CN110071643A - 一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器 - Google Patents

一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，包括变压器，所述变压器一次侧的全桥逆变电路以及变压器二次侧的整流滤波电路；全桥逆变电路并联的超前桥臂和滞后桥臂，所述超前桥臂包括IGBT S1、开关管Sa1以及IGBT S2，所述滞后桥臂包括IGBT S3、开关管Sa2以及IGBT S4。该变换器填补了移相全桥软开关直流变换器不同时具有ZVS和ZVZCS两种软开关工作模式的空白，同时兼具ZVS和ZVZCS移相全桥软开关直流变换器的优点，在ZVS模式下，超前桥臂和滞后桥臂均实现零电压开关，变压器原边按恒流模式工作；在ZVZCS模式下，滞后桥臂开关管实现零电流开关，变压器原边电流工作于复位模式。

Description

一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器
技术领域
本发明属于全桥直流变换器技术领域，具体涉及一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器。
背景技术
直流变换技术作为电力电子技术的一个重要分支，近些年来得到迅猛的发展，拥有巨大的市场份额，被广泛应用于各行各业。全桥变换器的功率与开关管的数量紧密相关，通常开关器件数量越多，变换器功率越高，所以在中大功率场合全桥电路被广泛应用。移相全桥软开关直流变换器中的开关器件实现了零电压或零电流，减小了开关损耗，提高了变换效率。移相全桥软开关直流变换器电路结构简单、控制方法简单，易于实现，在实际中得到了广泛研究与应用。
近些年，开关变换器正沿着高频化和大功率化两个方向发展，变换器的工作频率不断提高，被提出的移相全桥软开关变换器，能够在很高的工作频率下，完成中大功率的转换，且结构简单，效率高，动态性能好，因此得到了国内外学者的关注，对移相全桥软开关直流变换器研究具有重要的意义。
目前，移相全桥软开关直流变换器分为两类，即ZVS移相全桥软开关变换器和ZVZCS移相全桥软开关变换器。但是，没有哪一种移相全桥软开关直流变换器同时具有ZVS和ZVZCS两种软开关工作模式，可以实现两种软开关模式的互相切换。
图1是典型的移相全桥ZVS变换器主电路拓扑结构，它具有结构简单，转换效率高等特点；但是它会产生占空比丢失，电路中存在较大的环流，在开关管和变压器上产生较大的损耗等不足。图2是典型的滞后桥臂串联二极管的移相全桥ZVZCS变换器主电路拓扑结构，它是在克服了移相全桥零电压直流变换器固有缺陷的基础上出现的，该变换器一般采用IGBT作为开关器件，IGBT与MOSFET相比，在同样的耐压等级要求下，导通电压明显下降，因而更适合应用于中大功率场合。该变换器消除了IGBT拖尾电流的影响，减小了原边环流，大幅度降低了电路内部的循环能量，提高了变换器的效率，减小了副边占空比丢失，提高了最大占空比，而且软开关范围不受输入电压和负载的影响。变换器唯一的缺点是串联在滞后桥臂中的二极管在导通时流过全部的电流，增加了电路的通态损耗。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，可应用于中大功率场合。
为达到上述目的，本发明一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，包括变压器，变压器一次侧的全桥逆变电路以及变压器二次侧的整流滤波电路；全桥逆变电路并联的超前桥臂和滞后桥臂，超前桥臂包括IGBT S1、开关管Sa1以及IGBT S2，滞后桥臂包括IGBTS3、开关管Sa2以及IGBT S4；
IGBT S1的C极与电源Vin的正极连接，E极与开关管Sa1的S极连接，开关管Sa1的D极与IGBT S2的C极连接，IGBT S2的E极与电源Vin的负极连接；IGBT S3的C极与电源的正极连接，E极与开关管Sa2的S极连接，开关管Sa2的D极与IGBT S4的C极连接，IGBT S4的E极与电源的负极连接；
开关管Sa1的D极与开关管Sa3的D极连接，开关管Sa3的S极与开关管Sa4的S极连接，开关管Sa4的D极与电容CBLZVS的第一端以及电容CBLZVS的第二端连接，电容CBLZVS的第二端与变压器原边的同名端连接，电容CBLZCS第一端和开关管Sa3的D极连接。
进一步的，电源Vin的两端并联有输入电容Cin。
进一步的，变压器二次侧有串联的第一绕组和第二绕组，整流滤波电路包括二极管Do1和二极管Do2，第一绕组的同名端与二极管Do1的正极相连，第二绕组的异名端与二极管Do2的正极相连，二极管Do2负极经二极管Do1的负极与Lo的第一端连接，Lo的第二端与电容Co第一端连接，电容Co的第二端和变压器二次侧的中性点连接。
进一步的，IGBT S1的C极与二极管D1的负极连接，GBT S1的E极与二极管D1的正极连接；IGBT S2的C极与二极管D2的负极连接，IGBT S2的E极与二极管D2的正极连接；IGBT S3的C极与二极管D3的负极连接，GBT S3的E极与二极管3的正极连接；IGBT S4的C极与二极管D4的负极连接，GBT S4的E极与二极管D4的正极连接。
进一步的，IGBT S1，IGBT S2，IGBT S3以及IGBT S4的C极和E极之间均连接有电容器。
进一步的，开关管Sa3、Sa2、Sa3和Sa4均为MOS管。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，该变换器填补了移相全桥软开关直流变换器不同时具有ZVS和ZVZCS两种软开关工作模式的空白，同时兼具ZVS和ZVZCS移相全桥软开关直流变换器的优点，在ZVS模式下，超前桥臂和滞后桥臂均实现零电压开关，变压器原边按恒流模式工作；在ZVZCS模式下，滞后桥臂开关管实现零电流开关，变压器原边电流工作于复位模式。
只需要增加四个开关管Sa1，Sa2，Sa3，Sa4和一个隔直电容CBLZCS，就能在一个直流变换器上同时实现ZVS和ZVZCS，相较于分别制作ZVS和ZVZCS直流变换器，减少了使用的器件和成本，结构简单，提高了功率密度。
减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，而本发明的两种模式都是软开关模式，即ZVS模式下，超前桥臂和滞后桥臂均实现ZVS，ZVZCS模式下，超前桥臂实现ZVS，滞后桥臂实现ZCS，因而本发明具有更小的损耗；损耗小了自然效率就高了；因为增加四个开关管Sa1，Sa2，Sa3，Sa4，在ZVZCS模式下，Sa3和Sa4处于关闭状态，Sa1和Sa2处于开通状态，可以提高开关管的电压应力。当切换到ZVZCS模式时，其软开关范围不受输入电压和负载的影响。因此，此变换器具有良好的动态性能。
附图说明
图1是典型的移相全桥ZVS变换器主电路拓扑结构；
图2是典型的滞后桥臂串联二极管的移相全桥ZVZCS变换器主电路拓扑结构；
图3是本发明一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器主电路拓扑结构；
图4是ZVZCS模式的工作波形图；
图5是ZVS模式的工作波形图；
图6是t0时刻的工作状态图；
图7是t0～t1的工作状态图；
图8是t1～t2的工作状态图；
图9是t2～t3的工作状态图；
图10是t3～t5的工作状态图；
图11是t5～t6的工作状态图。
图3以及图6至图11中，各结点用数字1～7分别表示。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图3是本发明一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器主电路拓扑结构。在变压器原边，IGBT S1、IGBT S2、IGBT S3和IGBT S4均为主开关。CBLZVS是阻止变压器一次侧电流直流分量的隔直电容。由于CBLZVS的电压降低了原边环流，从而缩小了滞后臂开关的ZVS负载范围。
MOS管Sa1，MOS管Sa2，MOS管Sa3和MOS管Sa4是附加的MOSFET，用于确定软开关的工作模式。在ZVS模式下，MOS管Sa1，Sa2，Sa3，Sa4均处于导通状态，在移相开关序列中控制IGBT S1、IGBT S2、IGBT S3和IGBT S4。在ZVZCS模式下，Sa3和Sa4处于关闭状态。C1为主开关S1的输出电容，C2为主开关S2的输出电容，C3为主开关S3的输出电容，C4为主开关S4的输出电容。Cin是输入电容，用于滤除部分纹波，提高电源的电能质量。Llk是变压器的漏感。在变压器二次侧，二极管Do1和Do2均为副边整流二极管。输出滤波器由Lo和Co组成，Ro是负载电阻。
一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，该变换器包括变压器，变压器一次侧的全桥逆变电路以及变压器二次侧的整流滤波电路。
变压器一次侧的全桥逆变电路包括一个直流电源Vin，一个输入电容Cin，IGBT S1、IGBT S2、IGBT S3和IGBT S4，4个MOSFET Sa1、Sa2、Sa3和Sa4，2个隔直电容分别为CBLZCS和CBLZVS以及变压器漏感L1k。
全桥逆变电路包括并联的超前桥臂和滞后桥臂，在超前桥臂上，IGBT S1的C极与电源的正极连接，E极与MOS管Sa1的S极连接，MOS管Sa1的D极与IGBT S2的C极连接，IGBT S2的E极与电源的负极连接。电容Cin并联在电源两端。在滞后桥臂上，IGBT S3的C极与电源的正极连接，E极与MOS管Sa2的S极连接，MOS管Sa2的D极与IGBT S4的C极连接，IGBT S4的E极与电源的负极连接。
MOS管Sa3的D极与MOS管Sa1的D极连接，MOS管Sa3的S极与MOS管Sa4的S极连接，MOS管Sa4的D极与电容CBLZVS的第一端连接，电容CBLZVS的第二端与变压器原边的同名端连接，变压器原边的异名端与漏感Llk的第二端连接，漏感Llk的第一端与IGBT S4的C极连接，电容CBLZCS的两端分别与MOS管Sa3的D极和MOS管Sa4的D极相连接。电容CBLZCS第一端和MOS管Sa3的D极连接，第二端和MOS管Sa4的D极连接。CBLZVS是阻止变压器一次侧电流直流分量的隔直电容。CBLZVS的电压降低了原边环流，从而缩小了滞后臂开关的ZVS负载范围。CBLZCS起到使原边电流复位的作用，可以实现滞后桥臂的ZCS。即利用串连的隔直电容与漏感谐振将能量转移至隔直电容中，同时在滞后桥臂串联二极管将滞后桥臂由双向开关改变为单向开关，从而阻止了隔直电容实现滞后桥臂零电流关断后的反向电流，消除了环路损耗，实现滞后桥臂的零电流关断。变压器二次侧的整流滤波电路包括二极管Do1、二极管Do2，一个滤波电感Lo，一个滤波电容Co以及一个输出负载Ro。变压器二次侧有两个串联的绕组，第一绕组的同名端与二极管Do1的正极相连，第二绕组的异名端与二极管Do2的正极相连，二极管Do2负极经二极管Do1的负极与Lo的第一端连接，电容Co第一端和负载Ro的第一端均与Lo的第二端与连接，电容Co的第二端和负载Ro的第二端均与变压器二次侧的中性点连接。
图4是本发明所提出的转换器的ZVZCS模式的开关导通时序及其主要的波形。根据各开关管的导通时序图可以获得图6～11六种不同的工作状态；输出电压随S1和S4的共同导通时间而变化。如图4所示，[t5-t7]的时间间隔和Ts/2之比是占空比，用D表示，其中Ts为开关周期。输出电压根据D值的不同，从Vin/kT变化到0，其中Vin为输入电压，kT为变压器的变比。一个开关周期有12个工作状态，前半个开关周期的工作模态如图4所示。
图5是本发明所提出的转换器的ZVS模式的开关导通时序及其主要的波形。当Sa1到Sa4开通时，变换器工作在ZVS模式下。Sa3和Sa4将CBLZCS短路。在续流阶段，如图5所示，由于VCBLZV作用于Llk，iLlk以一个平稳的速率减少。ZVS模式的工作原理与传统的PS-FB ZVS-DC-DC变换器相同。因此，这里没有提供该模式的详细描述。
下面介绍ZVZCS模式下，不同时刻的工作状态：
图6是t0时刻的工作状态图，在t0时刻之前，电路工作在稳定状态，电源从初级侧传送到负载。S1和S4开通，Do1是在Do2截止时开始动作的。Sa1开通，因为Sa1具有极低的导通电阻，所以增加的导通损耗非常小。Sa2也开通，但由于S3是关断状态，所以iSa2为零。VCBLZCS的变化率为：
其中，vBC＝Vin-vCBLZCS,vrect＝(Vin-vCBLZCS)/kT,iLlk＝Io/kT。
在t0时刻，开关管只有S1、S4和Sa1导通，电容Cin并联在电源Vin两端，在超前桥臂上IGBT S1的C极与电源的正极连接，E极与MOS管Sa1的S极连接，MOS管Sa1的S极经结点3与电容CBLZCS连接，然后经结点3与CBLZVS连接，再与变压器原边的同名端连接，经过原边连接至Llk,然后与S4的C极连接，经过S4连接至电源的负极。变压器副边连接的是常见的整流滤波电路，不再赘述，其中，二极管Do2不导通。
图7是t0～t1的工作状态图，在T0时刻，S4关断，由于VC4不能快速变化，S4的关断开关损耗可以被降低到最小；VCBLZCS在该阶段线性地增长，并在T1时刻达到它的峰值电压VCBLMAX；VC4随时间线性增加，VC3随时间线性降低。直到VS4＝Vin和VS3＝0，此阶段结束。
在t0～t1时间段内，电容Cin并联在电源Vin两端，IGBT S1的C极和电容C3与电源的正极连接，S1的E极与MOS管Sa1的S极连接，C3的另一端与MOS管Sa2的S极连接，Sa1的D极依次经过电容VCBLZCS，电容VCBLZVS，变压器原边和Llk连接至电容C4，再连接到电源负极。变压器副边连接的是常见的整流滤波电路，不再赘述，其中，二极管Do2不导通。
图8是t1～t2的工作状态图，在t1时刻，D3导通，变换器工作在续流状态；两个次级整流二极管导通；在t1时刻之后，必须触发S3以实现ZVS，S3在T2时刻开通。在此阶段，VCBLZCS保持恒定。由于vCBLZCS完全作用于Llk，所以iLlk降低，iLlk是
在t1～t2时间段内，IGBT S1的E极与MOS管Sa1的S极连接，Sa1的D极依次经过电容VCBLZCS，电容VCBLZVS，变压器原边和Llk经过结点C与Sa2的D极连接，Sa2的S极与二极管D3的正极连接，D3的负极与S1的C极连接。变压器副边连接的是常见的整流滤波电路，不再赘述。
图9是t2～t3的工作状态图，在T2时刻，S3是零电压开通。因为Da1是自然导通的，所以Sa1是零电压关断。iLlk持续下降，直到iLlk＝0，这个阶段结束。iLlk的复位时间是
在t2～t3时间段内，IGBT S1的E极与二极管Da1的正极连接，二极管Da1的负极依次经过电容VCBLZCS，电容VCBLZVS，变压器原边和Llk经过结点C与Sa2的D极连接，Sa2的S极与二极管D3的正极连接，D3的负极与S1的C极连接，D3的正极接S2的C极，D3的负极接S2的E极。变压器副边连接的是常见的整流滤波电路，不再赘述。
图10是t3～t5的工作状态图，在T3时刻，iLlk为0，Da1是ZCS关断。由于Da1关闭，iLlk无法反向流过变压器的初级侧。在T3之后，S1应该关断以实现ZCS。S1在T4时刻ZCS关断。VSa1＝VCBLMAX。在t3～t5时间段内，没有电流流过。
图11是t5～t6的工作状态图，在T5时刻，S2和Sa1被触发导通。由于iLlk的变化率比较平缓，所以S2可以实现准零电流的开通；而由于S1已经在T4时刻关断，Sa1可以实现ZCS。S3已经在T2时刻导通。iLlk沿反方向随时间线性增长，电路保持续流状态。iLlk是
VCBLZCS仍然可以被视为常量值，即VCBLMAX。因此，iLlk是
时间间隔是
在T6之后，iLlk是-IO/kT，续流状态结束。一次侧给负载提供能量。vBC＝-Vin-vCBLZCS；vrec t＝-(Vin+VCBLZCS)/kT；iLlk＝-IO/kT。在此模态结束之后，转换器工作在下半个开关周期。
在图3所示的变换器的ZVZCS模式下，一个开关周期总共有12个开关模式，上述的几种工作状态实现了逆变电路的软开关，即超前桥臂的ZVS和滞后桥臂的ZCS。
一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，填补了移相全桥软开关直流变换器不同时具有ZVS和ZVZCS两种软开关工作模式的空白，同时兼具ZVS和ZVZCS移相全桥软开关直流变换器的优点，在ZVS模式下，超前桥臂和滞后桥臂均实现零电压开关，变压器原边按恒流模式工作；在ZVZCS模式下，滞后桥臂开关管实现零电流开关，变压器原边电流工作于复位模式。
除此之外，本发明的结构简单，易于实现，具有更小的损耗变换效率高，动态性能好。
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)

1.一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，其特征在于，包括变压器，所述变压器一次侧的全桥逆变电路以及变压器二次侧的整流滤波电路；全桥逆变电路并联的超前桥臂和滞后桥臂，所述超前桥臂包括IGBT S1、开关管Sa1以及IGBT S2，所述滞后桥臂包括IGBTS3、开关管Sa2以及IGBT S4；
所述IGBT S1的C极与电源Vin的正极连接，E极与开关管Sa1的S极连接，所述开关管Sa1的D极与IGBT S2的C极连接，IGBT S2的E极与电源Vin的负极连接；所述IGBT S3的C极与电源的正极连接，E极与开关管Sa2的S极连接，开关管Sa2的D极与IGBT S4的C极连接，IGBT S4的E极与电源的负极连接；
所述开关管Sa1的D极与开关管Sa3的D极连接，开关管Sa3的S极与开关管Sa4的S极连接，开关管Sa4的D极与电容CBLZVS的第一端以及电容CBLZVS的第二端连接，电容CBLZVS的第二端与变压器原边的同名端连接，电容CBLZCS第一端和开关管Sa3的D极连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，其特征在于，所述电源Vin的两端并联有输入电容Cin。
3.根据权利要求1所述的一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，其特征在于，所述变压器二次侧有串联的第一绕组和第二绕组，所述整流滤波电路包括二极管Do1和二极管Do2，所述第一绕组的同名端与二极管Do1的正极相连，所述第二绕组的异名端与二极管Do2的正极相连，所述二极管Do2负极经二极管Do1的负极与Lo的第一端连接，所述Lo的第二端与电容Co第一端连接，所述电容Co的第二端和变压器二次侧的中性点连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，其特征在于，所述IGBT S1的C极与二极管D1的负极连接，IGBT S1的E极与二极管D1的正极连接；IGBT S2的C极与二极管D2的负极连接，IGBT S2的E极与二极管D2的正极连接；IGBT S3的C极与二极管D3的负极连接，GBT S3的E极与二极管3的正极连接；IGBT S4的C极与二极管D4的负极连接，GBTS4的E极与二极管D4的正极连接。
5.根据权利要求1所述的一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，其特征在于，所述IGBT S1，IGBT S2，IGBT S3以及IGBT S4的C极和E极之间均连接有电容器。
6.根据权利要求1所述的一种具有可变软开关模式的全桥直流变换器，其特征在于，所述开关管Sa3、开关管Sa2、开关管Sa3和开关管Sa4均为MOS管。
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