CN110572039A - 一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器，原边侧包括第一至第四开关管构成的全桥逆变电路，第一、第二隔离变压器，稳压电容，副边侧包括由第一至第四整流二极管和第一、第二滤波电感构成的倍流整流器，还包括直流电源、输出滤波电容。该新型全桥直流变换器克服了传统变换器存在的零电压开关范围窄、原边环流损耗大等问题，并且电路结构简单、转换效率高。

Description

一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器。
背景技术
直流变换器利用电力电子器件的开关可控性，通过改变功率回路，实现对输出直流信号的控制。在器件开关的过程中，电压和电流发生变化有一个过渡过程，存在交叠，产生所谓的开关损耗。显然，开关损耗随着频率的增大而增大，严重地制约着直流变换器效率的进一步提升。为进一步提高直流变换器的开关频率与转换效率，软开关技术应用越来越多。当全桥变换器采用移相控制模式时，所有开关管均能够利用器件自身的寄生参数，实现软开关，该种技术自诞生以来，受到国内外电力电子技术从业者的关注，经过二十余年的发展，移相全桥直流变换器在中大功率场合得到广泛的应用。
移相全桥变换器副边常采用的整流结构为全桥整流、全波整流和倍流整流。全桥整流包含四个二极管，其电压应力最低，变压器结构简单，适用于高压输出；全波整流包含两个二极管，其电压应力最高，变压器结构复杂，适用于低压输出；倍流整流具有变压器结构简单，二极管数量少等优势，广泛应用于低压大电流输出。
传统的移相全桥变换器虽然受到广泛关注，但是在具体实际应用中，主要存在以下几个问题：(1)变压器漏感与整流二极管结电容产生振荡，二极管电压应力较大；(2)滞后桥臂开关管在轻载时难以实现软开关；(3)原边存在环流，在宽输入输出电压工况下传导损耗加剧。
发明内容
本发明的目的是要解决现有移相全桥变换器存在的上述问题，提供一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器，能够削弱二次侧电压振荡、拓宽滞后臂开关管软开关范围、消除原边环流损耗，进而提高直流变换器的转换效率。其具体方案如下：
一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器，其特征在于，包括第一至第四开关管、第一、第二电容、第一、第二隔离变压器、第一至第四整流二极管、第一、第二滤波电感和直流电源；
所述第一至第四开关管构成全桥逆变电路，正向并联在所述直流电源正负输出端；
所述第一变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组，所述第一变压器的原边绕组的一端与所述第一、第三开关管的连接点相连，另一端与所述第一电容的一端相连，所述第一变压器的副边绕组的两端分别与所述第一整流二极管的阳极、第三整流二极管的阴极的连接点和第二整流二极管的阳极、第四整流二极管阴极的连接点相连；
所述第二变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组，所述第二变压器的原边绕组的一端与所述第二、第四开关管的连接点相连，另一端与所述第一电容的一端相连，所述第二变压器的副边绕组的两端分别与所述第三整流二极管的阴极、第二滤波电感的连接点和第四整流二极管的阴极、第二滤波电感的连接点相连；
所述第一电容的另一端与所述直流电源的负端相连，所述第一、第二滤波电感的另一端与所述第二电容的一端相连，作为输出电压的正端，所述第二电容的另一端与第一、第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：变换器全桥桥臂仍然由四个开关管构成，与常规全桥变换器采用相同的恒频移相控制模式，可以直接使用现有的驱动芯片；双变压器设计，保证了原副边功率传递的连续性，消除了原边环流损耗，同时有助于降低变换器的热设计、拓宽开关管的软开关范围和减小二次侧电压振荡，进而能够提高变换器的转换效率和功率密度。
附图说明
图1是本发明的整体电路结构示意图；
其中：Vin为直流电源，Q1、Q2、Q3、Q4分别为第一至第四开关管，CB、Co分别为第一、第二电容，T1、T2分别为第一、第二变压器，np为第一、第二变压器的初级绕组匝数，ns为第一、第二变压器的副边绕组匝数，D1、D2、D3、D4分别为第一至第四整流二极管，L1、L2为滤波电感，R为负载电阻。
图2是本发明的等效电路图结构示意图；
图3为本发明提供给的图2的主要工作波形示意图；
图4～10是本发明提供给的图2在不同模态下的等效电路图。
上述附图中的主要物理量为：Tα是移相时间，负载电流为Io，n为T1、T2变压器副边与原边匝数之比，Lkl为T1的漏感，Lk2为T2的漏感，Lm为T2的励磁电感，CB等效为恒定电压源0.5Vin。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明专利的电路连接示意图如图1所示，一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器，包括第一至第四开关管(Q1～Q4)、第一和第二隔离变压器(T1、T2)、第一至第四整流二极管(D1～D4)、第一和第二电容(CB、Co)、直流电源(Vin)、第一和第二滤波电感(L1、L2)，变压器T1和T2分别包括原边绕组np和副边绕组ns。
所述第一至第四开关管构成全桥逆变电路，正向并联在所述直流电源正负输出端。
所述第一变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组，原边绕组的一端与所述第一、第三开关管的连接点相连，另一端与所述第一电容的一端相连，副边绕组的两端分别与所述第一整流二极管的阳极、第三整流二极管的阴极的连接点和第二整流二极管的阳极、第四整流二极管阴极的连接点相连。
所述第二变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组，原边绕组的一端与所述第二、第四开关管的连接点相连，另一端与所述第一电容的一端相连，副边绕组的两端分别与所述第三整流二极管的阴极、第二滤波电感的连接点和第四整流二极管的阴极、第二滤波电感的连接点相连。
所述第一电容的另一端与所述直流电源的负端相连，所述第一、第二滤波电感的另一端与所述第二电容的一端相连，作为输出电压的正端，所述第二电容的另一端与第一、第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端。
在本发明专利的一个具体实施例中，Q1、Q3构成超前桥臂，Q2、Q4构成滞后桥臂，忽略死区时间，开关管的占空比为0.5，通过调整两桥臂之间的移相时间Tα，实现对输出电压的调节，在二次侧，采用倍流整流结构，如附图1。
下面以附图2简化的等效电路，结合附图3～10叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器在一个开关周期有14种开关模态，分别是[t0～t1]、[t1～t2]、[t2～t3]、[t3～t4]、[t4～t5]、[t5～t6]、[t6～t7]、[t7～t8]、[t8～t9]、[t9～t10]、[t10～t11]、[t11～t12]、[t12～t13]、[t13～t14]，其中，[t0～t7]为前半周期，[t7～t14]为后半周期，下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
为简化分析，作如下假设：1)所有器件均为理想器件；2)开关管的寄生器件只考虑体二极管和结电容；3)忽略T1变压器的励磁电感，其漏感为Lkl；4)T2的励磁电感为Lm，漏感为Lk2；5)电容CB和C2等效为恒压源。
开关模态1[t0～t1](对应于附图4)：Q1、Q4、D2、D3导通，该时段为占空比时段，输出滤波电感能够映射到初级侧，原副边电流近似为恒定值。
开关模态2[t1～t2](对应于附图5)：在t1时刻，Q1关断，Q1、Q3的结电容通过恒流源线性充放电，超前臂中点电压、整流电压、T1变压器原副边电压开始线性下降。
开关模态3[t2～t3](对应于附图6)：在t2时刻，超前臂中点电压、T1变压器原副边电压下降到0，D1导通，D1、D2开始换流，T1的次级绕组被短路。在t3时刻，vlea下降到0，Q3的体二极管导通，Q3可以实现零电压开通。
开关模态4[t3～t4](对应于附图7)：在该时段Cb电压作用到Lk1上，原边电流ip线性下降，在t4时刻，原边电流下降到零，同时D1、D2换流结束，D2关断。
开关模态5[t4～t5](对应于附图8)：在该时段内，T1原副边电流均为零，D1、D3保持导通，只有T2传递功率。
开关模态6[t5～t6](对应于附图9)：在t5时刻，Q4关断，D4开始导通。T1与T2副边绕组并联，结电容与漏感开始谐振，在t6时刻，滞后臂中点电压上升到Vin，Q2体二极管开始导通，Q2能够实现零电压开通。
开关模态7[t6～t7](对应于附图10)：D4电流逐渐增大，D3电流逐渐减小，在t7时刻D3电流下降到零，变换器进入到后半周期。
后半周期[t7～t14]的工作原理与前半周期[t0～t7]基本相同，只是电流、电压反方向变化，不再重复叙述。
总结上述工作过程可知，该变换器的所有开关管都能够实现零电压开关，并且了原副边功率传递具有连续性，有利于减小原边环流损耗和输出电流纹波，同时励磁电流只通过滞后臂，因此，励磁电流的增大可以拓宽滞后管的软开关范围，但不会导致传导损耗的显著增加。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器，其特征在于，包括第一至第四开关管、第一、第二电容、第一、第二隔离变压器、第一至第四整流二极管、第一、第二滤波电感和直流电源；
所述第一至第四开关管构成全桥逆变电路，正向并联在所述直流电源正负输出端；
所述第一变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组，所述第一变压器的原边绕组的一端与所述第一、第三开关管的连接点相连，另一端与所述第一电容的一端相连，所述第一变压器的副边绕组的两端分别与所述第一整流二极管的阳极、第三整流二极管的阴极的连接点和第二整流二极管的阳极、第四整流二极管阴极的连接点相连；
所述第二变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组，所述第二变压器的原边绕组的一端与所述第二、第四开关管的连接点相连，另一端与所述第一电容的一端相连，所述第二变压器的副边绕组的两端分别与所述第三整流二极管的阴极、第二滤波电感的连接点和第四整流二极管的阴极、第二滤波电感的连接点相连；
所述第一电容的另一端与所述直流电源的负端相连，所述第一、第二滤波电感的另一端与所述第二电容的一端相连，作为输出电压的正端，所述第二电容的另一端与第一、第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端。
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