专利名称：采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种零电压开关直流变换器，特别是一种零电压开关全桥 直流变换器，属于电能变换装置中的直流变换器。
背景技术：
目前很多标准都从节能的角度对电源效率提出了严格的要求，希望变 换器在整个负载范围内，尤其是在轻载时仍可以高效工作。移相控制零电
压开关(Zero-Voltage-Switching，简称ZVS)全桥变换器利用变压器的漏感和 开关管的结电容实现了开关管的ZVS，广泛应用于中大功率的场合。由于 变压器漏感一般较小，在轻载时其能量不足以实现滞后桥臂的ZVS，此时 变换器效率较低。
为了在轻载时实现滞后桥臂的ZVS，可以增加变压器漏感或者串联谐 振电感，但会增加次级有效占空比的丢失，使变压器匝比减少而导致开关 管电流应力和整流二极管电压应力增加。采用饱和电感可以增加滞后桥臂 ZVS的实现范围，但是饱和电感损耗较大。为了减小漏感或串联谐振电感， 提高次级有效占空比，加入辅助网络成为一种趋势。有文献在全桥变换器 中增加了一个无源辅助网络，利用辅助电感电流帮助滞后桥臂实现ZVS， 但是辅助电感电流恒定不变，满载时，谐振电感中存储的能量已经可以实 现滞后桥臂的ZVS，辅助能量是存在一定损耗的。
以上的各种方法在不同的程度上实现了滞后桥臂的zvs，但是它们存 在一个共同的问题，即实现滞后桥臂zvs的辅助能量基本不变且和负载电 流无关。满载时，谐振电感中储存的能量已经可以实现滞后桥臂的zvs，
辅助能量是存在一定损耗的，从而降低了效率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，设计一种能在较宽负载范
围内实现了滞后桥臂开关管的zvs，还可以在较宽的负载范围里实现高的
变换效率的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器。本发明的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器，包括直流
电源^、第一逆变桥臂1和第二逆变桥臂2、谐振电感3、隔离变压器4、 辅助电感5、分压电容电路6、整流及滤波电路7，其中由第一开关管^ 和第三开关管込串联后组成的第一逆变桥臂1正向并联在直流电源K力正 负输出端；由第二开关管込和第四开关管"串联后组成的第二逆变桥臂 2同样正向并联在直流电源^正负输出端，上述第一至第四的四个开关管
G、込、込、"还各自并联一个体二极管和一个寄生电容，分压电容电路 6由两个电容Cd、d正向串联组成，正向并联在直流电源^正负输出端， 隔离变压器4副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中一个绕组另一端的 同名端连于整流及滤波电路7正端，另一个副边绕组另一端的异名端连于 整流及滤波电路7正端，两个副边绕组的串联点与整流及滤波电路7的负 端相连，其特征在于增设一个原边辅助绕组(N3)，该原边辅助绕组(N3) 与辅助电感(5)和分压电容电路(6)组成无源辅助网络，所述原边绕组(^)与 原边辅助绕组(^3)同名端相连后再连于第二逆变桥臂(2)的两个开关管(^2、 ")的串联点(B)，原边辅助绕组(A^另一端连于辅助电感(5)—端，辅助电感 (5)的另一端连于分压电容电路(6)的两个电容(d、 C。2)的串联点(C)，原边 绕组(M)另一端连于谐振电感(3)—端，谐振电感(3)的另 一端连于第一逆变 桥臂(1)的两个开关管(G、込)的串联点(A)上。
所述隔离变压器(4)原边绕组(M)与原边辅助绕组(iV3)的匝比关系为 iV:A^2:l。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，由于增加了由原边辅助绕 组(N3)与辅助电感(5)和分压电容电路(6)组成无源辅助网络，该直流变 换器不仅实现了开关管的零电压开关，且为滞后桥臂开关管实现零电压开 关提供的能量与负载电流相关，负载较重时，辅助电感中存储的能量较少， 随着负载的减轻，辅助电感中存储的能量逐渐增加。因此一方面可以减小 在负载较重时由辅助网络带来的损耗，另一方面在负载较轻时可以实现滞后桥臂开关管的zvs。能在较宽负载范围内实现了滞后桥臂开关管的zvs，
还可以在较宽的负载范围里实现高的变换效率。
附图1是本发明的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器的 实施例电路结构示意图。
附图2是本发明的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器的 主要工作波形示意图。
附图3 8是本发明的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器 的等效电路结构示意图。
上述附图中的主要符号名称K力、电源电压。Q 込、开关管。d
C4、寄生电容。A A、体二极管。A、谐振电感。r"隔离变压器。M、
变压器原边绕组。AT2、变压器副边绕组。7V3、变压器原边辅助绕组。L。、 辅助电感。C。i C。2、分压电容。An、 A 2、输出整流二极管。々、滤波电 感。C,、滤波电容。Aw、负载。F。、输出电压。ivert、变压器副边整流后 电压。v^、爿与5两点间电压。
具体实施例方式
附图1所示的是采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器的电 路结构示意图。由直流电源J^、两个逆变桥臂1和2、谐振电感3、隔离 变压器4、辅助电感5、分压电容6、整流及滤波电路7组成。G "是四 只主开关管，A Z)4分别是开关管^ "的体二极管，d Ct分别是开 关& "的寄生电容，A是谐振电感，j;是隔离变压器，^是辅助电感，
d和C。2是两个分压电容，Z^和Z)w2是输出整流二极管，丄/是输出滤波电
感，C/是输出滤波电容，i w为负载。本变换器采用移相控制，开关管^ 和込分别超前于开关管^和込一个相位，称开关管^和込组成的第一 逆变桥臂为超前桥臂，开关管込和^组成的第二逆变桥臂则为滞后桥臂。 本发明的特点是隔离变压器4除了原边绕组M和副边绕组7V2外，还在变 压器原边额外增加了一个原边辅助绕组7V3，且原边绕组M与原边辅助绕 组AT3的匝比关系为W1:iV3=2:l 。此原边辅助绕组7V3与原边绕组M以同名端 方式联结，即两个绕组的联结端点是两个绕组的同名端，也就是原边绕组M的同名端与原边辅助绕组M的同名端相联结，或者是原边绕组M的异
名端与原边辅助绕组7V3的异名端相联结，其联结端点为第二逆变桥臂2的
两个开关管02与込的串联点。原边辅助绕组M的另一端与辅助电感Z^ 的一端相连，辅助电感丄。的另一端相连分压电容电路6的两个电容Cal与 C。2的串联点C，原边绕组M的另一端与谐振电感^的一端相连，谐振电 感A的另一端可以连于第一逆变桥臂(1)的两个开关管^与込的串联点。
下面以附图1为主电路结构，结合附图2 8叙述本发明的具体工作原 理。由附图2可知整个变换器在一个开关周期有12种开关模态，分别是[A)
以前]、[f。， ？1〗、[A， 6]、 [6， 6]、 [6， "]、 ["， G]、 [ 5， ,6〗、|>6， t7]、 |>7， &]、 ["， "]、 1>9， AO]、 l>1Q， ^](见附图2)，其中，[fo以前，？5]为前半周期，
fn]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，作如下假设①所有开关管和二极管均为理想器件；② 所有电感、电容和变压器均为理想元件；③分压电容d和C。2很大，可看
作一个恒压源，即J^产^aff^/2。
1. 开关模态1 [A)以前][对应于附图3]
fo以前，^和"导通，Z)w导通，A 2截止，电源向负载传递功率。此
时由变压器匝比关系可得辅助电感两端电压为零，辅助电感电流/。处于续
流状态，方向与正参考方向相反，幅值为/。。由安匝平衡关系AVzp = iV3./。+A^/。可得变压器原边电流^为4^+/。/2，流经0的电流与Zp相同， 也为V《+V2，而流经g4的电流V^/。/2。
2. 开关模态2[&， A][对应于附图4〗
A)时刻关断&， /p给G充电，给C3放电，^点电压下降。由于有C, 和G， ^是零电压关断。开关模态2持续时间很短，因此可以认为辅助电 感电流近似不变，仍为-/。，则变压器原边电流近似不变，为/V^f/a/2。可 见，相比于基本全桥变换器，本文提出的全桥变换器的超前桥臂开关管更容 易实现ZVS。 ^时亥ij， C,的电压上升到F, ， C3的电压下降到零，/)3自然 导通，从而结束此开关模态。
3. 开关模态3 [A， f2][对应于附图5]
A导通后，此时可以零电压开通込。此时变压器原边绕组电压为零，因此辅助绕组电压也为零，加在辅助电感两端的电压为K>/2，因此辅助电 感电流反方向增加。
4. 开关模态4 [f2， f3][对应于附图6]
6时刻关断g4， Zp和/。共同给C4充电，给Q放电。由于C2和C4的存
在，^是零电压关断，当A点电位上升到PV2时，Z。两端的电压为零，
此时/。达到正的最大值/。， /3时刻，CV的电压上升到^， G的电压下降到 零。在这段时间内，T^极性自零变负，从而使Af2导通。整流管Z^和I^ 同时导通，将变压器副边绕组短接，这样变压器副边电压为零，原边绕组 电压也为零，因此v^全部加在4上，也就是说，这段时间里，实际上丄r 和G、 C4在谐振工作，这段时间很短，可以认为辅助电感电流保持不变。
5. 开关模态5 [f3，"][对应于附图7]
在6时刻，C2的电压下降到零，D2自然导通，将込的电压箝在零位， 此时可以零电压开通込。由于副边两只整流管同时导通，因此变压器副边 绕组电压为零，原边绕组电压也为零，此时^全部加在^两端，使^线 性下降，A时亥lj， Zp下降到零，二极管D2和A自然关断，込和込中将流 过电流。此模态中，^两端的电压为^与Fc。2之差，即丄。两端的电压为 -^/2，该电压将使Z。减小，由于该模态持续时间较短，Z'。下降较小。
6. 开关模态6 A， b][对应于附图8]
在"时刻，Zp由正值过零，并且向负方向增加，此时込和込为原边
电流提供通路，由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两只 整流管提供回路，因此原边绕组电压仍然为零，加在4两端电压仍是K"，
^反向线性增加，^时亥lj， ^增加到-(/0/《+/。/2)，此时，^已增加到可以提供 副边负载电流，则Z)w关断，A^2流过全部负载电流，该开关模态结束。/5 时刻之后，电源向负载传递功率，开始后半周期的工作，其工作情况与前 半周期类似，因此不再多述。
由以上描述可知，本发明提出的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器具有如下优点
① 无源辅助网络结构简单，不需要任何主控器件；载轻时辅助网络中 存储的能量可以帮助滞后桥臂开关管实现零电压开关，实现零电压 开关的负载范围宽。
② 由于增加了无源辅助网络,可以采用较小的谐振电感值就可以宽负 载范围内实现滞后桥臂开关管的ZVS，因此副边占空比丢失较少, 可以优化变压器匝比的设计。
③ 可以实现开关管的零电压开关。
权利要求
1、一种采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器，包括直流电源(Vin)、第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(4)、辅助电感(5)、分压电容电路(6)、整流及滤波电路(7)，其中，由第一开关管(Q1)和第三开关管(Q3)串联后组成的第一逆变桥臂(1)正向并联在直流电源(Vin)正负输出端；由第二开关管(Q2)和第四开关管(Q4)串联后组成的第二逆变桥臂(2)同样正向并联在直流电源(Vin)正负输出端，上述第一至第四的四个开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)还各自并联一个体二极管和一个寄生电容，分压电容电路(6)由两个电容(Ca1、Ca1)正向串联组成，正向并联在直流电源(Vin)正负输出端，隔离变压器(4)副边两个同匝数的副边绕组相串联，其中一个绕组另一端的同名端连于整流及滤波电路(7)正端，另一个副边绕组另一端的异名端连于整流及滤波电路(7)正端，两个副边绕组的串联点与整流及滤波电路(7)的负端相连，其特征在于增设一个原边辅助绕组(N3)，该原边辅助绕组(N3)与辅助电感(5)和分压电容电路(6)组成无源辅助网络，所述原边绕组(N1)与原边辅助绕组(N3)同名端相连后再连于第二逆变桥臂(2)的两个开关管(Q2、Q4)的串联点(B)，原边辅助绕组(N3)另一端连于辅助电感(5)一端，辅助电感(5)的另一端连于分压电容电路(6)的两个电容(Ca1、Ca2)的串联点(C)，原边绕组(N1)另一端连于谐振电感(3)一端，谐振电感(3)的另一端连于第一逆变桥臂(1)的两个开关管(Q1、Q3)的串联点(A)上。
2、 如权利要求1所述的采用无源辅助网络的零电压开关全桥直流变换 器，其特征在于所述隔离变压器(4)原边绕组(M)与原边辅助绕组(iV3)的匝比 关系为凡:^3=2:1。
全文摘要
本发明的采用无源源辅助网络的零电压开关全桥直流变换器，其结构包括直流电源(V<sub>in</sub>)、第一逆变桥臂(1)和第二逆变桥臂(2)、谐振电感(3)、隔离变压器(4)、辅助电感(5)、分压电容电路(6)、整流及滤波电路(7)，还包括一个原边辅助绕组(N<sub>3</sub>)，原边辅助绕组(N<sub>3</sub>)、辅助电感(5)以及分压电容电路(6)组成无源辅助网络。该直流变换器不仅实现了开关管的零电压开关，且为滞后桥臂开关管实现零电压开关提供的能量与负载电流相关，负载较重时，辅助电感中存储的能量较少，随着负载的减轻，辅助电感中存储的能量逐渐增加。因此一方面可以减小在负载较重时由辅助网络带来的损耗，另一方面在负载较轻时可以实现滞后桥臂开关管的ZVS。
文档编号H02M3/24GK101604917SQ20091003361
公开日2009年12月16日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者阮新波, 武 陈 申请人:南京航空航天大学