CN1790887A - 一种隔离型多路输出直流－直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明的隔离型多路输出直流－直流变换器包括分别由两个反并联有二极管的全控主开关组成的第一逆变桥臂和第二逆变桥臂，在第一逆变桥臂中点与电源负端之间接有第一路输出电路，在第二逆变桥臂中点与电源负端之间接有第二路输出电路，在第一与第二逆变桥臂的中点之间接有第三路输出电路，每个输出电路均由隔直电容、变压器、两个整流二极管、滤波电感和滤波电容组成。其中第一路输出电压依靠第一逆变桥臂的占空比调节，第二路输出电压依靠第二逆变桥臂的占空比调节，第三路输出电压依靠第一与第二逆变桥臂之间的相移来调节。所有主开关功率器件都可以实现零电压开通，开关损耗小，效率高，本发明可用于各种工业用或消费类电子、军用产品。

Description

一种隔离型多路输出直流-直流变换器

技术领域

本发明涉及直流-直流变换器，尤其是隔离型软开关多路输出直流-直流变换器。

背景技术

目前的隔离型多路输出直流-直流变换器如图1所示，它包括由变压器原边侧绕组np和反并联有二极管的全控主开关S1组成的输入电路，由变压器辅助绕组na和二极管D1组成的磁复位电路，以及由变压器副边侧绕组ns1、整流二极管D11、续流二极管D12、滤波电感Lo1、滤波电容Co1组成的主输出，和由变压器副边侧绕组ns2、反并联有二极管的全控开关S2、整流二极管D21、续流二极管D22、滤波电感Lo2、滤波电容Co2组成的辅助输出。这种隔离型多路输出直流-直流变换器可以实现主输出和辅助输出的精确调节，但电路工作于硬开关状态，器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，降低了工作效率。辅助输出采用两级调节，效率低。而且变压器只有在全控主开关S1导通时才传输能量，变压器利用率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现所有主开关功率器件零电压开通，开关损耗小，效率高，并可实现输出电压精确调节的隔离型多路输出直流-直流变换器。

为达上述目的，本发明的隔离型多路输出直流-直流变换器，包括由两个反并联有二极管的全控主开关组成的第一逆变桥臂，由两个反并联有二极管的全控主开关组成的第二逆变桥臂，在第一逆变桥臂中点与电源负端之间连接有第一路输出电路，在第二逆变桥臂中点与电源负端之间连接有第二路输出电路，在第一逆变桥臂的中点与第二逆变桥臂的中点之间连接有第三路输出电路，上述的第一、第二、第三输出电路均由隔直电容、变压器、第一整流二极管、第二整流二极管、滤波电感和滤波电容组成，其中第一和第二输出电路中的隔直电容与变压器的原边串联，或者隔直电容以电容分压网络并联于输入电源的两端，变压器副边的两引出端分别与第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阳极相连，第一整流二极管的阴极和第二整流二极管的阴极与滤波电感的一端共接，滤波电感的另一端与滤波电容的正端相连，滤波电容的负端与变压器副边的中心抽头相连，第三路输出电路的隔直电容与变压器的原边串联，变压器副边的两引出端分别与第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阳极相连，第一整流二极管的阴极和第二整流二极管的阴极与滤波电感的一端共接，滤波电感的另一端与滤波电容的正端相连，滤波电容的负端与变压器副边的中心抽头相连。

本发明的新型隔离型多路输出直流-直流变换器工作于恒定频率，第一路输出电压依靠第一逆变桥臂的占空比调节，第二路输出电压依靠第二逆变桥臂的占空比调节，第三路输出电压依靠第一逆变桥臂和第二逆变桥臂之间的相移来调节。所有主开关功率器件都可以实现零电压开通，减小了开关损耗，提高电路效率，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。该隔离型多路输出直流-直流变换器可应用于工业用或消费类电子、军用产品。

附图说明

图1是现有的隔离型多路输出直流-直流变换器；

图2是本发明的一种具体电路图；

图3是本发明的第二种具体电路图；

图4是本发明的第三种具体电路图；

图5是变换器的控制脉冲时序及变压器原边侧电压波形图；

图6是本发明电路工作时的主要电压和电流波形。

具体实施方式

参照图2，本发明的隔离型多路输出直流-直流变换器包括由两个反并联有二极管的全控主开关S1-S2组成的第一逆变桥臂，由两个反并联有二极管的全控主开关S3-S4组成的第二逆变桥臂，在第一逆变桥臂中点A与电源负端o之间连接有第一路输出电路，在第二逆变桥臂中点B与电源负端o之间连接有第二路输出电路，在第一逆变桥臂的中点A与第二逆变桥臂的中点B之间连接有第三路输出电路。在图2所示实例中，第一路输出电路由隔直电容C1、变压器T1、第一整流二极管D11、第二整流二极管D12、滤波电感Lo1和滤波电容Co1组成，图中电感Llk1和电感Lml分别是变压器T1的漏感和激磁电感，隔直电容C1与变压器T1的原边串联，变压器T1副边的两引出端X1和Z1分别与第一整流二极管D11的阳极和第二整流二极管D12的阳极相连，第一整流二极管D11的阴极和第二整流二极管D12的阴极与滤波电感Lo1的一端共接，滤波电感Lo1的另一端与滤波电容Co1的正端相连，滤波电容Co1的负端与变压器T1副边的中心抽头Y1相连。第二路输出电路由隔直电容C2、变压器T2、第一整流二极管D21、第二整流二极管D22、滤波电感Lo2和滤波电容Co2组成，图中电感Llk2和电感Lm2分别是变压器T2的漏感和激磁电感，隔直电容C2与变压器T2的原边串联，变压器T2副边的两引出端X2和Z2分别与第一整流二极管D21的阳极和第二整流二极管D22的阳极相连，第一整流二极管D21的阴极和第二整流二极管D22的阴极与滤波电感Lo2的一端共接，滤波电感Lo2的另一端与滤波电容Co2的正端相连，滤波电容Co2的负端与变压器T2副边的中心抽头Y2相连。第三路输出电路由隔直电容C3、变压器T3、第一整流二极管D31、第二整流二极管D32、滤波电感Lo3和滤波电容Co3组成，图中电感Llk3和电感Lm3分别是变压器T3的漏感和激磁电感，隔直电容C3与变压器T3的原边串联，变压器T3副边的两引出端X3和Z3分别与第一整流二极管D31的阳极和第二整流二极管D32的阳极相连，第一整流二极管D31的阴极和第二整流二极管D32的阴极与滤波电感Lo3的一端共接，滤波电感Lo3的另一端与滤波电容Co3的正端相连，滤波电容Co3的负端与变压器T3副边的中心抽头Y3相连。

图3所示实例中，第一输出电路中的隔直电容以电容分压网络C1、C2并联于输入电源的两端，第二输出电路中的隔直电容以电容分压网络C3、C4并联于输入电源的两端。

上述的第一输出电路中的第一和第二整流二极管D11、D12，或其中之一可以是同步整流管SR11、SR12；第二输出电路中的第一和第二整流二极管D21、D22，或其中之一可以是同步整流管SR21、SR22；第三输出电路中的第一和第二整流二极管D31、D32，或其中之一可以是同步整流管SR31、SR32，图4所示，第一、第二、第三输出电路中的第一、第二整流二极管均为同步整流管。

本发明的隔离型多路输出直流-直流变换器工作于恒定频率，第一路输出电压依靠第一逆变桥臂的占空比调节，第二路输出电压依靠第二逆变桥臂的占空比调节，第三路输出电压依靠第一逆变桥臂和第二逆变桥臂之间的相移来调节。

以下以图2所示的隔离型多路输出直流-直流变换器为例，详细描述其工作过程。在设计中可以使第一逆变桥臂占空比D₁(占空比示意图如图5所示)与第二逆变桥臂占空比D₂尽可能相等且接近0.5，这样隔直电容Co3上电压((D₁-D₂)·V_in，如果D₁＞D₂；(D₂-D₁)·V_in，如果D₂＞D₁)与输入电压V_in相比非常小，可近似忽略。在一个工作周期内，一组时间上相邻的第一逆变桥臂开关管和第二逆变桥臂开关管的开关过程与另一组时间上相邻的第一逆变桥臂开关管和第二逆变桥臂开关管的开关过程基本类似，因此我们只分析半个工作周期，另外半个工作周期可作类似分析。在半个工作周期内，变换器共有11个工作状态。工作时的主要电压和电流波形如图6所示。

阶段1(t₀-t₁)：

在该阶段之前，开关管S1和开关管S4导通，整流二极管D11、整流二极管D22和整流二极管D31导通。在t₀时刻，开关管S1关断，因此原边侧电流i_p1与原边侧电流i_p3之和对开关管S1输出电容充电，对开关管S2输出电容放电。到t₁时刻，开关管S2输出电容上电压被放到D₁·V_in，该阶段结束。

阶段2(t₁-t₂)：

在t₁时刻，开关管S2输出电容上电压被放到D₁·V_in，由于隔直电容C1两端电压也为D₁·V_in，变压器T1原边侧电压V_pl为零，因此第一路输出副边侧开始换流，整流二极管D11上电流i_D11开始减小，整流二极管D12上电流i_D12开始增加。到t₂时刻，开关管S2输出电容上电压被放到零，该阶段结束。

阶段3(t₂-t₃)：

出电容上电压被放到零，原边侧电流i_p1和原边侧电流i_p3之和开始流过开关管S2反并联二极管，为开关管S2创造了零电压开通条件，开关管S2门极信号应该随后加上。到t₃时刻，开关管S2门极信号加上，该阶段结束。

阶段4(t₃-t₄)：

在t₃时刻，开关管S2门极信号加上，开关管S2零电压开通，原边侧电流i_p1和原边侧电流i_p3之和开始流过开关管S2。到t₄时刻，第一路输出副边侧换流过程结束，该阶段结束。

阶段5(t₄-t₅)：

在t₄时刻，第一路输出副边侧换流过程结束，整流二极管D11上电流i_D11降到零，整流二极管D12上电流i_D12增加到第一路输出电流I_o1。到t₅时刻，开关管S4关断，该阶段结束。

阶段6(t₅-t₆)：

在t₅时刻，开关管S4关断，因此原边侧电流i_p2和原边侧电流i_p3之和对开关管S4输出电容充电，对开关管S3输出电容放电。电压V_AB开始由零变负，因此第三路输出副边侧开始换流，整流二极管D31上电流i_D31开始减小，整流二极管D32上电流i_D32开始增加。到t₆时刻，开关管S4输出电容上电压被充到D₂·V_in，该阶段结束。

阶段7(t₆-t₇)：

在t₆时刻，开关管S4输出电容上电压被充到D₂·V_in，由于隔直电容C2两端电压也为D₂·V_in，变压器T2原边侧电压V_p2为零，因此第二路输出副边侧开始换流，整流二极管D22上电流i_D22开始减小，整流二极管D21上电流i_D21开始增加。到t₇时刻，开关管S3输出电容上电压被放到零，该阶段结束。

阶段8(t₇-t₈)：

在t₇时刻，开关管S3输出电容上电压被放到零，原边侧电流i_p2和原边侧电流i_p3之和开始流过开关管S3反并联二极管，为开关管S3创造了零电压开通条件，开关管S3门极信号应该随后加上。到t₈时刻，开关管S3门极信号加上，该阶段结束。

阶段9(t₈-4₉)：

在t₈时刻，开关管S3门极信号加上，开关管S3零电压开通，原边侧电流i_p2和原边侧电流i_p3之和开始流过开关管S3。到t₉时刻，第二路副边侧换流过程结束，该阶段结束。

阶段10(t₉-t₁₀)：

在t₉时刻，第二路副边侧换流过程结束，整流二极管D22上电流i_D22降到零，整流二极管D21上电流i_D21增加到第二路输出电流I_o2。到t₁₀时刻，第三路副边侧换流过程结束，该阶段结束。

阶段11(t₁₀-t₁₁)：

在t₁₀时刻，第三路副边侧换流过程结束，整流二极管D31上电流i_D31降到零，整流二极管D32上电流i_D32增加到第三路输出电流I_o3。到t₁₁时刻，开关管S2关断，该阶段结束。

另外半个工作周期可作类似分析。

Claims (4)

1.一种隔离型多路输出直流-直流变换器，其特征是包括由两个反并联有二极管的全控主开关(S1-S2)组成的第一逆变桥臂，由两个反并联有二极管的全控主开关(S3-S4)组成的第二逆变桥臂，在第一逆变桥臂中点与电源负端(o)之间连接有第一路输出电路，在第二逆变桥臂中点与电源负端(o)之间连接有第二路输出电路，在第一逆变桥臂的中点(A)与第二逆变桥臂的中点(B)之间连接有第三路输出电路，上述的第一、第二、第三输出电路均由隔直电容(C1)、变压器(T1)、第一整流二极管(D11)、第二整流二极管(D12)、滤波电感(Lo1)和滤波电容(Co1)组成，其中第一和第二输出电路中的隔直电容(C1)与变压器(T1)的原边串联，或者隔直电容(C1)以电容分压网络并联于输入电源的两端，变压器(T1)副边的两引出端(X1)和(Z1)分别与第一整流二极管(D11)的阳极和第二整流二极管(D12)的阳极相连，第一整流二极管(D11)的阴极和第二整流二极管(D12)的阴极与滤波电感(Lo1)的一端共接，滤波电感(Lo1)的另一端与滤波电容(Co1)的正端相连，滤波电容(Co1)的负端与变压器(T1)副边的中心抽头(Y1)相连，第三路输出电路的隔直电容(C3)与变压器(T3)的原边串联，变压器(T3)副边的两引出端(X3)和(Z3)分别与第一整流二极管(D31)的阳极和第二整流二极管(D32)的阳极相连，第一整流二极管(D31)的阴极和第二整流二极管(D32)的阴极与滤波电感(Lo3)的一端共接，滤波电感(Lo3)的另一端与滤波电容(Co3)的正端相连，滤波电容(Co3)的负端与变压器(T3)副边的中心抽头(Y3)相连。

2.根据权利要求1所述的隔离型多路输出直流-直流变换器，其特征是第一输出电路中的第一整流二极管(D11)和第二整流二极管(D12)，或其中之一为同步整流管。

3.根据权利要求1所述的隔离型多路输出直流-直流变换器，其特征是第二输出电路中的第一整流二极管(D21)和第二整流二极管(D22)，或其中之一为同步整流管。

4.根据权利要求1所述的隔离型多路输出直流-直流变换器，其特征是第三输出电路中的第一整流二极管(D31)和第二整流二极管(D32)，或其中之一为同步整流管。

Images