專利名稱:采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種零電壓開關直流變換器,特別是一種零電壓開關全橋 直流變換器,屬于電能變換裝置中的直流變換器。
背景技術:
目前很多標準都從節(jié)能的角度對電源效率提出了嚴格的要求,希望變 換器在整個負載范圍內(nèi),尤其是在輕載時仍可以高效工作。移相控制零電
壓開關(Zero-Voltage-Switching,簡稱ZVS)全橋變換器利用變壓器的漏感和 開關管的結電容實現(xiàn)了開關管的ZVS,廣泛應用于中大功率的場合。由于 變壓器漏感一般較小,在輕載時其能量不足以實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS,此時 變換器效率較低。
為了在輕載時實現(xiàn)滯后橋臂的ZVS,可以增加變壓器漏感或者串聯(lián)諧 振電感,但會增加次級有效占空比的丟失,使變壓器匝比減少而導致開關 管電流應力和整流二極管電壓應力增加。采用飽和電感可以增加滯后橋臂 ZVS的實現(xiàn)范圍,但是飽和電感損耗較大。為了減小漏感或串聯(lián)諧振電感, 提高次級有效占空比,加入輔助網(wǎng)絡成為一種趨勢。有文獻在全橋變換器 中增加了一個無源輔助網(wǎng)絡,利用輔助電感電流幫助滯后橋臂實現(xiàn)ZVS, 但是輔助電感電流恒定不變,滿載時,諧振電感中存儲的能量已經(jīng)可以實 現(xiàn)滯后橋臂的ZVS,輔助能量是存在一定損耗的。
以上的各種方法在不同的程度上實現(xiàn)了滯后橋臂的zvs,但是它們存 在一個共同的問題,即實現(xiàn)滯后橋臂zvs的輔助能量基本不變且和負載電 流無關。滿載時,諧振電感中儲存的能量已經(jīng)可以實現(xiàn)滯后橋臂的zvs,
輔助能量是存在一定損耗的,從而降低了效率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述變換器的缺陷,設計一種能在較寬負載范
圍內(nèi)實現(xiàn)了滯后橋臂開關管的zvs,還可以在較寬的負載范圍里實現(xiàn)高的
變換效率的采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器。本發(fā)明的采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器,包括直流
電源^、第一逆變橋臂1和第二逆變橋臂2、諧振電感3、隔離變壓器4、 輔助電感5、分壓電容電路6、整流及濾波電路7,其中由第一開關管^ 和第三開關管込串聯(lián)后組成的第一逆變橋臂1正向并聯(lián)在直流電源K力正 負輸出端;由第二開關管込和第四開關管"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^正負輸出端,上述第一至第四的四個開關管
G、込、込、"還各自并聯(lián)一個體二極管和一個寄生電容,分壓電容電路 6由兩個電容Cd、d正向串聯(lián)組成,正向并聯(lián)在直流電源^正負輸出端, 隔離變壓器4副邊兩個同匝數(shù)的副邊繞組相串聯(lián),其中一個繞組另一端的 同名端連于整流及濾波電路7正端,另一個副邊繞組另一端的異名端連于 整流及濾波電路7正端,兩個副邊繞組的串聯(lián)點與整流及濾波電路7的負 端相連,其特征在于增設一個原邊輔助繞組(N3),該原邊輔助繞組(N3) 與輔助電感(5)和分壓電容電路(6)組成無源輔助網(wǎng)絡,所述原邊繞組(^)與 原邊輔助繞組(^3)同名端相連后再連于第二逆變橋臂(2)的兩個開關管(^2、 ")的串聯(lián)點(B),原邊輔助繞組(A^另一端連于輔助電感(5)—端,輔助電感 (5)的另一端連于分壓電容電路(6)的兩個電容(d、 C。2)的串聯(lián)點(C),原邊 繞組(M)另一端連于諧振電感(3)—端,諧振電感(3)的另 一端連于第一逆變 橋臂(1)的兩個開關管(G、込)的串聯(lián)點(A)上。
所述隔離變壓器(4)原邊繞組(M)與原邊輔助繞組(iV3)的匝比關系為 iV:A^2:l。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的主要技術特點是,由于增加了由原邊輔助繞 組(N3)與輔助電感(5)和分壓電容電路(6)組成無源輔助網(wǎng)絡,該直流變 換器不僅實現(xiàn)了開關管的零電壓開關,且為滯后橋臂開關管實現(xiàn)零電壓開 關提供的能量與負載電流相關,負載較重時,輔助電感中存儲的能量較少, 隨著負載的減輕,輔助電感中存儲的能量逐漸增加。因此一方面可以減小 在負載較重時由輔助網(wǎng)絡帶來的損耗,另一方面在負載較輕時可以實現(xiàn)滯后橋臂開關管的zvs。能在較寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了滯后橋臂開關管的zvs,
還可以在較寬的負載范圍里實現(xiàn)高的變換效率。
附圖1是本發(fā)明的采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器的 實施例電路結構示意圖。
附圖2是本發(fā)明的采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器的 主要工作波形示意圖。
附圖3 8是本發(fā)明的采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器 的等效電路結構示意圖。
上述附圖中的主要符號名稱K力、電源電壓。Q 込、開關管。d
C4、寄生電容。A A、體二極管。A、諧振電感。r"隔離變壓器。M、
變壓器原邊繞組。AT2、變壓器副邊繞組。7V3、變壓器原邊輔助繞組。L。、 輔助電感。C。i C。2、分壓電容。An、 A 2、輸出整流二極管。々、濾波電 感。C,、濾波電容。Aw、負載。F。、輸出電壓。ivert、變壓器副邊整流后 電壓。v^、爿與5兩點間電壓。
具體實施例方式
附圖1所示的是采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器的電 路結構示意圖。由直流電源J^、兩個逆變橋臂1和2、諧振電感3、隔離 變壓器4、輔助電感5、分壓電容6、整流及濾波電路7組成。G "是四 只主開關管,A Z)4分別是開關管^ "的體二極管,d Ct分別是開 關& "的寄生電容,A是諧振電感,j;是隔離變壓器,^是輔助電感,
d和C。2是兩個分壓電容,Z^和Z)w2是輸出整流二極管,丄/是輸出濾波電
感,C/是輸出濾波電容,i w為負載。本變換器采用移相控制,開關管^ 和込分別超前于開關管^和込一個相位,稱開關管^和込組成的第一 逆變橋臂為超前橋臂,開關管込和^組成的第二逆變橋臂則為滯后橋臂。 本發(fā)明的特點是隔離變壓器4除了原邊繞組M和副邊繞組7V2外,還在變 壓器原邊額外增加了一個原邊輔助繞組7V3,且原邊繞組M與原邊輔助繞 組AT3的匝比關系為W1:iV3=2:l 。此原邊輔助繞組7V3與原邊繞組M以同名端 方式聯(lián)結,即兩個繞組的聯(lián)結端點是兩個繞組的同名端,也就是原邊繞組M的同名端與原邊輔助繞組M的同名端相聯(lián)結,或者是原邊繞組M的異
名端與原邊輔助繞組7V3的異名端相聯(lián)結,其聯(lián)結端點為第二逆變橋臂2的
兩個開關管02與込的串聯(lián)點。原邊輔助繞組M的另一端與輔助電感Z^ 的一端相連,輔助電感丄。的另一端相連分壓電容電路6的兩個電容Cal與 C。2的串聯(lián)點C,原邊繞組M的另一端與諧振電感^的一端相連,諧振電 感A的另一端可以連于第一逆變橋臂(1)的兩個開關管^與込的串聯(lián)點。
下面以附圖1為主電路結構,結合附圖2 8敘述本發(fā)明的具體工作原 理。由附圖2可知整個變換器在一個開關周期有12種開關模態(tài),分別是[A)
以前]、[f。, ?1〗、[A, 6]、 [6, 6]、 [6, "]、 [", G]、 [ 5, ,6〗、|>6, t7]、 |>7, &]、 [", "]、 1>9, AO]、 l>1Q, ^](見附圖2),其中,[fo以前,?5]為前半周期,
fn]為后半周期。下面對各開關模態(tài)的工作情況進行具體分析。 在分析之前,作如下假設①所有開關管和二極管均為理想器件;② 所有電感、電容和變壓器均為理想元件;③分壓電容d和C。2很大,可看
作一個恒壓源,即J^產(chǎn)^aff^/2。
1. 開關模態(tài)1 [A)以前][對應于附圖3]
fo以前,^和"導通,Z)w導通,A 2截止,電源向負載傳遞功率。此
時由變壓器匝比關系可得輔助電感兩端電壓為零,輔助電感電流/。處于續(xù)
流狀態(tài),方向與正參考方向相反,幅值為/。。由安匝平衡關系AVzp = iV3./。+A^/。可得變壓器原邊電流^為4^+/。/2,流經(jīng)0的電流與Zp相同, 也為V《+V2,而流經(jīng)g4的電流V^/。/2。
2. 開關模態(tài)2[&, A][對應于附圖4〗
A)時刻關斷&, /p給G充電,給C3放電,^點電壓下降。由于有C, 和G, ^是零電壓關斷。開關模態(tài)2持續(xù)時間很短,因此可以認為輔助電 感電流近似不變,仍為-/。,則變壓器原邊電流近似不變,為/V^f/a/2???見,相比于基本全橋變換器,本文提出的全橋變換器的超前橋臂開關管更容 易實現(xiàn)ZVS。 ^時亥ij, C,的電壓上升到F, , C3的電壓下降到零,/)3自然 導通,從而結束此開關模態(tài)。
3. 開關模態(tài)3 [A, f2][對應于附圖5]
A導通后,此時可以零電壓開通込。此時變壓器原邊繞組電壓為零,因此輔助繞組電壓也為零,加在輔助電感兩端的電壓為K>/2,因此輔助電 感電流反方向增加。
4. 開關模態(tài)4 [f2, f3][對應于附圖6]
6時刻關斷g4, Zp和/。共同給C4充電,給Q放電。由于C2和C4的存
在,^是零電壓關斷,當A點電位上升到PV2時,Z。兩端的電壓為零,
此時/。達到正的最大值/。, /3時刻,CV的電壓上升到^, G的電壓下降到 零。在這段時間內(nèi),T^極性自零變負,從而使Af2導通。整流管Z^和I^ 同時導通,將變壓器副邊繞組短接,這樣變壓器副邊電壓為零,原邊繞組 電壓也為零,因此v^全部加在4上,也就是說,這段時間里,實際上丄r 和G、 C4在諧振工作,這段時間很短,可以認為輔助電感電流保持不變。
5. 開關模態(tài)5 [f3,"][對應于附圖7]
在6時刻,C2的電壓下降到零,D2自然導通,將込的電壓箝在零位, 此時可以零電壓開通込。由于副邊兩只整流管同時導通,因此變壓器副邊 繞組電壓為零,原邊繞組電壓也為零,此時^全部加在^兩端,使^線 性下降,A時亥lj, Zp下降到零,二極管D2和A自然關斷,込和込中將流 過電流。此模態(tài)中,^兩端的電壓為^與Fc。2之差,即丄。兩端的電壓為 -^/2,該電壓將使Z。減小,由于該模態(tài)持續(xù)時間較短,Z'。下降較小。
6. 開關模態(tài)6 A, b][對應于附圖8]
在"時刻,Zp由正值過零,并且向負方向增加,此時込和込為原邊
電流提供通路,由于原邊電流仍不足以提供負載電流,負載電流仍由兩只 整流管提供回路,因此原邊繞組電壓仍然為零,加在4兩端電壓仍是K",
^反向線性增加,^時亥lj, ^增加到-(/0/《+/。/2),此時,^已增加到可以提供 副邊負載電流,則Z)w關斷,A^2流過全部負載電流,該開關模態(tài)結束。/5 時刻之后,電源向負載傳遞功率,開始后半周期的工作,其工作情況與前 半周期類似,因此不再多述。
由以上描述可知,本發(fā)明提出的采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器具有如下優(yōu)點
① 無源輔助網(wǎng)絡結構簡單,不需要任何主控器件;載輕時輔助網(wǎng)絡中 存儲的能量可以幫助滯后橋臂開關管實現(xiàn)零電壓開關,實現(xiàn)零電壓 開關的負載范圍寬。
② 由于增加了無源輔助網(wǎng)絡,可以采用較小的諧振電感值就可以寬負 載范圍內(nèi)實現(xiàn)滯后橋臂開關管的ZVS,因此副邊占空比丟失較少, 可以優(yōu)化變壓器匝比的設計。
③ 可以實現(xiàn)開關管的零電壓開關。
權利要求
1、一種采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器,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)、隔離變壓器(4)、輔助電感(5)、分壓電容電路(6)、整流及濾波電路(7),其中,由第一開關管(Q1)和第三開關管(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)正負輸出端;由第二開關管(Q2)和第四開關管(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)正負輸出端,上述第一至第四的四個開關管(Q1、Q2、Q3、Q4)還各自并聯(lián)一個體二極管和一個寄生電容,分壓電容電路(6)由兩個電容(Ca1、Ca1)正向串聯(lián)組成,正向并聯(lián)在直流電源(Vin)正負輸出端,隔離變壓器(4)副邊兩個同匝數(shù)的副邊繞組相串聯(lián),其中一個繞組另一端的同名端連于整流及濾波電路(7)正端,另一個副邊繞組另一端的異名端連于整流及濾波電路(7)正端,兩個副邊繞組的串聯(lián)點與整流及濾波電路(7)的負端相連,其特征在于增設一個原邊輔助繞組(N3),該原邊輔助繞組(N3)與輔助電感(5)和分壓電容電路(6)組成無源輔助網(wǎng)絡,所述原邊繞組(N1)與原邊輔助繞組(N3)同名端相連后再連于第二逆變橋臂(2)的兩個開關管(Q2、Q4)的串聯(lián)點(B),原邊輔助繞組(N3)另一端連于輔助電感(5)一端,輔助電感(5)的另一端連于分壓電容電路(6)的兩個電容(Ca1、Ca2)的串聯(lián)點(C),原邊繞組(N1)另一端連于諧振電感(3)一端,諧振電感(3)的另一端連于第一逆變橋臂(1)的兩個開關管(Q1、Q3)的串聯(lián)點(A)上。
2、 如權利要求1所述的采用無源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換 器,其特征在于所述隔離變壓器(4)原邊繞組(M)與原邊輔助繞組(iV3)的匝比 關系為凡:^3=2:1。
全文摘要
本發(fā)明的采用無源源輔助網(wǎng)絡的零電壓開關全橋直流變換器,其結構包括直流電源(V<sub>in</sub>)、第一逆變橋臂(1)和第二逆變橋臂(2)、諧振電感(3)、隔離變壓器(4)、輔助電感(5)、分壓電容電路(6)、整流及濾波電路(7),還包括一個原邊輔助繞組(N<sub>3</sub>),原邊輔助繞組(N<sub>3</sub>)、輔助電感(5)以及分壓電容電路(6)組成無源輔助網(wǎng)絡。該直流變換器不僅實現(xiàn)了開關管的零電壓開關,且為滯后橋臂開關管實現(xiàn)零電壓開關提供的能量與負載電流相關,負載較重時,輔助電感中存儲的能量較少,隨著負載的減輕,輔助電感中存儲的能量逐漸增加。因此一方面可以減小在負載較重時由輔助網(wǎng)絡帶來的損耗,另一方面在負載較輕時可以實現(xiàn)滯后橋臂開關管的ZVS。
文檔編號H02M3/24GK101604917SQ20091003361
公開日2009年12月16日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權日2009年6月24日
發(fā)明者阮新波, 武 陳 申請人:南京航空航天大學