CN1716746A - 带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器，属直流变换器。包括输入分压电容电路(1)、两路双管正激变换器串联电路(2)、高频隔离变压器(5)、整流及滤波电路(6)，还包括一对由耦合电感(L_r1)与(L_r2)组成的耦合电感电路(3)和两个箝位二极管(D_C1)与(D_C2)组成的二极管箝位电路(4)。该变换器除保留了双管正激变换器的优点之外，不存在反向恢复造成的电压振荡和电压尖峰，减小了整流二极管的损耗，同时由于利用耦合电感中存储的能量实现了开关管的零电压开关，提高了效率和功率密度，可广泛应用于高压输入场合。

Description

带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器

一、技术领域

本发明的带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器，属电能变换装置的直流变换器。

二、背景技术

近年来，三电平直流变换器在高压输入场合的应用受到了广泛的关注，因为它的开关管电压应力仅为输入电压的一半。三电平直流变换器可以分为两类：一类是1992年巴西Barbi教授提出的三电平直流变换器，用两个开关管串联来代替一个开关管以降低开关管的电压应力，并引入箝位二极管和箝位电压源确保两个开关管电压应力均衡，但是这种三电平直流变换器本质上是一个半桥变换器，存在桥臂直通问题。另一类是1997年美国学者Kutkut提出的三电平双管正激直流变换器，它由两个两路双管正激变换器输入端串联组成，共用一个高频隔离变压器，保留了双管正激变换器无桥臂直通、可靠性高的优点。

在三电平双管正激直流变换器原边加入一对耦合电感可以实现开关管的零电压开关。2004年徐德鸿教授通过在高频隔离变压器副边绕组和整流电路输入端之间接入的电感实现了开关管的零电压开关。这两种方案均只实现了开关管的软开关，而输出整流二极管依然存在反向恢复问题，反向恢复引起电压振荡和电压尖峰，输出整流二极管很容易损坏，降低了变换器的可靠性。

三、发明内容

1.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种可有效地消除变换器副边整流二极管的电压尖峰和电压振荡，降低副边整流二极管的电压应力，减小整流二极管的损耗，提高变换效率和可靠性的带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器。

2.带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器，包括输入分压电容电路的输出连于由两路双管正激变换器电路串联组成的变换电路的两输入端，其输出端经高频隔离变压器连于整流滤波电路。其特征在于，还包括在第一开关管和第一变压器绕组之间以及在第三开关管和第二变压器绕组之间加入一对耦合电感与组成的耦合电感电路，在变压器原边绕组和耦合电感交点处分别引出两个箝位二极管与组成的二极管箝位电路。其中第一箝位二极管的阴极连于第一变压器原边绕组与第一耦合电感的交点，其阳极连于第二开关管的源极，第二箝位二极管的阴极连于第二变压器原边绕组与第二耦合电感的交点，其阳极连于第四开关管的源极。

本发明由于加入了箝位二极管，整流二极管不存在反向恢复造成的电压振荡和电压尖峰，减小了整流二极管的损耗，同时利用耦合电感中存储的能量实现开关管的零电压开关，提高了变换器效率和功率密度。本发明还保留了双管正激变换器无桥臂直通和高可靠性等优点。

四、附图说明

附图1是本发明的带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器电路结构示意图。附图1中的标号名称：1.输入分压电容电路。2.变换电路。3.耦合电感电路。4.二极管箝位电路。5.高频隔离变压器。6.整流滤波电路。

附图2是本发明的带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器主要波形示意图。

附图3-10是各开关模态的等效电路结构示意图。

上述附图中的主要符号名称：V_in——电源电压。Q₁～Q₄——功率开关管。C₁～C₄——功率开关管的寄生电容。D₁～D₄——功率开关管的体二极管。D_f1～D_f4——续流二极管。D_C1～D_C2——箝位二极管。C_d1～C_d2——输入分压电容。T_r——高频隔离变压器；变压器原副边变比为K。L_r1、L_r2——耦合电感。N_P1、N_P2——高频隔离变压器原边绕组；N_S1、N_S2——高频隔离变压器副边绕组。D_R1、D_R2——输出整流二极管。C_DR1、C_DR2——输出整流二极管的结电容。L_f——滤波电感。C_f——滤波电容。R_Ld——负载。V_o——输出电压。I_Lf——滤波电感电流。v_rect——输出整流电压。i_Np1、i_Np2——通过高频隔离变压器原边绕组N_P1、N_P2的电流。i_Dc1、i_Dc2——通过两个箝位二极管DC1、DC2的电流。

五、具体实施方式

附图1是带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器电路结构示意图。包括输入分压电容电路1的输出连于由两路双管正激变换器电路串联组成的变换电路2的两输入端，其输出端经高频隔离变压器5与连于整流滤波电路6。其特征在于，还包括在第一开关管Q₁和第一变压器原边绕组N_P1之间、第三开关管Q₃和第二变压器原边绕组N_P2之间加入一对耦合电感L_r1、L_r2组成的耦合电感电路3，且在变压器原边绕组N_P1、N_P2和耦合电感L_r1、L_r2交点处分别引出两个箝位二极管D_C1、D_C2组成的二极管箝位电路4，其中第一箝位二极管D_C1的阴极连于第一变压器原边绕组N_P1与第一耦合电感L_r1的交点，其阳极连于第二开关管Q₂的源极，第二箝位二极管D_C2的阴极连于第二变压器原边绕组N_P2与第二耦合电感L_r2的交点，阳极连于第四开关管Q₄的源极。

控制方法如下：两路双管正激变换器180°互补工作。开关管Q₂和Q₄为180°互补导通，开关管Q₁和Q₂同时开通，开关管Q₁相对于开关管Q₂提前一个相位关断；开关管Q₃和Q₄同时开通，开关管Q₃相对于开关管Q₄提前一个相位关断。开关管Q₁和Q₃PWM工作，通过调节开关管Q₁和Q₃的脉冲宽度来调节输出电压。控制芯片可以采用两片3525。

下面以附图1为主电路结构，结合附图2～10叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器在一个开关周期有16种开关模态，分别是[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₂，t₃]、[t₃，t₄]、[t₄，t₅]、[t₅，t₆]、[t₆，t₇]、[t₇，t₈]、[t₈，t₉]、[t₉，t₁₀]、[t₁₀，t₁₁]、[t₁₁，t₁₂]、[t₁₂，t₁₃]、[t₁₃，t₁₄]、[t₁₄，t₁₅]、[t₁₅，t₁₆](见附图2)，其中，[t₀，t₈]为前半周期，[t₈，t₁₆]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

在分析之前，作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件，整流二极管D_R1和D_R2除外，它等效为一个理想二极管和一个电容并联，以用来模拟反向恢复；②所有电感、电容和变压器均为理想元件；③输入分压电容C_d1和C_d2容量很大且相等，其电压均为输入电压的一半，可看作电压为V_in/2的电压源。

1.开关模态1[t₀，t₁][对应于附图3]

t₀时刻，开关管Q₁和Q₂已经开通，通过高频隔离变压器原边绕组N_P1的电流i_Np1线性增加。由于电流i_Np1不足以提供负载电流，副边整流二极管D_R1、D_R2同时导通续流。

2.开关模态2[t₁，t₂][对应于附图4]

t₁时刻原边电流i_Np1上升到I_o/K，整流二极管D_R2截止。耦合电感L_r1、L_r2与整流二极管D_R2的结电容C_DR2谐振工作，给结电容C_DR2充电，电流i_Np1继续增加。

3.开关模态3[t₂，t₃][对应于附图5]

t₂时刻，结电容C_DR2的电压上升到2V_in/K，此时二极管D_C2、D_f4导通，将变压器原边绕组电压箝位在V_in/2，因此整流二极管D_R2的电压被箝位在2V_in/K。该模态中，电流i_Np1保持不变。

4.开关模态4[t₃，t₄][对应于附图6]

t₃时刻电流i_Np2下降到零，二极管D_C2、D_f4截止，变换器通过原边绕组N_P1向负载传递能量，整流二极管D_R1流过全部负载电流。

5.开关模态5[t₄，t₅][对应于附图7]

t₄时刻开关管Q₁关断，此时变换器谐振工作，参与谐振的是耦合电感L_r1和L_r2、电容C₁、C₃和电容C₄、整流二极管D_R2的结电容C_DR2。电容C₁被充电，电容C₃、C₄和电容C_DR2被放电，由于有电容C₁、C₃和电容C₄，开关管Q₁是零电压关断。

6.开关模态6[t₅，t₆][对应于附图8]

t₅时刻，电容C₁被充电到V_in/2，电容C₃和电容C₄被放电到V_in/4，结电容C_DR2被放电到零，此时二极管D_f1和整流二极管D_R2导通，变压器绕组电压被箝位在零。

7.开关模态7[t₆，t₇][对应于附图9]

t₆时刻开关管Q₂关断，耦合电感L_r1向耦合电感L_r2传输能量，耦合电感L_r1与电容C₂谐振工作，开关管Q₂两端电压上升；耦合电感L_r2与电容C₃、C₄谐振工作，开关管Q₃、Q₄两端电压下降。当开关管Q₃、Q₄两端电压上升到V_in，电容C₂、C₃、C₄使开关管Q₂是零电压关断。。

8.开关模态8[t₇，t₈][对应于附图10]

t₇时刻，开关管Q₂两端电压上升到V_in/2，开关管Q₃、Q₄两端电压下降到零，二极管D_f1、D_f2、D₁、D₂导通，此时可以零电压开通开关管Q₃、Q₄。t₈时刻，电流i_Np1、i_Np2下降为零。变换器开始另一半周期工作，其工作情况类似于上述的半个周期。

由以上描述可知，本发明的一种适用于高压输入的零电压开关直流变换器具有如下优点：

①由于加了箝位二极管，副边整流二极管不存在反向恢复造成的电压振荡和电压尖峰，减小了整流二极管上的损耗，可以采用电压定额较低的整流二极管，减小变换器的通态损耗，提高变换效率。

②开关管电压应力为输入电压的一半，适用于高压输入场合。

③利用耦合电感中存储的能量实现开关管的零电压开关，提高了变换器效率和功率密度。

④该变换器保留了双管正激变换器无桥臂直通、可靠性高的优点。

Claims (1)

1.一种带箝位二极管的零电压开关三电平双管正激直流变换器，包括输入分压电容电路(1)的输出连于由两路双管正激变换器电路串联组成的变换电路(2)的两输入端，其输出端经高频隔离变压器(5)连于整流滤波电路(6)。其特征在于，还包括在第一开关管(Q1)和第一变压器绕组(NP1)之间以及在第三开关管(Q3)和第二变压器绕组(NP2)之间加入一对耦合电感(Lr1)与(Lr2)组成的耦合电感电路(3)，在变压器原边绕组(NP1)、(NP2)和耦合电感(Lr1)、(Lr2)交点处分别引出两个箝位二极管(DC1)与(DC2)组成的二极管箝位电路(4)。其中第一箝位二极管(DC1)的阴极连于第一变压器原边绕组(NP1)与第一耦合电感(Lr1)的交点，其阳极连于第二开关管(Q2)的源极，第二箝位二极管(DC2)的阴极连于第二变压器原边绕组(NP2)与第二耦合电感(Lr2)的交点，其阳极连于第四开关管(Q4)的源极。

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