專利名稱：零電壓開關(guān)全橋直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的零電壓開關(guān)全橋直流變換器屬電能變換裝置的直流變換器。
背景技術(shù)：
在中大功率的直流變換場合，全橋變換器由于開關(guān)管容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)和采用恒定頻率控制而得到了廣泛的應(yīng)用。近二十年來，出現(xiàn)了很多全橋變換器軟開關(guān)控制策略和電路拓?fù)?。移相控制零電壓開關(guān)全橋變換器和移相控制零電壓零電流開關(guān)全橋變換器均可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。但無論是零電壓開關(guān)還是零電壓零電流開關(guān)全橋變換器，由于副邊整流二極管存在反向恢復(fù)，變壓器的漏感(或附加的諧振電感)就會(huì)同輸出整流管的結(jié)電容發(fā)生諧振，二極管上會(huì)承受至少兩倍的尖峰電壓，因此必須選擇高壓整流二極管，這也就意味著增加副邊整流二極管的正向?qū)▔航?。Richard Redl，Nathan O.Sokal andLaszlo Balogh，“A novel soft-switching full-bridge DC/DC converteranalysis，designconsiderations，and experimental results at 1.5kW，100kHz，”in Proc.IEEE PESC，1990，pp.162-172公開了一種零電壓開關(guān)全橋直流變換器，在變壓器的原邊引入一個(gè)諧振電感和兩只箝位二極管，不僅保持了開關(guān)管的軟開關(guān)特性，同時(shí)有效地消除了輸出整流管上的電壓尖峰和電壓振蕩。
箝位二極管中電流為諧振電感電流與變壓器原邊電流之差。為了減小流過箝位二極管中電流，減小損耗，就需要減小輸出濾波電感。而為了滿足輸出電壓紋波要求，則需增大輸出濾波電容，進(jìn)而增加了變換器的體積和成本。同時(shí)，當(dāng)此變換器工作在輕載甚至空載情況時(shí)，占空比相對(duì)較小，箝位二極管被硬關(guān)斷，容易造成箝位二極管的損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述變換器的缺陷，研制一種帶變壓器輔助繞組的零電壓開關(guān)全橋直流變換器，可以有效地快速減小流過箝位二極管中電流，提高變換效率，同時(shí)改善在輕載情況下箝位二極管的工作環(huán)境。
本發(fā)明的零電壓開關(guān)全橋直流變換器，包括直流電源、第一逆變橋臂和第二逆變橋臂、諧振電感、箝位電路、隔離變壓器、整流及濾波電路，其中由第一開關(guān)管和第三開關(guān)管串聯(lián)后組成的第一逆變橋臂 正向并聯(lián)在直流電源正負(fù)輸出端；由第二開關(guān)管和第四開關(guān)管串聯(lián)后組成的第二逆變橋臂同樣正向并聯(lián)在直流電源正負(fù)輸出端，上述第一至第四的四個(gè)開關(guān)管還各自并聯(lián)一個(gè)體二極管和一個(gè)寄生電容，箝位電路由兩個(gè)箝位二極管正向串聯(lián)組成，該箝位電路反向并聯(lián)在第一逆變橋臂兩端和第二逆變橋臂兩端，隔離變壓器副邊兩個(gè)同匝數(shù)的副邊繞組相串聯(lián)，其中一個(gè)繞組另一端的同名端連于整流及濾波電路正端，另一個(gè)副邊繞組另一端的異名端連于整流及濾波電路正端，兩個(gè)副邊繞組的串聯(lián)點(diǎn)與整流濾波電路的負(fù)端相連，其特征在于，所述隔離變壓器原邊繞組與原邊輔助繞組非同名端相連后再與諧振電感串聯(lián)形成一個(gè)串聯(lián)支路，該串聯(lián)支路兩端分別連于第一逆變橋臂的兩個(gè)開關(guān)管的串聯(lián)點(diǎn)和第二逆變橋臂的兩個(gè)開關(guān)管的串聯(lián)點(diǎn)；所述箝位電路的兩個(gè)箝位二極管的串聯(lián)點(diǎn)連接在隔離變壓器原邊繞組和原邊輔助繞組的串聯(lián)點(diǎn)上。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點(diǎn)是，由于加了箝位二極管電路，消除了因輸出整流管的反向恢復(fù)而引起的電壓振蕩和電壓尖峰，降低了輸出整流管的電壓應(yīng)力，并且消除了輸出整流管因反向恢復(fù)引起的損耗，同時(shí)，增加了變壓器的輔助繞組，可以有效地快速減小流過箝位二極管中電流，改善在輕載情況下箝位二極管的工作環(huán)境。
四

附圖1和附圖2是本發(fā)明的零電壓開關(guān)全橋直流變換器兩種實(shí)施例電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3是本發(fā)明的零電壓開關(guān)全橋直流變換器的主要工作波形示意圖。
附圖4～13是本發(fā)明的零電壓開關(guān)全橋直流變換器的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。
上述附圖中的主要符號(hào)名稱Vin、電源電壓。Q1～Q4、開關(guān)管。C1～C4、寄生電容。D1～D4、體二極管。Lr、諧振電感。Tr、隔離變壓器。n1、變壓器原邊繞組。n2、變壓器副邊繞組。n3、變壓器原邊輔助繞組。D5、D6、箝位二極管。DR1、DR2、輸出整流二極管。Lf、濾波電感。Cf、濾波電容。RLd負(fù)載。Vo、輸出電壓。vrect、變壓器副邊整流后電壓。vAB、A與B兩點(diǎn)間電壓。
具體實(shí)施例方式
附圖1和附圖2所示的是帶變壓器輔助繞組的零電壓開關(guān)全橋直流變換器的兩種電路結(jié)構(gòu)示意圖。由直流電源Vin、兩個(gè)逆變橋臂1和2、諧振電感3、箝位電路4、隔離變壓器5、整流及濾波電路6組成。Q1～Q4是四只主開關(guān)管，D1～D4分別是開關(guān)管Q1～Q4的體二極管，C1～C4分別是開關(guān)Q1～Q4的寄生電容，Lr是諧振電感，Tr是隔離變壓器，DR1和DR2是輸出整流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容，RLd為負(fù)載。本變換器采用移相控制，開關(guān)管Q1和Q3分別超前于開關(guān)管Q4和Q2一個(gè)相位，稱開關(guān)管Q1和Q3組成的第一逆變橋臂為超前橋臂，開關(guān)管Q2和Q4組成的第二逆變橋臂則為滯后橋臂。本發(fā)明的特點(diǎn)是隔離變壓器5除了原邊繞組n1和副邊繞組n2外，還在變壓器原邊額外增加了一個(gè)原邊輔助繞組n3。此原邊輔助繞組n3與原邊繞組n1以非同名端方式聯(lián)結(jié)，即兩個(gè)繞組的聯(lián)結(jié)端點(diǎn)不能是兩個(gè)繞組的同名端，也就是原邊繞組n1的同名端與原邊輔助繞組n3的異名端相聯(lián)結(jié)，或者是原邊繞組n1的異名端與原邊輔助繞組n3的同名端相聯(lián)結(jié)，兩個(gè)繞組相聯(lián)結(jié)后，原邊輔助繞組n3的另一端與諧振電感Lr的一端相連，諧振電感Lr的另一端可以連于第一逆變橋臂(1)的兩個(gè)開關(guān)管Q1與Q3的串聯(lián)點(diǎn)，如附圖1所示；也可以連于第二逆變橋臂(2)的兩個(gè)開關(guān)管Q2與Q4的串聯(lián)點(diǎn)，如附圖2所示，相應(yīng)地，原邊繞組n1的另一端可以連于第二逆變橋臂(2)的兩個(gè)開關(guān)管Q2與Q4的串聯(lián)點(diǎn)，如附圖1所示，也可以連于第一逆變橋臂(1)的兩個(gè)開關(guān)管Q1與Q3的串聯(lián)點(diǎn)，如附圖2所示。
下面以附圖1為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖3～13敘述本發(fā)明的具體工作原理。由附圖3可知整個(gè)變換器在一個(gè)開關(guān)周期有18種開關(guān)模態(tài)，分別是[t0以前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]、[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18](見附圖3)，其中，[t0以前，t9]為前半周期，[t9，t18]為后半周期。下面對(duì)各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。
在分析之前，作如下假設(shè)①所有開關(guān)管和二極管均為理想器件，整流二極管DR1和DR2除外，它等效為一個(gè)理想二極管和一個(gè)電容并聯(lián)，以用來模擬反向恢復(fù)；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件。
1.開關(guān)模態(tài)1[t0以前][對(duì)應(yīng)于附圖4]t0以前，開關(guān)管Q1和Q4導(dǎo)通，副邊整流二極管DR1導(dǎo)通，整流二極管DR2截止。
2.開關(guān)模態(tài)2[t0，t1][對(duì)應(yīng)于附圖5]t0時(shí)刻關(guān)斷開關(guān)管Q1，原邊電流ip給電容C1充電，同時(shí)給電容C3放電，A點(diǎn)電壓下降。由于有電容C1和C3，開關(guān)管Q1是零電壓關(guān)斷。結(jié)電容CDR放電，原邊電流ip和諧振電感iLr諧振下降。由于C點(diǎn)電位始終大于零，故箝位二極管D6不可能導(dǎo)通。同時(shí)由于結(jié)電容CDR2放電，副邊電壓減小，原邊電壓隨之減小，而B點(diǎn)電位箝在零，所以C點(diǎn)電位必小于輸入電壓Vin，因此箝位二極管D5也不可能導(dǎo)通。t1時(shí)刻，電容C3的電壓下降到零，即A點(diǎn)電位降為零，二極管D3導(dǎo)通。
3.開關(guān)模態(tài)3[t1，t2][對(duì)應(yīng)于附圖6]二極管D3導(dǎo)通后，可以零電壓開通開關(guān)管Q3。A點(diǎn)電位降為零時(shí)，C點(diǎn)電壓還沒有下降到零，此時(shí)整流二極管DR2的結(jié)電容CDR2繼續(xù)放電，諧振電感電流iLr和原邊電流ip繼續(xù)下降。t2時(shí)刻，整流二極管DR2的結(jié)電容CDR2放電結(jié)束，二極管DR2導(dǎo)通，C點(diǎn)電壓下降到零。
4.開關(guān)模態(tài)4[t2，t3][對(duì)應(yīng)于附圖7]整流二極管DR1和DR2同時(shí)導(dǎo)通，將變壓器原副邊電壓箝在零位，此時(shí)A、B、C三點(diǎn)電位均為零，諧振電感電流iLr與原邊電流ip相等，處于自然續(xù)流狀態(tài)，并且一直保持不變。
5.開關(guān)模態(tài)5[t3，t4][對(duì)應(yīng)于附圖8]t3時(shí)刻關(guān)斷開關(guān)管Q4，電流iLr給電容C4充電，同時(shí)給電容C2放電。由于電容C2和C4的存在，開關(guān)管Q4是零電壓關(guān)斷。由于整流二極管DR1和DR2都導(dǎo)通，因此變壓器原副邊電壓均為零，電壓vAB直接加在諧振電感Lr上，因此，在這段時(shí)間里，實(shí)際上諧振電感Lr和結(jié)電容C2、C4在諧振工作。到t4時(shí)刻，電容C4的電壓上升至Vin，電容C2的電壓下降到零，二極管D2自然導(dǎo)通。
6.開關(guān)模態(tài)6[t4，t5][對(duì)應(yīng)于附圖9]
二極管D2導(dǎo)通后，可以零電壓開通開關(guān)管Q2。此時(shí)原邊電流ip不足以提供負(fù)載電流，整流二極管DR1和DR2同時(shí)導(dǎo)通，變壓器原副邊電壓均為零，因此Vin全部加在諧振電感Lr兩端，諧振電感電流iLr等于原邊電流ip，兩者線性下降。
7.開關(guān)模態(tài)7[t5，t6][對(duì)應(yīng)于附圖10]到t5時(shí)刻，諧振電感電流iLr與原邊電流ip都下降為零，并且負(fù)方向增加，原邊電流ip反向后由開關(guān)管Q2和Q3提供通路，負(fù)載電流仍由兩個(gè)整流二極管提供回路，變壓器原副邊電壓依舊為零。直到t6時(shí)刻，原邊電流ip達(dá)到折算至原邊的負(fù)載電流，整流二極管DR1關(guān)斷。
8.開關(guān)模態(tài)8[t6，t7][對(duì)應(yīng)于附圖11]在t6時(shí)刻，諧振電感Lr與整流二極管結(jié)電容CDR1諧振工作，給整流二極管DR1的結(jié)電容CDR1充電，原邊電流ip和諧振電感電流iLr繼續(xù)增加。
在這段時(shí)間中，B點(diǎn)電壓固定在Vin，而變壓器原邊繞組電壓vBC由于整流二極管結(jié)電容CDR1的充電也同時(shí)上升，故C點(diǎn)電位一直在下降。到t7時(shí)刻，整流二極管結(jié)電容CDR1的電壓上升到2Vin·n2/n1，此時(shí)C點(diǎn)電壓下降至零，箝位二極管D6導(dǎo)通，將電壓vBC箝在電壓Vin，因此整流二極管結(jié)電容CDR1的電壓被箝在2Vin·n2/n1。
9.開關(guān)模態(tài)9[t7，t8][對(duì)應(yīng)于附圖12]當(dāng)箝位二極管D6導(dǎo)通后，原邊電流ip階躍下降到折算到原邊的濾波電感電流，并負(fù)向增加。此時(shí)輔助繞組上電壓為Vin·n3/n1，電壓方向?yàn)樽筘?fù)右正，即C點(diǎn)電位高，由于C點(diǎn)電壓為零，因此諧振電感上承受一個(gè)左正右負(fù)的電壓，大小為Vin·n3/n1，因此諧振電感電流iLr快速減小。它與原邊電流ip的差值從箝位二極管D6中流過。到t8時(shí)刻，電流ip和iLr相等，該模態(tài)結(jié)束，箝位二極管D6關(guān)斷。
10.開關(guān)模態(tài)10[t8，t9][對(duì)應(yīng)于附圖13]箝位二極管D6關(guān)斷，C點(diǎn)電位上升，電壓vBC下降，變壓器副邊整流電壓vrect相應(yīng)下降，當(dāng)降為Vin·n2/(n1+n3)時(shí)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，原邊給副邊提供能量，原邊電流ip與諧振電感電流iLr相等。
變壓器與諧振電感互換位置的工作原理與上述基本相同，最后得到的效果亦基本相同，因此不再多述。
由以上描述可知，本發(fā)明提出的帶變壓器輔助繞組的零電壓開關(guān)全橋直流變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)箝位二極管可以有效地消除了輸出整流管上的電壓尖峰和電壓振蕩，降低輸出整流管的電壓應(yīng)力。
由于增加了變壓器輔助繞組，可以有效地快速減小流過箝位二極管中電流，提高變換效率。
改善箝位二極管在輕載情況下的工作條件。
可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種零電壓開關(guān)全橋直流變換器，包括直流電源(Vin)、第一逆變橋臂(1)和第二逆變橋臂(2)、諧振電感(3)、箝位電路(4)、隔離變壓器(5)、整流及濾波電路(6)，其中由第一開關(guān)管(Q1)和第三開關(guān)管(Q3)串聯(lián)后組成的第一逆變橋臂(1)正向并聯(lián)在直流電源(Vin)正負(fù)輸出端；由第二開關(guān)管(Q2)和第四開關(guān)管(Q4)串聯(lián)后組成的第二逆變橋臂(2)同樣正向并聯(lián)在直流電源(Vin)正負(fù)輸出端，上述第一至第四的四個(gè)開關(guān)管(Q1、Q2、Q3、Q4)還各自并聯(lián)一個(gè)體二極管和一個(gè)寄生電容，箝位電路(4)由兩個(gè)箝位二極管(D5、D6)正向串聯(lián)組成，該箝位電路(4)反向并聯(lián)在第一逆變橋臂(1)兩端和第二逆變橋臂(2)兩端，隔離變壓器(5)副邊兩個(gè)同匝數(shù)的副邊繞組相串聯(lián)，其中一個(gè)繞組另一端的同名端連于整流及濾波電路(6)正端，另一個(gè)副邊繞組另一端的異名端連于整流及濾波電路(6)正端，兩個(gè)副邊繞組的串聯(lián)點(diǎn)與整流濾波電路(6)的負(fù)端相連，其特征在于，所述隔離變壓器(5)原邊繞組(n1)與原邊輔助繞組(n3)非同名端相連后再與諧振電感(3)串聯(lián)形成一個(gè)串聯(lián)支路，該串聯(lián)支路兩端分別連于第一逆變橋臂(1)的兩個(gè)開關(guān)管(Q1、Q3)的串聯(lián)點(diǎn)(A)和第二逆變橋臂(2)的兩個(gè)開關(guān)管(Q2、Q4)的串聯(lián)點(diǎn)(B)，所述箝位電路(4)的兩個(gè)箝位二極管(D5、D6)的串聯(lián)點(diǎn)連接在隔離變壓器(5)原邊繞組(n1)和原邊輔助繞組(n3)的串聯(lián)點(diǎn)(C)上。
全文摘要
一種零電壓開關(guān)全橋直流變換器，屬電能變換裝置的直流變換器，該直流變換器包括直流電源(V
文檔編號(hào)H02M7/5387GK1937381SQ200610096758
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者阮新波, 陳武 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)