CN110729882A - 一种Boost全桥隔离变换器的有源启动电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Boost全桥隔离变换器的有源启动电路及方法，有源开关Q6与电阻R组成该电路的低损耗有源启动电路。有源启动电路在变换器启动过程中，通过开通开关器件Q6释放储存在升压电感中的能量，解决变换器启动过程中的电感能量饱和问题，变换器能够正常启动。有源启动电路中的开关器件Q6只工作在变换器的启动状态，在变换器工作在工作稳态时开关器件Q6关断，不会影响电路的转换效率。

Description

一种Boost全桥隔离变换器的有源启动电路及方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种全桥隔离升压直流变换电路及方法。
背景技术
Boost全桥隔离变换器在起动时，输出电容没有初始电压，如果直接工作在Boost模式，则控制电路的占空比在最大状态，功率开关管全部开通时，电源电压加于储能电感上，电流增大；开关管关断时，由于输出电压很低，电源电压大于输出电压的变压器原边折算值，电感中电流继续增大，即电感中存储的能量不断积累，在一个周期内不能保持平衡，电路会不断的向电感存量，而此时的输出电压很低，经过几个周期后，电感能量无法释放会很快饱和。若不采取措施，起动时输入电感的冲击电流会很大，甚至击穿功率开关管。隔全桥隔离升压直流变换电路起动电路的目的是在电路工作在正常的Boost模式之前建立一个初始的输出电压，该初始电压的反馈值不能低于输入电源的电压值。
目前已有的Boost全桥隔离变换器的启动方法为给输入电感增加反激式绕组，能够把输入电感在启动过程中不能释放的能量通过反激式绕组将能量释放给负载。这种方法在启动过程中仍有较大的电流冲击，并且使得反激式绕组设计结构复杂化，本发明能够使Boost全桥隔离变换器在启动过程中电流平滑增加，减小电流冲击并减少了复杂的反激式绕组。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种Boost全桥隔离变换器的有源启动电路及方法，目的是在全桥隔离变换器工作在稳态之前，建立输出侧电容的初始电压；基于Buck模式的启动策略，通过改变全桥功率开关器件Q1-Q4的开关时序，其开通占空比从零逐渐增加，抑制启动过程中输入电感过流，避免输入侧升压电感的饱和，从而实现变换器的正常启动。
本发明的一种Boost全桥隔离变换器的有源启动电路，包括：有源开关器件Q6与电阻R串联组成有源启动电路；有源开关器件Q6的一端接至全桥隔离变换器的升压电感L的输入端，有源开关器件Q6的另一端与电阻R串接，电阻R的输出端接至全桥隔离变换器的开关器件Q5与钳位电容Cs之间。
基于启动电路的Boost全桥隔离变换器的启动方法，其特点在于：有源启动电路在变换器启动过程中，通过开通开关器件Q6释放储存在升压电感中的能量，使变换器能够正常启动；有源启动电路中的开关器件Q6工作在变换器的启动状态，当变换器工作在工作稳态时开关器件Q6关断，Boost全桥隔离变换器电路的转换效率不受影响。
一种基于有源启动电路的Boost全桥隔离变换器，包括：所述的启动电路、有源钳位电路、全桥功率电路、变压器、高频全桥整流电路、升压电感L和输出滤波电容Co；启动电路由有源开关器件Q6与电阻R串联构成有源启动电路；有源钳位电路由开关器件Q5与钳位电容Cs组成，直接并联在直流母线上；全桥功率电路由开关器件Q1、Q2、Q3和Q4组成，升压电感L输入端连接至输入电压正极，并与有源启动电路的开关器件Q6相连；升压电感L输出端连接至直流母线，并与有源钳位电路的开关器件Q5相连；高频全桥整流电路由整流二极管D1、D2、D3和D4组成，变压器的输入端与全桥功率电路的桥臂中点相连，输出端与高频全桥整流电路的桥臂中点相连；输出端为输出滤波电容Co。
上述变换器进行全桥隔离变换方法，实现如下：将启动时的开关周期分为前半周期和后半周期，前半周期与后半周期类似，均包含模式0和模式1两种状态，模式0，即是开关器件Q1、Q4开通或Q2、Q3开通，Q6，Q5关断的工作过程：功率开关器件Q2和Q3断开，Q1和Q4接通，将电流从升压电感传输至变压器，并通过整流二极管D1和D4传输至输出侧，模式0这段时间内启动电路Q6关断，有源钳位电路Q5关断最大程度减小启动电路中的功率损耗；模式1，即是开关器件Q1-Q4关断，Q6，Q5开通的工作过程：功率开关器件Q1-Q4全部关断，Q6开通，升压电感L中的电流降低，流过变压器的电流逐渐降低到零，并保持至Q2与Q3开通，并通过整流二极管D1和D4传输至输出侧，输出侧电压通过输出滤波电容Co保持输出电压稳定。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明使变换器工作在启动过程中Buck模式(Buck模式即启动过程)情况下，通过开通开关器件Q6释放储存在升压电感中的能量，解决了变换器启动过程中的电感能量饱和问题，实现变换器平滑启动。
(2)本发明在启动过程中，全桥功率电路的工作占空比从0逐渐增大，启动电流逐渐增大，减小电流冲击并减少了复杂的反激式绕组设计。电路可以平滑的从启动状态转换至正常工作状态。
(3)本发明的有源启动电路只工作在变换器启动状态，当电路进入稳态运行时，有源启动电路处于关闭状态，最大程度减小启动电路中的功率损耗，提高变换器的转换效率。
附图说明
图1为本发明的拓扑图；
图2为本发明启动过程中模式0的拓扑图；
图3为本发明启动过程中模式1的拓扑图；
图4为本发明启动过程中开关时序图；
图5为未加启动电路的全桥变换器输入电感电流波形图；
图6为增加加启动电路的全桥变换器输入电感电流波形图；
图7为本发明正常运行过程中的拓扑图；
图8为本发明正常运行过程中的开关时序图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明由有源开关Q6与电阻R组成低损耗有源启动电路；本发明由开关器件Q5与钳位电容Cs组成有源钳位电路，直接并联在直流母线上；开关器件Q1-Q4组成全桥功率电路，电感L作为升压电感，整流二极管D1-D4组成高频全桥整流电路，Co为输出滤波电容。
如图4所示，本发明的启动过程有两种工作模式，工作模式0为变换器的开关器件Q1、Q4开通或Q2、Q3开通，Q6，Q5关断，在此模式下变换器向变压器副边传输能量，升压电感中的能量不能全部传输至变压器副边负载，电感电流逐渐增加。由于开关器件Q5的反并联二极管导通，能够吸收变压器漏感引起的变压器输入侧电压尖峰；工作模式1为开关器件Q1-Q4全部关断，Q6，Q5开通。由于启动电路中电阻R和变压器漏感的存在，在开关管Q5，Q6开通的情况下，升压电感L中的电流逐渐减小到零。
如图2所示为此发明工作在启动模式下的工作模式0；在功率开关器件Q2和Q3断开，Q1和Q4接通，将电流从升压电感传输至变压器，并通过整流二极管D1和D4传输至高压侧负载，升压电感中的能量不能全部传输至变压器副边负载，电感电流逐渐增加。这段时间内，启动电路Q6关断，最大程度减小启动电路中的功率损耗。
如图3所示为此发明工作在启动模式下的工作模式1；功率开关器件Q1-Q4全部关断，Q6开通，由于启动电路中电阻R和变压器漏感的存在，升压电感L中的电流逐渐降低，流过变压器的电流逐渐降低到零，并保持至Q2与Q3开通，负载通过输出侧电容电压充电，保持输出电压稳定。
如图5所示为未加启动电路的Boost全桥隔离变换器升压电感电流波形图，此时电路中有较大的电流冲击对电路造成损害。
如图6所示为增加启动电路的Boost全桥隔离变换器升压电感电流波形图，此时电路电流较小，不会对电路中的器件造成冲击，保护了电路器件。
如图7所示为本发明正常启动后的电路拓扑图，当电路进入稳态运行时，有源启动电路处于关闭状态，电路稳定运行在Boost模式下。
如图8所示为本发明稳态运行时的时序图，Q1-Q4的开通占空比均大于0.5，电路运行在升压模式，并通过钳位开关管Q5的开通和关断，解决变压器漏感造成的变压器输入电压尖峰问题。
综上，本发明能够实现Boost全桥变换器的启动，使其全桥功率电路的占空比能够从0开始逐渐增加至工作状态，解决了变换器启动过程中的电感能量饱和问题，实现变换器平滑启动。在启动工程中，电感电流逐渐增大，降低了电流冲击对电路造成的损耗。同时，本发明的有源启动电路只工作在变换器启动状态，当电路进入稳态运行时，有源启动电路处于关闭状态。相比反激式绕组启动方法，本发明在启动过程中没有了绕组转换部分的能量损耗，并且在稳态过程中启动电路不参与工作，反激式绕组在正常工作过程中仍由部分能量的损耗。故本发明功率损耗较低。
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种Boost全桥隔离变换器的有源启动电路，其特征在于，包括：有源开关器件Q6与电阻R串联组成有源启动电路；有源开关器件Q6的一端接至全桥隔离变换器的升压电感L的输入端，有源开关器件Q6的另一端与电阻R串接，电阻R的输出端接至全桥隔离变换器的开关器件Q5与钳位电容Cs之间。
2.一种基于权利要求1所述的一种Boost全桥隔离变换器的有源启动电路，其特征在于：有源启动电路在变换器启动过程中，通过开通开关器件Q6释放储存在升压电感中的能量，使变换器能够正常启动；有源启动电路中的开关器件Q6工作在变换器的启动状态，当变换器工作在工作稳态时开关器件Q6关断，Boost全桥隔离变换器电路的转换效率不受影响。
3.一种基于有源启动电路的Boost全桥隔离变换器，其特征在于，包括：权利要求1所述的启动电路、有源钳位电路、全桥功率电路、变压器、高频全桥整流电路、升压电感L和输出滤波电容Co；启动电路由有源开关器件Q6与电阻R串联构成有源启动电路；有源钳位电路由开关器件Q5与钳位电容Cs组成，直接并联在直流母线上；全桥功率电路由开关器件Q1、Q2、Q3和Q4组成，升压电感L输入端连接至输入电压正极，并与有源启动电路的开关器件Q6相连；升压电感L输出端连接至直流母线，并与有源钳位电路的开关器件Q5相连；高频全桥整流电路由整流二极管D1、D2、D3和D4组成，变压器的输入端与全桥功率电路的桥臂中点相连，输出端与高频全桥整流电路的桥臂中点相连；输出端为输出滤波电容Co。
4.一种采用权利要求3所述的变换器进行全桥隔离变换方法，其特征在于，实现如下：将启动时的开关周期分为前半周期和后半周期，前半周期与后半周期类似，均包含模式0和模式1两种状态；模式0，即是开关器件Q1、Q4开通或Q2、Q3开通，Q6，Q5关断的工作过程：功率开关器件Q2和Q3断开，Q1和Q4接通，将电流从升压电感传输至变压器，并通过整流二极管D1和D4传输至输出侧，模式0这段时间内启动电路Q6关断，有源钳位电路Q5关断最大程度减小启动电路中的功率损耗；模式1，即是开关器件Q1-Q4关断，Q6，Q5开通的工作过程：功率开关器件Q1-Q4全部关断，Q6开通，升压电感L中的电流降低，流过变压器的电流逐渐降低到零，并保持至Q2与Q3开通，并通过整流二极管D1和D4传输至输出侧，输出侧电压通过输出滤波电容Co保持输出电压稳定。
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