CN1103510C

CN1103510C - 新型倍流整流电路零电压开关全桥变换器

Info

Publication number: CN1103510C
Application number: CN00119045A
Authority: CN
Inventors: 阮新波
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: CN1286522A

Abstract

一种新型倍流整流电路零电压开关全桥变换器属直流变换器，它由直流输入电压(1)，逆变桥(2)，隔离变压器(3)，整流滤波电路(4)所组成，其特点是在变压器T_r的原边绕组中串接一个阻断电容C_b。该变换器可在很宽的负载范围内实现开关管的零电压开关，无占空比丢失，无副边尖峰电压，变换效率高，尤其是对变压器的漏感没有严格的限制，给变压器的设计制造带来了方便。

Description

新型倍流整流电路零电压开关全桥变换器

本发明涉及电能变换器，尤其是直流变换器。直流变换器是开关电源的核心。为了减少直流变换器的体积和重量，必须提高开关频率，这就要求实现开关管的软开关(即零电压或零电流开关)，以减小开关管的开关损耗。基本的倍流整流电路零电压开关全桥变换器，其主电路图如附图1所示。它利用开关管的结电容和副边滤波电感的能量来实现开关管的零电压开关。在变压器原边电压为零时实现副边二极管的自然换流，无占空比丢失，无副边尖峰电压。然而，该变换器要求变压器的漏感值极小，给变压器的设计制造带来了难题。

本发明的目的在于提供一种新型的倍流整流电路零电压开关全桥变换器，对变压器漏感的要求不高，可以实现开关管的零电压开关，并且无占空比丢失，无副边尖峰电压。

本发明的解决方案如下：

新型倍流整流电路零电压开关全桥变换器由输入直流电压、逆变桥、隔离变压器、整流滤波电路组成，与基本的倍流整流电路零电压开关全桥变换器不同之处在于对逆变桥部分作了改进，在其变压器T_r的原边绕组中串接一个阻断电容C_b。

附图1：基本的倍流整流电路零电压开关全桥变换器的电路结构示意图。

附图2：本发明的电路结构示意图。

附图3：本发明的主要波形示意图。

附图4～10：各开关模态的等效电路结构示意图。

本发明与基本的倍流整流电路零电压开关全桥变换器相同之处是仍然由输入直流电压1、逆变桥2、隔离变压器3、整流滤波电路4组成，只是对其中的逆变桥作了改进：在变压器T_r的原边绕组中串接一个阻断电容C_b。Vin是输出直流电压，晶体开关管Q₁与Q₃组成超前桥臂，晶体开关管Q₂与Q₄组成滞后桥臂，二极管D₁～D₄分别是晶体开关管Q₁～Q₄的寄生二极管，电容C₁～C₄分别是晶体开关管Q₁～Q₄的结电容，电感L_1k是变压器的漏感，二极管D_R1和二极管D_R2是输出整流二极管，电感L_f是输出滤波电感，电容C_f是输出滤波电容，电阻R_Ld是负载。开关管依靠储存在变压器漏感L_1K和输出滤波电感L_f中的能量实现零电压开关：阻断电容C_b的作用是在变压器原边电压为零时使原边电流快速下降，实现副边整流二极管自然换流，无占空比丢失，无副边尖峰电压。

本发明的具体工作原理和过程如下：

整个变换器在一个开关周期中有12种开关模态，如附图3所示。下面结合附图3～10对各开关模态的工作情况进行具体分析。

1、开关模态0(对应于t₁时刻，其等效电路见附图4)

此时，晶体开关管Q₁和Q₄导通。原边电流I_p流经开关管Q₁、阻断电容C_b、变压器原边绕组及开关管Q₄。整流二极管D_R2导通，整流二极管D_R1截止，原边给负载供电。

2、开关模态1(对应于[t₁，t₂]，其等效电路见附图5)。

在t₁时刻关断开关管Q₁，电流i_p给结电容C₁充电，同时给结电容C₃放电。由于有结电容C₁和C₃，开关管Q₁是零电压关断。电流i_p同时也给阻断电容C_b充电，C_b上电压上升。在这段时间里，电流i_p＝i_Lf1/K，由于电流L_f1很大，i_Lf1基本保持不变，因此电流i_p可认为是一个恒流源。因此结电容C₁的电压线性增加，结电容C₃的电压线性下降。

在t₂时刻，结电容C₃的电压下降到零，开关管Q₃的反并联二极管D₃自然导通。

3、开关模态2(对应于[t₂，t₃]，其等效电路见附图6)。

二极管D₃导通后，开关管Q₃可零电压开通。虽然这个时候开关管Q₃被开通，但开关管Q₃并没有电流流过，电流i_p由二极管D₃流通。此时电压V_AB＝0，阻断电容C_b的负电压使电流i_p减小，同样电流i_s也减小，因此整流二极管D_R1开始导通。由于两个整流二极管D_R1和D_R2同时导通，将变压器副边的电压钳在零位，同样原边电压也为零，这样阻断电容C_b的电压就全部加在漏感L_1K上。实际上此时是阻断电容C_b和漏感L_1K谐振工作。在这段时间里，两个滤波电感上的电压均为-V₀，它们的电流均线性下降。

在这个模态中，电流i_Lf2变负，并在t₃时刻，i_s＝-i_Lf2，那么i_DR2＝0，整流二极管D_R2自然关断，而电流i_DR1＝i_Lf1+i_Lf2，整流二极管D_R1继续导通，从而两个整流管实现换流。

4、开关模态3(对应于[t₃，t₄]，其等效电路见附图7)

在这段时间里，开关管Q₄和二极管D₃继续导通，电压V_AB＝0。整流二极管D_R2关断，整流二极管D_R1导通，D_R1流过全部负载电流。阻断电容C_b上的电压很小，与折算到原边的输出电压相比可以忽略不计，因此可以认为此时加在两个滤波电感上的电压仍为-V₀，它们的电流继续线性下降。而此时电流i_s＝-i_Lf2，那么电流i_p＝-i_Lf2/K。由于电流i_Lf2是负方向减小的，那么电流i_p又开始增加。

5、开关模态4(对应于[t₄，t₅]，其等效电路见附图8)。

在t₄时刻关断开关管Q₄，电流i_p给结电容C₄充电，同时给结电容C₂放电，由于有结电容C₂和C₄，开关管Q₄是零电压关断，电流i_p同时也给阻断电容C_b充电，C_b上电压上升。在这段时间里，电流i_p＝-i_Lf2/K，由于电流L_f2很大，电流i_Lf2基本保持不变，因此电流i_p可认为是一个恒流源，因此结电容C₁的电压线性增加，结电容C₃的电压线性下降。在t₅时刻，结电容C₂的电压下降至零，二极管D₂自然导通。

6、开关模态5(对应于[t₅，t₆]，其等效电路见附图9)。

二极管D₂导通后，可以零电压开通开关管Q₂。虽然这时开关管Q₂已开通，但开关管Q₂不流过电流，电流i_p由二极管D₂流通。电流i_Lf1下降，电流i_Lf2增加，而电流i_p＝-i_Lf2/K，因此电流i_p线性下降，阻断电容C_b的电压继续上升。在t₆时刻，电流i_p下降到零，二极管D₂、D₃自然关断，开关管Q₂、Q₃中将流过电流，阻断电容C_b的电压达到最大。

7、开关模态6(对应于[t₆，t₇]，其等效电路见附图10)。

在此开关模态中，开关管Q₂和Q₃导通，电流i_Lf1下降，电流i_Lf2增加。阻断电容C_b的电开始下降。

到t₇时刻，开关管Q₃关断，变换器开始另一半个周期[t₇，t₁₃]，其工作情况类似于上述的半个周期[t₁，t₇]。

本发明的一个具体实施例如下：输入交流电压220V/50HZ交流电，经过整流有滤波后得到直流电压为V_in＝280VDC；输出直流电压为V₀＝54VDC；输出电流为I₀＝10A；变压器原副边匝比为K＝1.5；变压器的漏感为L_1K＝0.46uH；阻断电容为C_b＝1uF；输出滤波电感为Lf＝30uH；输出滤波电容为Cf＝6600uF；开关管为MOSFET：IRFP450(16A/500V)；输出整流二极管为DESI12-06A(14A/600V)；开关频率为f_s＝100KHz。

从以上的描述中可以得知，本发明提出的新型的倍流整流电路零电压全桥变换器具有以下几方面的优点：

1、有效利用了电路的寄生元件，电路结构简洁。

2、在变压器原边串入阻断电容，使得变换器对变压器的漏感要求不高，给变压器的设计制造带来方便。

3、利用储存在漏感和副边滤波电感中的能量在较宽的负截范围内实现了开关管的零电压开关。

4、在变压器原边电压为零时，实现了副边整流二极管的自然换流，无占空比丢失，无副边尖峰电压。

Claims

1.一种新型倍流整流电路零电压开关全桥变换器，由直流输入电压(1)、逆变桥(2)、隔离变压器(3)、整流滤波电路(4)组成，其特征在于，在变压器T_r的原边绕组中串接一个阻断电容C_b。