CN211127590U - 一种移相全桥零电压零电流软开关dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种移相全桥零电压零电流软开关DC‑DC变换器，包括高压直流输入滤波单元、变换器初级侧逆变单元、变换器初级侧主回路单元、高频变压器、变换器次级侧整流滤波单元；具体连接方式为：输入的高压直流电在高压直流输入滤波单元滤波后，经过功率管在变换器初级侧逆变单元得到交流方波，再经过变换器初级侧主回路单元实现软开关，然后经高频变压器后，最后接入变换器次级侧整流滤波单元，输出直流电压。解决了现有技术中存在的问题，克服了滞后桥臂软开关负载范围窄的问题，副边整流器件电压应力低，大负载条件下，原边电流可完全复位，占空比丢失小，复位能量给辅助电源供电，实现无损吸收。

Description

一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器

技术领域

本实用新型属于高频软开关DC-DC变换器技术领域，具体涉及一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器。

背景技术

大功率直流电源在功能材料制备和电解电镀等耗能工业应用场合、电力系统二次设备领域、交通领域、新能源产业有广泛的应用。随着半导体技术的发展，开关器件功能日新月异，大功率直流开关电源成为以上领域有效的解决手段。图1是传统的零电压开关移相全桥直流变换电路。在大功率移相全桥软开关直流开关电源中，滞后桥臂全范围软开关的实现程度、工作时出现的占空比丢失是两个影响效率的重要因素。由于主回路电流复位时，主回路电感具有续流作用，造成原边电流i_p复位时间较长，软开关负载范围变窄，并造成变压器副边被短接，占空比丢失；由于电路中谐振电感与副边整流二极管的结电容导致的电压振铃现象，副边整流器件电压应力高，如图2所示；传统的零电压开关移相全桥直流变换电路在大负载条件下，原边电流i_p复位时间变长，导致较大的占空比丢失。如何找到一种滞后桥臂全范围软开关和低占空比丢失的大功率直流开关电源至关重要。

发明内容

本实用新型提供了一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，克服了滞后桥臂软开关负载范围窄的问题，副边整流器件电压应力低，大负载条件下，原边电流可完全复位，占空比丢失小。

为达到上述目的，本实用新型一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，包括高压直流输入滤波单元、变换器初级侧逆变单元、变换器初级侧主回路单元、高频变压器k_T和变换器次级侧整流滤波单元；具体连接方式为：输入的高压直流电在高压直流输入滤波单元滤波后，经过变换器初级侧逆变单元在变换器初级侧逆变单元得到交流方波，再经过变换器初级侧主回路单元实现软开关，然后经高频变压器k_T，最后接入变换器次级侧整流滤波单元，输出直流电压；

变换器初级侧主回路单元包括高频变压器k_T的原边绕组、高频变压器k_T的原边漏感和辅助电路，辅助电路与高频变压器k_T的原边绕组以及高频变压器k_T的原边漏感串联，辅助电路包括开关管单元、二极管单元、储能电容C_R和辅助电源；开关管单元由开关管Q_a1和开关管Q_a2反向串联形成，二极管单元由二极管D_a3和二极管D_a4反向串联形成；开关管Q_a1的源极与高频变压器原边的连接点记为节点5，开关管Q_a2的源极和二极管D_a4的正极的连接点记为节点8；

开关管单元与二极管单元在节点5和节点8并联，储能电容C_R第一端与开关管Q_a1的漏极连接，第二端与二极管D_a3的阴极连接；辅助电源与储能电容C_R并联。

进一步的，高压直流输入滤波单元包括电容C_in，电容C_in并联在输入电源V_in的两端。

进一步的，变换器初级侧逆变单元为全桥逆变电路。

进一步的，变换器次级侧整流滤波单元包括二极管D_o1、二极管D_o2、电感L_o和电容C_o，二极管D_o1的正极连接在高频变压器k_T的第一副边绕组同名端，二极管D_o1的负极与电感L_o的第一端连接，电感L_o的第二端与电容C_o的第一端连接，电容C_o的第二端与高频变压器k_T的第二副边绕组同名端连接，电容C_o的两端并联有负载R_o，二极管D_o2的正极与高频变压器k_T的副边绕组异名端连接，二极管D_o2的正极与D_o1的负极连接。

进一步的，辅助电源为直流模块电源。

进一步的，开关管Q_a1和开关管Q_a2选用MOS管。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果：

1.相较于传统的零电压开关移相全桥直流变换器，由于该实用新型具有的辅助电路可以在更短时间内为开关管的结电容充放电，使该一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器具有滞后桥臂全范围软开关的特点；

2.在辅助电路导通时，辅助电源通过电容C_R放电，削弱了主回路的谐振现象，使得变压器副边电路中出现的电压振铃现象减小，副边整流器件电压应力低，有利于设计生产中的器件选型；

3.该实用新型具有的辅助电路通过电容C_R放电，可以使主回路电流换流速度更快，具有大负载条件下，原边电流可完全复位，占空比丢失低的特点，改善了大负载条件下，传统的零电压开关移相全桥直流变换器原边电流无法复位，导致较大的占空比丢失的问题。

附图说明

图1是传统的零电压开关移相全桥直流变换电路原理图；

图2是传统零电压零电流开关移相全桥逆变电路存在的问题；

图3是本实用新型电路整体示意图；

图4是本实用新型电路理想工作波形示意图；

图5是t₀前的工作状态图，称为工作模式1；

图6是t₀～t₂的工作状态图，称为工作模式2；

图7是t₂～t₃的工作状态图，称为工作模式3；

图8是t₃～t₄的工作状态图，称为工作模式4；

图9是t₄～t₅的工作状态图，称为工作模式5；

图10是t₅～t₇的工作状态图，称为工作模式6；

图11是t₇～t₉的工作状态图，称为工作模式7；

图12是t₉～t₁₀的工作状态图，称为工作模式8；

图13是t₁₀～t₁₁的工作状态图，称为工作模式9；

图14是t₁₁～t₁₂的工作状态图，称为工作模式10；

图3以及图5至图14中，各结点用数字1～13分别表示。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

一种新型移相全桥零电压零电流软开关高频直流变换器，在传统的零电压开关移相全桥直流变换电路拓扑中增加两个反向串联的开关管、两个反向串联的二极管、一个储能电容、一个辅助电源来改善传统零电压开关移相全桥直流变换器中的不足。

参照图3，一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，包括高压直流输入滤波单元、变换器初级侧逆变单元、变换器初级侧主回路单元、高频变压器、变换器次级侧整流滤波单元，根据电压等级选择功率管的型号；具体连接方式为：输入的高压直流电在高压直流输入滤波单元滤波后，经过功率管在变换器初级侧逆变单元得到交流方波，再经过变换器初级侧主回路单元实现软开关，然后经高频变压器后，最后接入变换器次级侧整流滤波单元，输出直流电压。

其中，高压直流输入滤波单元包括电容C_in，电容C_in并联在输入电源V_in的两端；变换器初级侧逆变单元为一个全桥逆变电路，包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃和开关管Q₄。其中，开关管Q₁和开关管Q₂在同一桥臂，开关管Q₃和开关管Q₄在同一桥臂。

变换器初级侧主回路单元包括串联的变压器原边绕组，变压器原边漏感和辅助电路，辅助电路具有开关管单元、二极管单元、一个储能电容C_R和一个辅助电源。其中，开关管单元由开关管Q_a1和开关管Q_a2反向串联形成，开关管Q_a1的源极与变压器原边的连接点记为节点5，开关管Q_a2的源极和二极管D_a4的正极的连接点记为节点8。二极管单元由二极管D_a3和二极管D_a4反向串联形成。辅助电源采用目前市场上通用的直流模块电源，其型号根据应用场景的实际需要选型。

开关管单元与二极管单元在节点5和节点8间并联，储能电容与辅助电源接入节点6与节点7之间，通过对开关管的控制，辅助电源对储能电容充放电实现变换器的软开关。节点6为开关管Q_a1的漏极和开关管Q_a1的漏极的连接点，节点7为二极管D_a3的负极和二极管D_a4的负极连接点。

变换器次级侧整流滤波单元包括二极管D_o1、二极管D_o2、电感L_o和电容C_o，二极管D_o1的正极连接在高频变压器k_T的第一副边绕组同名端，D_o1的负极与电感L_o的第一端连接，电感L_o的第二端与电容C_o的第一端连接，电容C_o的第二端与k_T的第二副边绕组同名端连接，电容C_o的两端并联有负载R_o，二极管D_o2的正极与高频变压器k_T的副边绕组异名端连接，二极管D_o2的正极与D_o1的负极连接。

图4是本实用新型电路理想工作波形示意图。

图5是t₀前的工作状态图，称为工作模式1；在此时间段内，变换器原边开关管Q₁、开关管Q₄、开关管Q_a1、开关管Q_a2和副边二极管D_o1同时导通，原边电流从电压V_in的正极出发，经电容C_in滤波，依次流过开关管Q₁、电感L_lk、高频变压器的原边、开关管Q_a1、开关管Q_a2和开关管Q₄回到电压源V_in负极；高频变压器的副边电流从副边依次流经二级管D_o1，LC滤波和负载R_o，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边；开关管Q₂和开关管Q₃关断没有电流流过，D_a4反向截止，没有电流流过；辅助电源为电容C_R充电，直至将电容C_R充满，电容C_R的电压与辅助电源电压相等。

图6是t₀～t₂的工作状态图，称为工作模式2；t₀时关断开关管Q₁，变换器原边开关管Q₄、开关管Q_a1、开关管Q_a2和副边二极管D_o1、D_o2同时导通，原边电流i_p依次流过开关管Q₄、开关管Q₂的体二极管D₂、高频变压器的原边、电感L_lk、开关管Q_a1和开关管Q_a2，在电感L_lk的作用下续流；高频变压器的副边电流一部分流经二级管D_o1，另一部分流经二级管D_o2，之后依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态；高频变压器原边与副边电压逐渐降低，直至t₁时刻为零，此时高频变压器原副边被短接；开关管Q₂和开关管Q₃关断没有电流流过，二极管D_a4反向截止，没有电流流过；开关管Q₂两端电压为0，可以实现零电压导通；辅助电源为电容C_R充满电后，辅助电源使电容C_R的电压与辅助电源电压保持相等。

图7是t₂～t₃的工作状态图，称为工作模式3；t₂时刻关断开关管Q_a1，导通开关管Q₂，变换器原边开关管Q₄、开关管Q_a2和二极管D_a3以及副边二极管D_o1和二极管D_o2同时导通，原边电流i_p依次流过开关管Q₄、开关管Q₂、高频变压器的原边、电感L_lk、二极管D_a3、电容C_R和开关管Q_a2，由于辅助电源经电容C_R反向放电释放能量，抑制原边电流i_p，原边电流与副边电流减小，直至t₃时刻为零；高频变压器的副边电流部分从二极管D_o1流出，部分从二极管D_o2流出，依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态。图8是t₃～t₄的工作状态图，称为工作模式4；此时高频变压器原副边电压均为零，原边电流在t₃下降为零；副边二极管D_o1和二极管D_o2同时导通，均分负载电流，两部分电流之后依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态；变换器原边开关管Q₂、开关管Q₄和开关管Q_a2同时导通；辅助电源为电容C_R充电，直至将电容C_R充满，电容C_R的电压与辅助电源电压相等。

图9是t₄～t₅的工作状态图，称为工作模式5；t₄时刻零电流关断开关管Q₄，此时高频变压器原副边电流均为零，电压均为零，与工作模式4相同；辅助电源保证电容C_R电压不变，且辅助电源电压和电容C_R电压大小相等。

图10是t₅～t₇的工作状态图，称为工作模式6；在此时间段内，变换器原边开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q_a1、开关管Q_a2和副边二极管D_o2同时导通，原边电流反向从0开始上升直至额定值，从电压V_in的正极出发，经电容C_in滤波，依次流过开关管Q₃、开关管Q_a1、开关管Q_a2、电感L_lk、高频变压器的原边和开关管Q₂，回到电压源负极；高频变压器的副边电流依次流经二级管D_o2、LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边；开关管Q₁和开关管Q₄关断没有电流流过，D_a4反向截止，没有电流流过；辅助电源保证电容C_R电压不变，且辅助电源电压和电容C_R电压大小相等。

图11是t₇～t₉的工作状态图，称为工作模式7；t₇时零电压关断开关管Q₂，变换器原边开关管Q₃、开关管Q_a1、开关管Q_a2和副边二极管D_o1、D_o2同时导通，原边电流i_p依次流过开关管Q₁的体二极管D₁、开关管Q₃、开关管Q_a1、开关管Q_a2、电感L_lk和高频变压器的原边，在电感L_lk的作用下续流；高频变压器的副边电流部分从二极管D_o1流出，部分从二极管D_o2流出，依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态；高频变压器原边与副边电压逐渐降低，直至t₈时刻为零；开关管Q₁和开关管Q₄关断没有电流流过，D_a4反向截止，没有电流流过；辅助电源保证电容C_R电压不变，且辅助电源电压和电容C_R电压大小相等。

图12是t₉～t₁₀的工作状态图，称为工作模式8；t₉时刻关断开关管Q_a2，导通开关管Q₁，开关管Q₃、开关管Q_a1和二极管D_a4以及副边二极管D_o1和二极管D_o2同时导通，原边电流i_p依次流过开关管Q₁、开关管Q₃、二极管D_a4、电容C_R、开关管Q_a1、电感L_lk和高频变压器的原边，由于辅助电源经电容C_R反向放电释放能量，抑制原边电流i_p，原边电流与副边电流减小，直至t₁₀时刻为零；高频变压器的副边电流部分从二极管D_o1流出，部分从二极管D_o2流出，依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态。

图13是t₁₀～t₁₁的工作状态图，称为工作模式9；此时高频变压器原副边电压均为零，原边电流在t₁₀下降为零；副边二极管D_o1和二极管D_o2同时导通，均分负载电流，两部分电流之后依次流经LC滤波和负载，最后从变压器的同名端流回到高频变压器的副边，变压器副边处于短接状态；变换器原边开关管Q₁、开关管Q₃、开关管Q_a1同时导通；辅助电源为电容C_R充电，直至将电容C_R充满，电容C_R的电压与辅助电源电压相等。

图14是t₁₁～t₁₂的工作状态图，称为工作模式10；t₁₁时刻关断开关管Q₃，此时高频变压器原副边电流均为零，电压均为零，与工作模式9相同；辅助电源保证电容C_R电压不变，且辅助电源电压和电容C_R电压大小相等。

至此本实用新型电路工作的一个周期叙述完毕。和传统零电压零电流开关移相全桥电路相比，本实用新型克服了滞后桥臂软开关负载范围窄的问题，副边整流器件电压应力低，大负载条件下，原边电流可完全复位，占空比丢失小，复位能量给辅助电源供电，实现无损吸收。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，其特征在于，包括高压直流输入滤波单元、变换器初级侧逆变单元、变换器初级侧主回路单元、高频变压器k_T和变换器次级侧整流滤波单元；具体连接方式为：输入的高压直流电在高压直流输入滤波单元滤波后，经过变换器初级侧逆变单元在变换器初级侧逆变单元得到交流方波，再经过变换器初级侧主回路单元实现软开关，然后经高频变压器k_T，最后接入变换器次级侧整流滤波单元，输出直流电压；

所述变换器初级侧主回路单元包括高频变压器k_T的原边绕组、高频变压器k_T的原边漏感和辅助电路，所述辅助电路与高频变压器k_T的原边绕组以及高频变压器k_T的原边漏感串联，所述辅助电路包括开关管单元、储能电容C_R和辅助电源；所述开关管单元由开关管Q_a1和开关管Q_a2反向串联形成，当开关管Q_a1和开关管Q_a2都不导通时，辅助电源为电容C_R充电并保持电容C_R电压与辅助电源相同；当开关管Q_a1和开关管Q_a2任意一个导通时，电容C_R放电。

2.根据权利要求1所述的一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，其特征在于，开关管单元与二极管单元在节点5和节点8并联，所述二极管单元由二极管D_a3和二极管D_a4反向串联形成；开关管Q_a1的源极与高频变压器原边的连接点记为节点5，开关管Q_a2的源极和二极管D_a4的正极的连接点记为节点8；储能电容C_R第一端与开关管Q_a1的漏极连接，第二端与二极管D_a3的阴极连接；辅助电源与储能电容C_R并联；所述开关管Q_a1和开关管Q_a2选用MOS管。

3.根据权利要求1所述的一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述高压直流输入滤波单元包括电容C_in，所述电容C_in并联在输入电源V_in的两端。

4.根据权利要求1所述的一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述变换器初级侧逆变单元为全桥逆变电路。

5.根据权利要求1所述的一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述变换器次级侧整流滤波单元包括二极管D_o1、二极管D_o2、电感L_o和电容C_o，所述二极管D_o1的正极连接在高频变压器k_T的第一副边绕组同名端，二极管D_o1的负极与电感L_o的第一端连接，电感L_o的第二端与电容C_o的第一端连接，电容C_o的第二端与高频变压器k_T的第二副边绕组同名端连接，电容C_o的两端并联有负载R_o，二极管D_o2的正极与高频变压器k_T的副边绕组异名端连接，二极管D_o2的正极与D_o1的负极连接。

6.根据权利要求1所述的一种移相全桥零电压零电流软开关DC-DC变换器，其特征在于，所述辅助电源为直流模块电源。

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