CN2372827Y - 高效低成本电源变换器 - Google Patents

Abstract

一种高效低成本电源变换器,包括高频变压器(7)、功率开关管N1、二极管D1、D2、电容器C1、控制电路(10)、整流器(8)、滤波器(9)等;其特点在于只用单个功率开关管N1斩波,其最高集电极电压由二极管D1、D2箝位,电容器C1与高频高压器(7)的辅助次级绕组(5)(6)、二极管D1串联后跨接在功率开关管N1的两端构成无损吸收电路和实现功率开关管N1的软关断;由于功率开关管数量少、耐压要求低、通态电阻小,不仅成本低,而且效率高。可广泛用作高频开关电源、UPS等主电路。

Description

高效低成本电源变换器

本实用新型涉及高频电源变换器，主要用于高频开关电源、不间断电源(UPS)、直流弧焊机、蓄电池充电器等。

在现有技术中的高频电源变换器，在功率较大情况下都采用正激式变换电路，如桥式电路或双管单端正激电路，它们通常由两个功率开关管与变压器串联后分别接在输入电源的正、负极上，其优点是能通过二极管箝位，功率开关管的耐压要求较低，只要稍高于输入电源电压，但工作时两个功率开关管同时导通，不仅器件损耗加倍，而且控制电路复杂，器件成本相应提高；半桥电路单臂虽也可用单个耐压较低的开关管，但只用一半输入电压，输出功率也相应减半，在相同功率下其效率与成本都与全桥电路相似。也有采用推挽电路或单管单端电路，但高频变压器漏感能量不易释放和反馈，功率开关管上电压不易箝位，必须采用高耐压器件作开关管，而一般高耐压开关管的通态电阻或饱和电压降较大、价格较贵，且一般工作在硬开关状态和外加阻容吸收回路，在较大电流场合，工作时开关器件和吸收电阻发热量大，不仅效率低，而且成本高，可靠性也差。

本实用新型针对上述高频电源变换器所存在的不足，而提供一种由单个耐压稍高于输入电压的功率器件作开关管，由高频变压器的一组辅助次级绕组与吸收电容串联实现开关器件软关断和构成无损吸收电路，通过二极管、电容器等组合实现漏感能量回馈和功率开关管两端电压箝位的高效低成本电源变换器。

通过以下方法和构思来实现本实用新型的上述目的：

该高效低成本电源变换器，高频变压器的初级绕组与单个功率开关管串联，分别连接在输入电源的正、负极上，它们与控制电路一起构成本电路的主逆变回路；高频变压器的次级绕组按正激方式与整流器、滤波器相连接，作为变换器的输出；功率开关管的两端接有电容器等构成的吸收回路；本发明的特征在于所述的高频变压器有一组辅助次级绕组串联在吸收回路中，即吸收电容器的一端与该辅助次级绕组相连，辅助次级绕组的另一端与功率开关管的发射极相连，吸收电容器的另一端通过二极管与功率开关管的集电极相连，构成无损吸收回路；二极管的负端和电容器串联的接点上还接有另一个二极管，它的负端接在输入电源的正极上，二个二极管一起构成功率开关管集电极的电压箝位电路；功率开关管的栅极与控制电路相接，并受其控制截止或导通。在功率开关管截止瞬间，高频变压器的初级漏感产生反冲电势，同时高频变压器的辅助次级绕组也感应产生负电压，该负电压通过吸收电容器、二极管使功率开关管关断瞬间集电极-发射极间的电压仍保持零电压，高频变压器初级漏感所产生的反冲电势被电容器吸收、旁路和续流，功率开关管实现软关断；随着电容器被充电，电容器上电压和功率开关管的集电极电位逐步上升，高频变压器的漏感电流却逐步释放和磁通复位；当功率开关管集电极上的电压超过输入电压时，二个二极管正向导通，残余漏感能量经二极管返回到输入端，同时功率开关管上的电压被箝定，即箝位在略高于输入电压的电平上。反之，功率开关管导通时，高频变压器的辅助次级绕组感应产生正电压，它与电容器电压迭加大于输入电压，电容器上的电荷通过二极管放电返回到输入端。由于功率开关管数量减少一半，不仅成本降低，工作时导通损耗也降低一半，且工作在软开关和无损吸收状态，工作效率很高；又因功率开关管两端电压被很好的箝位，从而可以选用耐压稍高于输入电压、内阻较小而成本较低的功率器件，实现高效、低成本的目的。

本实用新型的优点在于产生逆变的功率开关器件数量较少，又工作在软开关和无损吸收状态，且可选用通态电阻较小、成本较低的功率器件。上述优点使电路的效率大大提高，成本大大降低。因此是一种结构简单、效率高、成本低廉、电磁兼容性好、可靠性高的电源变换器，可广泛用作各类开关电源、不间断电源(UPS)、直流弧焊机、蓄电池充电器等电源的主电路。

附图表示本实用新型的基本电气原理图。结合附图进一步详细说明如下：

该电源变换器包括一个功率开关管N1和控制电路(10)，该功率开关管N1可以是绝缘栅晶体管IGBT，也可以是功率场效应管MOSFET、大功率晶体管GTR、可关断可控硅GTO等；或者是上述两个或两个以上器件的并联组合，如IGBT与MOSFET并联运行、大功率模块器件等。例如，美国国际整流器公司生产的功率开关管IRG4PC4OW就是一种绝缘栅晶体管(IGBT)，该IGBT管的发射极与输入电源的负极相连接，其栅极与控制电路(10)相连接。

该电源变换器还包括高频变压器(7)、整流器组(8)、滤波器(9)，该高频变压器(7)的初级绕组(1)端与输入电源的正端相连接，(2)端与功率开关管N1的集电极(对于功率场效应管为漏极，下同)相连接；其主次级绕组(3)、(4)按正激方式与整流器组(8)、滤波器(9)相连接，变换后的电力经整流、滤波输出；该高频变压器(7)还有一个辅助次级绕组(5)、(6)，其(5)端与初级绕组(1)端互为同名端，其(6)端与输入电源的负极相连。

该电源变换器有一个由二极管D1、电容器C1串联组成的、并联在功率开关管N1的集电极与高频变压器(7)的辅助次级绕组(5)端之间，用来吸收高频变压器组(7)初级绕组在关断时其漏感所产生的反冲电势的无损吸收回路。电容器C1的一端与二极管D1负端相接，另一端与高频变压器(7)的辅助绕组(5)端相接，二极管D1的正端与功率开关管N1的集电极相连接。

本发明的电源变换器还有一个由二极管D1、D2组成的，串联在输入电源的正极与功率开关管N1的集电极之间，用来释放、回馈高频变压器(7)初级绕组的漏感能量和电容器C1所吸收的能量，并对功率开关管N1集电极进行电压箝位的回路。二极管D2的负端与输入电源的正极相连，正端与吸收电容器C1和二极管D1负极相连接。

该电源变换器是这样工作的：

在功率开关管N1导通期间，输入电源电压施加在高频变压器(7)的初级绕组(1)上，通过磁通的耦合，按正激方式连接的主次级绕组(3)、(4)通过整流器组(8)、滤波器(9)向负载供电；当控制电路(10)发出指令令功率开关管N1截止瞬间，高频变压器(7)的磁通量减少，其初级绕组(1)、(2)的漏电感产生反冲电势和电流继续保持同方向流动，该电势方向为(1)负(2)正，与输入电压迭加，使功率开关管N1集电极上的电压有迅速上升的趋势，由于在功率开关管N1集电-发射极间接有高频变压器(7)的辅助次级绕组、二极管D1和容量较大的电容器C1，该辅助次级绕组(6)端与功率开关管N1的发射极相接，(5)端同时感应出负电势，它与电容器C1两端的电压迭加产生小于或等于零的电位，因电容两端电压是不能突变的，通过二极管D1、功率开关管N1内置二极管的箝位作用，功率开关管N1集电极上的电压被箝定在接近于零的电位上，因此，高频变压器(1)漏感产生的反电势只能使电流流向电容器C1，即给电容器C1充电，从而将其反冲电势化解和实现功率开关管N1在零电压和零电流状态下关断。

随着高频变压器(7)初级绕组上漏感能量的释放和磁通复位，电容器C1上的吸收电荷也逐步增加，电容器C1上的电压和功率开关管N1集电极电位逐步升高，当该电位超过输入电源电压时，二极管D2导通，主变压器M1漏感释放的残余电能就会通过二极管D1、D2释放完毕，同时功率开关管N1集电极上电压也被箝定在比输入电压略高的电平上，因此，功率开关管N1的耐压要求就可大大降低。

当控制电路(10)令功率开关管N1导通时，高频变压器(7)的辅助次级绕组(5)端产生正电位，该电位与吸收电容C1上的电压迭加会高于输入电压，二极管D2正向导通，电容器C1上的电荷通过二极管D2返还给输入端，实现漏感吸收能量的回馈；由于吸收电容器C1上的电能能有效回馈，而不必按常规通过电阻消耗变成热能散发，该无损吸收回路不仅提高了效率，而且还可通过加大电容量来提高吸收效果，从而更有效地减少尖峰杂波和提高了电磁兼容性能。

接着，又开始上述循环，周而复始，变换器就在这样状态下高效地工作。

Claims (2)

1.一种高效低成本电源变换器，高频变压器(7)的初级绕组(1)、(2)与功率开关管N1串联，分别连接在输入电源的正、负极上，功率开关管N1的栅极与控制电路(10)相接，并受其控制截止或导通，它们构成变换器的主逆变回路；高频变压器(7)的次级绕组(3)、(4)按正激方式与整流器(8)、滤波器(9)相连接，构成变换器的输出回路；其特征在于所述的高频变压器(7)还有一组辅助次级绕组(5)、(6)，与电容器C1、二极管D1、D2一起构成无损吸收回路：其中辅助次级绕组的(5)端与连接在输入电源正极上的初级绕组(1)端互为同名端，(5)端与吸收电容器C1相连，(6)端与功率开关管N1的发射极相连，吸收电容器C1的另一端通过二极管D1与功率开关管N1的集电极相连，二极管D1的负端和电容器C1的连接点上还接有二极管D2，二极管D2的负端接在输入电源的正极上，二极管D2与二极管D1一起同时构成功率开关管N1集电极的电压箝位电路。

2.根据权利要求1所述的电源变换器，其特征还在于所说的功率开关管N1包括绝缘栅晶体管(IGBT)、功率场效应管(MOSFET)、大功率晶体管(GTR)、可关断可控硅(GTO)等，也包括上述开关器件的多个并联组合或模块器件。