專利名稱：高效低成本電源變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高頻電源變換器，主要用于高頻開關(guān)電源、不間斷電源(UPS)、直流弧焊機、蓄電池充電器等。
在現(xiàn)有技術(shù)中的高頻電源變換器，在功率較大情況下都采用正激式變換電路，如橋式電路或雙管單端正激電路，它們通常由兩個功率開關(guān)管與變壓器串聯(lián)后分別接在輸入電源的正、負極上，其優(yōu)點是能通過二極管箝位，功率開關(guān)管的耐壓要求較低，只要稍高于輸入電源電壓，但工作時兩個功率開關(guān)管同時導通，不僅器件損耗加倍，而且控制電路復雜，器件成本相應提高；半橋電路單臂雖也可用單個耐壓較低的開關(guān)管，但只用一半輸入電壓，輸出功率也相應減半，在相同功率下其效率與成本都與全橋電路相似。也有采用推挽電路或單管單端電路，但高頻變壓器漏感能量不易釋放和反饋，功率開關(guān)管上電壓不易箝位，必須采用高耐壓器件作開關(guān)管，而一般高耐壓開關(guān)管的通態(tài)電阻或飽和電壓降較大、價格較貴，且一般工作在硬開關(guān)狀態(tài)和外加阻容吸收回路，在較大電流場合，工作時開關(guān)器件和吸收電阻發(fā)熱量大，不僅效率低，而且成本高，可靠性也差。
本實用新型針對上述高頻電源變換器所存在的不足，而提供一種由單個耐壓稍高于輸入電壓的功率器件作開關(guān)管，由高頻變壓器的一組輔助次級繞組與吸收電容串聯(lián)實現(xiàn)開關(guān)器件軟關(guān)斷和構(gòu)成無損吸收電路，通過二極管、電容器等組合實現(xiàn)漏感能量回饋和功率開關(guān)管兩端電壓箝位的高效低成本電源變換器。
通過以下方法和構(gòu)思來實現(xiàn)本實用新型的上述目的該高效低成本電源變換器，高頻變壓器的初級繞組與單個功率開關(guān)管串聯(lián)，分別連接在輸入電源的正、負極上，它們與控制電路一起構(gòu)成本電路的主逆變回路；高頻變壓器的次級繞組按正激方式與整流器、濾波器相連接，作為變換器的輸出；功率開關(guān)管的兩端接有電容器等構(gòu)成的吸收回路；本發(fā)明的特征在于所述的高頻變壓器有一組輔助次級繞組串聯(lián)在吸收回路中，即吸收電容器的一端與該輔助次級繞組相連，輔助次級繞組的另一端與功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，吸收電容器的另一端通過二極管與功率開關(guān)管的集電極相連，構(gòu)成無損吸收回路；二極管的負端和電容器串聯(lián)的接點上還接有另一個二極管，它的負端接在輸入電源的正極上，二個二極管一起構(gòu)成功率開關(guān)管集電極的電壓箝位電路；功率開關(guān)管的柵極與控制電路相接，并受其控制截止或?qū)?。在功率開關(guān)管截止瞬間，高頻變壓器的初級漏感產(chǎn)生反沖電勢，同時高頻變壓器的輔助次級繞組也感應產(chǎn)生負電壓，該負電壓通過吸收電容器、二極管使功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間集電極-發(fā)射極間的電壓仍保持零電壓，高頻變壓器初級漏感所產(chǎn)生的反沖電勢被電容器吸收、旁路和續(xù)流，功率開關(guān)管實現(xiàn)軟關(guān)斷；隨著電容器被充電，電容器上電壓和功率開關(guān)管的集電極電位逐步上升，高頻變壓器的漏感電流卻逐步釋放和磁通復位；當功率開關(guān)管集電極上的電壓超過輸入電壓時，二個二極管正向?qū)?，殘余漏感能量?jīng)二極管返回到輸入端，同時功率開關(guān)管上的電壓被箝定，即箝位在略高于輸入電壓的電平上。反之，功率開關(guān)管導通時，高頻變壓器的輔助次級繞組感應產(chǎn)生正電壓，它與電容器電壓迭加大于輸入電壓，電容器上的電荷通過二極管放電返回到輸入端。由于功率開關(guān)管數(shù)量減少一半，不僅成本降低，工作時導通損耗也降低一半，且工作在軟開關(guān)和無損吸收狀態(tài)，工作效率很高；又因功率開關(guān)管兩端電壓被很好的箝位，從而可以選用耐壓稍高于輸入電壓、內(nèi)阻較小而成本較低的功率器件，實現(xiàn)高效、低成本的目的。
本實用新型的優(yōu)點在于產(chǎn)生逆變的功率開關(guān)器件數(shù)量較少，又工作在軟開關(guān)和無損吸收狀態(tài)，且可選用通態(tài)電阻較小、成本較低的功率器件。上述優(yōu)點使電路的效率大大提高，成本大大降低。因此是一種結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低廉、電磁兼容性好、可靠性高的電源變換器，可廣泛用作各類開關(guān)電源、不間斷電源(UPS)、直流弧焊機、蓄電池充電器等電源的主電路。
附圖
表示本實用新型的基本電氣原理圖。結(jié)合附圖進一步詳細說明如下該電源變換器包括一個功率開關(guān)管N1和控制電路(10)，該功率開關(guān)管N1可以是絕緣柵晶體管IGBT，也可以是功率場效應管MOSFET、大功率晶體管GTR、可關(guān)斷可控硅GTO等；或者是上述兩個或兩個以上器件的并聯(lián)組合，如IGBT與MOSFET并聯(lián)運行、大功率模塊器件等。例如，美國國際整流器公司生產(chǎn)的功率開關(guān)管IRG4PC4OW就是一種絕緣柵晶體管(IGBT)，該IGBT管的發(fā)射極與輸入電源的負極相連接，其柵極與控制電路(10)相連接。
該電源變換器還包括高頻變壓器(7)、整流器組(8)、濾波器(9)，該高頻變壓器(7)的初級繞組(1)端與輸入電源的正端相連接，(2)端與功率開關(guān)管N1的集電極(對于功率場效應管為漏極，下同)相連接；其主次級繞組(3)、(4)按正激方式與整流器組(8)、濾波器(9)相連接，變換后的電力經(jīng)整流、濾波輸出；該高頻變壓器(7)還有一個輔助次級繞組(5)、(6)，其(5)端與初級繞組(1)端互為同名端，其(6)端與輸入電源的負極相連。
該電源變換器有一個由二極管D1、電容器C1串聯(lián)組成的、并聯(lián)在功率開關(guān)管N1的集電極與高頻變壓器(7)的輔助次級繞組(5)端之間，用來吸收高頻變壓器組(7)初級繞組在關(guān)斷時其漏感所產(chǎn)生的反沖電勢的無損吸收回路。電容器C1的一端與二極管D1負端相接，另一端與高頻變壓器(7)的輔助繞組(5)端相接，二極管D1的正端與功率開關(guān)管N1的集電極相連接。
本發(fā)明的電源變換器還有一個由二極管D1、D2組成的，串聯(lián)在輸入電源的正極與功率開關(guān)管N1的集電極之間，用來釋放、回饋高頻變壓器(7)初級繞組的漏感能量和電容器C1所吸收的能量，并對功率開關(guān)管N1集電極進行電壓箝位的回路。二極管D2的負端與輸入電源的正極相連，正端與吸收電容器C1和二極管D1負極相連接。
該電源變換器是這樣工作的在功率開關(guān)管N1導通期間，輸入電源電壓施加在高頻變壓器(7)的初級繞組(1)上，通過磁通的耦合，按正激方式連接的主次級繞組(3)、(4)通過整流器組(8)、濾波器(9)向負載供電；當控制電路(10)發(fā)出指令令功率開關(guān)管N1截止瞬間，高頻變壓器(7)的磁通量減少，其初級繞組(1)、(2)的漏電感產(chǎn)生反沖電勢和電流繼續(xù)保持同方向流動，該電勢方向為(1)負(2)正，與輸入電壓迭加，使功率開關(guān)管N1集電極上的電壓有迅速上升的趨勢，由于在功率開關(guān)管N1集電-發(fā)射極間接有高頻變壓器(7)的輔助次級繞組、二極管D1和容量較大的電容器C1，該輔助次級繞組(6)端與功率開關(guān)管N1的發(fā)射極相接，(5)端同時感應出負電勢，它與電容器C1兩端的電壓迭加產(chǎn)生小于或等于零的電位，因電容兩端電壓是不能突變的，通過二極管D1、功率開關(guān)管N1內(nèi)置二極管的箝位作用，功率開關(guān)管N1集電極上的電壓被箝定在接近于零的電位上，因此，高頻變壓器(1)漏感產(chǎn)生的反電勢只能使電流流向電容器C1，即給電容器C1充電，從而將其反沖電勢化解和實現(xiàn)功率開關(guān)管N1在零電壓和零電流狀態(tài)下關(guān)斷。
隨著高頻變壓器(7)初級繞組上漏感能量的釋放和磁通復位，電容器C1上的吸收電荷也逐步增加，電容器C1上的電壓和功率開關(guān)管N1集電極電位逐步升高，當該電位超過輸入電源電壓時，二極管D2導通，主變壓器M1漏感釋放的殘余電能就會通過二極管D1、D2釋放完畢，同時功率開關(guān)管N1集電極上電壓也被箝定在比輸入電壓略高的電平上，因此，功率開關(guān)管N1的耐壓要求就可大大降低。
當控制電路(10)令功率開關(guān)管N1導通時，高頻變壓器(7)的輔助次級繞組(5)端產(chǎn)生正電位，該電位與吸收電容C1上的電壓迭加會高于輸入電壓，二極管D2正向?qū)?，電容器C1上的電荷通過二極管D2返還給輸入端，實現(xiàn)漏感吸收能量的回饋；由于吸收電容器C1上的電能能有效回饋，而不必按常規(guī)通過電阻消耗變成熱能散發(fā)，該無損吸收回路不僅提高了效率，而且還可通過加大電容量來提高吸收效果，從而更有效地減少尖峰雜波和提高了電磁兼容性能。
接著，又開始上述循環(huán)，周而復始，變換器就在這樣狀態(tài)下高效地工作。
權(quán)利要求1.一種高效低成本電源變換器，高頻變壓器(7)的初級繞組(1)、(2)與功率開關(guān)管N1串聯(lián)，分別連接在輸入電源的正、負極上，功率開關(guān)管N1的柵極與控制電路(10)相接，并受其控制截止或?qū)?，它們?gòu)成變換器的主逆變回路；高頻變壓器(7)的次級繞組(3)、(4)按正激方式與整流器(8)、濾波器(9)相連接，構(gòu)成變換器的輸出回路；其特征在于所述的高頻變壓器(7)還有一組輔助次級繞組(5)、(6)，與電容器C1、二極管D1、D2一起構(gòu)成無損吸收回路其中輔助次級繞組的(5)端與連接在輸入電源正極上的初級繞組(1)端互為同名端，(5)端與吸收電容器C1相連，(6)端與功率開關(guān)管N1的發(fā)射極相連，吸收電容器C1的另一端通過二極管D1與功率開關(guān)管N1的集電極相連，二極管D1的負端和電容器C1的連接點上還接有二極管D2，二極管D2的負端接在輸入電源的正極上，二極管D2與二極管D1一起同時構(gòu)成功率開關(guān)管N1集電極的電壓箝位電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源變換器，其特征還在于所說的功率開關(guān)管N1包括絕緣柵晶體管(IGBT)、功率場效應管(MOSFET)、大功率晶體管(GTR)、可關(guān)斷可控硅(GTO)等，也包括上述開關(guān)器件的多個并聯(lián)組合或模塊器件。
專利摘要一種高效低成本電源變換器,包括高頻變壓器(7)、功率開關(guān)管N1、二極管D1、D2、電容器C1、控制電路(10)、整流器(8)、濾波器(9)等;其特點在于只用單個功率開關(guān)管N1斬波,其最高集電極電壓由二極管D1、D2箝位,電容器C1與高頻高壓器(7)的輔助次級繞組(5)(6)、二極管D1串聯(lián)后跨接在功率開關(guān)管N1的兩端構(gòu)成無損吸收電路和實現(xiàn)功率開關(guān)管N1的軟關(guān)斷;由于功率開關(guān)管數(shù)量少、耐壓要求低、通態(tài)電阻小,不僅成本低,而且效率高?？蓮V泛用作高頻開關(guān)電源、UPS等主電路。
文檔編號H02M7/537GK2372827SQ9920377
公開日2000年4月5日 申請日期1999年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月10日
發(fā)明者李利華 申請人:李利華