CN110299847A - 电感辅助关断及环流抑制的移相全桥软开关电路 - Google Patents

电感辅助关断及环流抑制的移相全桥软开关电路 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种电感辅助关断及环流抑制的移相全桥软开关电路，包括：直流电源，负极接地；第一电容，正极与电源正极连接；第二电容，正极与第一电容负极连接，负极与电源负极连接；第一开关管，漏极与电源正极连接；第二开关管，漏极与第一开关管的源极连接，源极与电源负极连接；第三开关管，源极与电源负极连接；第四开关管，漏极与电源正极连接，源极与第三开关管的漏极连接；变压器，原边绕组的一端与第一开关管的源极连接，另一端与第四开关管的源极连接，副边绕组接输出端；第六电感，一端与第一电容的负极连接，另一端与第四开关管的源极连接。该电路减少了环流损耗，拓宽了滞后臂的零电压切换范围，基本可以实现全范围内软开关。

Description

电感辅助关断及环流抑制的移相全桥软开关电路
技术领域
本申请涉及软开关电路技术领域，特别是涉及一种移相全桥软开关电路，更具体地涉及一种电感辅助关断及环流抑制的移相全桥软开关电路。
背景技术
移相全桥软开关电源由于可以利用MOS管本身的寄生参数和变压器的漏感实现软开关，被广泛应用到各种大功率电源装置中。通常，滞后臂是利用其谐振电感来完成软开关的，而谐振电感会带来两个问题：一是增大了环流损耗；二是加大了占空比的丢失，为了把占空比丢失控制在一个合理的范围内，谐振电感的感量不能取值太大，这就导致了滞后臂无法全范围实现软开关，只能对滞后臂的部分负载实现软开关。
发明内容
本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种移相全桥软开关电路，包括：
直流电源，负极接地；
第一电容，正极与直流电源的正极连接；
第二电容，正极与第一电容的负极连接，负极与直流电源的负极连接；
第一开关管，漏极与直流电源的正极连接；
第二开关管，漏极与第一开关管的源极连接，源极与直流电源的负极连接；
第三开关管，源极与直流电源的负极连接；
第四开关管，漏极与直流电源的正极连接，源极与第三开关管的漏极连接；
变压器，一次侧的原边绕组的一端与第一开关管的源极连接，另一端与第四开关管的源极连接，二次侧的副边绕组接输出端；
第六电感，一端与第一电容的负极连接，另一端与第四开关管的源极连接。
该电路在滞后臂上利用电感辅助关断实现移相全桥软开关，电路结构简单，基本不增加电路成本，减少了环流损耗，拓宽了滞后臂的零电压切换范围，基本可以实现超前臂和滞后臂的全范围内软开关效果。
可选地，第一开关管的漏极分别与第一二极管的负极和第五电容的正极连接，源极分别与第一二极管的正极和第五电容的负极连接；
第二开关管的漏极分别与第二二极管的负极和第六电容的正极连接，源极分别与第二二极管的正极和第六电容的负极连接；
第三开关管的漏极与第三二极管的负极连接，源极与第三二极管的正极连接；
第四开关管的漏极与第四二极管的负极连接，源极与第四二极管的正极连接。
该电路采用二极管和电容与开关管并联，能够对开关管起到一定的保护作用，保证开关管在正常状态下工作。
可选地，变压器的副边绕组包括第一副边绕组和第二副边绕组，其中，
第一副边绕组的同名端依次通过第五二极管、第四电感和第五电阻与第一副边绕组的另一端连接，其中，第一副边绕组的同名端接第五二极管的正极，第一副边绕组的另一端接地；
第一副边绕组的另一端通过第十电感与第五二极管的负极连接，第三电容与第五电阻并联，第五电阻两端为输出端；
第一副边绕组的另一端与第二副边绕组的同名端连接，第二副边绕组的另一端通过第六二极管与第五二极管的负极连接。
可选地，第一副边绕组的另一端与第七二极管的正极连接，第七二极管的负极与第十电感连接。
可选地，初始条件为第二开关管和第四开关管导通，该电路的控制时序为：变压器的一次侧由直流电源、第四开关管、原边绕组和第二开关管构成回路，电流反向流过第六电感并且电流值逐渐增大。
可选地，在第二开关管关断的情况下，该电路的控制时序为：通过原边绕组的电流和输出端输出的电流不变，第五电容开始放电，第六电容开始充电，原边绕组的电压减小，电流反向流过第六电感并且电流值逐渐增大。
可选地，在第五电容的电压减小到零的情况下，该电路的控制时序为：第一二极管导通，一次侧由第一二极管、第四开关管和原边绕组构成回路，电流反向流过第六电感并且电流值逐渐增大。
可选地，在原边绕组的电流降到零的情况下，该电路的控制时序为：激磁电流流过由第一二极管、第四开关管和原边绕组构成的回路，电流反向流过第六电感，第四开关管关断，激磁电流和流过第六电感的电流给第四开关管的结电容充电，第三开关管的结电容放电。
可选地，在第三开关管的结电容的电压下降到0的情况下，该电路的控制时序为：电压反向，第三二极管导通，激磁电流经第一二极管和第三二极管流回直流电源，反向流过第六电感的电流开始减小。
可选地，在第三开关管零电压开启的情况下，该电路的控制时序为：第一开关管、原边绕组第三开关管构成回路，反向流过第六电感的电流减小。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请的一个实施例的移相全桥软开关电路的示意性电路图；
图2至图10是根据本申请的电路的不同运行状态的示意性电路图；
图11是根据本申请的电路的各元件的电流和电压示意图。
具体实施方式
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
本申请的实施例提供了一种移相全桥软开关电路，图1是根据本申请的一个实施例的移相全桥软开关电路的示意性电路图。参考图1，该电路可以包括：
直流电源V1，负极接地；第一电容C1，正极与直流电源V1的正极连接；第二电容C2，正极与第一电容C1的负极连接，负极与直流电源V1的负极连接；第一开关管M1，漏极与直流电源V1的正极连接；第二开关管M2，漏极与第一开关管M1的源极连接，源极与直流电源V1的负极连接；第三开关管M3，源极与直流电源V1的负极连接；第四开关管M4，漏极与直流电源V1的正极连接，源极与第三开关管M3的漏极连接；变压器，一次侧的原边绕组L2的一端与第一开关管M1的源极连接，另一端与第四开关管M4的源极连接，二次侧的副边绕组接输出端；第六电感L6，一端与第一电容C1的负极连接，另一端与第四开关管M4的源极连接。
在该电路中，第一电容和第二电容能够起到平衡电压的作用；第六电感能够加速第三开关管和第四开关管在关断时结电容的充放电速度。
本申请的电路在滞后臂上利用电感辅助关断实现移相全桥软开关，电路结构简单，基本不增加电路成本，减少了环流损耗，拓宽了滞后臂的零电压切换范围，基本可以实现超前臂和滞后臂的全范围内软开关效果。
其中，第一开关管M1的漏极分别与第一二极管D1的负极和第五电容C5的正极连接，源极分别与第一二极管D1的正极和第五电容C5的负极连接；第二开关管M2的漏极分别与第二二极管D2的负极和第六电容C6的正极连接，源极分别与第二二极管D2的正极和第六电容C6的负极连接；第三开关管M3的漏极与第三二极管D3的负极连接，源极与第三二极管D3的正极连接；第四开关管M4的漏极与第四二极管D4的负极连接，源极与第四二极管D4的正极连接。
该电路采用二极管和电容与开关管并联，能够对开关管起到一定的保护作用，保证开关管在正常状态下工作。
变压器的原边绕组L2还可以通过电感L1与第一开关管在M1的源极连接。
变压器的副边绕组包括第一副边绕组L3和第二副边绕组L8。
第一副边绕组L3的同名端依次通过第五二极管D19、第四电感L4和第五电阻R5与第一副边绕组L3的另一端连接，其中，第一副边绕组的同名端接第五二极管D19的正极，第一副边绕组的另一端接地。
第一副边绕组的另一端通过第十电感L10与第五二极管D19的负极连接；第三电容C3与第五电阻R5并联，第五电阻R5两端为输出端。
第一副边绕组L3的另一端与第二副边绕组L8的同名端连接，第二副边绕组L8的另一端通过第六二极管D20与第五二极管D19的负极连接。
该电路采用第十电感起到环流抑制的作用，能够给电路提供反向电压，使变压器一次侧的原边绕组的环路电流快速下降。
可选地，第一副边绕组L3的另一端与第七二极管D21的正极连接，第七二极管D21的负极与第十电感L10连接。
该电路采用第七二极管能够给第十电感提供反向电压，第七二极管导通，第五二极管作为输出整流管处于反偏状态，第五二极管快速截止，变压器副边电流快速下降到0，原边电流也快速到0，这时开关管实现零电流关断，基于第十电感的导通特效，从而产生一个反向电压，使原边的环路电流快速下降。
图2至图10是根据本申请的电路的不同运行状态的示意性电路图。不同时刻，该电路的各个元件处于不同的工作状态，从而形成不同的回路。
参考图2，在t0至t1时刻，初始条件为第二开关管M2和第四开关管M4导通。该电路的控制时序为：变压器的一次侧由直流电源V1、第四开关管D4、原边绕组L2、第一电感L1、第二开关管M2构成回路，电流反向流过第六电感L6并且电流值逐渐增大。
参考图3，在t1至t2时刻，在第二开关管M2关断的情况下，由于第四电感L4的值比较大，所以输出端的输出电流近似不变，则原边绕组L2的电流也近似不变。此时，该电路的控制时序为：通过原边绕组L2的电流和输出端输出的电流不变，第五电容C5开始放电，第六电容C6开始充电，第六电容C6两端电压增大；原边绕组L2的电压减小，第二副边绕组L8的电压也开始减小；电流反向流过第六电感L6并且电流值逐渐增大。
参考图4，在t2至t3时刻，在第四电感L4的电压减小至一定数值，例如，N10*Vo/(N4+N10)时，第七二极管导通。其中，N4、N10分别为第四电感L4和第十电感L10的匝数，Vo为输出端电压。此时，流经第六二极管的电流开始减小；电流反向流过第六电感L6并且电流值逐渐增大。
参考图5，在t3至t4时刻，在第五电容C5的电压减小到零的情况下，该电路的控制时序为：第一二极管D1导通，一次侧由第一二极管D1、第四开关管M4、第一电感L1和原边绕组L2构成回路，电流反向流过第六电感并且电流值逐渐增大。二次侧流经第六二极管的电流继续减小；电流反向流过第六电感L6并且电流值逐渐增大。
参考图6，在t4至t5时刻，流经第六二极管的电流减小，则原边绕组L2的电流也在下降。在原边绕组L2的电流降到零的情况下，该电路的控制时序为：激磁电流流过由第一二极管D1、第四开关管M4、第一电感L1和原边绕组L2构成的回路，电流继续反向流过第六电感。
参考图7，在t5至t6时刻，t5时刻时，第四开关管M4关断，激磁电流和流过第六电感L6的电流给第四开关管M4的结电容充电，第三开关管M3的结电容放电。流过第六电感L6的电流加速了这一过程。
参考图8，在t6至t7时刻，t6时刻，第三开关管M3的结电容电压下降到0后，电压反向，第三二极管D3导通，激磁电流经第一二极管D1和第三二极管D3流回电源。流过第六电感L6的电流开始反向减小。
参考图9，在t7至t8时刻，t7时刻，第三开关管M3零电压开启，此前，第一开关管M1的门极信号已经为正，此时，一次侧由直流电源V1、第一开关管M1、第一电感L1、原边绕组L2、第三开关管M3构成一个回路。二次侧，第五二极管有电流流过，因为输出端的输出电流不变，则流经第七二极管的电流开始减小。流过第六电感L6的电流继续反向减小。
参考图10，在t8至t9时刻，流经第七二极管的电流减小到零，第七二极管截止。流过第六电感L6的电流继续反向减小。此后的半个周期与前半个周期类似。
第四电感与第十电感的电感值的比值范围为1至2，优选地，二者的比值为1.5。
图11是根据本申请的电路的各元件的电流和电压示意图。其中，虚线表示流经各个元件的电流，实线表示流经各个元件的电压。从该图中可以看到在t0至t9的各个时间节点上，各个元件的电流和电压的变化。该图能够与上述关于该电路的控制时序相对应。从该图中可以更加直观地看到第六电感L6辅助关断开关电路以及第十电感L10对环流的抑制作用。
下面对该电路进行仿真分析。表一示出了输出端的输出电压为60V，输出电流为50A输出时的仿真结果。
表一
从表一中可以看出，只要第四电感和第十电感的电感值比例不变，改变第四电感和第十电感的电感值对所测的各项参数值影响不大。
可选地，在输出端为60V、50A的情况下，第二电感和第三电感的电感值比值为25。
表二和表三是输出端分别在不同的输出电压和输出电流情况下，电路中不加第六电感和在滞后臂上增加第六电感两种情形下，电路效率η和各个元件的损耗值比较。其中，表二是54V、25A输出时的仿真结果，表三是60V、50A输出时的仿真结果。
表二
L6情况 η％ M1损耗/W M2损耗/W M3损耗/W M4损耗/W
不加L6 93.55 6.3 1.8 27.9 12.1
L6加在滞后臂上 96.11 2.9 2.9 2.7 2.9
表三
L6情况 η％ M1损耗/W M2损耗/W M3损耗/W M4损耗/W
不加L6 93.67 22.2 7.2 45.3 11.7
L6加在滞后臂上 94.77 12.6 12.1 13.5 12.1
从表二和表三的对比数据可以看出，就整体效率来讲，将第六电感加在滞后臂上时为电路效率最高，就开关损耗来讲，虽然将第六电感加在滞后臂上对第二开关管和第四开光管并没有带来很显著的效果，但使第一开关管和第三开关管的损耗减小了许多。本申请的电路中将第六电感加在滞后臂上能够起到降低电路中器件损耗的作用。
本申请提供的采用电感辅助关断及环流抑制的移相全桥软开关电路，与传统电路相比，其利用MOS管的结电容的充放电，快速关断开关管从而有效降低环流能量损耗，并且能够在较宽的负载范围内实现滞后管零电压开关和极小的占空比丢失，有效地提高变换器的效率。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电感辅助关断及环流抑制的移相全桥软开关电路，包括：
直流电源，负极接地；
第一电容，正极与直流电源的正极连接；
第二电容，正极与第一电容的负极连接，负极与直流电源的负极连接；
第一开关管，漏极与直流电源的正极连接；
第二开关管，漏极与第一开关管的源极连接，源极与直流电源的负极连接；
第三开关管，源极与直流电源的负极连接；
第四开关管，漏极与直流电源的正极连接，源极与第三开关管的漏极连接；
变压器，一次侧的原边绕组的一端与第一开关管的源极连接，另一端与第四开关管的源极连接，二次侧的副边绕组接输出端；和
第六电感，一端与第一电容的负极连接，另一端与第四开关管的源极连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，第一开关管的漏极分别与第一二极管的负极和第五电容的正极连接，源极分别与第一二极管的正极和第五电容的负极连接；
第二开关管的漏极分别与第二二极管的负极和第六电容的正极连接，源极分别与第二二极管的正极和第六电容的负极连接；
第三开关管的漏极与第三二极管的负极连接，源极与第三二极管的正极连接；和
第四开关管的漏极与第四二极管的负极连接，源极与第四二极管的正极连接。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，变压器的副边绕组包括第一副边绕组和第二副边绕组，其中，
第一副边绕组的同名端依次通过第五二极管、第四电感和第五电阻与第一副边绕组的另一端连接，其中，第一副边绕组的同名端接第五二极管的正极，第一副边绕组的另一端接地；
第一副边绕组的另一端通过第十电感与第五二极管的负极连接，第三电容与第五电阻并联，第五电阻两端为输出端；
第一副边绕组的另一端与第二副边绕组的同名端连接，第二副边绕组的另一端通过第六二极管与第五二极管的负极连接。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，第一副边绕组的另一端与第七二极管的正极连接，第七二极管的负极与第十电感连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，其特征在于，初始条件为第二开关管和第四开关管导通，该电路的控制时序为：变压器的一次侧由直流电源、第四开关管、原边绕组和第二开关管构成回路，电流反向流过第六电感并且电流值逐渐增大。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，其特征在于，在第二开关管关断的情况下，该电路的控制时序为：通过原边绕组的电流和输出端输出的电流不变，第五电容开始放电，第六电容开始充电，原边绕组的电压减小，电流反向流过第六电感并且电流值逐渐增大。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，其特征在于，在第五电容的电压减小到零的情况下，该电路的控制时序为：第一二极管导通，一次侧由第一二极管、第四开关管和原边绕组构成回路，电流反向流过第六电感并且电流值逐渐增大。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，其特征在于，在原边绕组的电流降到零的情况下，该电路的控制时序为：激磁电流流过由第一二极管、第四开关管和原边绕组构成的回路，电流反向流过第六电感，第四开关管关断，激磁电流和流过第六电感的电流给第四开关管的结电容充电，第三开关管的结电容放电。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，其特征在于，在第三开关管的结电容的电压下降到0的情况下，该电路的控制时序为：电压反向，第三二极管导通，激磁电流经第一二极管和第三二极管流回直流电源，反向流过第六电感的电流开始减小。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，其特征在于，在第三开关管零电压开启的情况下，该电路的控制时序为：第一开关管、原边绕组第三开关管构成回路，反向流过第六电感的电流减小。
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