CN204304823U - 基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器 - Google Patents

基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器 Download PDF

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Abstract

基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，它涉及软开关变换器。本实用新型的目的是为了解决现有技术中无法实现利用移相全桥电路使同步整流电路工作在软开关状态，现有的同步整流电路稳定性差、抗干扰能力差的问题。本实用新型的同步整流电路的第一耦合桥臂和第二耦合桥臂的结构相同，第一耦合桥臂包括两个电感组，每个电感组包括并联连接的副边绕组和倍流电感，第五功率管的漏极连接第一耦合桥臂的中点，第五功率管的源极与第六功率管的漏极连接，第六功率管的源极连接第二耦合桥臂的中点。本实用新型使整机效率得以大幅度提升，操作方便。

Description

基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器
技术领域
本实用新型涉及软开关变换器，具体涉及基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，属于变换器技术领域。
背景技术
移相全桥电路，与全桥电路的区别是在于它的两个对角功率管的开关不是同时导通，而是错开一定的角度，通过移相来改变输出电压，随着当今科技的发展，移相全桥变换器以其电路结构简单、功率密度高、效率高、开关器件易实现软开关等众多优点而备受关注，近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径，软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。将变换器的移相全桥电路和整流电路相结合实现软开关功能，是目前变换器研究的一项重要课题，而现有的变换器的移相全桥电路无法使整流电路工作在软开关状态。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中无法实现利用移相全桥电路使同步整流电路工作在软开关状态，现有的同步整流电路稳定性差、抗干扰能力差的问题。
本实用新型的技术方案是：基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，包括移相全桥电路、同步整流电路、变压器和负载，移相全桥电路的输出端连接变压器的原边绕组，变压器的副边绕组经同步整流电路与负载建立连接，所述同步整流电路包括第五功率管、第六功率管、第三电容、第四电容、第一耦合桥臂和第二耦合桥臂，第三电容并接在第五功率管的漏极和源极之间，第四电容并接在第六功率管的漏极和源极之间，所述第一耦合桥臂和第二耦合桥臂的结构相同，第一耦合桥臂包括两个电感组，每个电感组包括并联连接的副边绕组和倍流电感，第五功率管的漏极连接第一耦合桥臂的中点，第五功率管的源极与第六功率管的漏极连接，第六功率管的源极连接第二耦合桥臂的中点。
所述移相全桥电路包括超前臂、滞后臂、漏感和阻断电容，所述超前臂包括第一功率管、第二功率管、第一二极管和第二二极管，第一功率管的源极与第二功率管的漏极建立连接，第一二极管并接在第一功率管两端，第二二极管并接在第二功率管两端；滞后臂包括依次串联的第三二极管、第三功率管、第四功率管和第四二极管，第三二极管的负极连接第三功率管的漏极，第三功率管的源极连接第四二极管的正极，第四二极管的负极连接第四功率管的漏极，原边绕组的一端通过漏感与超前臂的中点建立连接，原边绕组的另一端通过阻断电容与滞后臂的中点建立连接。
所述第一二极管的两端并接有第一电容，第二二极管两端并接有第二电容，所述第一电容的数值＝第二电容的数值。
所述基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器包括控制芯片和两个同步整流驱动电路，每个同步整流驱动电路的输入端与控制芯片的输出端建立连接，两个同步整流驱动电路的输出端分别连接第五功率管栅极和第六功率管的栅极。
同步整流驱动电路包括光耦电路、延时电路和比较电路，光耦电路的输入端与控制芯片的输出端建立连接，光耦电路的输出端连接延时电路的输入端，延时电路的输出端连接比较电路，比较电路的输出端为驱动电路的输出端。
所述延时电路为RC延时电路。
本实用新型与现有技术相比具有以下效果：本实用新型利用移相全桥易实现软开关的特点与同步整流技术相结合，实现利用移相全桥电路使同步整流电路工作在软开关状态，实现对器件的保护以及对电能的充分利用，并且，本实用新型的同步整流电路稳定性好，抗干扰能力强。本实用新型的同步整流电路，采用通态电阻极低的功率管MOSFET作为整流元件，通过控制移相全桥零电压零电流(ZVZCS)的同步整流变换器，使原有的移相控制的超前臂的驱动波形取反，经过适当的延时，实现次级同步整流侧的零电压开关(ZVS)，从而实现全部功率管宽范围的软开关工作，能进一步降低整机损耗，提高电源效率。本实用新型，使整机效率得以大幅度提升，操作方便，设计简单，具有性能稳定、节约电能等优点。
附图说明
图1是本实用新型整体结构框图；
图2是同步整流电路图；
图3是移相全桥电路图；
图4是同步整流驱动电路图；
图5是变换器的控制时序图。
图中1、移相全桥电路，2、同步整流电路，3、同步整流驱动电路，4、负载，5、光耦电路，6、延时电路，7、比较电路，8、控制芯片，Q1、第一功率管，Q2、第二功率管，Q3、第三功率管，Q4、第四功率管，Q5、第五功率管，Q6、第六功率管，C、阻断电容，C1、第一电容，C2、第二电容，C3、第三电容，C4、第四电容，C5、负载电容，D1、第一二极管，D2、第二二极管、D3、第三二极管、D4、第四二极管、L、漏感，L1、第一倍流电感，L2、第二倍流电感，L3、第三倍流电感，L4、第四倍流电感，N1、原边绕组，N2、副边绕组，N21、第一耦合副边绕组，N22、第二耦合副边绕组，N23、第三耦合副边绕组，N24、第四耦合副边绕组，R、负载电阻。
具体实施方式
结合附图说明本实用新型的具体实施方式，本实施方式的基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，包括移相全桥电路1、同步整流电路2、变压器和负载4，负载4包括负载电阻R和负载电容C5，移相全桥电路1的输出端连接变压器的原边绕组N1，变压器的副边绕组N21经同步整流电路2与负载4建立连接，所述同步整流电路2包括第五功率管Q5、第六功率管Q6、第三电容C3、第四电容C4、第一耦合桥臂和第二耦合桥臂，第三电容C3并接在第五功率管Q5的漏极和源极之间，第四电容C4并接在第六功率管Q6的漏极和源极之间，所述第一耦合桥臂和第二耦合桥臂的结构相同，第一耦合桥臂包括两个电感组，第一电感组包括并联连接的第一耦合副边绕组N21和第一倍流电感L1，第二电感组包括并联连接的第二耦合副边绕组N22和第二倍流电感L2，第二耦合桥臂包括第三电感组和第四电感组，第三电感组包括并联连接的第三耦合副边绕组N23和第三倍流电感L3，第四电感组包括并联连接的第四耦合副边绕组N24和第四倍流电感L4，第五功率管Q5的漏极连接第一耦合桥臂的中点，第五功率管Q5的源极与第六功率管Q6的漏极连接，第六功率管Q6的源极连接第二耦合桥臂的中点，同步整流电路2利用倍流电感与功率管的并联电容谐振，将并联电容的电压释放到零，实现同步整流开关管的ZVS，其中第五功率管Q5和第六功率管Q6损耗小、动态响应快、输出电流的纹波小，并且通过倍流电路可以增大输出电流，减小开关管的电流应力。
所述移相全桥电路1包括超前臂、滞后臂、漏感L和阻断电容C，所述超前臂包括第一功率管Q1、第二功率管Q2、第一二极管D1和第二二极管D2，第一功率管Q1的源极与第二功率管Q2的漏极建立连接，第一二极管D1并接在第一功率管Q1两端，第二二极管D2并接在第二功率管Q2两端；滞后臂包括依次串联的第三二极管D3、第三功率管Q3、第四功率管Q4和第四二极管D4，第三二极管D3的负极连接第三功率管Q3的漏极，第三功率管Q3的源极连接第四二极管D4的正极，第四二极管D4的负极连接第四功率管Q4的漏极，原边绕组N1的一端通过漏感L与超前臂的中点建立连接，原边绕组N1的另一端通过阻断电容C与滞后臂的中点建立连接，变换器的原边移相全桥电路1中超前臂实现ZVS，变压器漏感L在与负载电容C5谐振过程中必须有足够的能量来与电容中的电荷全部消耗掉，因此满足下式：其中：E为谐振过程中产生的能量，Uin为输入电压，C1＝C2，C为阻断电阻，CTR为变压器原边绕组寄生电容；滞后臂ZCS实现条件为原边电流在滞后臂开通前减小为0。
所述第一二极管D1的两端并接有第一电容C1，第二二极管D2两端并接有第二电容C2，所述第一电容C1的数值＝第二电容C2的数值。
所述基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器包括控制芯片8和两个同步整流驱动电路3，每个同步整流驱动电路3的输入端与控制芯片8的输出端建立连接，两个同步整流驱动电路3的输出端分别连接第五功率管Q5的栅极和第六功率管Q6的栅极。
同步整流驱动电路3包括光耦电路5、延时电路6和比较电路7，光耦电路5的输入端与控制芯片8的输出端建立连接，光耦电路5的输出端连接延时电路6的输入端，延时电路6的输出端连接比较电路7，比较电路7的输出端为驱动电路的输出端，同步整流端MOSFET驱动波形是采用超前臂的驱动波形取反并加以延时，超前臂信号经过光耦隔离之后经过一段RC延时电路，经过比较器与标准5V电压比较输出后变为反向之后送入同步整流MOSFET驱动芯片。
所述延时电路6为RC延时电路。
所述控制芯片型号为UC3895。
所述比较电路包括LM339芯片。
所述第五功率管Q5和第六功率管Q6均为Q5、Q6为N沟道的MOSFET。
第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3和第四功率管Q4均为IGBT功率管。
本实用新型将芯片UC3895所发出的信号作用给移相全桥电路1中的4个功率管，通过对各功率管的关断进行控制以实现波形移相ZVZCS的目的，再通过变换器隔离，作用给变换器副边，通过同步整流驱动电路3对副边同步整流电路2进行控制，实现副边同步整流侧ZVS。当原边电压实现零电压关断时，副边电压通过原边驱动波形取反并加以延时的时间与RC延时电路的时间叠加，实现副边电压ZVS，进而实现移相全桥控制的同步整流软开关变换器。由于同步整流电路2不太容易实现ZVS，本实用新型的驱动信号是通过超前臂驱动信号经过一定延时变换而来，在开关过程中通过谐振原理，既保持全桥ZVZCS软开关又实现了同步整流开关管的ZVS。

Claims (6)

1.基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，包括移相全桥电路(1)、同步整流电路(2)、变压器和负载(4)，移相全桥电路(1)的输出端连接变压器的原边绕组(N1)，变压器的副边绕组(N2)经同步整流电路(2)与负载(4)建立连接，其特征在于：所述同步整流电路(2)包括第五功率管(Q5)、第六功率管(Q6)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第一耦合桥臂和第二耦合桥臂，第三电容(C3)并接在第五功率管(Q5)的漏极和源极之间，第四电容(C4)并接在第六功率管(Q6)的漏极和源极之间，所述第一耦合桥臂和第二耦合桥臂的结构相同，第一耦合桥臂包括两个电感组，每个电感组包括并联连接的耦合副边绕组和倍流电感，第五功率管(Q5)的漏极连接第一耦合桥臂的中点，第五功率管(Q5)的源极与第六功率管(Q6)的漏极连接，第六功率管(Q6)的源极连接第二耦合桥臂的中点。
2.根据权利要求1所述基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，其特征在于：所述移相全桥电路(1)包括超前臂、滞后臂、漏感(L)和阻断电容(C)，所述超前臂包括第一功率管(Q1)、第二功率管(Q2)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，第一功率管(Q1)的源极与第二功率管(Q2)的漏极建立连接，第一二极管(D1)并接在第一功率管(Q1)漏极和源极之间，第二二极管(D2)并接在第二功率管(Q2)漏极和源极之间；滞后臂包括依次串联的第三二极管(D3)、第三功率管(Q3)、第四二极管(D4)和第四功率管(Q4)，第三二极管(D3)的负极连接第三功率管(Q3)的漏极，第三功率管(Q3)的源极连接第四二极管(D4)的正极，第四二极管(D4)的负极连接第四功率管(Q4)的漏极，原边绕组(N1)的一端通过漏感(L)与超前臂的中点建立连接，原边绕组(N1)的另一端通过阻断电容(C)与滞后臂的中点建立连接。
3.根据权利要求2所述基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，其特征在于：所述第一二极管(D1)的两端并接有第一电容(C1)，第二二极管(D2)两端并接有第二电容(C2)，所述第一电容(C1)的数值与第二电容(C2)的数值相同。
4.根据权利要求3所述基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，其特征在于：所述基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器包括控制芯片(8)和两个同步整流驱动电路(3)，每个同步整流驱动电路(3)的输入端与控制芯片(8)的输出端建立连接，两个同步整流驱动电路(3)的输出端分别连接第五功率管(Q5)的栅极和第六功率管(Q6)的栅极。
5.根据权利要求4所述基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，其特征在于：同步整流驱动电路(3)包括光耦电路(5)、延时电路(6)和比较电路(7)，光耦电路(5)的输入端与控制芯片(8)的输出端建立连接，光耦电路(5)的输出端连接延时电路(6)的输入端，延时电路(6)的输出端连接比较电路(7)，光耦电路(5)的输入端为同步整流驱动电路(3)的输入端，比较电路(7)的输出端为同步整流驱动电路(3)的输出端。
6.根据权利要求5所述基于移相全桥控制的同步整流软开关变换器，其特征在于：所述延时电路(6)为RC延时电路。
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