专利名称：一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路的制作方法
技术领域：
一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路
本实用新型涉及电力电子领域中的直流电源变换技术，特别涉及一种桥式移 相软开关变换器的拓扑电路。
在现有技术中所采用的桥式移相软开关变换的直流电源中，经常使用
图1所示的变换器拓扑结构和经改进的图2所示的变换器拓扑结构，这种变换器包括 桥式电路、变压器TR、谐振电感LF和整流滤波电路，其中，图l是最基本的桥 式移相软开关拓扑结构，这两种拓扑结构在实际使用中存在如下问题1、 变换器输出30%~40%负载后方能完全满足软开关的条件。2、 为了能使变换器在轻载时可靠工作，串联在主电路的谐振电感LF不能太 小，因为谐振电感LF太小就不能提供足够大的能量，以完成移相过程。3、 由于谐振电感LF的接入，使得占空比损失太大，致使重载时输出电压跌 落，多数情况下占空比达不到80%,对于高压大功率的应用很难满足要求。4、 变换器的死负载太大(即变换器自身负载太大)， 一般要占总输出的3% 5%，影响整机效率。5、 受输出滤波电感器LZ的影响。 [发明内容]本实用新型要解决的技术问题是提供一种桥式移相软开关变换器的拓扑电 路，能够提供足够的能量完成变换器的移相过程。
本实用新型的技术方案是
一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路，包括由两桥臂组成的桥式电路、变 压器和整流滤波电路，所述变压器的副边与所述整流滤波电路电连接；所述桥式 电路的一桥臂包括开关管MR1、开关管MR2、电感LB、 二极管DR1、 二极管DR2、 电容CR1和电容CR2,所述开关管MR1与开关管MR2串联连接，该串联支路的中 点作为该桥臂中点，与所述变压器原边的一端电连接，该串联支路的两端作为该 桥臂的两输入端，所述二极管DR1和二极管DR2同向串联，该串联支路两端分别 连接该桥臂的两输入端，所述电容CR1和电容CR2分别并联于二极管DR1和二极 管DR2两端，所述电感LB连接在该桥臂中点和所述二极管DR1与二极管DR2的 连接点之间；所述桥式电路的另一桥臂包括开关管ML1和开关管ML2，所述开关 管ML1与开关管ML2串联连接，该串联支路的中点作为该桥臂中点,与所述变压 器原边的另一端电连接，该串联支路的两端作为该桥臂的两输入端；所述桥式电路的另一桥臂还包括电感LA、 二极管DL1、 二极管DL2、电容CL1 和电容CL2，所述二极管DL1和二极管DL2同向串联，该串联支路两端分别连接 该桥臂的两输入端，所述电容CL1和电容CL2分别并联于二极管DL1和二极管 DL2两端，所述电感LA连接在该桥臂中点和所述二极管DL1与二极管DL2的连 接点之间。所述的一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路，还包括谐振电感LF,所述 任一桥臂中点通过该谐振电感LF与所述变压器原边相连接。所述的一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路，还包括钳位二极管DF1和钳 位二极管DF2，所述钳位二极管DF1和钳位二极管DF2同向串联连接，该串联支 路的两端分别连接所述任一桥臂的两输入端，所述谐振电感LF与所述变压器原 边的连接点与所述钳位二极管DF1和钳位二极管DF2的连接点连接。本实用新型的有益效果是-本实用新型在其中一桥臂上增加了由电感LA、 二极管DL1、 二极管DL2、电 容CL1和电容CL2组成的辅助网络，使得0 100%负载范围内均可满足桥式移相 软开关变换器的工作条件；由于所增加的辅助网络和谐振电感LF分担了变换器 完成移相过程所需的能量，因此本实用新型中的谐振电感LF大大减小，对占空 比基本没有影响，变换器的占空比可达到90%左右；本实用新型中的左右桥臂均
可在全程负载范围内实现软开关变换，不受输出滤波电感器的影响，同时，死负载降为总输出负载的0.2% 0.5%，整机损耗大大降低；另外，本实用新型中的 变压器也不需要特别设计、辅助电感LA或LB、谐振电感LF使用普通的铁氧体 材料，体积大大减小，散热器比目前桥式移相软开关变换器中的散热器小，所以 降低了整机的成本；本实用新型相比现有基本移相电路空载时产生的干扰，空载 电磁干扰小。
图1是现有技术中基本桥式移相软开关变换器拓扑电路结构图。
图2是现有技术中另一种桥式移相软开关变换器拓扑电路结构图。
图3是本实用新型的桥式移相软开关变换器拓扑电路结构图(一)。
图4是本实用新型的桥式移相软开关变换器拓扑电路结构图(二)。
图5是本实用新型的桥式移相软开关变换器拓扑电路结构图(三)。
图6是图3所示电路的起始状态示意图。
图7是图3所示电路处于右桥臂谐振过渡周期的示意图。
图8是图3所示电路处于钳位续流周期的示意图。
图9是图3所示电路处于左桥臂谐振过渡周期的示意图。
图IO是图3所示电路处于功率传输周期的示意图。
图11是本实用新型的变换器效率曲线图。
以下结合附图和实施例对本实用新型进行进一步阐述-桥式移相软开关变换器的工作条件是1、储在谐振电感LF中的能量必须大于在最大过渡时间内一侧桥臂的开关管 输出电容与变压器分布电容充、放电所需的总能量。
2、移相过程必须在过渡时间内完成。根据上述条件，本实用新型提出利用外加附加网络和谐振电感共同提供能量 来满足上述条件的思想，达到最佳桥式移相软开关变换，并克服目前采用的拓扑 结构的缺陷；变换器的成本没有增加；轻载效率大大提高。图3是本实用新型的桥式移相软开关变换器拓扑电路结构图(一)，本实用 新型的变换器拓扑电路包括由两桥臂(左、右桥臂)组成的桥式电路、变压器 和整流滤波电路(整流电路可以是全波整流，也可以是全桥整流等)，所述变压器 的副边与所述整流滤波电路电连接；所述桥式电路的一桥臂包括开关管MR1、开 关管MR2、电感LB、 二极管DR1、 二极管DR2、电容CR1和电容CR2，所述开关 管MR1与开关管MR2串联连接，该串联支路的中点作为该桥臂中点，与所述变压 器原边的一端电连接，该串联支路的两端作为该桥臂的两输入端，所述二极管 DR1和二极管DR2同向串联，该串联支路两端分别连接该桥臂的两输入端，所述 电容CR1和电容CR2分别并联于二极管DR1和二极管DR2两端，所述电感LB连 接在该桥臂中点和所述二极管DR1与二极管DR2的连接点之间；所述桥式电路的 另一桥臂包括开关管ML1和开关管ML2，所述开关管ML1与开关管ML2串联连接， 该串联支路的中点作为该桥臂中点，与所述变压器原边的另一端电连接，该串联 支路的两端作为该桥臂的两输入端；所述桥式电路的另一桥臂还包括电感LA、 二极管DL1、 二极管DL2、电容CL1和电容CL2,所述二极管DL1和二极管DL2 同向串联，该串联支路两端分别连接该桥臂的两输入端，所述电容CL1和电容 CL2分别并联于二极管DL1和二极管DL2两端，所述电感LA连接在该桥臂中点 和所述二极管DL1与二极管DL2的连接点之间。需要说明的是，该拓扑电路还包括谐振电感LF，所述任一桥臂中点通过该 谐振电感LF与所述变压器原边相连接，即谐振电感LF可以串接在左桥臂与变压 器原边之间，也可以串接在右桥臂与变压器原边之间。图4是本实用新型的桥式移相软开关变换器拓扑电路结构图(二)，相对于 图3来说，图4中的结构图增加了钳位二极管DF1和钳位二极管DF2，所述钳位 二极管DF1和钳位二极管DF2同向串联连接，该串联支路的两端分别连接所述桥 臂的两输入端，所述谐振电感LF与所述变压器原边的连接点与所述钳位二极管DF1和钳位二极管DF2的连接点。该图所示的拓扑电路，主要用于高压输出的变 换器中，DF1、 DF2是钳位二极管，使变压器原、副边的电压钳位在设计范围内， 避免由于谐振电感LF和变压器原边电压相位相反时产生高压，损坏副边整流二 极管DZ1、 DZ2，起到保护作用，同时，钳位二极管的增加也降低对变压器耐压 的要求。图5是本实用新型的桥式移相软开关变换器拓扑电路结构图(三)，相对于 图3来说，图5所示的结构图去掉了谐振电感LF，单纯利用变压器的漏电感做 谐振电感器，不外加谐振电感。下面对图3所示拓扑电路进行工作周期分析定义T0时刻初级侧的电流为IP (T0)。1、 当KT0时，变换器处于起始状态，如图6所示:对角臂上的开关管ML1， 开关管MR2导通。IP (TO)经ML1、变压器的一次侧(原边)、谐振电感LF流入 开关管MR2，电流方向如图中箭头所示。变压器一次侧电流在TO时刻等于IP (T0)。同时，在T0时刻，MR2被控制 电路关断，并进入右桥臂谐振转换周期。此刻，IP (TO)由一次侧的谐振电感 LF和右侧辅助网络维持，近似为常量。2、 当TO 〈T 〈Tl时，变换器处于右桥臂谐振过渡周期，如图7所示MR2 关断后，变压器一次侧电流通过开关管输出电容继续流动， 一次侧电流和右侧辅 助网络同时对MR2的输出电容充电，电压由OV上升至电源电压。同时变压器分 布电容和MR1输出电容则开始放电。这样，经过谐振过渡周期，当MR1开通时， 其源-漏之间的电压已经降为零，零电压开通ZVS得以实现。3、 当TKT〈T2时，变换器处于钳位续流周期，如图8所示r右桥臂谐振 周期结束后， 一次侧电流将通过ML1、 MR1的体二极管续流。4、 当T2〈T〈T3时，变换器处于左桥臂谐振过渡周期，如图9所示在T2 时刻，变压器一次侧仍有电流，其值略低于IP (T0)。由于MR1已导通，ML1将 被关断。这时，变压器一次侧电流继续流动，但其流动方向变为流向ML1的输出 电容，左侧辅助网络的电流也流入ML1的输出电容，电压由OV上升至电源电压。同时变压器分布电容也开始充电，ML2输出电容则开始放电。在谐振过渡周期中， ML2源-漏之间的电压已经降为零，为零电压开关的实现创造了条件。 一次侧电 流被ML2的体二极管钳位，此时ML2仍处在关断状态。 一旦ML2开通，由于MR1 己经处于导通状态，输入电压将全部加在变压器的一次侧，并通过变压器的二次 侧向负载传输能量。5、 当T3〈T〈T4时，变换器处于功率传输周期，如图10所示在功率传输 周期中，对角桥臂中的两只开关管都处于导通状态，输入电压完全施加在变压器一次绕组上。6、 开关管关断周期(T4): MR1在T4时关断，至此一个完整的开关周期完 成了。由于MR1关断，电流通过输出电容继续流动，这使MR1源-漏之间的电压 由零上升至电源电压。辅助网络加速这一过程的进程。与此同时，MR2的输出电 容立即通过变压器的一次侧放电，为MR2工作在ZVS状态创造条件。为了体现本实用新型所能达到的有益效果，以图3所示电路为例进行试验， 在高压情况下，输出整流电路采用全桥方式，DL1, DL2， DR1， DR2选用MUR460 二极管，DF1, DF2选用DSEI 15-06A。 CL1， CL2， CR1， CR2取值1220PF/1KV瓷 片电容。LA， LB取值200uH。 LF取值10 uH。输入电压400VDC，输出电压360VDC， 功率1500W。死负载4W，实验数据如下表，相应曲线图如图11所示的变换器效 率曲线图。负载w效率负载比例负载百分比效率12572%8.3001338.30%72%25083%16扁2716.60%83%35788%23.7051823.70%88%50092%33.2005333.20%92%62593%41.5006641.50%93%83395%55.3120855.30%95%100097%66.4010666.40%97%111697%74.1035974.腦97%125098%83細3383%98%137398%91.應691.20%98%150698%100100%98%
根据以上分析，现有技术中由于轻载时原边电流很小，谐振电感小，其储能不能保证谐振过程中的电流持续，使得电容的充、放电过程不能达到ov或者电源电压，并使移相过程不能在过渡周期中完成，为zvs创造条件，从而产生损耗，并使变换器工作产生尖峰干扰，而本实用新型中左、右辅助网络的同时加入，在 过渡过程中提供谐振所需能量，并达到谐振能量要求，使得谐振过程如期完成，zvs顺利实现，克服了目前移相桥式谐振软开关变换拓扑的缺陷。
权利要求1、 一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路，包括由两桥臂组成的桥式电路、 变压器和整流滤波电路，所述变压器的副边与所述整流滤波电路电连接；所述桥 式电路的一桥臂包括开关管MR1、开关管MR2、电感LB、 二极管DR1、 二极管DR2、 电容CR1和电容CR2，所述开关管MR1与开关管MR2串联连接，该串联支路的中 点作为该桥臂中点，与所述变压器原边的一端电连接，该串联支路的两端作为该 桥臂的两输入端，所述二极管DR1和二极管DR2同向串联，该串联支路两端分别 连接该桥臂的两输入端，所述电容CR1和电容CR2分别并联于二极管DR1和二极 管DR2两端，所述电感LB连接在该桥臂中点和所述二极管DR1与二极管DR2的 连接点之间；所述桥式电路的另一桥臂包括开关管ML1和开关管ML2，所述开关 管ML1与开关管ML2串联连接，该串联支路的中点作为该桥臂中点，与所述变压 器原边的另一端电连接，该串联支路的两端作为该桥臂的两输入端；其特征在于所述桥式电路的另一桥臂还包括电感LA、 二极管DL1、 二极管DL2、电容CL1 和电容CL2，所述二极管DL1和二极管DL2同向串联，该串联支路两端分别连接 该桥臂的两输入端，所述电容CL1和电容CL2分别并联于二极管DL1和二极管 DL2两端，所述电感LA连接在该桥臂中点和所述二极管DL1与二极管DL2的连 接点之间。
2、 根据权利要求1所述的一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路，其特征 在于还包括谐振电感LF,所述任一桥臂中点通过该谐振电感LF与所述变压器 原边相连接。
3、 根据权利要求2所述的一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路，其特征 在于还包括钳位二极管DF1和钳位二极管DF2，所述钳位二极管DF1和钳位二 极管DF2同向串联连接，该串联支路的两端分别连接所述任一桥臂的两输入端， 所述谐振电感LF与所述变压器原边的连接点与所述钳位二极管DF1和钳位二极 管DF2的连接点相连。
专利摘要本实用新型公开了一种桥式移相软开关变换器的拓扑电路，涉及电力电子领域中的直流电源变换技术。该拓扑电路包括由两桥臂组成的桥式电路、变压器和整流滤波电路，所述变压器的副边与所述整流滤波电路连接；所述桥式电路的一桥臂包括开关管MR1、开关管MR2、电感LB、二极管DR1、二极管DR2、电容CR1和电容CR2，所述桥式电路的另一桥臂包括开关管ML1和开关管ML2，所述桥式电路的另一桥臂还包括电感LA、二极管DL1、二极管DL2、电容CL1和电容CL2。本实用新型能够提供足够的能量完成变换器的桥式移相软开关过程。
文档编号H02M3/22GK201022179SQ20062001664
公开日2008年2月13日 申请日期2006年12月22日 优先权日2006年12月22日
发明者枫 杨 申请人:枫 杨