CN1540851A - 全桥零电压零电流开关pwm变换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种直流电源装置，具体公开一种移相控制全桥零电压零电流开关PWM(脉冲宽度调制)变换器。它包括四个功率管(S₁至S₄)、八个二极管(D₁至D₈)、三个电容(C₀、C₁和C₂)、变压器(T)、滤波电感(L₀)和电源(Vin)所组成的全桥PWM变换器，其特征是它还包括绕组(L_c)和二极管(D_c)，绕组(L_c)的非同名端连滤波电感(L₀)的同名端，绕组(L_c)的同名端连二极管(D_c)的负极，二极管(D_c)的正极连二极管(D₈)的正极，绕组(L_c)与滤波电感(L₀)耦合。本发明辅助电路没有耗能元件，电感无需预先储能，不增加原边电流应力，因此工作可靠。新电路结构摒弃了价格昂贵的高频无感电容，降低了整机成本，具有设计合理、工作可靠和具有较大推广价值的优点。

Description

全桥零电压零电流开关PWM变换器

技术领域：本发明属于一种直流电源装置，具体涉及一种移相控制全桥零电压零电流开关PWM(脉冲宽度调制)变换器。

背景技术：为了提高大功率直流/直流变换器的功率密度和输出效率，降低开关损耗，近年来出现了许多软开关技术，其中移相控制全桥零电压零电流开关PWM变换器是一种理想的电路结构。它可以在很大的负载变化范围内实现功率管的软开关，且变换器保持了恒频控制，功率密度和输出效率都有较大提高。该种变换器中由于功率管采用了零电压零电流开关方式，因此变换器的开关频率可以大幅提高，从而使变换器中所用的变压器和滤波电感的体积、重量大大减小，变换器整机功率密度大大提高；功率管采用了零电压零电流开关方式，使得功率管的开关损耗显著减小，变换器轻载输出效率显著提高，节约能源。目前该种变换器电路结构大多采用变压器二次侧并联辅助电路，利用储能电容作为反向阻断电压源来复位原边电流，实现滞后桥臂的零电流开关。这类电路结构的缺点是：储能电容的能量需由原边在传输功率期间提供，因此必然增加原边的电流应力，开关管电流等级相应提高，变换器成本增加。而且储能电容需采用价格昂贵的高频无感电容，更增加了变换器的整机成本。由于该电容在变换器续流期间需提供全部的负载电流，因此其工作情况较恶劣，是制约变换器整机工作可靠性的重要因素。

发明内容：为了克服现有的全桥零电压零电流开关PWM变换器整机成本高和工作可靠性较低的缺陷，提供一种成本较低、工作可靠的全桥零电压零电流开关PWM变换器。本发明是通过下述方案予以实现的：一种全桥零电压零电流开关PWM变换器，它包括四个功率管(S₁至S₄)、八个二极管(D₁至D₈)、三个电容(C₀、C₁和C₂)、变压器T、滤波电感L₀和电源Vin所组成的全桥PWM变换器，它还包括绕组L_c和二极管D_c，绕组L_c的非同名端连滤波电感L₀的同名端，绕组L_c的同名端连二极管D_c的负极，二极管D_c的正极连二极管D₈的正极，绕组L_c与滤波电感L₀耦合。变换器的电路结构如图1所示，由绕组L_c和二极管D_c组成的辅助电路位于二次侧，S₁和S₂构成超前桥臂，S₃和S₄构成滞后桥臂，L_lk为变压器漏感，变换器采用移相控制方式通过S₁、S₂、S₃和S₄的基极输入信号，R₀为负载电阻。本发明通过引入一个与滤波电感耦合的辅助绕组，利用其在续流期间产生的感应电动势作为反向阻断电压源，将原边电流复位至零。辅助电路由耦合电感和续流管组成，结构简单，没有耗能元件或有源开关。电感无需预先储能，不增加原边电流应力，因此工作可靠。新电路结构摒弃了价格昂贵的高频无感电容，降低了整机成本。新电路结构具有良好的通用性，对采用不同箝位方式如阻容吸收、次级无源箝位或有源箝位的全桥变换器均适用。主开关管全部采用IGBT即绝缘栅双极晶体管，工作频率可提高至100kHz，功率密度和轻载效率显著改善。新电路结构已应用在3kW，输出电压350VDC的全桥变换器中。本发明具有设计合理、工作可靠和具有较大推广价值的优点。

附图说明：图1是本发明的结构示意图，图2至图7分别是本发明实施方式一中六个工作时间段电路的六种工作模式示意图，图8是实施方式一的工作波形图，图9是实施方式二的结构示意图，图10是实施方式三的结构示意图。

具体实施方式一：下面结合图1至图8具体说明本实施方式。它由四个功率管(S₁至S₄)、八个二极管(D₁至D_a)、三个电容(C₀、C₁和C₂)、变压器T、滤波电感L₀、绕组L_c、二极管D_c和电源Vin组成，电源Vin的正极连接功率管S₁的集电极、二极管D₁的负极、电容C₁的一端、功率管S₃的集电极和二极管D₃的负极，功率管S₁的发射极连二极管D₁的正极、电容C₁的另一端、功率管S₂的集电极、二极管D₂的负极、电容C₂的一端和变压器T原边线圈的一端，功率管S₃的发射极连二极管D₃的正极、功率管S₄的集电极，二极管D₄的负极和变压器T原边线圈的另一端，电源Vin的负极连功率管S₂的发射极、二极管D₂的正极、电容C₂的另一端、功率管S₄的发射极和二极管D₄的正极，变压器T副边线圈的一端连二极管D₅的正极和二极管D₆的负极，变压器T副边线圈的另一端连二极管D₇的正极和二极管D₈的负极，二极管D₅的负极连二极管D₇的负极和滤波电感L₀的同名端，滤波电感L₀的非同名端连电容C₀的一端，电容C₀的另一端连二极管D₈的正极和二极管D₆的正极，功率管(S₁至S₄)都是绝缘栅双极晶体管，绕组L_c的非同名端连滤波电感L₀的同名端，绕组L_c的同名端连二极管D_c的负极，二极管D_c的正极连二极管D₈的正极，绕组L_c与滤波电感L₀耦合。

图2至图7中粗实线部分为该时间段实际工作的电路结构部分。变压器输出功率期间，由于辅助绕组L_c与滤波电感L₀耦合，L_c两端将产生感应电动势V_Lc，但由于二极管D_c反偏，因此辅助电路中没有电流，原边电流应力保持不变。当变换器超前桥臂开关管关断时，副边电压开始减小，L₀进入续流阶段。当L₀两端电压极性变为左低右高时，感应电势V_Lc的极性翻转。当副边电压进一步下降到满足D_c导通条件时，L_c开始参与续流过程。此时，感应电势V_Lc反射到原边，构成反向阻断电压源使原边电流i_p迅速下降至零，此时开关滞后臂功率管S₃和S₄，即可实现零电流开关。为分析方便，假设滤波电感L₀足够大等效为恒流源I₀，滤波电容C₀等效为恒压源V₀，变压器为理想变压器。变换器在半个工作周期内可分为六个时间段描述，这六个时间段分别对应着六种电路工作模式，工作波形和等效电路如图8和图2至图7所示。

模式1(M₁时段)：S₁、S₄、D₅和D₈导通，输入功率经变压器和整流桥传送至负载。由于辅助绕组L_c与L₀耦合，L_c两端将产生感应电动势V_Lc，但由于D_c反偏，因此辅助电路中没有电流，原边电流应力保持不变。

模式2(M₂时段)：t₂时刻超前桥臂开关管S₁关断，原边电流i_p从S₁转移到C₁和C₂支路中，电感电流I₀反射到原边与C₁和C₂产生谐振，给C₁充电使C₂放电。因为电容电压不能突变，因此S₁的集射极电压为零，S₁在C₁和C₂作用下零电压关断。关断后S₁两端电压线性增长。该时段内，变压器原边电压V_ab和整流电压V_rec线性下降，当V_rec下降到低于输出电压V₀时，滤波电感L₀两端电压极性翻转，当V_rec进一步下降到满足D_c导通条件时，D_c正偏导通，辅助绕组L_c开始参与换流。

模式3(M₃时段)：t₃时刻，V_ab下降到零，D₂自然导通，此后即可触发S₂零电压开通。负载电流通过原边绕组、S₄和D₂续流。L_c两端的感应电势V_Lc反射到变压器原边，构成一个反向阻断电压源使原边电流i_p迅速下降。t₄时刻i_p下降至零，耦合电感电流i_c则上升至负载电流I₀。该时段即为原边电流复位时间。

模式4(M₄时段)：输出整流管关断，原边没有电流流过，i_p继续维持零电流状态，全部负载电流I₀都通过辅助电路续流。

模式5(M₅时段)：t₅时刻，关断S₄，由于此时原边电流等于零，因此S₄为零电流关断(ZCS)，绝缘栅双极晶体管拖尾电流现象消失。

模式6(M₆时段)：t₆时刻，触发S₃导通。由于变压器存在漏感L_lk，原边电流i_p不能突变，因此S₃为零电流开通。此后i_p将线性上升。通过辅助电路的电流i_c则线性下降。整流电压继续保持在V_Lc。t₇时刻i_p上升到最大值，i_c减小至零，续流管D_c关断，全部负载电流流过变压器副边。整流电压V_rec迅速上升。至此变换器半个工作周期结束，另半个周期与上述过程相同。

具体实施方式二：下面结合图9具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是，它还包括二极管D_s、电容C_s和电阻R_s，二极管D_s的正极连滤波电感L₀的同名端，二极管D_s的负极连电容C_s的一端和电阻R_s的一端，电容C_s的另一端连二极管D_c的正极，电阻R_s的另一端连滤波电感L₀的非同名端。本实施方式为无源箝位方式，无源箝位方式能限制整流电压尖峰并对振荡有一定的阻尼作用，能量回馈电阻R_s越小，箝位效果越好。

具体实施方式三：下面结合图10具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是，它还包括功率管Q_H、二极管D_H和电容C_H，功率管Q_H是绝缘栅双极晶体管，功率管Q_H的集电极连二极管D_H的正极和滤波电感L₀的同名端，功率管Q_H的发射极连二极管D_H的负极和电容C_H的一端，电容C_H的另一端连二极管D_c的正极。当变压器次级输出功率时，漏感通过箝位二极管D_H与C_H产生谐振，给C_H充电，整流电压V_rec被箝位在C_H稳态值，不再产生电压过冲和振荡。经过短暂延时，触发箝位管Q_H导通(零电压开通)，当C_H谐振电压大于V_rec时，电容储能回馈给负载。本实施方式是采用次级有源箝位的变换器，适用于输出电压高功率大的变换器。

Claims (3)

1、一种全桥零电压零电流开关PWM变换器，它包括四个功率管(S₁至S₄)、八个二极管(D₁至D₈)、三个电容(C₀、C₁和C₂)、变压器(T)、滤波电感(L₀)和电源(Vin)所组成的全桥PWM变换器，其特征是它还包括绕组(L_c)和二极管(D_c)，绕组(L_c)的非同名端连滤波电感(L₀)的同名端，绕组(L_c)的同名端连二极管(D_c)的负极，二极管(D_c)的正极连二极管(D₈)的正极，绕组(L_c)与滤波电感(L₀)耦合。

2、根据权利要求1所述的全桥零电压零电流开关PWM变换器，其特征是它还包括二极管(D_s)、电容(C_s)和电阻(R_s)，二极管(D_s)的正极连滤波电感(L₀)的同名端，二极管(D_s)的负极连电容(C_s)的一端和电阻(R_s)的一端，电容(C_s)的另一端连二极管(D_c)的正极，电阻(R_s)的另一端连滤波电感(L₀)的非同名端。

3、根据权利要求1所述的全桥零电压零电流开关PWM变换器，其特征是它还包括功率管(Q_H)、二极管(D_H)和电容(C_H)，功率管(Q_H)是绝缘栅双极晶体管，功率管(Q_H)的集电极连二极管(D_H)的正极和滤波电感(L₀)的同名端，功率管(Q_H)的发射极连二极管(D_H)的负极和电容(C_H)的一端，电容(C_H)的另一端连二极管(D_c)的正极。

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