CN1286522A - 新型倍流整流电路零电压开关全桥变换器 - Google Patents

新型倍流整流电路零电压开关全桥变换器 Download PDF

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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Tr的原边绕组中串接一个阻断电容Cb。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装置，尤其是直流变换器。直流变换器是开关电源的核心。为了减小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Tr的原边绕组中串接一个阻断电容Cb。
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Tr的原边绕组中串接一个阻断电容Cb。Vin是输出直流电压，Q1与Q3组成超前桥臂，Q2与Q4组成滞后桥臂，D1～D4分别是Q1～Q4的寄生二极管，C1～C4分别是Q1～Q4的结电容，Llk是变压器的漏感，DR1和DR2是输出整流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RLd是负载。开关管依靠储存在Llk和Lf中的能量实现零电压开关；阻断电容Cb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，Q1和Q4导通。原边电流ip流经Q1、阻断电容Cb、变压器原边绕组及Q4。整流管DR2导通，DR1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Q1，ip给C1充电，同时给C3放电。由于有C1和C3，Q1是零电压关断。ip同时也给阻断电容Cb充电，Cb上电压上升。在这段时间里，ip=iLf1/K，由于Lf1很大，iLf1基本保持不变，因此ip可认为是一个恒流源。因此C1的电压线性增加，C3的电压线性下降。
在t2时刻，C3的电压下降到零，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)
D3导通后，Q3可零电压开通。虽然这时候Q3被开通，但Q3并没有电流流过，ip由D3流通。此时vAB=0，Cb的负电压使ip减小，同样is也减小，因此DR1开始导通。由于两个整流二极管DR1和DR2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Cb的电压就全部加在漏感Llk上。实际上此时是Cb和Llk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iLf2变负，并在t3时刻，is=-iLf2，那么iDR2=0，DR2自然关断，而iDR1=iLf1+iLf2，DR1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，Q4和D3继续导通，vAB=0。DR2关断，DR1导通，DR1流过全部负载电流。Cb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is=-iLf2，那么ip=-iLf2/K。由于iLf2是负方向减小的，那么ip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Q4，ip给C4充电，同时给C2放电。由于有C2和C4，Q4是零电压关断。ip同时也给阻断电容Cb充电，Cb上电压上升。在这段时间里，ip=-iLf2/K，由于Lf2很大，iLf2基本保持不变，因此ip可认为是一个恒流源，因此C1的电压线性增加，C3的电压线性下降。在t5时刻，C2的电压下降至零，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)
D2导通后，可以零电压开通Q2。虽然这时Q2已开通，但Q2不流过电流，ip由D2流通。iLf1下降，iLf2增加，而ip=-iLf2/K，因此ip线性下降，Cb的电压继续上升。在t6时刻，ip下降到零，二极管D2、D3自然关断，Q2、Q3中将流过电流，Cb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，Q2和Q3导通，iLf1下降，iLf2增加。Cb的电压开始下降。
到t7时刻，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Vin=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L1k=0.46μH；阻断电容为Cb=1μF；输出滤波电感为Lf=30μH；输出滤波电容为Cf=6600μF；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fs=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载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)

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Tr的原边绕组中串接一个阻断电容Cb。
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