CN110829853A - 大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，包括高压直流输入滤波单元、变换器初级侧逆变单元、变换器初级侧主回路单元、高频变压器、变换器次级侧整流滤波单元；具体连接方式为：输入的高压直流电在高压直流输入滤波单元滤波后，经过功率管在变换器初级侧逆变单元得到交流方波，再经过变换器初级侧主回路单元实现软开关，然后经高频变压器后，最后接入变换器次级侧整流滤波单元，输出直流电压。解决了现有技术中存在的问题，克服了滞后桥臂软开关负载范围窄的问题，副边整流器件电压应力低，大负载条件下，原边电流可完全复位，占空比丢失小，复位能量给辅助电源供电，实现无损吸收。

Description

大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器
技术领域
本发明属于高频软开关DC-DC变换器技术领域，具体涉及大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器。
背景技术
大功率直流电源在功能材料制备和电解电镀等耗能工业应用场合、电力系统二次设备领域、交通领域、新能源产业有广泛的应用。随着半导体技术的发展，开关器件功能日新月异，大功率直流开关电源成为以上领域有效的解决手段。图1是传统的零电压开关移相全桥直流变换电路。在大功率移相全桥软开关直流开关电源中，滞后桥臂全范围软开关的实现程度、工作时出现的占空比丢失是两个影响效率的重要因素。由于主回路电流复位时，主回路电感具有续流作用，造成原边电流ip复位时间较长，软开关负载范围变窄，并造成变压器副边被短接，占空比丢失；由于电路中谐振电感与副边整流二极管的结电容导致的电压振铃现象，副边整流器件电压应力高，如图2所示；传统的零电压开关移相全桥直流变换电路在大负载条件下，原边电流ip复位时间变长，导致较大的占空比丢失。如何找到一种滞后桥臂全范围软开关和低占空比丢失的大功率直流开关电源至关重要。
发明内容
本发明提供了大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，克服了滞后桥臂软开关负载范围窄的问题，副边整流器件电压应力低，大负载条件下，原边电流可完全复位，占空比丢失小。
为达到上述目的，本发明大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，包括高压直流输入滤波单元、变换器初级侧逆变单元、变换器初级侧主回路单元、高频变压器kT和变换器次级侧整流滤波单元；具体连接方式为：输入的高压直流电在高压直流输入滤波单元滤波后，经过变换器初级侧逆变单元在变换器初级侧逆变单元得到交流方波，再经过变换器初级侧主回路单元实现软开关，然后经高频变压器kT，最后接入变换器次级侧整流滤波单元，输出直流电压；
变换器初级侧主回路单元包括高频变压器kT的原边绕组、高频变压器kT的原边漏感和辅助电路，辅助电路与高频变压器kT的原边绕组以及高频变压器kT的原边漏感串联，辅助电路包括开关管单元、二极管单元、储能电容CR和辅助电源；开关管单元由开关管Qa1和开关管Qa2反向串联形成，二极管单元由二极管Da3和二极管Da4反向串联形成；开关管Qa1的源极与高频变压器原边的连接点记为节点5，开关管Qa2的源极和二极管Da4的正极的连接点记为节点8；
开关管单元与二极管单元在节点5和节点8并联，储能电容CR第一端与开关管Qa1的漏极连接，第二端与二极管Da3的阴极连接；辅助电源与储能电容CR并联。
进一步的，高压直流输入滤波单元包括电容Cin，电容Cin并联在输入电源Vin的两端。
进一步的，变换器初级侧逆变单元为全桥逆变电路。
进一步的，变换器次级侧整流滤波单元包括二极管Do1、二极管Do2、电感Lo和电容Co，二极管Do1的正极连接在高频变压器kT的第一副边绕组同名端，二极管Do1的负极与电感Lo的第一端连接，电感Lo的第二端与电容Co的第一端连接，电容Co的第二端与高频变压器kT的第二副边绕组同名端连接，电容Co的两端并联有负载Ro，二极管Do2的正极与高频变压器kT的副边绕组异名端连接，二极管Do2的正极与Do1的负极连接。
进一步的，辅助电源为直流模块电源。
进一步的，开关管Qa1和开关管Qa2选用MOS管。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
1.相较于传统的零电压开关移相全桥直流变换器，由于该发明具有的辅助电路可以在更短时间内为开关管的结电容充放电，使该大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器具有滞后桥臂全范围软开关的特点；
2.在辅助电路导通时，辅助电源通过电容CR放电，削弱了主回路的谐振现象，使得变压器副边电路中出现的电压振铃现象减小，副边整流器件电压应力低，有利于设计生产中的器件选型；
3.该发明具有的辅助电路通过电容CR放电，可以使主回路电流换流速度更快，具有大负载条件下，原边电流可完全复位，占空比丢失低的特点，改善了大负载条件下，传统的零电压开关移相全桥直流变换器原边电流无法复位，导致较大的占空比丢失的问题。
附图说明
图1是传统的零电压开关移相全桥直流变换电路原理图；
图2是传统零电压零电流开关移相全桥逆变电路存在的问题；
图3是本发明电路整体示意图；
图4是本发明电路理想工作波形示意图；
图5是t0前的工作状态图，称为工作模式1；
图6是t0～t2的工作状态图，称为工作模式2；
图7是t2～t3的工作状态图，称为工作模式3；
图8是t3～t4的工作状态图，称为工作模式4；
图9是t4～t5的工作状态图，称为工作模式5；
图10是t5～t7的工作状态图，称为工作模式6；
图11是t7～t9的工作状态图，称为工作模式7；
图12是t9～t10的工作状态图，称为工作模式8；
图13是t10～t11的工作状态图，称为工作模式9；
图14是t11～t12的工作状态图，称为工作模式10；
图3以及图5至图14中，各结点用数字1～13分别表示。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种新型移相全桥零电压零电流软开关高频直流变换器，在传统的零电压开关移相全桥直流变换电路拓扑中增加两个反向串联的开关管、两个反向串联的二极管、一个储能电容、一个辅助电源来改善传统零电压开关移相全桥直流变换器中的不足。
参照图3，大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，包括高压直流输入滤波单元、变换器初级侧逆变单元、变换器初级侧主回路单元、高频变压器、变换器次级侧整流滤波单元，根据电压等级选择功率管的型号；具体连接方式为：输入的高压直流电在高压直流输入滤波单元滤波后，经过功率管在变换器初级侧逆变单元得到交流方波，再经过变换器初级侧主回路单元实现软开关，然后经高频变压器后，最后接入变换器次级侧整流滤波单元，输出直流电压。
其中，高压直流输入滤波单元包括电容Cin，电容Cin并联在输入电源Vin的两端；变换器初级侧逆变单元为一个全桥逆变电路，包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4。其中，开关管Q1和开关管Q2在同一桥臂，开关管Q3和开关管Q4在同一桥臂。
变换器初级侧主回路单元包括串联的变压器原边绕组，变压器原边漏感和辅助电路，辅助电路具有开关管单元、二极管单元、一个储能电容CR和一个辅助电源。其中，开关管单元由开关管Qa1和开关管Qa2反向串联形成，开关管Qa1的源极与变压器原边的连接点记为节点5，开关管Qa2的源极和二极管Da4的正极的连接点记为节点8。二极管单元由二极管Da3和二极管Da4反向串联形成。辅助电源采用目前市场上通用的直流模块电源，其型号根据应用场景的实际需要选型。
开关管单元与二极管单元在节点5和节点8间并联，储能电容与辅助电源接入节点6与节点7之间，通过对开关管的控制，辅助电源对储能电容充放电实现变换器的软开关。节点6为开关管Qa1的漏极和开关管Qa1的漏极的连接点，节点7为二极管Da3的负极和二极管Da4的负极连接点。
变换器次级侧整流滤波单元包括二极管Do1、二极管Do2、电感Lo和电容Co，二极管Do1的正极连接在高频变压器kT的第一副边绕组同名端，Do1的负极与电感Lo的第一端连接，电感Lo的第二端与电容Co的第一端连接，电容Co的第二端与kT的第二副边绕组同名端连接，电容Co的两端并联有负载Ro，二极管Do2的正极与高频变压器kT的副边绕组异名端连接，二极管Do2的正极与Do1的负极连接。
图4是本发明电路理想工作波形示意图。
图5是t0前的工作状态图，称为工作模式1；在此时间段内，变换器原边开关管Q1、开关管Q4、开关管Qa1、开关管Qa2和副边二极管Do1同时导通，原边电流从电压Vin的正极出发，经电容Cin滤波，依次流过开关管Q1、电感Llk、高频变压器的原边、开关管Qa1、开关管Qa2和开关管Q4回到电压源Vin负极；高频变压器的副边电流从副边依次流经二级管Do1，LC滤波和负载Ro，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边；开关管Q2和开关管Q3关断没有电流流过，Da4反向截止，没有电流流过；辅助电源为电容CR充电，直至将电容CR充满，电容CR的电压与辅助电源电压相等。
图6是t0～t2的工作状态图，称为工作模式2；t0时关断开关管Q1，变换器原边开关管Q4、开关管Qa1、开关管Qa2和副边二极管Do1、Do2同时导通，原边电流ip依次流过开关管Q4、开关管Q2的体二极管D2、高频变压器的原边、电感Llk、开关管Qa1和开关管Qa2，在电感Llk的作用下续流；高频变压器的副边电流一部分流经二级管Do1，另一部分流经二级管Do2，之后依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态；高频变压器原边与副边电压逐渐降低，直至t1时刻为零，此时高频变压器原副边被短接；开关管Q2和开关管Q3关断没有电流流过，二极管Da4反向截止，没有电流流过；开关管Q2两端电压为0，可以实现零电压导通；辅助电源为电容CR充满电后，辅助电源使电容CR的电压与辅助电源电压保持相等。
图7是t2～t3的工作状态图，称为工作模式3；t2时刻关断开关管Qa1，导通开关管Q2，变换器原边开关管Q4、开关管Qa2和二极管Da3以及副边二极管Do1和二极管Do2同时导通，原边电流ip依次流过开关管Q4、开关管Q2、高频变压器的原边、电感Llk、二极管Da3、电容CR和开关管Qa2，由于辅助电源经电容CR反向放电释放能量，抑制原边电流ip，原边电流与副边电流减小，直至t3时刻为零；高频变压器的副边电流部分从二极管Do1流出，部分从二极管Do2流出，依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态。图8是t3～t4的工作状态图，称为工作模式4；此时高频变压器原副边电压均为零，原边电流在t3下降为零；副边二极管Do1和二极管Do2同时导通，均分负载电流，两部分电流之后依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态；变换器原边开关管Q2、开关管Q4和开关管Qa2同时导通；辅助电源为电容CR充电，直至将电容CR充满，电容CR的电压与辅助电源电压相等。
图9是t4～t5的工作状态图，称为工作模式5；t4时刻零电流关断开关管Q4，此时高频变压器原副边电流均为零，电压均为零，与工作模式4相同；辅助电源保证电容CR电压不变，且辅助电源电压和电容CR电压大小相等。
图10是t5～t7的工作状态图，称为工作模式6；在此时间段内，变换器原边开关管Q2、开关管Q3、开关管Qa1、开关管Qa2和副边二极管Do2同时导通，原边电流反向从0开始上升直至额定值，从电压Vin的正极出发，经电容Cin滤波，依次流过开关管Q3、开关管Qa1、开关管Qa2、电感Llk、高频变压器的原边和开关管Q2，回到电压源负极；高频变压器的副边电流依次流经二级管Do2、LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边；开关管Q1和开关管Q4关断没有电流流过，Da4反向截止，没有电流流过；辅助电源保证电容CR电压不变，且辅助电源电压和电容CR电压大小相等。
图11是t7～t9的工作状态图，称为工作模式7；t7时零电压关断开关管Q2，变换器原边开关管Q3、开关管Qa1、开关管Qa2和副边二极管Do1、Do2同时导通，原边电流ip依次流过开关管Q1的体二极管D1、开关管Q3、开关管Qa1、开关管Qa2、电感Llk和高频变压器的原边，在电感Llk的作用下续流；高频变压器的副边电流部分从二极管Do1流出，部分从二极管Do2流出，依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态；高频变压器原边与副边电压逐渐降低，直至t8时刻为零；开关管Q1和开关管Q4关断没有电流流过，Da4反向截止，没有电流流过；辅助电源保证电容CR电压不变，且辅助电源电压和电容CR电压大小相等。
图12是t9～t10的工作状态图，称为工作模式8；t9时刻关断开关管Qa2，导通开关管Q1，开关管Q3、开关管Qa1和二极管Da4以及副边二极管Do1和二极管Do2同时导通，原边电流ip依次流过开关管Q1、开关管Q3、二极管Da4、电容CR、开关管Qa1、电感Llk和高频变压器的原边，由于辅助电源经电容CR反向放电释放能量，抑制原边电流ip，原边电流与副边电流减小，直至t10时刻为零；高频变压器的副边电流部分从二极管Do1流出，部分从二极管Do2流出，依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态。
图13是t10～t11的工作状态图，称为工作模式9；此时高频变压器原副边电压均为零，原边电流在t10下降为零；副边二极管Do1和二极管Do2同时导通，均分负载电流，两部分电流之后依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态；变换器原边开关管Q1、开关管Q3、开关管Qa1同时导通；辅助电源为电容CR充电，直至将电容CR充满，电容CR的电压与辅助电源电压相等。
图14是t11～t12的工作状态图，称为工作模式10；t11时刻关断开关管Q3，此时高频变压器原副边电流均为零，电压均为零，与工作模式9相同；辅助电源保证电容CR电压不变，且辅助电源电压和电容CR电压大小相等。
至此本发明电路工作的一个周期叙述完毕。和传统零电压零电流开关移相全桥电路相比，本发明克服了滞后桥臂软开关负载范围窄的问题，副边整流器件电压应力低，大负载条件下，原边电流可完全复位，占空比丢失小，复位能量给辅助电源供电，实现无损吸收。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，其特征在于，包括高压直流输入滤波单元、变换器初级侧逆变单元、变换器初级侧主回路单元、高频变压器kT和变换器次级侧整流滤波单元；具体连接方式为：输入的高压直流电在高压直流输入滤波单元滤波后，经过变换器初级侧逆变单元在变换器初级侧逆变单元得到交流方波，再经过变换器初级侧主回路单元实现软开关，然后经高频变压器kT，最后接入变换器次级侧整流滤波单元，输出直流电压；
所述变换器初级侧主回路单元包括高频变压器kT的原边绕组、高频变压器kT的原边漏感和辅助电路，所述辅助电路与高频变压器kT的原边绕组以及高频变压器kT的原边漏感串联，所述辅助电路包括开关管单元、二极管单元、储能电容CR和辅助电源；所述开关管单元由开关管Qa1和开关管Qa2反向串联形成，所述二极管单元由二极管Da3和二极管Da4反向串联形成；开关管Qa1的源极与高频变压器原边的连接点记为节点5，开关管Qa2的源极和二极管Da4的正极的连接点记为节点8；
开关管单元与二极管单元在节点5和节点8并联，储能电容CR第一端与开关管Qa1的漏极连接，第二端与二极管Da3的阴极连接；辅助电源与储能电容CR并联。
2.根据权利要求1所述的大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，其特征在于，所述高压直流输入滤波单元包括电容Cin，所述电容Cin并联在输入电源Vin的两端。
3.根据权利要求1所述的大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，其特征在于，所述变换器初级侧逆变单元为全桥逆变电路。
4.根据权利要求1所述的大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，其特征在于，所述变换器次级侧整流滤波单元包括二极管Do1、二极管Do2、电感Lo和电容Co，所述二极管Do1的正极连接在高频变压器kT的第一副边绕组同名端，二极管Do1的负极与电感Lo的第一端连接，电感Lo的第二端与电容Co的第一端连接，电容Co的第二端与高频变压器kT的第二副边绕组同名端连接，电容Co的两端并联有负载Ro，二极管Do2的正极与高频变压器kT的副边绕组异名端连接，二极管Do2的正极与Do1的负极连接。
5.根据权利要求1所述的大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，其特征在于，所述辅助电源为直流模块电源。
6.根据权利要求1所述的大功率强复位移相全桥零电压零电流软开关直流变换器，其特征在于，所述开关管Qa1和开关管Qa2选用MOS管。
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