專利名稱：一種全橋軟開關(guān)直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及是一種全橋軟開關(guān)高效率電能變換裝置，特別是一種應(yīng)用于低輸出電壓、高輸出電流場合的中、小功率直流變換器。
背景技術(shù)：
為了減小開關(guān)變換器的體積，開關(guān)電源高頻化趨勢越來越明顯。然而，開關(guān)速度提高后功率開關(guān)管器件的損耗急劇上升，不僅帶來EMI及熱應(yīng)力等問題，還會(huì)降低變換器本身的可靠性。為了要提高開關(guān)頻率及減少開關(guān)損耗，ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。傳統(tǒng)的移相全橋變換器軟開關(guān)技術(shù)需要增加額外的諧振電感或諧振電容，但是這種方法不僅會(huì)增加變換器的體積和復(fù)雜性，且功率器件的應(yīng)力也急劇上升，具有占空比丟失嚴(yán)重等缺點(diǎn)；不對稱全橋、LLC變換器的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件較苛刻，不適用輸入工作電壓較寬的場合。為了實(shí)現(xiàn)對開關(guān)變換器的高效率、 高可靠性和低EMI，就必然對傳統(tǒng)硬開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，使ZVS、ZCS軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件更簡單、更可靠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對低輸出電壓、高輸出電流應(yīng)用場合，提出了 ZVS 實(shí)現(xiàn)范圍寬的一種利用同步整流驅(qū)動(dòng)信號鎖存漏感能量全橋軟開關(guān)直流變換器。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案
一種全橋軟開關(guān)直流變換器，包括變壓器原邊電路、變壓器副邊電路，所述原邊電路包括輸入電源，第一至第四開關(guān)管、隔離變壓器原邊繞組；其中所述第一開關(guān)管和第三開關(guān)管、第二開關(guān)管和第四開關(guān)管分別組成兩個(gè)半橋電路，兩個(gè)半橋電路的兩端分別與輸入電源的正極、負(fù)極連接，所述隔離變壓器原邊繞組的兩端分別連接兩個(gè)半橋電路的中點(diǎn)；所述兩個(gè)半橋電路的兩個(gè)橋臂之間依次串接第一、第二鉗位開關(guān)管。優(yōu)選的，本發(fā)明的全橋軟開關(guān)直流變換器，第一至第四開關(guān)管、第一至第二鉗位開關(guān)管均包括其寄生二極管、寄生電容。優(yōu)選的，本發(fā)明的全橋軟開關(guān)直流變換器，副邊電路包括隔離變壓器副邊繞組、第一至第二同步整流開關(guān)管、輸出電感、輸出濾波電容，負(fù)載構(gòu)成；其中隔離變壓器副邊繞組的一端與第一同步整流開關(guān)管的源極連接，第一同步整流開關(guān)管的漏極分別與輸出電感的一端、第二同步整流開關(guān)管的漏極連接，第二同步整流開關(guān)管的源極與隔離變壓器副邊繞組的另一端連接；所述輸出電感的另一端分別與輸出濾波電容的一端、負(fù)載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負(fù)載的另一端分別與隔離變壓器副邊繞組的中點(diǎn)連接。優(yōu)選的，本發(fā)明的全橋軟開關(guān)直流變換器，第一、第二同步整流開關(guān)管均包括其寄生二極管、寄生電容。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果
本發(fā)明的全橋軟開關(guān)直流變換器具有ZVS實(shí)現(xiàn)可靠且范圍寬、占空比丟失低的優(yōu)點(diǎn)。增加的輔助開關(guān)管工作在ZCS條件下，且其驅(qū)動(dòng)信號與副邊的同步整流開關(guān)管信號一致， 電路實(shí)現(xiàn)較簡單。該實(shí)施方案無需增加額外的諧振電感，ZVS實(shí)現(xiàn)條件不依賴于輸入電壓和負(fù)載電流等外部變量，有利于變換器實(shí)現(xiàn)高功率密度、高效率。特別是，在每個(gè)開關(guān)周期， 隔離變壓器的漏感能量被收集起來并在死區(qū)時(shí)間釋放能量，克服了傳統(tǒng)全橋變換器原邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓振蕩尖峰，提高了變換器的可靠性。本發(fā)明通過在隔離變壓器原邊增加兩個(gè)輔助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS，同時(shí)輔助管的驅(qū)動(dòng)信號直接采用副邊同步整流驅(qū)動(dòng)信號，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、ZVS實(shí)現(xiàn)條件可靠的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的全橋軟開關(guān)直流變換器原理圖。圖2是本發(fā)明實(shí)例的全橋軟開關(guān)直流變換器的主要波形示意圖。圖3-5是本發(fā)明實(shí)例的全橋軟開關(guān)直流變換器各開關(guān)模態(tài)等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。 其中圖3是[tQ，tJ模態(tài)，圖4是[ti; t2]模態(tài)，圖5是[t2，t3]模態(tài)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明
如圖1所示，全橋軟開關(guān)直流變換器由輸入電源Vin，開關(guān)管Q1-Q4，隔離變壓器TXl，輔助開關(guān)管Q5-Q6、副邊同步整流開關(guān)管Q7-Q8、輸出電感Li、輸出濾波電容Cl，負(fù)載Rl構(gòu)成。 輔助開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形與副邊同步整流開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號一致，為占空比為近似50%的互補(bǔ)方波信號，輔助開關(guān)管之間插入死區(qū)以防止共通。圖1中的DQ5、CQ5為開關(guān)管Q5的寄生二極管和寄生電容，DQ6、CQ6為開關(guān)管Q6寄生二極管和寄生電容。需要指出的是開關(guān)管Q1-Q4 中存在相同的寄生參數(shù)，為簡化描述圖中未示出。如圖2所示，其給出了本發(fā)明實(shí)例的全橋軟開關(guān)直流變換器的時(shí)序和主要波形示意圖。圖2從上至下波形分別為全橋中開關(guān)管Ql、Q4的驅(qū)動(dòng)波形；全橋中開關(guān)管Q2、Q3 的驅(qū)動(dòng)波形；輔助開關(guān)管Q5和同步整流管Q7的驅(qū)動(dòng)波形；流過寄生二極管Dq6和輔助開關(guān)管Q5中的電流波形；輔助開關(guān)管Q6和同步整流管Q8的驅(qū)動(dòng)波形；流過寄生二極管Dq5和輔助開關(guān)管Q6中的電流波形；隔離變壓器原邊電流ip ；同步整流開關(guān)管Q7電流波形；同步整流開關(guān)管Q8電流波形；輸出電感電流波形I。由圖2可知，輔助雙管有源鉗位全橋軟開關(guān)直流變換器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可主要分為6種開關(guān)模式，分別為[t0, tj、[ti; t2]、[t2， t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]，其中[t0，t3]為前半周期，[t3，t6]為后半周期。以下簡要介紹各工作模態(tài)時(shí)變換器的工作原理。[tQ，tj 模態(tài)(參考圖 3)
在、時(shí)刻之前的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，漏感與開關(guān)管Q1-Q4和輔助開關(guān)管Q6中的結(jié)電容諧振， 鎖存在輔助橋臂中的漏感能量釋放并與結(jié)電容能量交換。通過設(shè)計(jì)合適的漏感，在圖2中的、時(shí)刻，全橋開關(guān)管Q1、Q4和輔助開關(guān)管Q5的DS兩端電壓可諧振為0，因此全橋開關(guān)管 Ql和Q4可實(shí)現(xiàn)ZVS開通。在、時(shí)刻，由于Dq6 二極管阻斷，此時(shí)輔助開關(guān)管Q5導(dǎo)通并沒有電流流過，同時(shí)由于輔助開關(guān)管Q5兩端的DS電壓為0，因此Q5為ZVZCS (零電壓零電流開關(guān))開通。全橋變換器中開關(guān)管Q1、Q4和同步整流開關(guān)管Q7導(dǎo)通，隔離變壓器激磁電流線性增加，輸出電感iu儲(chǔ)存能量電流線性上升。變壓器中原邊電流ip由激磁電感電流和輸出電感iu折算到原邊電流兩部分疊加組成，電源為負(fù)載供電。[t1; t2]模態(tài)(參考圖 4)
全橋變換器的輸出電壓達(dá)到期望的V。ut，全橋變換器的主開關(guān)管Ql和Q4關(guān)閉。由于原邊變壓器中流過的電流不足以提供輸出電感iu所需電流，同步整流開關(guān)管Q7和同步整流開關(guān)管Q8中的體二極管同時(shí)導(dǎo)通提供負(fù)載電流，隔離變壓器被短路。由于輔助開關(guān)管Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)，變壓器原邊電流流經(jīng)由寄生二極管DQ6、Q5和變壓器原邊繞組兩端構(gòu)成的輔助橋臂環(huán)路，變壓器的漏感能量被鎖存在輔助橋臂中。輸出電感、儲(chǔ)存能量經(jīng)過同步整流開關(guān)管Q7和同步整流開關(guān)管Q8中的體二極管釋放到輸出端，電感電流iu在輸出電壓的作用下線性下降。由圖2可知，在[t1; t2]模態(tài)期間流過變壓器原邊的電流變化很小，電流下降的原因是部分漏感能量被輔助橋臂內(nèi)的阻抗所消耗。由于漏感的能量被輔助橋臂所鎖存， 全橋開關(guān)管Q1、Q4在關(guān)閉時(shí)兩端將不會(huì)出現(xiàn)顯著的電壓振蕩尖峰，實(shí)現(xiàn)了低EMI，開關(guān)管的可靠性也得到提高。[t2，t3]模態(tài)(參考圖 5)
全橋變換器中開關(guān)管Q1-Q4、輔助開關(guān)管Q5-Q6、副邊同步整流開關(guān)管Q7-Q8都處于關(guān)閉狀態(tài)。在這期間鎖存在輔助橋臂中的漏感能量釋放并與開關(guān)管結(jié)電容能量交換。隔離變壓器原邊電流在漏感和開關(guān)管結(jié)電容諧振影響下下降，因這段死區(qū)時(shí)間較短，原邊電流也可近似認(rèn)為不變化。通過設(shè)計(jì)合適的漏感，在圖2中的t3時(shí)刻，全橋開關(guān)管Q2、Q3和輔助開關(guān)管Q6的DS電壓可諧振為0，原邊電流流過Q2、Q3的寄生體二極管中向電源饋電，因此在t3時(shí)刻開關(guān)管Q2、Q3和Q6可實(shí)現(xiàn)ZVS開通。在該模態(tài)期間，原邊輸入電流依然不足以提供輸出電感iu所需電流，同步整流開關(guān)管Q7-Q8中的寄生體二極管同時(shí)導(dǎo)通流過電流， 隔離變壓器依舊被短路。后半周期[t3，t6]的開關(guān)工作模態(tài)和前半周期[、，t3]是相同的，不再分析。由以上分析可知，我們通過利用同步整流開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號控制輔助開關(guān)管 Q5-Q6的工作時(shí)刻，將全橋變壓器的漏感能量鎖存并在死區(qū)時(shí)刻釋放，同時(shí)輔助開關(guān)管工作在ZVZCS狀態(tài)。由于死區(qū)時(shí)間較小，相對于傳統(tǒng)的全橋變換器軟開關(guān)技術(shù)，該方法不僅可以使主開關(guān)管Q1-Q4很容易實(shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)，而且ZVS軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)范圍較寬，與負(fù)載和輸入電壓的關(guān)聯(lián)性不高。通過這樣的設(shè)計(jì)，就可以極大的降低全橋變換器中功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高了變換器的效率，且工作在ZVZCS狀態(tài)下的輔助開關(guān)管開關(guān)損耗也較低。且該方法由于克服了傳統(tǒng)全橋變換器原邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓振蕩尖峰，變換器的可靠性也大大提高。本發(fā)明實(shí)例的具體參數(shù)如下輸入電壓為36VDC-75VDC ；輸出電壓12VDC ；輸出電流15A ；變壓器匝比為2 1 ；輸出濾波電感Ll為15 μ H ；輸出濾波電容Cl為200 μ F ；全橋主開關(guān)管、輔助開關(guān)管、副邊同步整流開關(guān)管均為IPBlOSm5N3G，其控制芯片為ISL6753，設(shè)定的開關(guān)頻率為100kHz，死區(qū)時(shí)間為500nS。綜上所述，本發(fā)明的一種全橋軟開關(guān)直流變換器，通過利用副邊同步整流驅(qū)動(dòng)信號控制全橋變換器的兩個(gè)輔助開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻，可將收集到的原邊變壓器漏感能量在死區(qū)時(shí)間內(nèi)釋放，實(shí)現(xiàn)全橋變換器主開關(guān)管的ZVS (零電壓開關(guān))軟開關(guān)。通過輔助開關(guān)管方式實(shí)現(xiàn)的全橋軟開關(guān)直流變換器主開關(guān)管ZVS條件受輸入電壓和負(fù)載變化的影響較小，可以在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，提升了變換器的效率。同時(shí)，全橋變換器的原邊主開關(guān)管上不會(huì)產(chǎn)生由于其關(guān)閉造成漏感和結(jié)電容間的振蕩引起的諧振尖峰，全橋開關(guān)管可選擇較低的耐壓值，降低了成本，提高了變換器的可靠性。此外，由于全橋變換器容易在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)，副邊采用同步整流技術(shù)，因此EMI干擾低、效率高。
權(quán)利要求
1.一種全橋軟開關(guān)直流變換器，包括變壓器原邊電路、變壓器副邊電路，其特征在于 所述原邊電路包括輸入電源，第一至第四開關(guān)管、隔離變壓器原邊繞組；其中所述第一開關(guān)管和第三開關(guān)管、第二開關(guān)管和第四開關(guān)管分別組成兩個(gè)半橋電路，兩個(gè)半橋電路的兩端分別與輸入電源的正極、負(fù)極連接，所述隔離變壓器原邊繞組的兩端分別連接兩個(gè)半橋電路的中點(diǎn)；所述兩個(gè)半橋電路的兩個(gè)橋臂之間依次串接第一、第二鉗位開關(guān)管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全橋軟開關(guān)直流變換器，其特征在于所述第一至第四開關(guān)管、第一至第二鉗位開關(guān)管均包括其寄生二極管、寄生電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全橋軟開關(guān)直流變換器，其特征在于所述副邊電路包括隔離變壓器副邊繞組、第一至第二同步整流開關(guān)管、輸出電感、輸出濾波電容，負(fù)載構(gòu)成；其中隔離變壓器副邊繞組的一端與第一同步整流開關(guān)管的源極連接，第一同步整流開關(guān)管的漏極分別與輸出電感的一端、第二同步整流開關(guān)管的漏極連接，第二同步整流開關(guān)管的源極與隔離變壓器副邊繞組的另一端連接；所述輸出電感的另一端分別與輸出濾波電容的一端、負(fù)載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負(fù)載的另一端分別與隔離變壓器副邊繞組的中點(diǎn)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全橋軟開關(guān)直流變換器，其特征在于所述第一、第二同步整流開關(guān)管均包括其寄生二極管、寄生電容。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全橋軟開關(guān)直流變換器，包括變壓器原邊電路、變壓器副邊電路，原邊電路包括輸入電源，第一至第四開關(guān)管、隔離變壓器原邊繞組；其中所述第一開關(guān)管和第三開關(guān)管、第二開關(guān)管和第四開關(guān)管分別組成兩個(gè)半橋電路，兩個(gè)半橋電路的兩端分別與輸入電源的正極、負(fù)極連接，所述隔離變壓器原邊繞組的兩端分別連接兩個(gè)半橋電路的中點(diǎn)；所述兩個(gè)半橋電路的兩個(gè)橋臂之間依次串接第一、第二鉗位開關(guān)管。本發(fā)明通過利用副邊同步整流驅(qū)動(dòng)信號控制全橋變換器的兩個(gè)輔助開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻，可將收集到的原邊變壓器漏感能量在死區(qū)時(shí)間內(nèi)釋放，實(shí)現(xiàn)全橋變換器主開關(guān)管的ZVS軟開關(guān)，EMI干擾低、效率高。
文檔編號H02M3/28GK102299631SQ20111025234
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者周巖 申請人:南京郵電大學(xué)