CN1801591A - 一种改进的电感电压箝位全桥软开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的电感电压箝位全桥软开关电路，包括全桥变换器、变压器、输出整流单元、电感、箝位电阻、电容、第一箝位二极管和第二箝位二极管，所述电感包括作为辅助电感的第一绕组和用于箝位的第二绕组。本发明通过在串联的箝位电阻上并联一个电容，可以大大减小箝位电阻上瞬时电流应力，从而有效地提高了箝位电阻的可靠性，改善了整个电路的可靠性。

Description

一种改进的电感电压箝位全桥软开关电路

【技术领域】

本发明涉及一种全桥软开关电路，尤其涉及一种具有电感电压箝位的全桥软开关电路。

【背景技术】

传统的全桥软开关电路由于具有电路和控制简单、开关管容易实现软开关、电路效率高、EMI小等优点，被广泛用于变换器领域。可是由于增加了辅助电感，在副边二极管反向恢复过程时，二极管会产生较大的电压尖峰和振荡，增大了二极管开关损耗，使电路的EMI变差。如果提高二极管耐压，二极管的反向恢复时间更长，会使电路的性能更差。

为了解决反向二极管恢复造成的影响，提高电路的可靠性，在申请号为03114296.6、名称为“一种谐振电感电压箝位的软开关全桥移相电路”(发明人：张华建、吕明海、王国泳、黄伯宁，公开日：2003年11月12日)的专利文献中，提出了一种新颖的谐振电感电压箝位的全桥软开关电路，它采用谐振电感的箝位绕组解决输出二极管反向恢复期间引起的问题，使电路在保留全桥电路原有软开关特性同时，大大减小了输出二极管的反向恢复引起的振荡。在该专利文献的一个典型应用中，如图1所示，谐振电感支路串一个电阻Rc，其目的是为了保证电路在每个开关周期中，将谐振电感的多余能量及时消耗掉，消除反向二极管恢复造成的影响，同时保证箝位二极管D5、D6为零电流开关。这样可以显著提高箝位电路的可靠性。但是增加的电阻Rc上的电流应力di/dt或电压应力dv/dt较大，并且峰值也比较高，这样对电阻Rc的可靠性有一定的影响。对箝位电阻而言，整个过程需要消耗掉的平均能量基本上是确定的，这是由整个电路的特性决定的。电阻的平均损耗一般选择都能满足要求，但瞬时功率不一样，尤其在刚有电流的瞬间，瞬时功率很大，而电流为零时，电阻无损耗。电阻瞬时应力，对电阻的选择和寿命均是一个重要因数，并且电阻瞬时功率过大的话，会减小电阻的寿命，甚至损坏电阻。所以在总损耗不变的情况下，总是希望瞬时功率越小越好。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决现有技术中的问题，提供一种改进的电感电压箝位全桥软开关电路，降低箝位电阻的瞬时电流或瞬时功率，提高电阻的可靠性。

为实现上述目的，本发明提出的一种改进的电感电压箝位全桥软开关电路，包括全桥变换器、变压器、输出整流单元、电感、电阻、第一箝位二极管和第二箝位二极管，所述全桥变换器的超前桥臂和滞后桥臂分别接于正负输入母线上，所述电感包括作为辅助电感的第一绕组和用于箝位的第二绕组，所述变压器的原边串联第一绕组后接于全桥变换器的超前桥臂和滞后桥臂的中点，变压器的副边两端分别接输出整流单元，所述第二绕组的第一端与第一绕组在靠近全桥变换器的超前桥臂的中点一侧相连，第二绕组的第二端串联电阻后分别通过第一箝位二极管和第二箝位二极管箝位在正负输入母线上；还包括并联在电阻两端的电容。

作为本发明的进一步改进，限定所述电容和与之并联的电阻之间应当符合以下关系式：Re*Cs＜T/6，其中T为电路的开关周期。

本发明的有益效果是：由于电容的存在，箝位电阻上的电流应力di/dt或电压应力dv/dt得到改善。即本技术方案在不影响电路的其他性能的基础上，依靠电容的分流，使箝位电阻上的脉冲电流大大平缓，瞬时冲击功率大大降低，提高了电阻的可靠性，从而也提高了整个电路的可靠性。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是现有技术中的电感电压箝位的全桥移相软开关电路图；

图2是本发明的电感电压箝位的全桥移相软开关电路的一种实施例的电路图；

图3是电感电压箝位的全桥移相软开关电路的输出二极管反向恢复期间二级管D5、输出二级管DR2及谐振电感Lr上的的波形图；

图4是二极管的反向恢复特性图；

图5是增加电容前后的箝位电阻上的电压波形图；

图6是增加电容前后的箝位电阻上的电压展开波形图；

图7是本发明的电感电压箝位的全桥软开关电路的另一实施例的电路图。

【具体实施方式】

具体实施例一、如图2所示为一种在传统的移相全桥软开关电路上增加设计有电感电压箝位的移相全桥箝位软开关电路，全桥变换器的超前桥臂Q1、Q2和滞后桥臂Q3、Q4分别接于正负输入母线上，电感Lr包括作为辅助电感的第一绕组和用于箝位的第二绕组，变压器T1的原边串联第一绕组后接于全桥变换器的超前桥臂Q1、Q2和滞后桥臂Q3、Q4的中点，变压器T1的副边两端分别正接输出整流单元，输出整流单元通常为二极管整流电路，本实施例中输出整流单元为输出二极管DR1、DR2，输出二极管DR1、DR2的阳极分别接变压器T1的副边两端，阴极和变压器T1的副边中间抽头接滤波单元后连接负载，第二绕组的一端与第一绕组在靠近全桥变换器的超前桥臂Q1、Q2的中点一侧相连，第二绕组的另一端串联电阻Rc后分别正接第一箝位二极管D5和反接第二箝位二极管D6后箝位在正负输入母线上；电容Cs并联在电阻Rc的两端。电阻Rc因其箝位也称为箝位电阻Rc。

以下根据图3-5就电容Cs对电阻Rc的可靠性改进做进一步的分析。

如图3所示为其箝位电路的主要电压电流波形，当第一绕组上电流I1r达到峰值时，输出二极管DR2的输出电压VDR2也有一个峰值，相应地在第一箝位二极管D5上，其电流ID5一开始有一个脉冲，而后渐渐衰减到零。这个电流必然流过箝位电阻Rc，因此箝位电阻Rc上也是有一个脉冲电流。这个脉冲电流的峰值为：

$I_{d5,\mathrm{pk}}=\sqrt{{I_{\mathrm{rp}}}^2+{\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{Z_{\mathrm{rr}}}\right)}^2}$

其中：

$I_{\mathrm{rp}}=\frac{I_o}{n}+\frac{V_{\mathrm{in}}*t_{\mathrm{rr}}}{{\mathrm{Lr}}^{\′}};$ Io为负载电流，n为原副边变比，Lr’为第一绕组的谐振电感量，trr为输出二极管DR1、DR2的反向恢复时间，Vin为母线输入电压。

$Z_{\mathrm{rr}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{Lr}}^{\′}}{{\mathrm{Cs}}^{\′}};}$ Cs’为折算到变压器T1原边上的电路等效寄生电容和吸收电容。

当输出二极管DR1、DR2反向恢复结束时，这个电流很快转移到箝位电路上。而箝位电路的电流上升取决于输出二极管的反向恢复特性。在反向恢复电流减小期间，输出二极管DR1、DR2多余的电流开始转移到箝位电路上。一般二极管反向恢复期间电流减小阶段的曲线较陡。如图4所示，一般的二极管(Normal diode)反向恢复特性中反向电流下降的很快，如trr2一般小于0.4trr。在快恢复的二极管中，二极管反向电流下降将更快，如图4中的快恢复二极管(FRED)，其trr1时间更小。这样转移到箝位电路的电流将更快，箝位电阻Rc上的开始电流脉冲将更陡、更高。电阻Rc上的电流达到最大后，随着电阻的能量损耗，箝位电流逐步衰减至零。

由于在电阻Rc两端并联有电容Cs，因高频电容的存在，脉冲电流将在开始时刻，大部分从电容上分流，从而电阻Rc上的电流在开始导通时刻将大大减小。由于电容Cs充电后电压抬高，电流又逐步转移到电阻Rc上。这样电阻Rc上的瞬时电流将大大平缓，瞬时冲击功率大大降低。

图5为在实际应用中，增加电容前后的电阻Rc上电压波形。Curve1为未加电容Cs时电阻Rc的电压波形；Curve2为增加电容Cs后的电阻电压波形。从图中可以看出，峰值电压已经从95.5V降低到53.5V；这样瞬时最大功率降低至30％左右。将图5波形展开得到图6的箝位电阻电压展开波形，从中可以看出，增加电容后箝位电阻电压变得更平缓，电流峰值大大降低。这样充分表明了增加电容后对箝位电阻电压电流应力能够大大减小。这样从理论和试验均验证了增加吸收电容Cs的有效性、可行性。

但并不是随便一个电容都能达到本发明的目的，当在电阻Rc两端并联电容Cs后，如果电容值过大时，第一箝位二级管D5和第二箝位二级管D6会进入连续状态，即在1/2开关周期内二级管不会关断，将导致dc/dc的直通现象发生。例如对第一箝位二级管D5来说，即在第一箝位二级管D5还没有关断时超前桥臂的开关管Q2已经导通，则第一箝位二级管D5和开关管Q2会形成直通，导致第一箝位二级管D5和开关管Q2损坏。所以电容的选择不能太大。并且电阻Rc的阻值也不能太小，如果电阻Rc的阻值太小，也会导致第一箝位二级管D5和第二箝位二级管D6进入连续状态。所以电容Cs和电阻Rc需要满足RcCs＜T/6，其中T为电路的开关周期，即电容Cs的容值和电阻Rc的阻值的乘积小于开关周期的1/6。

具体实施例二、如图7所示，本发明的电感电压箝位的全桥移相软开关电路在三电平电路中的一个应用，全桥变换器的滞后桥臂V32、V33、V34、V35和超前桥臂V30、V31、V36、V37分别接于正负输入母线H1、H3上，电感Lr包括作为辅助电感的第一绕组和用于箝位的第二绕组，变压器T1的原边串联第一绕组后接于全桥变换器的滞后桥臂V32、V33、V34、V35和超前桥臂V30、V31、V36、V37的中点，变压器T1的副边两端分别正接输出整流单元D316、D317，输出整流单元D316、D317的阳极分别接变压器T1的副边两端，阴极和变压器T1的副边中间抽头接滤波单元后连接负载，第二绕组的第一端与全桥变换器的滞后桥臂V32、V33、V34、V35的中点上连接的第一绕组的端点相连，第二绕组的第二端串联电阻Rc后分别正接第一箝位二极管D5和反接第二箝位二极管D6后箝位在正负输入母线H1、H3上；电容Cs并联在电阻Rc的两端。

综上所述，本发明通过在串联的箝位电阻上并联一个电容，可以大大减小箝位电阻上瞬时电流应力，从而有效地提高了箝位电阻的可靠性，改善了整个电路的可靠性，所以可称为是一种改进的电感电压箝位全桥软开关电路，电容因其对电阻上脉冲电流的吸收，也称为吸收电容。

Claims (2)

1.一种改进的电感电压箝位全桥软开关电路，包括全桥变换器、变压器(T1)、输出整流单元(DR1、DR2)、电感(Lr)、电阻(Rc)、第一箝位二极管(D5)和第二箝位二极管(D6)，所述全桥变换器的超前桥臂和滞后桥臂分别接于正负输入母线上，所述电感(Lr)包括作为辅助电感的第一绕组和用于箝位的第二绕组，所述变压器(T1)的原边串联第一绕组后接于全桥变换器的超前桥臂和滞后桥臂的中点，变压器(T1)的副边两端分别接输出整流单元，所述第二绕组的第一端与第一绕组在靠近全桥变换器的超前桥臂的中点一侧相连，第二绕组的第二端串联电阻(Rc)后分别通过第一箝位二极管(D5)和第二箝位二极管(D6)箝位在正负输入母线上；其特征在于：还包括并联在电阻(Rc)两端的电容(Cs)。

2.如权利要求1所述的改进的电感电压箝位全桥软开关电路，其特征在于：所述电容(Cs)和电阻(Rc)符合以下关系式：Rc*Cs＜T/6，其中T为电路的开关周期。

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