CN110299849A - 一种移相控制的交错并联双管正激变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种移相控制的交错并联双管正激变换器,该变换器包括:变压器初级一绕组Lt1、变压器初级二绕组Lt2和变压器次级绕组Lt3,三者并联共用同一磁芯,三者的匝数比为n:n:1;变压器二次侧整流单元为四个二极管构成的整流桥;变压器次级绕组Lt3的同名端连接整流桥一个桥臂的中点,异名端连接在整流桥另一个桥臂的中点;滤波电容C0和负载R0并联后与续流电感L0串联,再与整流单元并联;且L0>>Lr/n。仅采用一个磁芯,使原边两个绕组共同缠绕在该磁芯上,进而互相耦合,实现了变压器磁芯正反双向激磁,提高了磁芯利用率,进而提高了变换器的功率密度,减小输出滤波器体积,同时优化了次级绕组侧的电路结构,提高了拓扑可靠性。

Description

一种移相控制的交错并联双管正激变换器
技术领域
本发明涉及变换器技术领域,尤其涉及一种移相控制的交错并联双管正激变换器。
背景技术
人们在不同的领域应用了各种各样的通讯方式来促进人类的发展。供电系统的稳定性是保证各种通信控制系统安全可靠运行的关键。一旦发生故障,通信线路将被中断,系统将瘫痪,给社会造成巨大的经济损失。通信电源结构由PFC、隔离DC-DC级和DSP控制器组成。第二部分隔离级DC-DC将电压DV 400V转换为低电平DC 48V,实现了高降压比。考虑到移相全桥结构和LLC谐振结构对高效率、低成本和软开关性能的要求,通常采用移相全桥结构或者采用LLC谐振结构。
现有的对移相全桥结构的改良方面,如Kim H S等(Kim H S,Seong H W,Park KB,et al.Zero-voltage-switching interleaved two-switch forward converter withphase-shift control[C]//Energy Conversion Congress&Exposition.IEEE,2010.)公开的电路结构,电路拓扑基本结构采用交错式双开关正向(ITSF)逆变器结构,在一次侧处采用移相控制的方法让开关管可以实现零电压开通。该双管正激变换器拓扑结构的一二次侧之间采用了两个磁芯独立工作的方式。功率开关管在关断过程中可能会由于变压器漏感的存在而产生电压尖峰,在两路双管正激变换拓扑中加入LCD无源无损缓冲网络。
上述文献中拓扑存在的问题有,并联双端正激变换拓扑的两路变换器各自的变压器磁芯均为单向磁化,磁芯利用率不高,变换器的体积较大,成本相对较高,不利于电路的集成,且该文献中没有考虑一次侧外谐振电感引起二次侧占空比的损失问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明拟解决的技术问题是,提供一种移相控制的交错并联双管正激变换器,采用交错结构和移相运行。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是:
一种移相控制的交错并联双管正激变换器,其特征在于,该变换器包括:变压器初级一绕组Lt1、变压器初级二绕组Lt2和变压器次级绕组Lt3,三者并联共用同一磁芯,三者的匝数比为n:n:1;
变压器一次侧包括相互串联连接的第一桥臂、第二桥臂,其中所述第一桥臂包含第一MOS开关管S1与开关管谐振电容CS1、开关管反并联二极管DS1并联,第四MOS开关管S4与开关管谐振电容CS4、开关管反并联二极管DS4并联,第一MOS开关管S1与第四MOS开关管S4串联;所述第二桥臂包括第三MOS开关管S3与开关管谐振电容CS3、开关管反并联二极管DS3并联,第二MOS开关管S2与开关管谐振电容CS2、开关管反并联二极管DS2并联,第三MOS开关管S3与第二MOS开关管串联;
变压器谐振电感Lr1与变压器初级一绕组Lt1的同名端串联,变压器谐振电感Lr2与变压器初级二绕组Lt2的异名端串联,二极管Dp1从变压器初级二绕组Lt2的同名端连接到变压器谐振电感Lr1,二极管Dp2从变压器变压器初级一绕组Lt1的异名端连接到变压器谐振电感Lr2,使得变压器初级一绕组Lt1和变压器初级二绕组Lt2反向并联;
变压器二次侧整流单元包括相互并联连接的第三桥臂、第四桥臂,其中所述第三桥臂包含第一二极管D1与第二二极管D2串联,所述第四桥臂包含第三二极管D3与第四二极管D4串联;变压器次级绕组Lt3的同名端连接在第一二极管D1与第二二极管D2的中点上,异名端连接在第三二极管D3与第四二极管D4的中点上;滤波电容C0和负载R0并联后与续流电感L0串联,再与整流单元并联;且L0>>Lr/n,L0为续流电感的电感值,Lr为两个变压器谐振电感Lr2、Lr1的电感值之和,n为匝数。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1)运用变换器组合技术使两路双管正激变换器交错并联工作,且两路变换器共用一个含两个原边绕组的变压器,实现了变压器磁芯正反双向激磁,提高了磁芯利用率,进而提高了变换器的功率密度;同时并联组合方式增大了变换器等效输出占空比,减小了输出侧电流纹波,减小输出滤波器体积。
2)初级绕组采用了ITSF拓扑结构,因而初级绕组的所有开关管的电压应力均可以钳制在输入电压的数值,大大提高了开关管的工况可靠性,使得该电路的允许最高工作电压相较于并联双开关正激变换器有提高。
3)采用移相运行结构,利用功率器件的结电容与变压器的漏感作为谐振元件,使初级绕组的4个开关管依次在零电压下导通,能实现初级绕组MOS管的零电压开通和零电压关断,来实现恒频软开关,一次电流iL波动小,不会减小到0,所以占空比损失问题小,扩大了零电压开关的负载范围,提高了效率,提升电源的整体效率与EMI(磁控管)性能,还可以提高电源的功率密度。
4)本申请原边结构较为简单,不容易发生电路故障,能避免桥臂就会直通,减少对电源电路造成不可逆转的损坏。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种移相控制的交错并联双管正激变换器工作原理图
图2为本发明实施例提供的一种移相控制的交错并联双管正激变换器的小信号模型。
图3(a)-图3(f)为本发明实施例提供的一种移相控制的交错并联双管正激变换器的各开关模态等效电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明一种移相控制的交错并联双管正激变换器,包括:输入直流单元、交错并联变换单元、整流单元和负载。它解决了常用的DC-DC变换器结构,移相全桥以及LLC谐振全桥共同的桥臂直通问题。该变换器仅使用一台变压器,即原边两个初级绕组共用同一个磁芯,进而提高了变压器铁芯利用率和功率密度。采用移相控制,通过开关管寄生电容与外加谐振电容进行谐振,使得所有开关管都能够实现软开关。该电路具有可靠性高、开关应力小、结构简单、控制方便等优点。
具体实施方式结合图1说明本实施方式,本实施方式移相控制的交错并联双管正激变换器(以下简称变换器),它包括:变压器初级一绕组Lt1、变压器初级二绕组Lt2和变压器次级绕组Lt3三者并联共用同一磁芯,三者的匝数比为n:n:1,n表示匝数,本实施例中n取6。
变压器一次侧采用ITSF拓扑结构,包括相互串联连接的第一桥臂、第二桥臂,其中所述第一桥臂包含第一MOS开关管S1与开关管谐振电容CS1、开关管反并联二极管DS1并联,第四MOS开关管S4与开关管谐振电容CS4、开关管反并联二极管DS4并联,第一MOS开关管S1与第四MOS开关管S4串联;所述第二桥臂包括第三MOS开关管S3与开关管谐振电容CS3、开关管反并联二极管DS3并联,第二MOS开关管S2与开关管谐振电容CS2、开关管反并联二极管DS2并联,第三MOS开关管S3与第二MOS开关管S2串联。变压器谐振电感Lr1与变压器初级一绕组Lt1的同名端串联,变压器谐振电感Lr2与变压器初级二绕组Lt2的异名端串联,二极管Dp1从变压器初级二绕组Lt2的同名端连接到变压器谐振电感Lr1,二极管Dp2从变压器变压器初级一绕组Lt1的异名端连接到变压器谐振电感Lr2,使得两个主要绕组Lt1和Lt2反向并联,二极管Dp1和二极管Dp2两条支路改变了移相全桥装置的桥臂直通现象,形成了一种移相控制的交错并联双管正激变换器。
变压器二次侧整流单元中相互并联连接的第三桥臂、第四桥臂,其中所述第三桥臂包含第一二极管D1与第二二极管D2串联,所述第四桥臂包含第三二极管D3与第四二极管D4串联(两个二极管串联正负极的朝向与负载的极性有关,如果负载想要上正下负那么二极管必须按照图1的这个方向摆放)。变压器次级绕组Lt3的同名端连接在第一二极管D1与第二二极管D2的中点上,异名端连接在第三二极管D3与第四二极管D4的中点上。滤波电容C0和负载R0并联后与续流电感L0串联,再与整流单元并联。
本发明变换器中不同器件规格型号的选择,根据具体情况设置,如在选择整流管时需要考虑耐压值,正向电流最大值,正向电压降,滤波电感、电容需要考虑工作频率,纹波系数,电压值等。
本发明的工作原理
结合图1、图2、图3说明分析改进后的变换器的工作原理,在半个周期内分为个5模态,其主要理论分析波形图如图2所示。
(1)模态一[t0-t1]:如图3(a)所示,由于MOS开关管S1、S2在t0时刻导通,初级一绕组总电感L1(L1=Lr1+Lt1)施加输入电压Vin后,电流IL1开始呈线性增加,初级一绕组L1将输入功率转移到输出端,同时输出电流I0流过D1、D4和L0。在这种模式下,由于初级一绕阻和二绕阻共享一个磁芯,初级二绕阻电压VL2和初级一绕阻电压VL1满足VL2=-VL1=-Vin,因此变压器谐振电感电压VLr1等于-VLr2。IL2减小并流经DP1和DP2。由于电感取值方面n2L0的值比Lr的值大很多,所以在这种模式下可以忽略Lr的电压。iL0和iL1.2的方程可以表示为:
ip(t)=iL1(t)-iL2(t)=iL0(t)/n
其中,iL0(t)是t时刻续流电感L0的电流值;IL0(t0)是t0时刻续流电感L0的电流值;
iL1(t)是t时刻初级一绕组总电感L1的电流值;IL1(t0)是t0时刻初级一绕组总电感L1的电流值;
iL2(t)是t时刻初级二绕组总电感L2的电流值;IL2(t0)是t0时刻初级二绕组总电感L2的电流值;
V0是负载端电压,Lr为两个变压器谐振电感Lr2、Lr1的电感之和;
ip(t)表示变压器绕组间电流iL1(t),iL2(t)与输出电流IL0(t)之间的关系。
(2)模态二[t1-t2]:如图3(b)所示,当CS4放电时,IL1和IL2的电流差值随时间呈线性变化,因此图1中的a点电压急剧下降为零,导致初级一绕组总电压VL1减小。整流器二极管D1和D4保持导电。在此期间,由于续流电感L0相当于串联谐振电感Lr1,且变压器器件选择时要求L0>>Lr/n,因此初级一绕组电流IL1可以近似认为是常数。开关管反并联二极管电压Vds1和Vds4是线性变化的。Vds1、Vds4、VL1、iL0(t)可以解释如下:
iL0(t)=IL0(t1)=IL0(t2)=ILp
VL1=-Vds4(t)
其中,IL0(t1)是t1时刻续流电感L0的电流值;IL0(t2)是t2时刻续流电感L0的电流值;
IL1(t1)是t1时刻初级一绕组总电感L1的电流值;IL2(t1)是t1时刻初级二绕组总电感L2的电流值;
Cr是由MOSFET结电容和附加电容组成的,忽略MOSFET的电阻;
ILp是t1时刻初级侧两个绕组电流值差。
(3)模态三[t2-t4]:如图3(c)所示,当S1的电压提升到Vin时,S4的电压在t2时刻降低到0时,进入模态三,同时二极管D4开始导电,L1的电流取决于二次滤波电感电流,IL0随-V0/LL0斜率减小。由于S4的电压为零,很容易在t3处实现S4的零电压切换。S4接通后,电流路径仍与时间[t2-t3]相同。iL0和iL1,2的方程可以表示为:
(4)模态四[t4-t5]:如图3(d)所示,S2在t4时刻关闭,CS3放电,CS2放电。随着CS3电压的增加,L1的电压从零开始下降。二次侧电压反转,导致另两个整流二极管D2、D3导通,变压器电压将降低为0。在某一时刻,CS3的电压降至零。如果Lr1中的存储功率足够供应CS3和CS2,那么S3的ZVS将很容易实现。
Vds3(t)=Vin-Vds2(t)
Vds2(t)=Z1(IL1(t4)-IL2(t4))sinwr1(t-t4)
ip(t)=(IL1(t4)-IL2(t4))coswr1(t-t4)+Ip(t4)
其中,Vds3(t)是t时刻开关管S3反并联二极管电压;
IL1(t4)是t4时刻初级一绕组总电感L1的电流值;
Z1,ωr1定义如下
(5)模态五[t5-t7]:如图3(e)所示,在t5时,CS3的电压放电为0,IL1>IL2。在t6时刻,S3接收到驱动信号,但直到t7时刻iL1=iL2时,S3才开始工作。从t5到t7,电路运行状态相同。
其中,IL1(t5)是t5时刻初级一绕组总电感L1的电流值;
Ip(t5)是t5时刻变压器绕组间电流iL1(t5),iL2(t5)间的差值。
(6)模态六[aftert8]:如图3(f)所示,当D1、D4、D2、D3的换流在t8时刻完成时,下一个半周期电路的工作方式与上半个周期相似。
本发明的核心创新点是采用了交错结构和移相运行结构,在变压器初级一、二绕组结构上进行创新,同时对原边结构进行了简化,原边复位二极管的个数为两个(Dp2、Dp1),且两路双管支路共用两个复位二极管,优化了电路结构,节约了成本,交错桥臂可以避免电路故障发生直通,因为采用了移相控制,不再需要使用含抽头的滤波电感,大大简化了电路结构。
本发明采用两个相互独立的变压器,将两个独立的变压器合并为同一个变压器,也就是仅采用一个磁芯,使原边两个绕组共同缠绕在该磁芯上,进而互相耦合,实现了变压器磁芯正反双向激磁,提高了磁芯利用率,进而提高了变换器的功率密度,减小输出滤波器体积。同时优化了次级绕组侧的电路结构,提高了拓扑可靠性。拓扑在100kHZ、400V/48V的工作条件下,初级侧的电流波动小,初级一绕阻和二绕阻的电流值iL1(t)和iL2(t)一直保持正值不会减小到0,所以占空比损失问题相对小,缓解了一次侧外谐振电感引起二次侧占空比的损失问题,扩大了零电压开关的负载范围,提高了工作效率,对变压器的稳定运行也有一定的帮助。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种移相控制的交错并联双管正激变换器,其特征在于,该变换器包括:变压器初级一绕组Lt1、变压器初级二绕组Lt2和变压器次级绕组Lt3,三者并联共用同一磁芯,三者的匝数比为n:n:1;
变压器一次侧包括相互串联连接的第一桥臂、第二桥臂,其中所述第一桥臂包含第一MOS开关管S1与开关管谐振电容CS1、开关管反并联二极管DS1并联,第四MOS开关管S4与开关管谐振电容CS4、开关管反并联二极管DS4并联,第一MOS开关管S1与第四MOS开关管S4串联;所述第二桥臂包括第三MOS开关管S3与开关管谐振电容CS3、开关管反并联二极管DS3并联,第二MOS开关管S2与开关管谐振电容CS2、开关管反并联二极管DS2并联,第三MOS开关管S3与第二MOS开关管串联;
变压器谐振电感Lr1与变压器初级一绕组Lt1的同名端串联,变压器谐振电感Lr2与变压器初级二绕组Lt2的异名端串联,二极管Dp1从变压器初级二绕组Lt2的同名端连接到变压器谐振电感Lr1,二极管Dp2从变压器变压器初级一绕组Lt1的异名端连接到变压器谐振电感Lr2,使得变压器初级一绕组Lt1和变压器初级二绕组Lt2反向并联;
变压器二次侧整流单元包括相互并联连接的第三桥臂、第四桥臂,其中所述第三桥臂包含第一二极管D1与第二二极管D2串联,所述第四桥臂包含第三二极管D3与第四二极管D4串联;变压器次级绕组Lt3的同名端连接在第一二极管D1与第二二极管D2的中点上,异名端连接在第三二极管D3与第四二极管D4的中点上;滤波电容C0和负载R0并联后与续流电感L0串联,再与整流单元并联;且L0>>Lr/n,L0为续流电感的电感值,Lr为两个变压器谐振电感Lr2、Lr1的电感值之和,n为匝数。
2.根据权利要求1所述的一种移相控制的交错并联双管正激变换器,其特征在于,变压器一次侧电流始终为正,不会减小到0。
3.根据权利要求1所述的一种移相控制的交错并联双管正激变换器,其特征在于,n=6。
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