驱动波形图。
图9为本发明实施例一中t0至t1时段开关管M1至开关管M4全部导通的电路图。
图10为本发明实施例一中t1至t2时段只有开关管M1和开关管M4保持导通的电路图。
图11为本发明实施例一中t2至t3时段只有开关管M1和开关管M4保持导通的电路图。
图12为本发明实施例一中t3至t4时段只有开关管M1和开关管M4保持导通的电路图。
图13为本发明实施例一中t4至t5时段只有开关管M1和开关管M4保持导通的电路图。
图中：1、复合有源箝位电路；2、单相逆变桥；3、副边输出整流电路。
具体实施方式
请参阅图6所示本发明一种Boost全桥隔离型变换器的复合有源箝位电路，包括箝位电容Cc、箝位二极管Dc、辅助开关管Ms，辅助二极管Ds、辅助电容Cs以及采用反激式绕法的变压器Ts；所述变压器Ts包括原边绕组N1和副边绕组N2；所述箝位二极管Dc的阳极作为输入端的正极；所述箝位电容Cc的一端连接和所述原边绕组N1的一端并联后连接于所述箝位二极管Dc的阴极；所述原边绕组N1的另一端串联所述辅助开关管Ms后并联于所述箝位电容Cc的另一端，所述辅助开关管MS和所述箝位电容Cc并联的节点作为输入端的负极；所述副边绕组N2的一端连接于所述辅助二极管Ds的阳极，所述辅助二极管Ds的阴极连接于所述辅助电容Cs的一端；所述副边绕组N2的另一端连接于所述辅助电容Cs的另一端，所述辅助二极管Ds的阴极与所述辅助电容Cs连接的节点作为输出端的正极；所述副边绕组N2的另一端与所述辅助电容Cs连接的节点作为输出端的负极。
所述复合有源箝位电路1用在具有隔离功能、全桥、升压类拓扑的电路中，使得Boost全桥隔离型变换器中的高频变压器原边的振荡电压得到了有效的抑制，降低了开关管被击穿的危险，提升了系统工作的可靠性，且电容吸收的能量转移到输出端，实现能量无损回馈到电源中，相比RCD缓冲电路，提升了开关电源的效率，相比无源无损吸收电路，减少了开关管的电压应力且可以适用于比较高的开关频率场合的开关电源等电力电子产品中。
如图7所示，一种Boost全桥隔离型变换器，包括直流输入电源V1，负载电阻R、升压电感Lf，所述直流输入电源V1的正极连接于所述升压电感Lf的一端，还包括所述的复合有源箝位电路1；所述复合有源箝位电路1的输入端的正极连接于所述升压电感Lf的另一端，所述复合有源箝位电路1的输入端的负极连接于所述直流输入电源V1的负极，所述复合有源箝位电路1输出端的正极连接于所述负载电阻R靠近所述直流输入电源V1正极的一端，所述复合有源箝位电路1的输出端的负极连接于所述负载电阻R靠近所述直流输入电源V1负极的一端。
通过所述复合有源箝位电路1，所述Boost全桥隔离型变换器的高频变压器原边的振荡电压得到了有效的抑制，降低了开关管被击穿的危险，提升了系统工作的可靠性，且电容吸收的能量无损转移到输出端，提升了开关电源的效率，减少了开关管的电压应力且可以适用于比较高的开关频率场合的开关电源等电力电子产品中，在实现能量无损的情况下，还适用于比较高的开关频率场合。
实施例一，如图7所示，所述Boost全桥隔离型变换器包括本发明所述的复合有源箝位电路1还包括直流输入电源V1、升压电感Lf、隔离升压变压器Tx、隔离升压变压器Tx原边侧等效漏感或与外串电感之和Llk，隔离升压变压器Tx原边所串隔直电容Cb、输出滤波电容Co、负载电阻R、由开关管M1、M2、M3、M4以及寄生二极管D1、D2、D3、D4组成的单相逆变桥2、以及由整流二极管D5、D6、D7、D8组成的副边输出整流电路3；隔离升压变压器Tx的原边和副边的匝数比为Np/Ns，将本发明的输出端的正极和输出端的负极连接于电阻R的两端，所述复合有源箝位电路1输出端的输出电压为V2，将本发明输入端的正极连接于升压电感Lf和开关管M1之间，本发明输入端的负极连接于直流输入电源V1的负极；
在一个充放电周期中，如图8所示，为实施例一中开关管MS、开关管M1至M4的前半个周期的驱动波形图，实施例一中开关管MS、开关管M1至M4后半个周期的驱动波形图和前半个周期的驱动波形图一样，因此实施例一在一个充放电周期中是以前半个周期的驱动波形图进行重复循环的。
前半个周期的工作原理：
阶段1[t0，t1)：如图9所示，t0时刻，开关管M1至M4全部开通，初级侧的变压器绕组被短路，升压电感Lf通过V1充电，电感电流以V1/Lf的斜率线性增大。
阶段2[t1，t2)：如图10所示，在t1时刻，开关管M1和M4保持导通状态，M2和M3关断。所述箝位二极管Dc导通，同时副边整流二极管D5至D8导通，隔离升压变压器Tx的原边向副边传输能量。在这个阶段，iC＝iL(t2)-ip(t2)流入所述箝位电容Cc对其充电，当t＝t2时，iC＝iL(t2)-ip(t2)降到0。
阶段3[t2，t3)：如图11所示，t2时刻，所述箝位二极管Dc停止导通，所述复合有源箝位电路1开始工作，所述箝位电容Cc放电，升压电感Lf开始储存能量，M1和M4保持导通状态，M2和M3保持关断状态，整流二极管D5和D8保持导通状态并传输能量至本发明复合有源箝位电路的输出端。
阶段4[t3，t4)：如图12所示，此阶段，所述复合有源箝位电路1单独工作调节所述箝位电容Cc的电压Vc至Vc(R)，此电压略大于输出负载电阻R两端的电压，另一方面，开关管M1和M4，整流二极管D5和D8仍然导通，能量从直流输入电源V1传递到输出端V2。
阶段5[t4，t5)：如图13所示，电压Vc已经调节到V2*Ns/Np，所述复合有源箝位电路1停止工作，主功率回路仍然在传输能量，在t5时候，停止传输能量，完成了半周期的工作。
同理，后半个周期只导通开关管M2和M3，重复阶段1至阶段5，与前半个周期的工作原理类似，这里不再重复阐述。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (2)
1.一种Boost全桥隔离型变换器的复合有源箝位电路，其特征在于：包括箝位电容Cc、箝位二极管Dc、辅助开关管Ms，辅助二极管Ds、辅助电容Cs以及采用反激式绕法的变压器Ts；所述变压器Ts包括原边绕组N1和副边绕组N2；所述箝位二极管Dc的阳极作为输入端的正极；所述箝位电容Cc的一端连接和所述原边绕组N1的一端并联后连接于所述箝位二极管Dc的阴极；所述原边绕组N1的另一端串联所述辅助开关管Ms后并联于所述箝位电容Cc的另一端，所述辅助开关管MS和所述箝位电容Cc并联的节点作为输入端的负极；所述副边绕组N2的一端连接于所述辅助二极管Ds的阳极，所述辅助二极管Ds的阴极连接于所述辅助电容Cs的一端；所述副边绕组N2的另一端连接于所述辅助电容Cs的另一端，所述辅助二极管Ds的阴极与所述辅助电容Cs连接的节点作为输出端的正极；所述副边绕组N2的另一端与所述辅助电容Cs连接的节点作为输出端的负极。
2.一种Boost全桥隔离型变换器，包括直流输入电源V1，负载电阻R、升压电感Lf，所述直流输入电源V1的正极连接于所述升压电感Lf的一端，其特征在于：还包括如权利要求1所述的复合有源箝位电路；所述复合有源箝位电路的输入端的正极连接于所述升压电感Lf的另一端，所述复合有源箝位电路的输入端的负极连接于所述直流输入电源V1的负极，所述复合有源箝位电路的输出端的正极连接于所述负载电阻R靠近所述直流输入电源V1正极的一端，所述复合有源箝位电路的输出端的负极连接于所述负载电阻R靠近所述直流输入电源V1负极的一端。
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