CN102931843A - 自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源V_in、第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、辅助桥臂、辅助变压器、辅助电容、辅助电感、隔离变压器及整流滤波电路。本发明采用移相控制方式，由于加入了由辅助桥臂、辅助电感、辅助变压器和辅助电容组成的有源辅助网络，该变换器可以在较宽负载范围内实现开关管的零电压开关，且辅助网络的能量随负载的变化而自适应的变化，减小了重载时辅助网络带来的损耗，同时辅助桥臂控制简单。

Description

自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器

技术领域

本发明涉及一种自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器。

背景技术

移相控制软开关全桥变换器由于综合了PWM开关和谐振型开关的优点，在开关过程中，利用谐振技术实现零电压/零电流开关，开关过程结束后又回到普通的PWM状态，它同时具备了开关损耗小，通态损耗低及PWM调压等优点，因此在中大功率的直流变换场合受到广泛的青睐。

传统的移相控制零电压开关全桥变换器在负载较轻时滞后臂会失去软开关，为此可以增加变压器漏感或串联谐振电感，但这会带来变压器二次侧占空比的丢失，导致需要减小变压器原副边匝比来补偿丢失的占空比，这又使得效率降低。同时变压器漏感或串联谐振电感的增大引发了变压器二次侧寄生振荡。为了减小变压器漏感或串联谐振电感，加入辅助网络成为一种趋势。有文献在滞后臂并联有源辅助网络，在辅助电感中存储能量来帮助滞后臂实现零电压开关，辅助开关管的控制简单，但在全负载范围内辅助网络中的能量恒定不变，负载较重时，变压器漏感中存储的能量已经满足实现滞后臂ZVS条件，辅助能量存在大量损耗，从而降低了效率。有文献虽然可以实现有源辅助网络中存储的能量随负载电流的变化而变化，减小了辅助网络的导通损耗，但其对辅助开关管的控制十分复杂，难以实现。

发明内容

本发明的目的在于针对上述变换器所存在的技术缺陷提供一种自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，辅助开关管控制简单，辅助网络能量随负载的变化而自适应的变化，且在较宽负载范围内可以实现主功率开关管的零电压开关，导通损耗降低，变换器效率得到提高。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源、结构相同的第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、隔离变压器以及整流滤波电路；其中每个逆变桥臂都包括二个开关管、二个体二极管和二个寄生电容，第一开关管的漏极分别与第一体二极管阴极、第一寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的正输入端，第一开关管的源极分别与第一体二极管阳极、第一寄生电容的另一端、第二开关管的漏极、第二体二极管阴极、第二寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的源极分别与第二体二极管阳极、第二寄生电容的另一端连接构成逆变桥臂的负输入端，直流电源的正极分别接第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的正输入端，直流电源的负极分别接第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的负输入端，隔离变压器副边绕组的输出端接整流滤波电路的输入端，隔离变压器原边绕组具有一中心抽头，其特征在于：

还包括由辅助桥臂、辅助变压器、辅助电容和辅助电感构成的有源辅助网络；其中辅助桥臂包括二个辅助开关管和两个辅助二极管，第一辅助开关管的漏极接第一辅助二极管的阴极构成辅助桥臂的正输入端，第一辅助开关管的源极分别接第一辅助二极管的阳极、第二辅助开关管的漏极、第二辅助二极管的阴极构成辅助桥臂的输出端，第二辅助开关管的源极接第二辅助二极管的阳极构成辅助桥臂的负输入端，直流电源的正负极分别接辅助桥臂的正负输入端。辅助变压器原边绕组的输入端接隔离变压器原边绕组的中心抽头端，辅助变压器原边绕组的输出端接辅助电容的输入端，辅助变压器包括两个匝数相同的副边绕组，其中第一副边绕组与辅助变压器原边绕组的输入端是异名端的一端接第一辅助开关管的栅极，第一副边绕组的另一端接第一辅助开关管的源极，第二副边绕组与辅助变压器原边绕组的输入端是同名端的一端接第二辅助开关管的栅极，第二副边绕组的另一端接第二辅助开关管的源极，辅助电容的输出端接直流电源的负极，辅助电感的输入端接第二逆变桥臂的输出端，辅助电感的输出端接辅助桥臂的输出端。

本发明披露了自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，其可以在宽负载范围实现开关管的零电压开关，并基本消除了变压器二次侧的寄生振荡。与原有技术相比其主要技术特点是，利用所述辅助变压器的副边绕组电压作为辅助开关管的驱动电压，控制简单，且辅助开关管工作在零电流开通条件，辅助开关管的驱动电压占空比随负载电流的变化而自适应的变化，存储于辅助电感的能量可以随负载的变化而自适应的变化，不仅能帮助滞后管在轻载甚至空载时实现软开关，并且降低了辅助网络在重载时的导通损耗，由于隔离变压器漏感取值小，输出整流管因反向恢复引起的损耗大大减小，输出整流管的电压应力也随之减小，变换器的效率得到提高。

附图说明

附图1是传统的零电压开关全桥变换器结构示意图。

附图2是本发明的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器电路结构示意图。

附图3是本发明的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器主要工作波形示意图。

附图4～附图10是本发明的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器的各开关模态示意图。

上述附图中的主要符号名称：V_in、电源电压。Q₁～Q₄、功率开关管。C₁～C₄、寄生电容。D₁～D₄、体二极管。T_RA、辅助变压器。C_A、辅助电容。L_a、辅助电感。Q_a1～Q_a2、辅助开关管。D_a1、D_a2、辅助二极管。T_R、隔离变压器。L_k、隔离变压器漏感。D_R1、D_R2、输出整流二极管。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。R_Ld、负载。V_o、输出电压。v_AB、A与B两点间电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1所示的是传统的零电压开关全桥变换器结构示意图。

附图2所示的是自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器电路结构示意图。由直流电源V_in、两个逆变桥臂1和2、辅助桥臂3、隔离变压器4、辅助变压器5、辅助电容6、辅助电感7及整流滤波电路8组成。Q₁～Q₄是四只功率开关管，D₁～D₄分别是开关管Q₁～Q₄的体二极管，C₁～C₄分别是开关管Q₁～Q₄的寄生电容，T_RA是辅助变压器，n_A是辅助变压器的原副边匝比，L_a是辅助电感，C_A是辅助电容，T_R是隔离变压器，L_k是隔离变压器的漏感，Q_a1～Q_a2、辅助开关管，D_a1、D_a2是辅助二极管，D_R1、D_R2是输出整流二极管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容，R_Ld为负载。本变换器采用移相控制，开关管Q₄和Q₂分别滞后于开关管Q₁和Q₃一个相位，称开关管Q₁和Q₃组成的第一逆变桥臂为超前桥臂，开关管Q₂和Q₄组成的第二逆变桥臂则为滞后桥臂。辅助开关管的驱动信号由辅助变压器两个副边绕组提供，两辅助开关管的驱动信号相反。辅助电容C_A的电压为输入电压V_in的一半，即v_CA＝V_in/2，可看作为V_in/2的电压源。

下面以附图2为主电路结构，结合附图3～附图10叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器一个开关周期有14种开关模态，分别是[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]其中，[t₀-t₇]为前半周期，[t₇-t₁₄]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

在分析之前，先作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件；②滤波电感足够大，因此副边输出可等效为恒流源，所有电感、电容均为理想元件；③C₁＝C₃＝C_lead，C₂＝C₄＝C_lag。

1.开关模态1[t₀-t₁][对应于附图4]

在t₀时刻之前，Q₁和Q₄导通，Q₂和Q₃截止，原边电流近似不变，v_AB＝V_in，上整流二极管D_R1流过全部负载电流，D_R2截止，原边给负载供电。t₀时刻关断Q₁，电流i_p从Q₁中转移到C₁和C₃支路中，v_AB由V_in逐渐变为零，在这个时段里，储存在L_k和L_f中的能量给C₁充电，同时给C₃放电。在C₁和C₃的缓冲下，Q₁近似零电压关断。由于原边电流近似不变，在t₁时刻，C₃的电压线性下降到零，Q₃的反并联二极管D₃自然导通，Q₃可实现零电压开通。该模态的持续时间可以表示为：

$t_{01}=\frac{2C_{\mathrm{lead}}{V}_{\mathrm{in}}}{I_o/K}---\left(1\right)$

其中：K为隔离变压器原副边匝比

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于附图5]

D₃导通后，开通Q₃，Q₁和Q₃驱动信号之间的死区时间t_d(lead)＞t₀₁。A点电位下降为零，所以v_AB＝0，原边不向负载提供能量。此时辅助变压器副边绕组电压为V_in/2n_A，辅助开关管Q_a1栅源极承受正向电压V_in/2n_A而导通，此前辅助电感电流为零，在辅助电感的缓冲下，此时辅助开关管Q_a1近似零电流开通，辅助开关管Q_a2栅源极承受反向电压-V_in/2n_A而截止，此时i_La从零开始增加，辅助电感电流可表示为：

$i_{\mathrm{La}}\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_a}(t-t_1)---\left(2\right)$

t₂时刻，辅助电感L_a储存的能量可以表示为：

$E_{\mathrm{La}}=\frac{1}{2}{L}_a\·{I_{\mathrm{La}}}^2=\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2{(1-D)}^2{T}_s^2}{8L_a}---\left(3\right)$

式中：D为电路工作占空比，T_s表示开关周期。

从上式可以看出，辅助电感L_a储存的能量取决于辅助电感、输入电压和电路工作占空比D的大小。辅助电感储存的能量与负载电流有一定的关系，负载电流减小时，电路工作占空比D也随着减小，辅助电感储存的能量反而增加，因此辅助电感储存的能量可以随着负载电流的变化而自适应的变化。

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图6]

在t₂时刻关断Q₄，流入滞后桥臂的电流给C₄充电，同时给C₂放电，Q₄为零电压关断。原边电流下降，并且不足以提供负载电流，副边整流管D_R1、D_R2同时导通，变压器原、副边绕组端电压都为零，v_AB直接加在隔离变压器漏感L_k上。漏感L_k、辅助电感L_a与电容C₂、C₄谐振工作。原边电流i_p、辅助电流i_La、和开关管Q₄两端的电压可以表示为：

$i_p\left(t\right)=\frac{I_o}{K}+\frac{(I_{\mathrm{La}}+I_o/K)L_a}{L_a+L_k}[\cos \left({\mathrm{\ω}}_r(t-t_2)\right)-1]---\left(4\right)$

$i_{\mathrm{La}}\left(t\right)=I_{\mathrm{La}}+\frac{(I_{\mathrm{La}}+I_o/K)L_k}{L_a+L_k}[\cos \left({\mathrm{\ω}}_r(t-t_2)\right)-1]---\left(5\right)$

$v_{c4}\left(t\right)=(I_{\mathrm{La}}+I_o/K)\sqrt{\frac{L_a{L}_k}{2C_{\mathrm{lag}}(L_a+L_k)}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_r(t-t_2)\right)---\left(6\right)$

其中，I_La为t₂时刻辅助电流的初始值， ${\mathrm{\ω}}_r=\sqrt{\frac{L_a+L_k}{2C_{\mathrm{lag}}{L}_a{L}_k}}.$

t₃时刻，C₂上的电压下降为零，C₄上的电压上升至V_in，D₂自然导通。

4.开关模态4[t₃-t₄][对应于附图7]

D₂导通后，可以零电压开通Q₂。Q₂、Q₄驱动信号之间的死区时间t_d(lag)＞t₂₃。Q₂开通后，v_AB＝-V_in。此时副边两个整流管仍然同时导通，因此变压器原边绕组电压为零，输入电压V_in直接加在漏感L_k上，原边电流i_p线性减小后反向增大。而辅助电感此时承受反向电压-V_in，辅助电流i_La线性减小。直到t₄时刻，辅助电感不足以提供原边电流，D₂自然关断，Q₂开始流过电流。

5.开关模态5[t₄-t₅][对应于附图8]

原边电流i_p反向继续增大，辅助电流i_La继续减小，两整流二极管仍同时导通。此时原边电流由直流电源和辅助电流共同提供。

6.开关模态6[t₅-t₆][对应于附图9]

在t₅时刻，原边电流达到折算后的负载电流，即i_p＝-I_o/K，D_R1关断，D_R2流过全部负载电流。辅助电流仍线性减小。

7.开关模态7[t₆-t₇][对应于附图10]

t₆时刻，辅助电感电流线性减小到零，此时直流电源单独向负载提供能量。

t₇时刻，Q₃关断，变换器开始另一半个周期，其工作情况类似于上述的半个周期[t₀-t₇]，这里不再赘述。

从以上的描述可以得知，本发明提出的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器具有以下几方面的优点：

1)辅助开关管采用自驱动方案，控制简单，易于实现。

2)可在宽负载范围内实现滞后臂开关管的零电压开关，且储存在辅助网络的能量随负载大小自适应的变化。

3)增加的辅助网络使得漏感取值很小，可以有效的抑制输出整流管上的电压尖峰和电压振荡，降低输出整流二极管的电压应力。

4)改善变换器在轻载时工作条件，提高系统的可靠性，减轻EMI。

Claims (2)

1.自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源(V_in)、结构相同的第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)、隔离变压器(4)以及整流滤波电路(8)；其中每个逆变桥臂都包括二个开关管、二个体二极管和二个寄生电容，第一开关管的漏极分别与第一体二极管阴极、第一寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的正输入端，第一开关管的源极分别与第一体二极管阳极、第一寄生电容的另一端、第二开关管的漏极、第二体二极管阴极、第二寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的源极分别与第二体二极管阳极、第二寄生电容的另一端连接构成逆变桥臂的负输入端，直流电源(V_in)的正极分别接第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)的正输入端，直流电源(V_in)的负极分别接第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)的负输入端，隔离变压器(4)副边绕组的输出端接整流滤波电路(8)的输入端，隔离变压器(4)原边绕组具有一中心抽头，其特征在于：

还包括由辅助桥臂(3)、辅助变压器(5)、辅助电容(6)和辅助电感(7)构成的有源辅助网络；其中辅助桥臂(3)包括二个辅助开关管和两个辅助二极管，第一辅助开关管的漏极接第一辅助二极管的阴极构成辅助桥臂的正输入端，第一辅助开关管的源极分别接第一辅助二极管的阳极、第二辅助开关管的漏极、第二辅助二极管的阴极构成辅助桥臂的输出端，第二辅助开关管的源极接第二辅助二极管的阳极构成辅助桥臂的负输入端，直流电源的正负极分别接辅助桥臂的正负输入端。辅助变压器(5)原边绕组的输入端接隔离变压器(4)原边绕组的中心抽头端，辅助变压器(5)原边绕组的输出端接辅助电容(6)的输入端，辅助变压器(5)包括两个匝数相同的副边绕组，其中第一副边绕组与辅助变压器原边绕组的输入端是异名端的一端接第一辅助开关管的栅极，第一副边绕组的另一端接第一辅助开关管的源极，第二副边绕组与辅助变压器原边绕组的输入端是同名端的一端接第二辅助开关管的栅极，第二副边绕组的另一端接第二辅助开关管的源极，辅助电容(6)的输出端接直流电源(V_in)的负极，辅助电感(7)的输入端接第二逆变桥臂的输出端，辅助电感(7)的输出端接辅助桥臂的输出端。

2.如权利要求1所述的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，其特征在于，所述辅助变压器的两副边绕组匝数N_s1＝N_s2，且原副边匝比n_A＝N_p1/N_s1＝N_p1/N_s2需满足辅助开关管的驱动要求。

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