CN201328083Y

CN201328083Y - 一种移相全桥软开关电路的原边箝位电路

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Publication number: CN201328083Y
Application number: CNU2008201403673U
Authority: CN
Inventors: 张赟
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2018-11-14

Abstract

一种移相全桥软开关电路的原边箝位电路，包括辅助电感、第一箝位二极管以及第二箝位二极管，该电路还包括一缓冲电感、第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件；其中，辅助电感的箝位绕组其一端与谐振绕组一端共同连接于移相全桥软开关电路的一个开关桥臂的中点，该箝位绕组的另一端与缓冲电感连接，通过该缓冲电感的另一端连接于第一辅助箝位元件和第二辅助箝位元件的中点；谐振绕组的另一端连接于第一箝位二极管和第二箝位二极管的中点；谐振绕阻与箝位绕阻的匝比值略小于1。本实用新型消除了箝位二极管反向恢复带来的影响，且保证了对输出二极管的箝位效果和效率。

Description

一种移相全桥软开关电路的原边箝位电路

技术领域

本实用新型涉及直流/直流(DC/DC)变换器，尤其涉及软开关移相全桥软开关电路及其原边箝位电路。

背景技术

移相全桥软开关电路以其电路简单、控制容易、电磁干扰(EMI，ElectroMagnetic Interference)小以及效率高等优点而得到广泛应用。为了实现零电压开关(ZVS，Zero Voltage Switching)，通常在移相全桥软开关电路的原边引入一个谐振电感，导致副边整流二极管反向恢复过程中产生较大的电压尖峰和振荡。这不仅增加二极管损耗、使电路EMI性能变差、而且还迫使设计人员选择较高耐压等级的输出整流二极管。随着二极管耐压等级的提高，其反向恢复时间一般会更长，从而又会导致电路的性能更差。

Richard Redl等在”A Novel Soft-Switching Full-Bridge DC-DC Converter：Analysis，Design Considerations，and Experimental Results at 1.5kW，100kHz；IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.6.No.3.July 1991”中提出一种较好的解决方案，其电路拓扑如图1所示，在变压器和谐振电感之间增加两个箝位二极管(D5，D6)，使在输出二极管(DR1，DR2)反向恢复期间谐振电感储存的多余能量在箝位阶段释放到输入电源中，减小整流二极管电压振荡和尖峰。但该方案中，多余能量的释放过程快慢不可控制，只能由电路本身特性、参数决定，这就造成箝位二极管的工作条件往往很差，无法实现零电流开关，降低了电路的可靠性并限制了变换器的效率水平。

为了解决箝位二极管工作条件差等问题，名为“一种谐振电感电压箝位的软开关全桥移相电路”(申请号：03114296.6；发明人：张华建、吕明海、王国泳、黄伯宁；公开日：2003.11.12)的专利文献提出了一种箝位电路，它利用辅助电感的箝位绕组解决输出二极管反响恢复期间引起的问题，其一个典型应用如图2所示，辅助电感(Lr)的箝位绕组支路串联一个电阻Rw，以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，使箝位二极管及时地自然关断，避免其反向恢复过程造成寄生参数等效元件的谐振，提高电路可靠性。然而经实验发现，由于辅助电感谐振绕组与箝位绕组的匝比k大于等于1，在此情况下若在箝位支路引入电阻Rw，则会明显影响输出整流二极管的箝位效果，即对电压尖峰抑制得很不理想，并且有一部分能量以发热的形式消耗在该电阻上，限制了电路效率水平。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种移相全桥软开关电路的原边箝位电路，能够消除了箝位二极管反向恢复产生的影响，提高电路的可靠性，且保证对输出二极管的箝位效果和电路效率水平。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种移相全桥软开关电路的原边箝位电路，包括辅助电感、第一箝位二极管以及第二箝位二极管，该电路还包括一缓冲电感、第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件；其中，辅助电感的箝位绕组其一端与谐振绕组一端共同连接于移相全桥软开关电路的一个开关桥臂的中点，该箝位绕组的另一端与缓冲电感连接，通过该缓冲电感的另一端连接于第一辅助箝位元件和第二辅助箝位元件的中点；谐振绕组的另一端连接于第一箝位二极管和第二箝位二极管的中点；谐振绕阻与箝位绕阻的匝比值略小于1。

进一步地，第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件分别采用第一辅助箝位二极管和第二辅助箝位二极管，即箝位绕组的另一端与缓冲电感连接，通过缓冲电感的另一端连接于第一辅助箝位二极管和第二辅助箝位二极管的中点；第一辅助箝位二极管的阴极与电源正极相连，第一辅助箝位二极管的阳极与第二辅助箝位二极管的阴极连接于该中点，第二辅助箝位二极管的阳极连接电源负极。

进一步地，第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件分别采用第一辅助箝位电容和第二辅助箝位电容，即箝位绕组的另一端与缓冲电感连接，通过缓冲电感的另一端连接于第一辅助箝位电容和第二辅助箝位电容的中点。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种移相全桥软开关电路，包括超前臂中第一开关管、第二开关管，滞后臂中第三开关管、第四开关管、与所述第三开关管及所述第四开关管中点相连的原边电感，以及与所述原边电感和所述第一开关管及所述第二开关管中点连接的原边箝位电路，其中：

该箝位电路包括箝位电路包括辅助电感、第一箝位二极管、第二箝位二极管、缓冲电感、第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件；其中，辅助电感的箝位绕组其一端与谐振绕组一端共同连接于移相全桥软开关电路的一个开关桥臂的中点，箝位绕组的另一端与缓冲电感连接，通过缓冲电感的另一端连接于第一辅助箝位元件和第二辅助箝位元件的中点；谐振绕组的另一端连接于第一箝位二极管和第二箝位二极管的中点；谐振绕阻与箝位绕阻的匝比值略小于1。

进一步地，第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件分别采用第一辅助箝位二极管和第二辅助箝位二极管，即箝位绕组的另一端与缓冲电感连接，通过缓冲电感的另一端连接于第一辅助箝位二极管和第二辅助箝位二极管的中点；第一辅助箝位二极管的阴极与电源正极相连，该第一辅助箝位二极管的阳极与第二辅助箝位二极管的阴极连接于所述中点，该第二辅助箝位二极管的阳极连接电源负极。

本实用新型采用一对辅助二极管D7、D8将箝位二极管D5、D6一部分电流转移出来而自然零流关断，而D7、D8电流由于辅助电感La和箝位绕组的作用而缓慢变化，使反向恢复的影响甚微而可以忽略。因此该方案不仅消除了箝位二极管反向恢复带来的影响，极大地提高了电路的可靠性；并且由于没有引入耗能电阻Rw，故很好地保证了对输出二极管的箝位效果和效率水平。

附图说明

图1是Richard Redl提出的移相全桥软开关电路二极管原边箝位拓扑；

图2是现有的移相全桥软开关电路电感电压箝位拓扑的一个典型应用；

图3是本实用新型的移相全桥软开关电路中原边箝位电路的一个实施例的电路图；

图4是图3等效的电路图；

图5～图15是图3所示电路在模式1至模式11阶段等效电路和电流流通路径示意图；

图16是本实用新型的移相全桥软开关电路中原边箝位电路拓扑箝位二极管的电流波形与Richard Redl拓扑对比情况示意图；

图17是本实用新型的移相全桥软开关电路中原边箝位电路与与应用谐振电感电压箝位电路输出整流二极管电压尖峰对比图；

图18是本实用新型的移相全桥软开关电路中原边箝位电路与应用谐振电感电压箝位电路时效率水平对比曲线图。

具体实施方式

本实用新型提出一种移相全桥软开关电路的原边箝位电路，采用带有箝位二极管反向恢复电流抑制电路的无损箝位方案，该原边箝位电路包括辅助电感L_r，缓冲电感L_a，原边箝位二极管D5、D6以及辅助箝位二极管D7、D8。其中，辅助电感的箝位绕组其一端与谐振绕组一端共同连接于一个开关桥臂的中点，另一端与缓冲电感L_a串联后连接于辅助箝位二极管D7、D8中点；谐振绕组另一端连接于原边箝位二极管D5、D6中点。

下面通过优选实施例并结合附图对本实用新型上述技术方案的工作原理及其所取得的技术效果作进一步详解。

本实用新型主要解决软开关移相全桥电路输出整流二极管反向恢复所带来的问题，同时兼顾箝位二极管的工作条件，使其零电流自然关断，提高电路的可靠性和效率。由此，提出一种带有箝位二极管反向恢复电流抑制电路的无损箝位方案，如图3所示，该原边箝位电路包括辅助电感L_r(该辅助电感L_r的谐振绕阻与箝位绕阻的匝比k值应略小于1)，原边箝位二极管D5、D6，并还增加一缓冲电感L_a和两个辅助箝位二极管D7、D8。其中，辅助电感的箝位绕组其一端与谐振绕组一端共同连接于一个开关桥臂的中点，另一端与缓冲电感L_a串联后连接于辅助箝位二极管D7、D8中点；谐振绕组另一端连接于原边箝位二极管D5、D6中点。增加的缓冲电感L_a和辅助箝位二极管D7、D8构成了上述无损箝位方案中的箝位二极管反向恢复电流无损抑制电路。这两个辅助箝位二极管通过缓冲电感L_a以无损吸收方式将原边箝位二极管一部分电流转移出来，使其零流自然关断，可以解决原边箝位二极管的反向恢复问题，从而避免辅助电感与寄生参数等效元件在电路中产生剧烈振荡。

上述箝位二极管反向恢复电流无损抑制电路中的二极管D7、D8的辅助箝位作用，实际上也可以通过两个电容器件实现。

下面以图3为例，结合图4～图15介绍本电路的工作原理。

对于移相全桥电路，器件本身的寄生参数在开关过程中对电路特性有较为显著的影响。在分析过程中，需要对一些重要的器件参数进行等效。对于MOS管，本身的寄生体二极管和DS结电容在图3中已经画出，如D1、C1为Q1的寄生参数。变压器漏感相对辅助电感的谐振绕组可做的非常小，对输出二极管尖峰影响很小，故可暂不考虑漏感的影响。由于开关频率较高，变压器的寄生电容，包括匝间电容、原副边寄生电容连同输出二极管反向结电容Cd1、Cd2和电阻Rd1、Rd2吸收参数不能忽略，将这些参数等效折算到变压器原边Cs，得到的等效电路如图4所示。

结合图4的等效电路，将整个电路划分为多个电路模式阶段进行具体电路状态分析。

模式1阶段电流流通路径如图5所示，超前臂中Q1及滞后臂Q4导通，其体二极管D1、D4靠辅助电感L_r续流，电感能量回馈给输入电源，原边电流i_Lr线性下降，其变化率为Vin/Lr；输出二极管DR1，DR2续流，变压器被短路，输出电流i_o线性下降(由于输出电感相对较大，故输出电流可视为恒定值I_o)。在t0时刻原边电流过零，能量反馈结束。

模式2阶段电流流通路径如图6所示，t0时刻原边电流i_Lr过零后反向，从Vin+流经Q1、辅助电感Lr、变压器Tr、Q4回到Vin-。原边电流i_Lr线性上升，变化率依然是Vin/Lr。副边二极管DR1、DR2继续导通，变压器被短路。t1时刻原边电流i_Lr达到I_o/n，n为变压器原副边匝比；输出整流二极管DR1、DR2电流在t1时刻分别为：

I_DR1(t1)＝I_O/2+nI_Lr(t1)/2＝I_O；

I_DR2(t1)＝I_O/2-nI_Lr(t1)/2＝O；

模式3阶段电流流通路径如图7所示，t1时刻输出整流二极管DR2电流过零开始反向恢复，经过二极管反向恢复时间trr到t2时刻，反向恢复结束，将此时原边电流记为Irp，有：

I_Lr(t2)＝I_O/n+V_in·trr/Lr＝Irp；

于是，输出整流二极管DR1、DR2电流在t2时刻分别为：

I_DR1(t2)＝I_O/2+n·Irp/2；

I_DR2(t2)＝I_O/2-n·Irp/2；

t2时刻DR2反向恢复结束后，只有DR1导通，工作状态发生变化，辅助电感Lr存储的多余能量首先与寄生参数(Cs)等效元件发生谐振，满足箝位条件后通过箝位电路D5、D6释放掉。

模式4阶段电流流通路径如图8所示，由于寄生电容的存在，原边电流需要向变压器的寄生电容充电，副边电流向DR2的反向结电容Cd2和Rd2(如图3中所示)吸收电路充电，此时辅助电感Lr与等效电容(Cs)发生谐振。谐振过程中辅助电感Lr电压下降，箝位二极管D5、D6中点M电位上升，变压器原边电流被输出电感箝位，即Ip(t)＝Io/n。在t3时刻，Vcs＝Vin，辅助电感Lr电压降至零并开始反向，箝位二极管D5准备导通，辅助电感Lr电流达到最大值。

模式5阶段电流流通路径如图9所示，t3时刻箝位二极管D5导通，此时变压器和寄生电容的电压被箝位与Vin；由于辅助电感的谐振绕组与箝位绕组的匝比k小于1，箝位绕组非同名端电位高于D5、D6中点M的电位，于是箝位电流从D5向辅助箝位二极管D7转移，到t4时刻箝位电流完全转移到D7中。

可以通过调整匝比k，使箝位电流在Q1关断以前全部转移到D7，此后即使辅助电感Lr能量没有完全释放，D7电流也会因缓冲电感La对电流变化的抑制作用而缓慢变化，其反向恢复过程也因此可以忽略，进而避免了多余的辅助电感能量与寄生参数等效元件发生震荡。在整个箝位阶段，变压器原边电压被箝位在Vin，保证副边整流二极管安全工作。

模式6阶段电流流通路径如图10所示，t5时刻Q1关断，C1充电，C2放电(直到Q3体二极管D3导通，如图11所示)。此时辅助电感Lr电压反向，电感电流减小。由于变压器电流被副边输出电感箝位，寄生电容Cs向变压器放电，Cs电压下降。此过程中C1、C2、Cs、Lr谐振。

t5时刻Lr两端电压为Vin，其后迅速下降。直到t6时刻(如图11所示)，Q3体二极管D3导通，Lr两端电压为-Vcs。

模式7阶段电流流通路径如图11所示，t6时刻Q3体二极管D3导通，C1、C2退出谐振。此阶段Q3可以零电压开通，Lr、Cs继续谐振，Lr的电流继续减小，Cs电压下降却未到零，变压器承受正向电压Vcs，DR1继续导通且电流为Io/n。到t7时刻，Vcs电压降至零。

模式8阶段电流流通路径如图12所示，t7时刻，变压器电压为零，输出二极管DR2开始导通，变压器被短路。DR2电流线性上升，DR1电流线性下降，变压器原边电流也线性下降。在t7时刻变压器电流Ip＝Io/n，大于辅助电感Lr电流i_Lr，于是箝位二极管D6导通以补足被副边输出电感箝位的变压器原边电流，由于辅助电感谐振绕组与箝位绕组匝比k略小于1，D6电流逐渐被转移到D8。到t8时刻，变压器原边电流下降到i_Lr，此时箝位电路电流降至零。

模式9阶段电流流通路径如图13所示，辅助电感能量继续环流，两个副边二极管继续导通(直至t9时刻Q4关断时结束环流，如图14所示)。

模式10阶段电流流通路径如图14所示，t9时刻Q4关断，此时Lr与C1、C2谐振，C1放电，C2充电，直至Q2体二极管D2导通。

模式11阶段电流流通路径如图15所示，t10时刻Q2体二极管D2导通，进入与模式1相对照的另半个周期模式。

其后模式与以上分析的11个模式阶段相同，故此不赘述。

下面给出通过实验获得的本实用新型与Richard Redl在原边箝位电路中箝位二极管电流波形的对比情况分析，如图16所示。其中，ch3为Richard Redl拓扑箝位二极管D5电流波形示意图；ch1为本实用新型拓扑箝位二极管D5电流波形示意图，ch2为本实用新型拓扑辅助箝位二极管D7电流波形示意图。由该图可见，本实用新型很好地改善了箝位二极管的工作条件--箝位二极管D5自然零流关断，辅助箝位二极管D7反向恢复可以忽略不计。D6、D8的电流情况分别与D5、D7相似。

移相全桥应用本实用新型原边箝位电路与应用谐振电感电压箝位电路(图2所示)时输出整流二极管电压尖峰对比如图17所示。其中，左图所示为移相全桥电路采用本实用新型原边箝位电路拓扑得到的输出整流二极管电压波形，电压尖峰为168V；右图所示为移相全桥采用现有的电感电压箝位电路所得到的输出整流二极管电压波形，电压尖峰达到194V。可见本实用新型输出整流二极管的箝位效果较好，输出二极管电压应力较低，工作条件较优，由此提高了系统的可靠性。

图18给出了移相全桥应用本实用新型原边箝位电路与应用谐振电感电压箝位电路时效率水平对比曲线。基于负载功率以及死区配合等因素影响，最大效率差异点出现在20A负载条件下，此时应用本实用新型原边箝位电路效率高出1.32个百分点。

综上所述，本实用新型提出的移相全桥软开关电路的原边箝位电路不仅保持了原有移相全桥电路的软开关特性，有效地避免了输出二极管反向恢复造成过高的电压尖峰，由此改善输出二极管的工作条件，提高系统可靠性；而且无损吸收谐振电感多余能量，将其存储并转移至直流母线电源，提高了变换器效率水平；增加的箝位二极管和辅助箝位二极管均具备软恢复特性，使电路具有优良的电气性能。

Claims

1、一种移相全桥软开关电路的原边箝位电路，包括辅助电感、第一箝位二极管以及第二箝位二极管，其特征在于，所述电路还包括一缓冲电感、第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件；其中，所述辅助电感的箝位绕组其一端与谐振绕组一端共同连接于所述移相全桥软开关电路的一个开关桥臂的中点，所述箝位绕组的另一端与所述缓冲电感连接，通过所述缓冲电感的另一端连接于所述第一辅助箝位元件和第二辅助箝位元件的中点；所述谐振绕组的另一端连接于所述第一箝位二极管和所述第二箝位二极管的中点；所述谐振绕阻与所述箝位绕阻的匝比值略小于1。

2、按照权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件分别采用第一辅助箝位二极管和第二辅助箝位二极管，即所述箝位绕组的另一端与所述缓冲电感连接，通过所述缓冲电感的另一端连接于所述第一辅助箝位二极管和第二辅助箝位二极管的中点；所述第一辅助箝位二极管的阴极与电源正极相连，所述第一辅助箝位二极管的阳极与所述第二辅助箝位二极管的阴极连接于所述中点，所述第二辅助箝位二极管的阳极连接电源负极。

3、按照权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件分别采用第一辅助箝位电容和第二辅助箝位电容，即所述箝位绕组的另一端与所述缓冲电感连接，通过所述缓冲电感的另一端连接于所述第一辅助箝位电容和第二辅助箝位电容的中点。

4、一种移相全桥软开关电路，包括超前臂中第一开关管、第二开关管，滞后臂中第三开关管、第四开关管、与所述第三开关管及所述第四开关管中点相连的原边电感，以及与所述原边电感和所述第一开关管及所述第二开关管中点连接的原边箝位电路，其特征在于：

所述箝位电路包括箝位电路包括辅助电感、第一箝位二极管、第二箝位二板管、缓冲电感、第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件；其中，所述辅助电感的箝位绕组其一端与谐振绕组一端共同连接于所述移相全桥软开关电路的一个开关桥臂的中点，所述箝位绕组的另一端与所述缓冲电感连接，通过所述缓冲电感的另一端连接于所述第一辅助箝位元件和第二辅助箝位元件的中点；所述谐振绕组的另一端连接于所述第一箝位二极管和所述第二箝位二极管的中点；所述谐振绕阻与所述箝位绕阻的匝比值略小于1。

5、按照权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件分别采用第一辅助箝位二极管和第二辅助箝位二极管，即所述箝位绕组的另一端与所述缓冲电感连接，通过所述缓冲电感的另一端连接于所述第一辅助箝位二极管和第二辅助箝位二极管的中点；所述第一辅助箝位二极管的阴极与电源正极相连，所述第一辅助箝位二极管的阳极与所述第二辅助箝位二极管的阴极连接于所述中点，所述第二辅助箝位二极管的阳极连接电源负极。

6、按照权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第一辅助箝位元件以及第二辅助箝位元件分别采用第一辅助箝位电容和第二辅助箝位电容，即所述箝位绕组的另一端与所述缓冲电感连接，通过所述缓冲电感的另一端连接于所述第一辅助箝位电容和第二辅助箝位电容的中点。