CN2431675Y

CN2431675Y - 宽负载范围零压零流开关电源变换器

Info

Publication number: CN2431675Y
Application number: CN 99235773
Authority: CN
Inventors: 胡先红
Original assignee: Shenzhen Zte Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2009-04-09

Abstract

宽范围零压零流开关变换器,由四开关管S1—S4构成全桥电路,S1、S2为超前桥臂,S3、S4为滞后桥臂;隔直电容CB与变压器TR原边相串后接在全桥两桥臂中点,变压器TR副边接一全波整流电路;还包括补偿电容组31,其两补偿电容CS1、CS2串联后并联在全桥超前桥臂上,在CS1、CS2接点与S1、S2接点间,接控制开关K;本实用新型电路可靠,能有效减小重载关断和轻载开通损耗,提升开关电源变换器在轻载状况的效率。

Description

宽负载范围零压零流开关电源变换器

本实用新型涉及电力电子技术中的功率变换装置，更具体地涉及一种相移谐振式零压零流脉宽调制(PS-ZVZCS-PWM)开关电源功率变换器。

相移谐振零压零流脉宽调制开关电源变换器一种比较先进的开关电源变换器，在现有技术中普遍采用。其采用相移谐振的方式，使全桥开关电源变换器中一个桥臂工作在零电压开通方式，另一个桥臂工作在零电流关断方式，整个电源变换器工作在软开关的方式下。因此，这种电源变换器可以获得较高的变换效率和较小的尖峰干扰，同时能有效改善开关器件的工作应力，但这种电源变换器也存在如下所述问题，下面结合附图说明：

图1是这种PS-ZVZCS-PWM开关电源变换器原理电路，开关管S1、S2组成的桥臂为超前桥臂，S3、S4组成的桥臂为滞后桥臂，DS1、DS2为阻断二极管，C_B为隔直电容，同时为滞后桥臂实现ZCS提供阻断电压源，C1、C2为外接电容器，L_1k为变压器原边漏感，Lo为副边输出滤波电感，图2为各开关管驱动波形(u1，u2，u3，u4)、A、B两点电压(u_AB)与原边电流波形(i_P)。

其工作过程如下：

在0时刻，S1、S4导通，U_AB为电源电压，原边电流i_p正向流动，i_P给电容C_B正向充电。

在1时刻，S1关断，S4继续导通，由于S1并联电容C1的存在，S1上的电压不可能立即上升，S1为零电压关断，此时电容C_B上的电压为正电压，原边电流i_P给C1充电、C2放电，当C2上的电压为零时，S2反并二极管开始导通，此时电流回路为A→B→F→E→A，由于此时C_B上的正电压形成一个阻断电压源，使得原边电流很快减小，而u_C继续增大。

在2时刻，S2开通，此时i_P仍然为正，S2反并二极管处于续流状态，S2为零电压开通。原边电流i_P继续减小，当i_P=0时，u_C达到最大，i_P开始反向流动，但由于D2的存在，阻止了原边电流反向增加，使原边电流维持为0，u_C全部加在阻断二极管D2上。

在3时刻，S4关断，由于此时原边电流i_P仍维持为0，S4为零电流关断。

在4时刻，S3开通，原边电流开始反向增大(i_P的初始值为此时副边输出滤波电感中的电流折算至原边的等效电流值，而不是从零开始增大)。随着i_P的反向增大，u_C也逐步由正电压变为负电压。

在5时刻，S2关断，S3继续导通，由于S2并联电容C2的存在，S2上的电压不可能立即上升，S2为零电压关断，此时电容C_B上的电压为负电压，原边电流i_P给C2充电、C1放电，当C1上的电压为零时，S1反并二极管D1开始导通，此时电流回路为B→A→C→D→B，由于此时C_B上的负电压形成一个阻断电压源，使得原边电流绝对值很快减小，而u_C的绝对值继续增大。

在6时刻，S1开通，此时i_P仍然为负，S1反并二极管D1处于续流状态，S1为零电压开通。原边电流i_P绝对值继续减小，当i_P=0时，u_C绝对值达到最大，i_P开始正向流动，但由于阻断二极管DS1的存在，阻止了原边电流正向增加，使原边电流维持为0，u_C全部加在二极管DS1上。

在7时刻，S3关断，由于此时原边电流i_P仍维持为0，S3为零电流关断。

在8时刻，S4开通，此时S1、S4同时导通，变换器进入下一个周期。

由上述工作过程可知，只要选择合适的隔直电容及移相角最大值(滞后桥臂相对超前桥臂的最小延迟时间)，就可实现滞后桥臂在全负载范围的零电流关断；但对于超前桥臂，为了实现零电压关断，需要原边电流将开关管并联电容C1、C2中一只电容充电至电源电压，而另一只电容放电至零，这就要求C1、C2越小越好。这是因为在轻载时副边折算至原边的电流小，如果C1、C2过大，就会使C1、C2上的电压中一只电容充电时充不到电源电压，而另一只电容放电时放不到零而实现不了零电压开通。但如果C1、C2过小，则在重载情况下S1、S2关断时会由于原边电流很大使开关管上的电压上升太快而加大关断损耗。

因此，这种开关变换器通常是折衷考虑重载时的关断损耗和轻载时的开通损耗，一般只能在40％以上负载实现零电压开关，40％负载以下工作在硬开关方式。而一般开关电源(特别是通信电源)大部分时间都工作在20％-50％负载。显然，现有技术不能做到宽负载范围内特别是轻载时的零电压开关。

为了解决上述问题，在有些文献中介绍了采用辅助电感电容网络的方法来提高ZVS的范围，这种方法需要较大的电感电容，且成本高，体积大，仍不能令人满意地解决轻载时零电压开通问题。

本实用新型的目的是提供一种结构简单、可有效实现宽负载范围内零压零流开关或零压开关的开关电源变换器，提高开关电源变换器的宽负载范围内特别是轻载范围内的效率。

为达此目的，本实用新型的技术方案之一是设计一种宽负载范围零压零流开关变换器，包括由四个开关管构成全桥电路，其中第一开关管和第二开关管为超前桥臂，第三开关管和第四开关管为滞后桥臂，四个开关管分别与四个二极管反向并联，第一、第二开关管还分别并联第一电容和第二电容，在超前桥臂与滞后桥臂的上端正向串接一个阻断二极管，下端反向串接另一个阻断二极管；隔直电容与变压器的原边相串联后接入在全桥电路的两个桥臂的中点之间，变压器的副边接一个全波整流电感电容滤波电路，输入电源接入超前桥臂上；其特征在于：它还包括补偿电容组，所述补偿电容组由两个补偿电容串联后并联在全桥电路的超前桥臂上，在两补偿电容的连接点与超前桥臂的中点之间接入了一个控制开关。

本实用新型的技术方案之二是设计一种宽负载范围零电压开关变换器，包括由四个开关管构成全桥变换电路，其中第一开关管和第二开关管为超前桥臂，第三开关管和第四开关管为滞后桥臂，四个开关管分别与四个二极管反向并联，每个开关管还分别并联一只电容器(如果开关管寄生电容较大时可直接利用开关管的寄生电容)；隔直电容与变压器的原边相串联后接入在全桥电路两个桥臂的中点之间，变压器的副边接一个全波整流电感电容滤波电路；其特征在于：它还包括两组补偿电容组，其中一补偿电容组由两补偿电容串联后并联在全桥电路的超前桥臂上，另一补偿电容组由两补偿电容串联后并联在全桥电路的滞后桥臂上；在两补偿电容的连接点与超前桥臂的中点之间接入了一个控制开关；在两补偿电容的连接点与滞后桥臂的中点之间接入了另一个控制开关。

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

图1是现有技术PS-ZVZCS-PWM电路原理图；

图2是图1的工作波形图

图3是本实用新型的实施例之一；

图4是本实用新型的实施例之二；

前面已结合图1和图2论述了PS-ZVZCS-PWM电路的原理，在此不再重复。

图3是本实用新型的一个应用例子，它是一台相移谐振零压零流脉宽调制(PS-ZVZCS-PWM)开关电源变换器。图3是在图1所示的变换器基础上加以了改进，即在原有的电路基础上新增了一个补偿电容组31，即开关(继电器或其它有源开关)和两只相串联的电容器CS1、CS2。

图3中，在轻载状况下，断开K，使CS1、CS2切离所并联的开关管S1、S2，这样轻载时并联在开关管S1、S2上的电容C1、C2可取较小的电容值，且C1=C2，就很容易实现零电压开通；在重载时，闭合K，将CS1、CS2并联到开关管上，加大开关管S1、S2的并联电容，这样可以很容易实现零电压开通而具有较小的关断损耗。因此，根据负载的变化通断开关K，可以兼顾重载时小的关断损耗而不影响轻载时零电压开通，使得在宽负载范围内一直有较高的变换效率。

本实施例采用的功率开关管类型可以是场效应管MOSFET或绝缘栅晶体管IGBT，该应用中功率开关管选为IGBT，因为对于IGBT来说，由于关断时电流拖尾的存在，滞后臂采用ZCS方式更为有利，在实施例中选择CS1=CS2≈(5-10)C1，且C1=C2；开关K可采用继电器控制。

电容的实际容量需要根据变换器变换功率的大小以及开关管的类型来决定。

图4是应用本实用新型的的另一个应用例。它是根据本实用新型的原理设计的一台相移谐振零电压脉宽调制(PS-ZVS-PWM)开关电源变换器。与图3所示的实施例不同的是，在本例中超前桥臂和滞后桥臂均工作在ZVS状态，因此在ZVS状态下不需要阻断二极管DS1、DS2，这样需要两组补偿电容组41、42，开关K1、K2分别用来解决超前桥臂和滞后桥臂轻载时难以实现ZVS的问题。

本例中开关管为功率MOSFET，确定电容具体容量的原则与上述相同。但由于超前桥臂与滞后桥臂的不对称性，电容的取值也不对称。超前桥臂的电容取得大一些，而滞后桥臂的电容要取的小一些，即CK1=CK2＞CK3=CK4。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型的主要优点有：

1)本实用新型可以有效减小重载时的关断损耗和轻载时的开通损耗；

2)能有效提升ZVZCS或ZVS开关电源变换器在轻载状况下的效率；

因而可使得本实用新型在宽负载范围内(可做到10％～100％额定负载范围)得到较高的效率。

3)电路简单，成本低廉。本实用新型的开关电源变换器采用一个开关控制两个电容的通断，不仅使控制电路简单，而且开关闭合时最大电压仅为电源电压的一半。提高了开关通断的可靠性。

Claims

1 一种宽负载范围零压零流开关变换器，包括由四个开关管S1-S4构成全桥电路，其中第一开关管S1和第二开关管S2组成超前桥臂，第三开关管S3和第四开关管S4组成滞后桥臂，四个开关管S1-S4分别与四个二极管D1-D4反向并联；第一、第二开关管S1、S2还分别并联第一电容C1和第二电容C2，在超前桥臂与滞后桥臂之间上端正向串接一个阻断二极管DS1，下端反向串接一个阻断二板管DS2；隔直电容C_B与变压器TR的原边相串联后接入在全桥电路超前桥臂和滞后桥臂的两个中点之间，变压器TR的副边接一个全波(或全桥)整流电感电容滤波电路，输入电源接在超前桥臂上；其特征在于：它还包括补偿电容组(31)，所述补偿电容组(31)由两个补偿电容CS1、CS2串联后并联在桥式结构的超前桥臂上，在两补偿电容CS1、CS2的连接点与超前桥臂的中点之间，接入了一个控制开关K。

2 如权利要求1所述的宽负载范围零压零流开关变换器，其特征在于：所述补偿电容CS1、CS2的电容值为CS1=CS2≈(5-10)C1，且C1=C2。

3 如权利要求2所述的宽负载范围零压零流开关变换器，其特征在于：所述控制开关K是继电器。

4 如权利要求1所述的宽负载范围零压零流开关变换器，其特征在于：所述四个开关管S1-S4均为绝缘栅晶体管IGBT。

5 一种宽负载范围零电压开关变换器，包括由四个开关管S1-S4构成全桥电路，其中第一开关管S1和第二开关管S2组成超前桥臂，第三开关管S3和第四开关管S4组成滞后桥臂，四个二极管D1-D4分别与四个开关管S1-S4反向并联，第一、第二开关管S1、S2还分别并联第一电容C1和第二电容C2；隔直电容C_B与变压器TR的原边相串联后接入在超前桥臂的中点与滞后桥臂的中点之间，变压器TR的副边接一个全波(或全桥)整流电感电容滤波电路；其特征在于：它还包括两组补偿电容组(41)、(42)，其中一补偿电容组(41)由两补偿电容CK1、CK2串联后并联在桥式结构的超前桥臂上，在两补偿电容的CK1、CK2连接点与超前桥臂的中点之间，接入了一个控制开关K1；另一补偿电容组(42)由另两个补偿电容CK3、CK4串联后并联在桥式结构的滞后桥臂上；在该两补偿电容CK3、CK4的连接点与滞后桥臂的中点之间，接入了另一个控制开关K2。

6 如权利要求5所述的宽负载范围零电压开关变换器，其特征在于：所述补偿电容CK1-CK4的电容值为CK1=CK2=(5-10)C1，C1=C2；CK3=CK4≈(5-10)C3，C3=C4；且CK1＞CK3。

7 如权利要求6所述的宽负载范围零电压开关变换器，其特征在于：所述控制开关K1和K2是继电器。

8 如权利要求5所述的宽负载范围零电压开关变换器，其特征在于：所述四个开关管S1-S4均为功率MOSFET。