CN2764050Y - 基于谐振开关技术的单端反激直流－直流变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于谐振开关技术的单端反激直流－直流变换器，由开关电路和辅助谐振网络构成。开关管Q1上并联一由辅助开关管Q2和辅助变压器T2原边等效电感Lr串联构成的谐振支路，所述谐振支路与变压器T1原边并接的电容Cr、主开关分布电容Cd及变压器T1原边等效电容Cp共同构成谐振网络。本实用新型结构简单，主开关管零电压开通，减小了主开关管的开关损耗，改善了主开关管的电流和电压应力，进而达到提高效率的目的。由于有效限制了主开关管的电流及电压变化速率，从而限制了变换器的电磁噪声带宽，有效降低了变换器的电磁辐射。

Description

基于谐振开关技术的单端反激直流-直流变换器

技术领域

本新型属于工业控制电器，尤其是在单端反激式电路中引入软开关技术的功率变换器的制造领域。

现有技术情况

DC-DC PWM功率变换技术是从20世纪60年代开始得到发展和应用的，最初是一种硬开关技术，指开关管的导通和关断是在器件上电压或电流不等于零的状态下进行的，既强迫器件在其电压不为零时开通，或电流不为零时关断。由于变换器电路中寄生参数的存在，使开关过渡过程中器件电流和器件电压发生振荡，这种振荡易使开关管超出安全运行区，降低其使用寿命。于是国内外电力电子界自20世纪70年代以来，不断研究开发软开关技术，使开关管工作在零电压开通和零电流关断状态。几十年来，国内外已研究开发并得到实际应用的各种高频软开关技术类型如附图1。

其中，美国弗吉尼亚州电力电子技术中心的Fred C.Lee等人提出了谐振网络与主开关管并联的零电压开关变换器：ZVT(Zero-Voltage-Transition)-PWM(Pulse Width Modulation)变换器的概念，主要优点如下：

1、由于谐振元件不在功率传输的主回路中，开关管的电流电压应力小；

2、保留了PWM变换器恒频工作的特点；

3、与以往的软开关变换器相比，能实现零开关条件的电源电压，负载变化范围更宽。

单端反激式变换器传统上主要采用耗能式缓冲器来改善开关管的工作条件，如图2所示。这种电路通过在开关管和在原边电感两端电阻、电容、二极管(RCD)作缓冲网络，吸收开关管开关瞬间产生的尖峰电压，并由电阻将所吸收的能量消耗。该电路能在一定程度上保护开关管，但在输入为低压大电流场合，因需要较大的吸收电容，存储于吸收电容的能量被电阻消耗掉，损失了可观的能量，降低了效率。

尤其对于变比高的升压变换器，副边匝数较多，分布电容较大，致使原边等效电容增加，开关管上的开关应力加大，电磁辐射增大，开关损耗急剧上升，并严重影响副边电路的输出电压、电流波形及其纹波。

本发明的目的在于克服传统单端反激式变换器电路中因使用耗能式缓冲网络造成的能量损耗，而提供一种高效率的基于谐振开关技术的新型应用电路结构，并有效降低变换器的电磁辐射。

[本实用新型内容]

本发明的目的可以通过以下措施实现：一种基于谐振开关技术的单端反激直流-直流变换器，由开关电路和辅助谐振网络构成，其特征在于：开关管Q1上并联一由辅助开关管Q2和辅助变压器T2原边等效电感Lr串联构成的谐振支路，该谐振支路与变压器T1原边并接的电容Cr、主开关分布电容Cd及变压器T1原边等效电容Cp共同构成谐振网络；辅助变压器T2的次级与快恢复二极管D3串联后与直流供电端的正负极相连。

采用本实用新型的结构，辅助开关先于主开关导通，使谐振网络工作，主开关电压谐振下降到零，形成主开关零电压开通条件，主开关导通后，辅助开关关断，谐振电感中存储的能量通过T2副边绕组馈送回电源，主变压器T1储存能量，并在主开关关断后将能量馈送到输出端。

本实用新型结构简单，实现主开关管的零电压开通，改善了主开关管的电流和电压应力，减小了分布电容带来的影响，使其工作波形显著改善，减小了主开关管的损耗，降低了输出电压和电流的纹波，提高了转换效率，降低了变换器的电磁辐射，这种电路中的开关管使用晶体三极管和场效应管都可以实现。

[附图说明]

图1是国内外已研究开发并得到实际应用的各种高频软开关技术类型细分表。

图2是传统的单端反激式电路示意图。

图3本实用新型直流-直流变换器示意图。

图4本实用新型的主要工作波形示意图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明进一步说明。

电路结构如图3所示。其中，Q1为主开关管，Q2为辅助开关管，T1、T2为变压器，L_leak为T1原边等效漏感，T2原边等效电感Lr为谐振电感，Cin为直流输入端滤波电容，Cr为谐振电容，Cp为T1原边等效分布电容，Cd1为主开关管Q1漏-源极间分布电容。

主要波形如图4所示，一个开关工作周期分六个阶段进行：

1)t0-t2谐振阶段

辅助开关管Q2先于主开关管Q1开通，V_d2＝0，电感Lr(Lr＞＞Lleak)和电容Cr、Cp、Cd1(Cr＞＞Cp，Cr＞＞Cd1)构成谐振网络，Lr电流i_Lr谐振上升，V_d1谐振下降。t1时刻，V_d1为零。此后因Lr电流惯性D1正偏，形成主开关管Q1零电压开通条件。谐振时间： $t1-t0=\left(\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{Lr}(\mathrm{Cr}+\mathrm{Cp})}\right)/2.$

2)t2-t3主开关ZVS

在t2时刻，Q1开通，i_Lr基本保持不变，t3时刻Q2关断。

3)t3-t4  Lr能量通过T2、D3向电源馈送

Q2关断后，i_Lr线性下降，i_d1线性上升。V_d2＝Vs，T2储能通过D3向电源馈送。Lr线性下降。t4时刻，Lr能量馈送完毕，i_Lr下降到零，V_d2＝0。

4)t4-t5  主开关电流继续线性上升

Vs施加于T1原边，i_d1以另一斜率线性上升，T1储能增加，直到t5时刻，Q1关断。

5)t5-t6  Q1关断后，T1漏感L_leak的能量被Cr吸收，由于Cr、Cp、Cd1的保持作用，V_d1线性上升至V_s+V_out/n(n＝N_s/N_P)。

6)t6-t0  T1储能通过D4向负载传送

T1储能通过D4向负载R_L传送能量。t0时刻，再次开通Q2，下一循环周期开始。

在Q1关断时，由于Cr、Cp、Cd1的保持作用，V_d1上升速率降低，从而减小了Q1关断损耗。Q2导通时，由于Lr电流不能发生突变，Q2工作在零电流开通状态，有效抑制了Q2的开通损耗。由于有效降低了变换器的开关损耗，提高了变换器转换效率。因限制了主开关管电流及电压的变化率，限制了变换器的电磁噪声带宽，降低了变换器的电磁辐射。

Claims (1)

1.一种基于谐振开关技术的单端反激直流-直流变换器，由开关电路和辅助谐振网络构成，其特征在于，开关管Q1上并联一由辅助开关管Q2和辅助变压器T2原边等效电感Lr串联构成的谐振支路，该谐振支路与变压器T1原边并接的电容Cr、主开关分布电容Cd及变压器T1原边等效电容Cp共同构成谐振网络；辅助变压器T2的次级与快恢复二极管D3串联后与直流供电端的正负极相连。