一種有源鉗位串并聯(lián)全橋dc/dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有源鉗位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器，包括逆變電路、諧振網(wǎng)絡(luò)、變壓器、整流濾波網(wǎng)絡(luò)和有源鉗位電路。諧振網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)諧振電感、MOS管寄生電容。主整流濾波網(wǎng)絡(luò)即為全橋整流電路；有源鉗位電路包括鉗位二極管(DB)、電容(Cc)。本變換器能夠在不增加控制電路復(fù)雜性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全橋(FB)臂全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開關(guān)，并且，可以消除整流部分的電壓尖峰。本變換器以輸入電壓范圍為基準(zhǔn)，有兩種工作模式：正產(chǎn)輸入范圍下，工作在串并聯(lián)變換器狀態(tài)；低于正常范圍下，工作在有源鉗位升壓來拓寬工作范圍。
【專利說明】-種有源錯(cuò)位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于開關(guān)操作電源技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種有源錯(cuò)位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 能源轉(zhuǎn)換效率一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，其中功率轉(zhuǎn)換器件作為電力行業(yè)效率轉(zhuǎn)換 的一個(gè)代表，被廣泛應(yīng)用在如開關(guān)電源，分布式電源，不間斷電源等各個(gè)方面，傳統(tǒng)的功率 轉(zhuǎn)換器件大多工作于硬開關(guān)狀態(tài)具有開關(guān)損耗大，電壓應(yīng)力大，功率密度低，EMI大，轉(zhuǎn)換效 率低等諸多問題，而電流型（串并聯(lián)變換器、LLC等)變換器則能很好的削弱或者解決運(yùn)些問 題。
[0003] 電流型變換器工作于軟開關(guān)狀態(tài)，減小開關(guān)損耗，提高變換器效率，為變換器高頻 化提供了可能性，進(jìn)一步縮小變換器的體積和重量，提高變換器的功率密度和動(dòng)態(tài)性能，同 時(shí)改善電磁兼容。
[0004] 另外，除了電能質(zhì)量和效率一直是關(guān)注焦點(diǎn)外，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電源的供電范圍，尤其 是在針對(duì)新能源等款輸入范圍的應(yīng)用方面，更是倍加關(guān)注。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種高頻、高效，并在寬輸入 電壓時(shí)能繼續(xù)高效、穩(wěn)定工作的有源錯(cuò)位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種有源錯(cuò)位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器，包括直流電源Vin、帶有若干MOS管的逆變 電路、諧振網(wǎng)絡(luò)、變壓器TR、輸出整流濾波電路、有源錯(cuò)位電路W及控制回路;直流電源Vin 通過逆變電路、諧振網(wǎng)絡(luò)與變壓器的原邊繞組化相連;諧振網(wǎng)絡(luò)包括諧振電感Lr和MOS管寄 生電容；諧振電感Lr與變壓器TR的原邊繞組化串聯(lián)，變壓器TR的副邊繞組通過輸出整流濾 波電路輸出；控制回路采集直流電源Vin、變壓器TRW及輸出端Vo的電壓信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電 路將控制信號(hào)發(fā)給逆變電路的MOS管。
[000引本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0009] 所述逆變電路包括MOS管Ql及其體二極管化1和寄生電容Cl、M0S管Q2及其體二極管 化2和寄生電容C2、M0S管Q3及其體二極管化3和寄生電容C3、M0S管Q4及其體二極管化4和寄生 電容C4;
[0010] MOS管Ql的漏極和MOS管Q3的漏極與直流電源Vin的正極相連，MOS管Q2的源極和 MOS管Q4的源極與直流電源Vin的負(fù)極相連;MOS管Ql的源極和MOS管Q2的漏極相連，MOS管Q3 的源極和MOS管Q4的漏極相連。
[00川所述變壓器TR的原邊繞組化一端與諧振電感Lr相連，另一端連接至MOS管Q3的源 極和MOS管Q4的漏極之間的節(jié)點(diǎn)上。
[0012]所述有源錯(cuò)位電路包括錯(cuò)位二極管化和電容Ce,錯(cuò)位二極管化的陽(yáng)極接MOS管Ql的 漏極，陰極接MOS管Q3的漏極;電容Ce的一端接MOS管Q3的漏極另一端接MOS管Q4的源極。
[0013] 所述輸出整流濾波電路包括整流二極管Dl及其寄生電容Cdi、整流二極管D2及其寄 生電容Cd2、整流二極管D3及其寄生電容Cd3、整流二極管D4及其寄生電容Cd4、諧振電容Cp、濾 波電感Lf W及濾波電容Co;
[0014] 變壓器TR副邊繞組化的一端分別接整流二極管Dl的陽(yáng)極和整流二極管D2的陰極， 另一端接整流二極管D3的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極，勵(lì)磁電感Lm并聯(lián)在變壓器TR副邊繞 組化的兩端;諧振電容Cp并聯(lián)在整流二極管D3的陰極和整流二極管D4的陽(yáng)極兩端，濾波電 感Lf和濾波電容Co串聯(lián)后并聯(lián)在諧振電容Cp兩端，且諧振電容Cp的兩端為變換器輸出端 Vo O
[0015] 所述控制回路包括控制處理器、第一采樣電路、第二采樣電路、第=采樣電路W及 驅(qū)動(dòng)方波發(fā)生電路;第一采樣電路的輸入端與直流電源Vin的正極相連，第二采樣電路的輸 入端與變壓器原邊繞組化相連，第=采樣電路的輸入端與輸出端Vo的正極相連;第一采樣 電路、第二采樣電路和第=采樣電路的輸出端均與控制處理器的輸入端相連;控制處理器 的輸出端與驅(qū)動(dòng)方波發(fā)生電路相連，驅(qū)動(dòng)方波發(fā)生電路的輸出端分別與各MOS管相連。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0017] 本發(fā)明通過將全橋和有源錯(cuò)位電路結(jié)合，W利于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化高效，工作高頻，大功率 等的應(yīng)用，在變換器輸入范圍低于正常輸入范圍時(shí)，穩(wěn)定輸出電壓，繼續(xù)保持高效率的電能 變換，保護(hù)后級(jí)精密用電設(shè)備。 【【附圖說明】】
[0018] 圖1是諧振變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0019] 圖2a是正常輸入范圍內(nèi)變換器工作的波形圖；
[0020] 圖化是輸入降低時(shí)的不對(duì)稱PWM時(shí)序信號(hào)。 【【具體實(shí)施方式】】
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0022] 參見圖1，本發(fā)明包括直流電源Vin、逆變電路、諧振網(wǎng)絡(luò)、變壓器TR、輸出整流濾波 電路W及有源錯(cuò)位電路；直流電源Vin通過逆變電路、諧振網(wǎng)絡(luò)與變壓器的原邊繞組化相 連;諧振網(wǎng)絡(luò)包括諧振電感Lr和MOS管寄生電容；諧振電感Lr與變壓器TR的原邊繞組化串 聯(lián)，變壓器TR的副邊繞組通過輸出整流濾波電路輸出。
[0023] 逆變電路包括MOS管Ql及其體二極管化1和寄生電容Cl、M0S管Q2及其體二極管化2 和寄生電容C2、M0S管Q3及其體二極管化3和寄生電容C3、M0S管Q4及其體二極管化4和寄生電 容C4;M0S管Ql的漏極和MOS管Q3的漏極與直流電源Vin的正極相連，MOS管Q2的源極和MOS管 Q4的源極與直流電源Vin的負(fù)極相連;MOS管Ql的源極和MOS管Q2的漏極相連，MOS管Q3的源 極和MOS管Q4的漏極相連。變壓器TR的原邊繞組化一端與諧振電感Lr相連，另一端連接至 MOS管Q3的源極和MOS管Q4的漏極之間的節(jié)點(diǎn)上。
[0024] 有源錯(cuò)位電路包括錯(cuò)位二極管化和電容Ce,錯(cuò)位二極管化的陽(yáng)極接MOS管Ql的漏 極，陰極接MOS管Q3的漏極;電容Ce的一端接MOS管Q3的漏極另一端接MOS管Q4的源極。
[0025] 輸出整流濾波電路包括整流二極管Dl及其寄生電容Cdi、整流二極管D2及其寄生電 容Cd2、整流二極管D3及其寄生電容Cd3、整流二極管D4及其寄生電容Cd4、諧振電容Cp、濾波電 感LfW及濾波電容Co;變壓器TR副邊繞組化的一端分別接整流二極管Dl的陽(yáng)極和整流二極 管D2的陰極，另一端接整流二極管D3的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極，勵(lì)磁電感Lm并聯(lián)在變 壓器TR副邊繞組化的兩端;諧振電容Cp并聯(lián)在整流二極管D3的陰極和整流二極管D4的陽(yáng)極 兩端，濾波電感Lf和濾波電容Co串聯(lián)后并聯(lián)在諧振電容Cp兩端，且諧振電容Cp的兩端為變 換器輸出端。
[0026] 控制回路包括采樣電路，控制處理器(單片機(jī)、DSP、FPGA等對(duì)反饋給自己的信號(hào)進(jìn) 行處理），驅(qū)動(dòng)電路，采用調(diào)控方式調(diào)節(jié)占空比驅(qū)動(dòng)方波發(fā)生電路給開關(guān)管信號(hào)。
[0027] 如圖2a所示，本發(fā)明在正常輸入范圍內(nèi)工作時(shí)的電路波形圖，圖2b為低于正常輸 入范圍時(shí)的控制時(shí)序圖。
[0028] 本發(fā)明在正常工作期間錯(cuò)位電路對(duì)主電路沒有任何影響，在輸入電壓偏低時(shí)，變 換器輸出無法滿足需要，此時(shí)，改變變換器工作方式(不對(duì)稱開關(guān))使變換器工作在有源錯(cuò) 位升壓狀態(tài)，保持后級(jí)正常工作。電流型變換器結(jié)構(gòu)，可W充分保證輕載所有MOS管的軟開 關(guān)。變換器的一個(gè)完整的周期由不同的子區(qū)間和對(duì)應(yīng)的不同的模態(tài)組成，下面對(duì)其工作過 程進(jìn)行分析：
[0029] ModeUtO-U]階段，Q1、Q3導(dǎo)通，變壓器副邊整流電流Qdb)為零，原邊電流（ip)通 過91、〇8、93、原邊繞組環(huán)流，該階段變壓器原邊電壓(化)與副邊電壓(￥3)均為零，勵(lì)磁電感 電流ibn近似恒定且滿足:iLm(t) = ip(t) = iLm(t〇)。
[0030] Mode2[tl-t2]階段，在tl時(shí)，Q3近似零電流關(guān)斷，該模態(tài)下，ip給C3、C4充、放電。
[0031] Mode3[t2-t3]階段，在t2時(shí)，VQ4為零，TR原邊電流ip從D4通過，Q4可實(shí)現(xiàn)零電壓 (ZVS)開通，變壓器正常工作，副邊電流開始通過D1、D4。
[0032] Mode4[t3-t4]階段，Ql關(guān)斷時(shí)，該模態(tài)開始，TR原邊電流ip給C1、C2充放電，當(dāng)VQ2 為零時(shí)，D2自然導(dǎo)通，Q2可實(shí)現(xiàn)零電壓開通(ZVS)。在t4時(shí)，TR原邊電壓化為零，此時(shí)，Dl、D4 仍然開通，-Vcp施加到Lr上，原邊電流開始下降。
[0033] 下辦周期的工作原理和上面所述工作原理相同，方向相反。
[0034] 當(dāng)輸入電壓范圍低于正常工作時(shí)的輸入電壓時(shí)，變壓器不再工作在移相狀態(tài)，控 制信號(hào)調(diào)整為不對(duì)稱PWM，變換器工作在有源錯(cuò)位升壓狀態(tài)，占空比D大于0.5，其工作過程 分析如下：
[0035] Mode 1 [ tO-t 1 ]階段，在to時(shí)，Ql、Q4導(dǎo)通，同時(shí)TR副邊Dl、D4導(dǎo)通，變換器TR進(jìn)行正 常的能量傳遞，電容Cc此時(shí)處于充電狀態(tài)。
[0036] Mode2[tl-t2]階段，該階段為死區(qū)時(shí)間。
[0037] Mode3[t2-t3]階段，與Model相反，Q2、Q3導(dǎo)通，此階段中Db因承受反壓而關(guān)斷，此 時(shí)給負(fù)載供電的是電容Cc中存儲(chǔ)的能量。
[0038] Mode4[t3-t4]階段，同 Mode2。
[0039] 在有源錯(cuò)位升壓模態(tài)，電容Ce的電壓Vc (D > 0.5)可表示3
[0040] 因?yàn)檎伎毡鹊淖兓?，使得Cc中的能量可W高于輸入，運(yùn)樣，W 迪當(dāng)加寬輸入電壓 的范圍。由于，串并聯(lián)的諧振的結(jié)構(gòu)，可W保證逆變部分的軟開關(guān)和工作的高頻化。
[0041] W上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能W此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按 照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種有源鉗位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器，其特征在于，包括直流電源Vin、帶有若干 MOS管的逆變電路、諧振網(wǎng)絡(luò)、變壓器TR、輸出整流濾波電路、有源鉗位電路以及控制回路； 直流電源Vin通過逆變電路、諧振網(wǎng)絡(luò)與變壓器的原邊繞組Np相連;諧振網(wǎng)絡(luò)包括諧振電感 Lr和MOS管寄生電容;諧振電感Lr與變壓器TR的原邊繞組Np串聯(lián)，變壓器TR的副邊繞組通過 輸出整流濾波電路輸出；控制回路采集直流電源Vin、變壓器TR以及輸出端Vo的電壓信號(hào)， 通過驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)發(fā)給逆變電路的M0S管。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源鉗位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器，其特征在于，所述逆變電 路包括M0S管Q1及其體二極管DQ1和寄生電容C1、M0S管Q2及其體二極管Dq 2和寄生電容C2、 M0S管Q3及其體二極管Dq3和寄生電容C3、M0S管Q4及其體二極管Dq4和寄生電容C4; M0S管Q1的漏極和M0S管Q3的漏極與直流電源Vin的正極相連，M0S管Q2的源極和M0S管 Q4的源極與直流電源Vin的負(fù)極相連;M0S管Q1的源極和M0S管Q2的漏極相連，M0S管Q3的源 極和M0S管Q4的漏極相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源鉗位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器，其特征在于，所述變壓器 TR的原邊繞組Np-端與諧振電感Lr相連，另一端連接至M0S管Q3的源極和M0S管Q4的漏極之 間的節(jié)點(diǎn)上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源鉗位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器，其特征在于，所述有源鉗 位電路包括鉗位二極管Db和電容Cc，鉗位二極管Db的陽(yáng)極接M0S管Q1的漏極，陰極接M0S管Q3 的漏極；電容Cc的一端接M0S管Q3的漏極另一端接M0S管Q4的源極。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源鉗位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器，其特征在于，所述輸出整 流濾波電路包括整流二極管D1及其寄生電容C D1、整流二極管D2及其寄生電容CD2、整流二極 管D3及其寄生電容CD3、整流二極管D4及其寄生電容Cm、諧振電容Cp、濾波電感Lf以及濾波 電容Co; 變壓器TR副邊繞組Ns的一端分別接整流二極管D1的陽(yáng)極和整流二極管D2的陰極，另一 端接整流二極管D3的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極，勵(lì)磁電感Lm并聯(lián)在變壓器TR副邊繞組Ns 的兩端;諧振電容Cp并聯(lián)在整流二極管D3的陰極和整流二極管D4的陽(yáng)極兩端，濾波電感Lf 和濾波電容Co串聯(lián)后并聯(lián)在諧振電容Cp兩端，且諧振電容Cp的兩端為變換器輸出端Vo。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源鉗位串并聯(lián)全橋DC/DC變換器，其特征在于，所述控制回 路包括控制處理器、第一采樣電路、第二采樣電路、第三采樣電路以及驅(qū)動(dòng)方波發(fā)生電路； 第一采樣電路的輸入端與直流電源Vin的正極相連，第二采樣電路的輸入端與變壓器原邊 繞組Np相連，第三米樣電路的輸入端與輸出端Vo的正極相連;第一米樣電路、第二米樣電路 和第三采樣電路的輸出端均與控制處理器的輸入端相連;控制處理器的輸出端與驅(qū)動(dòng)方波 發(fā)生電路相連，驅(qū)動(dòng)方波發(fā)生電路的輸出端分別與各M0S管相連。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK105978356SQ201610530704
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】史永勝, 田衛(wèi)東, 李娜, 王雪麗, 寧青菊
【申請(qǐng)人】陜西科技大學(xué)