CN1684349A - 一种直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种直流变换器，属于电能变换装置的技术领域，尤其涉及一种采用变压器隔离输出的直流变换器。包括直流输入电路、桥式电路、变压器、整流滤波电路，变压器输出端与整流滤波电路相连，变压器输出侧相串联。本发明提出的变压器副边串联的技术，简单而有效地解决双组桥式电路或变压器之间的电流均衡问题，同时使得功率器件容易实现分散布置，有利于结构工艺设计和器件布局。

Description

一种直流变换器

                         技术领域

本发明属于电能变换装置的技术领域，尤其涉及一种采用变压器隔离输出的直流变换器。

                         背景技术

直流变换器是高频开关电源的核心。在大功率(典型应用功率值：6KW或12KW等)的开关电源中，为了减少产品的体积重量，必须提高开关频率，因此常要求采用开关频率高的功率MOSFET管，而MOSFET管的单管通电流能力有限，要求多个管并联扩流。但多个MOSFET管的简单并联，使功率器件不得不集中布置，散热设计和电磁抗干扰设计的难度增大。另一方面，功率等级的增大，变压器的传输功率需要增大，变压器的发热也变得严重起来。为了满足功率传输和散热的要求，就出现了图1与图2的采用2组桥式电路、2个变压器组合的电路结构来增大整个直流变换器的功率输出能力。

这两种方式的变压器T1、T2的输出侧均属并联特性，由变压器T1、T2的输出电流共同分担负载。在实际产品的设计制造过程中，不可避免地存在器件参数分散不一致的现象，如：各MOSFET管的通态电阻RDS和其驱动脉冲宽度不一致，变压器T1、T2的漏感参数不一致，最终导致T1、T2的输出电压幅值存在差异，使其输出电流大小不一，即输出电流不均衡问题。电流偏大的一路变压器输出电压也偏大，其中功率器件MOSFET管耗散功率也偏大，使其温升偏高，严重时损坏器件。要避免这种问题的发生，必须使变压器和其他功率器件的参数留有足够的裕度，但会使得变压器的体积增大、重量增大，并且使器件的成本提高，产品体积重量增大，这对开关电源的整体性能来说，非常不利。

将两组桥式电路或变压器中的电流值分别采样反馈到控制电路，分别进行电流负反馈控制，可以使电流均衡，但使电路结构尤其控制电路结构变得特别复杂，使电路的设计难度提高。

                         发明内容

为了克服已有技术中控制电路复杂、输出电流不均衡的缺点，本发明的目的是提供一种新型的大功率直流变换器，

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种直流变换器，包括直流输入电路、桥式电路、变压器、整流滤波电路，变压器输出端与整流滤波电路相连，其特征是在于变压器输出侧相串联。

本发明所述的桥式电路为双桥式电路，分别由开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成桥式电路1，开关管Q5、Q6、Q7、Q8组成另一个桥式电路2。两个桥式电路并联接在电压幅值VIN的直流输入电路，变压器T1、T2在输出侧相串联后，连接整流滤波电路。

本发明的桥式电路还可以在变压器T1、T2原边串联电容C1和C2，用于隔离变压器原边的直流分量，变压器T1、T2在输出侧相串联，连接整流滤波电路。

本发明的桥式电路也可以在变压器T1、T2原边相串联电容C1、C2以及电感LR1、LR2。电容C1、C2用于隔离变压器原边的直流分量，电感LR1、LR2和变压器的漏感一起用于移相控制方式下实现开关管的零电压或零电流软开关技术，变压器输出侧相串联。

在单个桥式电路时的电路结构中，将变压器输出侧串联，同样也可实现本发明。

本发明所述的新型大功率直流变换器的有益效果主要表现在：

1、本发明提出的变压器副边串联的技术，简单而有效地解决双组桥式电路或变压器之间的电流均衡问题。

2、功率器件容易实现分散布置，有利于结构工艺设计和器件布局。

                           附图说明

附图1是单桥式电路结构示意图

图1中，开关管为直接并联方式，变压器T1、T2的原边直接并联，

附图2是双桥式组合电路结构示意图

图2中，变压器T1、T2的输出侧直接并联，共用同一整流滤波电路。

附图3～7是本发明的电路结构方式示意图

图3：开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成一个基本的全桥式电路，开关管Q5、Q6、Q7、Q8组成另一个基本的全桥式电路。两个桥式一起并接在电压幅值VIN的直流输入电路

图4：桥式电路同图3，为双桥式电路，在变压器T1和T2的原边串联电容C1和C2。

图5：桥式电路同图3，为双桥式电路，在变压器T1和T2的原边串联电容C1、C2以及电感LR1、LR2。

图6：桥式电路为单桥式电路，变压器原边相串联。

图7：同图6为单桥式电路的电路结构，变压器原边为并联方式。

附图8～9是本发明的主要波形示意图

                       具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明设计电路的工作原理说明如下：

图3中，开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成一个基本的全桥式电路，开关管Q5、Q6、Q7、Q8组成另一个基本的全桥式电路。两个桥式一起并接在电压幅值VIN的直流输入电路。两组桥式电路中的开关管参数和变压器T1、T2的之间参数选用一致。桥式电路中的四个开关管采用脉冲宽度调制方式(PWM方式)，也可以采用全桥移相控制方式(PHASE-SHIFT，PS方式)。

采用PWM方式时，每个周期的工作过程如下分四个阶段：

阶段一：[0-D*TS/2]，功率传输状态，参考附图8，D为占空比，D＝TON/TS/2。Q1和Q4、Q5和Q8同时导通，Q2和Q3、Q6和Q7关断，变压器T1、T2原边电压等于直流输入电压VIN；T1、T2的副边电压VIN/K相加后经过整流滤波电路输出给负载，K为变压器变比。该阶段中，直流变换器由输入端向负载传递能量。

阶段二：[D*TS/2-TS/2]，零状态，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8均关断，变压器T1、T2原边电压等于零，没有能量传递给负载。

阶段三：[TS/2-TS/2+D*TS/2]，功率传输状态，Q2和Q3、Q6和Q7导通，Q1和Q4、Q5和Q8关断，变压器T1、T2原边电压等于直流输入电压VIN，但电压极性与阶段一相反，T1、T2副边电压也为VIN/K，相加后整流滤波输出给负载。该阶段也实现能量由输入向负载传递。

阶段四：[TS/2+D*TS/2-TS/]，零状态，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8全关断，该阶段和阶段二相同。

采用PS方式时，每个周期的工作过程也可分为四个阶段：

桥式电路1中，Q1与Q3、Q2与Q4各轮流导通180度电角，但Q1、Q4不同时导通，若Q1超前Q4先导通，Q3超前Q2先导通，称Q1、Q3为超前管，Q2、Q4为滞后管。两者导通差α电角。桥式电路2中也同样的控制方式，Q5、Q7为超前管，Q6、Q8为滞后管。并且桥式电路1中的Q1和桥式电路2中的Q5相对应，同时通断，其余开关管类同。改变α电角的大小，可以调节变压器T1、T2上的电压波形，从而实现输出负载电压稳定。

阶段一，[T0-T1]，功率传输状态。桥式电路1中的Q1和Q4导通、桥式电路2中的Q5和Q8导通，变压器T1、T2原边电压等于直流输入电压VIN，T1、T2的副边电压VIN/K相加后经过整流滤波电路输出给负载。

阶段二，[T1-T6]，零状态。T1时刻，桥式电路1中的Q1关断，而Q4继续通，到T3时刻Q3开通，T4时刻Q4关断，T5时刻Q2开通。这个过程是从Q1和Q4导通转换到Q2和Q3导通的过渡过程，没有实现电能量从原边传输给输出负载，故称零状态。这个阶段中，利用变压器T1的漏感和Q1、Q2、Q3、Q4管的寄生电容产生谐振，可以实现Q1、Q2、Q3、Q4管的零电压或零电流软开关技术。

从T5到T6时间段，变压器原边电流增长，但幅值小于负载电流等效到原边的折算值。这个时间段也没有实现电能量从原边传输给输出负载，称这段时间为占空比丢失。

桥式电路2中的Q5、Q6、Q7、Q8管也实现同样的过程，从Q5和Q8导通依据图9所示的顺序转换到Q6和Q7导通。

阶段三，[T6-T7]功率传输状态，桥式电路1中的Q2和Q3导通，桥式电路2中的Q6和Q7导通，变压器T1、T2原边电压等于直流输入电压VIN，但电压极性和阶段相反，T1、T2的副边电压VIN/K相加后经过整流滤波电路输出给负载。

阶段四，[T7-T13]零状态，这个过程是实现从桥式电路1中的Q2和Q3导通换到Q1和Q4导通、桥式电路2中的Q6和Q7导通换到Q5和Q8导通的过渡过程。同样T12到T13时间段也出现占空比丢失。

图4是在图3基础上的一种变形电路结构，增加了变压器T1、T2原边相串联的电容C1、C2，用于隔离变压器原边的直流分量，同样可以实现变压器输出侧串联技术。

图5是在图3基础上的又一种变形电路结构，增加了变压器T1、T2原边相串联的电容C1、C2，以及电感LR1、LR2。电容C1、C2用于隔离变压器原边的直流分量，电感LR1、LR2和变压器的漏感一起用于移相控制方式下实现开关管的零电压或零电流软开关技术，该电路也同样实现变压器输出侧串联技术。

图6、图7是单个桥式电路时电路结构，也是同样可实现变压器输出串联技术的结构示意图。

Claims (4)

1、一种直流变换器，包括直流输入电路、桥式电路、变压器、整流滤波电路，变压器输出端与整流滤波电路相连，其特征是变压器输出侧相串联。

2、根据权利要求1所述的直流变换器，其特征是桥式电路为桥式电路1和桥式电路2组成的双桥式电路，桥式电路1由开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成，桥式电路2由开关管Q5、Q6、Q7、Q8组成，桥式电路1和2并联直流输入电路。

3、根据权利要求2所述的直流变换器，其特征是变压器T1、T2原边串联电容C1和C2。

4、根据权利要求1或2所述的直流变换器，其特征是，所述的变压器T1、T2原边还可串联电感LR1、LR2。

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