专利名称：一种多路输出直流-直流变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及直流-直流变换器，尤其是大功率全桥软开关隔离型多 路输出直流-直流变换器。
背景技术：
多路输出的直流-直流变换器有着极为广泛的应用，对多路输出的直流-直流变换器的基本要求有高效率，低成本，小体积，控制方法简单，输入 输出隔离以及各路输出电压均可调节等。目前，已有多种技术可以同时满 足上述的一种或多种需求，然而，这些技术中大都利用了一个或两个功率 开关管来形成正激或反激电路，不能应用于大功率输出场合。例如，名为"一
种多路输出直流/直流变换器及变换方法"，公告号1389971，公告日2003 年1月8日的中国专利，通过两个结构对称的单端隔离变换器对输入电压 进行变换，将两个隔离变换器输出端相并联，形成共用的第一级低压直流 母线，再将多个直流-直流变换单元的输入端与低压直流母线连接，得到多 路电压可调节的直流输出。该电路结构简单，成本低，但由于仅使用单个 功率开关管进行功率变换，难以应用于大功率场合。
在需要大功率多路输出的场合，通常使用全桥变换器进行功率变换。 但是，若每一路输出使用一个全桥变换器进行功率变换，则N路可调节输 出需要4N个功率开关管，导致系统结构复杂，成本过高，体积过大。为解 决上述问题，一种常用的大功率多路输出全桥直流-直流变换器如图1所示， 它包括了由变压器原边侧绕组np和反并联有二极管的功率开关管QrQ4组 成的输入电路，由变压器副边侧绕组nsi、 二极管组成的整流桥D^、滤波电 感L。p滤波电容C^组成的主输出，以及由变压器副边绕组nsi、整流桥D^ 辅助功率开关管Q。i、滤波电感L。i，滤波电容C。i和续流二极管Di组成的辅助输出，其中N为大于等于2的整数。通过对功率开关管QrQ4进行移相 控制，可以调节第一路输出电压，同时可以在一定范围内实现功率开关管 的零电压开通；通过对辅助功率开关管Q。i进行PWM控制，可以调节第2 至第N路输出电压。这种全桥隔离型直流-直流变换器仅使用了 N+3个功率 开关管，就可以得到N路输出电压，结构简单。但是，该电路存在许多缺 点需要额外的电路来控制辅助功率开关管；仅当第一路输出满载时，其 它的各路输出才能完全可调；并且所有副边绕组均处于同一变压器内，不 便于输出路数的扩充。
名为"一种隔离型多路输出直流-直流变换器"，公开号1790887，公开 日2006年6月21日的中国专利申请，提出了一种结构简单且适用于中大 功率场合的多路输出直流-直流变换器。该发明在全桥变换器的第一逆变桥 臂中点与电源负端之间接有第一路输出电路，在第二逆变桥臂中点与电源 负端之间接有第二路输出电路，在第一逆变桥臂与第二逆变桥臂的中点之 间接有第三路输出电路。其中第一路输出电压依靠第一逆变桥臂的占空比 调节，第二路输出电压依靠第二逆变桥臂的占空比调节，第三路输出依靠 第一逆变桥臂与第二逆变桥臂之间的相移来调节。通过增加一个新的桥臂， 可以在桥臂中点与电源负端及相邻桥臂中点之间增加两个新的输出，该技 术理论上可以用N个功率开关管实现N-1路输出。该技术的缺点是第一
输出与第二输出实际上是由半桥变换器进行功率变换的，输出能力不及全 桥变换器；各路输出均处于不对称工作状态，变压器利用不充分；各输出 之间互相影响，耦合严重；控制策略涉及占空比与移相之间的配合，实现 困难；并且控制策略随输出路数的增加而变得更为复杂，不利于输出路数 的扩充。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种多路输出直流-直流变换器，该变换器 可以提供多路精确可调的输出，且各路输出均具有与全桥变换器相当的功 率容量，能够提高效率与功率密度；并具有简单的主电路结构以及控制方法，便于进行输出路数的扩充。
本实用新型提供的多路输出直流-直流变换器，其特征在于它包括公
共逆变桥臂、N个独立逆变桥臂以及N路输出电路，N为大于等于2的整 数；
N个独立逆变桥臂具有同样的结构，均包括两个带有反并联二极管的 第一、第二功率开关管；每个独立逆变桥臂的第一功率开关管的漏极与电 源正端相连，源极与第二功率开关管的漏极相连；第二功率开关管的源极 与电源负端相连；第一功率开关管源极与第二功率开关管漏极之间的连结 点作为该独立逆变桥臂的中点；
公共逆变桥臂包括上、下单元，上、下单元均由功率二极管和第三功 率开关管串联而成，且功率二极管的阳极和第三功率开关管漏极为承受高 电位端；所述上单元的一端接电源正端，另一端接公共逆变桥臂的中点， 所述下单元的一端接公共逆变桥臂的中点，另一端接电源负端；
每个独立逆变桥臂的中点与公共逆变桥臂中点分别接有输出电路，各 输出电路均包括复位电容、隔离整流电路和滤波电路；隔离整流电路的第 一输入端与独立逆变桥臂和公共逆变桥臂的其中一个中点相连，第二输入 端通过复位电容与独立逆变桥臂和公共逆变桥臂的另一个中点相连；滤波 电路由滤波电感和滤波电容串接而成，并接在隔离整流电路的正、负输出 端之间。
本实用新型的共用零电流开关滞后桥臂的多路输出直流-直流变换器工 作于恒定频率，各路输出电压均利用.该路的独立逆变桥臂与公共逆变桥臂 之间的相移来进行调节，各路输出之间完全独立，互不影响。各独立逆变 桥臂作为移相控制中的超前桥臂，桥臂中的各功率开关管均可实现零电压 开通；公共逆变桥臂作为移相控制中的滞后桥臂，通过第一和第二功率二 极管及各路输出电路中复位电容的作用，公共逆变桥臂中的功率开关管均 可实现零电流开关。通过本实用新型提出的电路结构，可达到如下效果仅用2N+2个功率 开关管实现了 N路大功率可调节输出，且各路输出的工作与控制方式与全 桥变换器完全相同；各独立桥臂上的功率开关管均可实现零电压开通，公 共桥臂的功率开关管均可实现零电流开关，从而减小了开关损耗，提高了 效率与工作频率，有利于提高功率密度；在各路输出中，变压器均工作于 对称状态，变压器利用充分；通过新增一路独立逆变桥臂、输出电路及控 制电路，就可得到一路新的输出，易于实现输出路数的扩充；新增的输出 不影响零电压开通与零电流开通的实现条件。
图1是现有的一种全桥隔离型多路输出直流-直流变换器；
图2是本实用新型的电路原理框图3是本实用新型中公共逆变桥臂的具体实现形式；
图4是图2原理框图中隔离整流电路的具体实现形式；
图5是本实用新型的各功率开关管栅极驱动脉冲的时序及各独立桥臂
中点与公共桥臂中点间的电压波形图6是令本实用新型中N=3时得到的三路输出直流-直流变换器；
图7是令本实用新型中N=3时得到的三路输出直流-直流变换器工作时
的驱动脉冲时序以及主要电压和电流波形图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型作进一步详细的说明。 如图2的原理框图所示，本实用新型提供的变换器包括N个独立逆变 桥臂l.i，其中N为大于等于2的整数，i取值为l至N， 一个公共逆变桥 臂2，以及分别连接在各独立逆变桥臂中点Mi与公共逆变桥臂中点Mc之 间的N路输出电路。
N个独立逆变桥臂具有同样的结构，如图2中所示，独立逆变桥臂l.i
均分别由两个带有反并联二极管的功率开关管SU， Si2组成，i取值为1至N。每个独立逆变桥臂的第一功率开关管S"的漏极与电源正端相连；源极 与第二功率开关管Si2的漏极相连;第二功率开关管的源极与电源负端相连; 第一功率开关管Su源极与第二功率开关管Si2漏极之间的连结点作为该独 立逆变桥臂的中点Mi。各功率开关管Su， Si2的栅极外接驱动电路。并联于 各功率开关管漏源极之间的电容可以是功率开关管自身的输出电容，也可 以是额外并联于漏源极之间的电容。
公共逆变桥臂包括上、下单元。上、下单元均由功率二极管和第三功 率开关管串联而成，且功率二极管的阳极和第三功率开关管漏极为承受高 电位端。如图2所示，公共逆变桥臂的上、下单元均分别由两个功率二极
管Dd， Dc2和两个带有或不带有反并联二极管的第三功率开关管SC1， SC2
组成。根据功率开关管与功率二极管位置的不同，公共逆变桥臂有多种具
体实现形式。在图2中的实现形式中，选用带有反并联二极管的功率开关 管Sd， SC2;其中功率二极管Dd的阳极与电源正端相连，阴极与功率开关 管SC1的漏极相连；功率开关管SC1的源极与功率开关管SC2的漏极相连； 功率开关管SC2的源极与功率二极管DC2的阳极相连；功率二极管DC2的阴 极与电源负端相连。此时功率开关管Sd源极与功率开关管Sc2漏极的连结 点作为公共逆变桥臂的中点Mc。
公共逆变桥臂另外的具体实现形式如图3.1至3.3所示。它们与电源正 端的连接点A、与电源负端的连接点B以及桥臂中点Mc的定义均在图中标 注。另外，图3中带有反并联二极管的功率开关管也可以采用不带反并联 二极管的功率开关管代替。
每个独立逆变桥臂中点Mi与公共逆变桥臂中点Mc之间的第i路输出 电路均由复位电容Cdi、隔离整流电路3.i和滤波电路组成，滤波电路包括 滤波电感L。i和滤波电容C。i， i取值为1至N。其中复位电容Qi—端与独 立逆变桥臂的中点Mi相连，复位电容Cdi另一端与隔离整流电路一端输入 相连，隔离整流电路的另一输入端与公共桥臂中点Mc相连；隔离整流电路 的正输出端与滤波电感L。i一端相连；滤波电感L。i的另一端与滤波电容C。i 正端相连；滤波电容C。i的负端与隔离整流电路的负输出端相连。使用时，
8滤波电容C。i与外接的负载Roi并联。另外，复位电容Qi也可以接在隔离整 流电路与公共逆变桥臂中点Mc之间。滤波电感L。i和滤波电容C。i的位置可 以互换。
上述输出电路中的隔离整流电路由变压器与二极管整流桥组成，根据 的整流桥形式的不同，可有如图4所示的两种具体实现形式
在图4.1的具体实现形式中，变压器Ti原边绕组npi的一端与原边电感 Llki的一端相连，原边电感Llki的另一端及变压器原边绕组npi的另一端作为 隔离整流电路的两个输入端；变压器Ti副边绕组nSi的一端与第一整流二极 管Du的阳极及第二整流二极管Di2的阴极共接，变压器Ti副边绕组nSi的 另一端与第三整流二极管Di3的阳极与第四整流二极管Di4的阴极共接；第 一整流二极管Du的阴极与第三整流二极管Di3的阴极相连，并作为该路隔 离整流电路的正输出端，第二整流二极管Di2的阳极与第四整流二极管Di3 的阳极相连，并作为该路隔离整流电路的负输出端。
在图4.2的具体实现形式中，变压器Ti原边绕组npi的一端与原边电感 Llki的一端相连，原边电感Llki的另一端及变压器原边绕组npi的另一端作为 隔离整流电路的两个输入端；变压器Ti副边绕组nsi的两端分别与第一整流 二极管Du的阳极及第二整流二极管Di2的阳极共接，第一整流二极管Du 的阴极与第二整流二极管Di2的阴极相连，并作为该路隔离整流电路的正输 出端，变压器Ti副边绕组nsi的中心抽头引线作为该路隔离整流电路的负输 出端。
在图4中，Lud可以是对应的变压器Ti内部的漏感，也可以是额外串联 于变压器原边侧的电感；构成整流桥的各整流二极管，或其中之一，也可 为同步整流管。
本实用新型的共用零电流开关滞后桥臂的多路输出直流-直流变换器工 作于恒定频率，其控制策略如图5所示。连接各独立逆变桥臂开关管Sn， Si2栅极的驱动脉冲PWMu， PWMi2以及连接共用逆变桥臂功率开关管SC1， Sc2栅极的驱动脉冲PWMd， PWMC2，均为180。互补且带有死区时间d的 脉冲，以防止上下管直通，并为功率开关管的零电压开通提供条件。以共用逆变桥臂的驱动脉冲PWMd， PWMc2为基准，通过调节每一路独立逆变 桥臂与公共逆变桥臂之间的相移Di,可以改变该路变压器Ti原边电压 VMi-MC的脉宽，从而可以精确调整该路输出电压。
为了充分描述本实用新型的各种工作状态，现以一个三路输出N-3的 电路来进行说明。 一个三路输出直流-直流变换器如图6所示，其对应的脉 冲时序与主要电压、电流波形如图7所示，以此来说明电路的工作状态。 为了更好地描述本实用新型的工作过程，假设图5所示的三路输出分别处 于三种典型的带载状态第一路输出工作于轻载状态，其输出滤波电感L。i 上电流处于断续状态；第二路输出工作于半载状态，其输出滤波电感L。2 上电流处于临界断续状态；第三路输出工作于满载状态，其输出滤波电感 L。3上电流处于连续状态。在闭环控制器的作用下，稳态时三路输出的移相 角将满足D^D^Db在一个工作周期内， 一组时间上相邻的逆变桥臂的开 关过程与另一组时间上相邻的逆变桥臂的开关过程基本类似，因此在此只 分析半个工作周期，另外半个工作周期可作类似分析。在半个工作周期内， 变换器的主要工作过程如下 阶段l (to國t。:
在此阶段，各独立逆变桥臂的上侧功率开关管Su 、 S21、 Sw均导通， 同时公共逆变桥臂的下侧功率开关管S口导通。因此各路输出电路的整流二 极管Dn、 D21、 Da导通。在Dn、 D21、 031换流结束后，各路输出的原边 侧电流 ipi、 ip2、 ip3 以及各路输出的滤波电感电流 iLol、 iLo2、 iLo3 均线性上升，
三路输出的功率均由变压器原边侧向负载侧传送。同时，复位电容cdl、cd2、
Cd3被充电，电容电压Von、 VCd2、 Vcd3正向增加。 阶段2 (trt2):
在h时刻，功率开关管S 关断。第一路输出的原边侧电流ipl开始对 功率开关管Su的输出电容充电，并对功率开关管Su输出电容放电。在t2
时刻前，功率开关管Si2的输出电容己被放电至零，原边电流ip!开始流过 功率开关管S^的反并联二极管，为功率开关管Su的零电压开通创造了条
件。 '阶段3 (trt3):
在t2时刻，功率开关管S,2开通。由于功率开关管S,2开通前，其两侧 电压已为零，因此功率开关管S,2是零电压开通。此后当原边向副边提供的 功率不足时，副边侧的两个整流二极管Du、 D^均导通，滤波电感L。i上的
电流iL。i经整流二极管Dn、 D^续流并线性减小。此时变压器Ti的原边侧 相当于被短接，因此复位电容Qu上的电压Von将直接加到变压器的漏感 Lm上，原边电流ipi迅速减小。
在此阶段，除第一路原边电流U卜，其它各路输出的原边电流ip2、 ip3
及滤波电感电流il^。2、 L。3均继续线性上升，复位电容Cd2、 Cd3的电压Vcd2、
Vcd3继续正向增加。第2、三路输出的功率继续由原边侧向负载侧传送。
阶段4 (t3-t4):
由于第一路输出所带负载很轻，因此滤波电感L。i的电流i^断续。在 t3时刻，L。i下降为零。此时变压器l的原边侧相当于被断开，该路输出中 的复位电容Cdl与变压器漏感Liki将保持该时刻的状态，且对其它各路产生
的影响可以忽略不计。
阶段5 (t4-t5):
在t4时刻，功率开关管S^关断。第二路输出的原边侧电流ip2开始对 功率开关管Sa的输出电容充电，并对功率开关管S22输出电容放电。在ts 时刻前，功率开关管S22的输出电容已被放电至零，原边电流ip2开始流过 功率开关管S22的反并联二极管，为功率开关管S22的零电压开通创造了条 件。
阶段6(t"6):
在t5时刻，功率开关管S22开通。由于功率开关管S22开通前，其两侧 电压已为零，因此功率开关管S22是零电压开通。此后当原边向副边提供的 功率不足时，输出电路副边侧的两个整流二极管D21、 022均导通，滤波电 感L。2上的电流经整流二极管D^、 022续流，变压器T2的原边侧相当于被 短接。由于第二路输出的滤波电感L。2的电流"2处于临界断续状态，因此 变压器T2的原边侧一直被短接。复位电容Qj2上的电压Vcd2将直接加到变压器的漏感lm上，原边电流ip2减小，但仍未减少至零。
在此阶段，第三路输出的原边电流ip3及滤波电感电流iL。3继续线性上 升，复位电容Cd3的电压Vcd3继续正向增加。第三路输出的功率继续由原 边侧向负载侧传送。 阶段7 (Vt7):
在t6时刻，功率开关管S3i关断。第三路输出的原边侧电流ip3开始对 功率开关管SM的输出电容充电，对功率开关管S32输出电容放电。在te时 刻前，功率开关管S32的输出电容已被放电至零，原边电流ip3开始流过功 率开关管S32的反并联二极管，为功率开关管S32的零电压开通创造了条件。 阶段8 (t7-t8):
在t7时刻，功率开关管S32开通。由于功率开关管S32开通前，其两侧 电压已为零，因此功率开关管S32是零电压开通。此后当原边向副边提供的 功率不足时，输出电路副边侧的两个整流二极管D31、 032均导通，滤波电 感L。3上的电流经整流二极管D3。 D32续流，变压器T3的原边侧相当于被 短接。由于第三路输出满载，对应滤波电感L。3上的电流^。3处于连续状态， 因此变压器T3的原边侧一直被短接。此时，复位电容Cd3上的电压Vob将 直接加到变压器的漏感I^3上，原边电流ip3减小，但仍未减少至零。 阶段9 (ts-t9):
在ts时刻，原边电流ip2与ip3减小为零。由于功率二极管Dc2的存在， 电流ip2、 ip3不能反向增加。因此，在ts时刻后，功率开关管S32里已无电流。 为功率开关管的零电流关断提供了条件。同时，复位电容Cd2、 Cd3、变压器
漏感Lm、 Llk3将通过开关管S22、 S32及直流电源构成充放电回路。 阶段10 (t9-t10):
在t9时刻，功率开关管Sc2关断。由于功率开关管Sc2关断前电流已为 零，因此功率开关管Sc2是零电流关断。在tu)时刻，功率开关管Sd开通。
由于各路输出变压器中漏感L^、 Llk2、 Lw的存在，在功率开关管Sd开通
过程中，流过功率开关管Sd的电流仍近似为零，实现了功率开关管Sc2的
零电流开通。
12另外半个工作周期也可作类似分析。尽管上述分析只有三路输出，但
其概括了 3种不同的典型工作状态，因此，当输出扩充到N路时，仍可以 上述分析为基础进行推广。
以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限 于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精 神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。
权利要求1、一种多路输出直流-直流变换器，其特征在于它包括公共逆变桥臂、N个独立逆变桥臂以及N路输出电路，N为大于等于2的整数；N个独立逆变桥臂具有同样的结构，均包括两个带有反并联二极管的第一、第二功率开关管；每个独立逆变桥臂的第一功率开关管的漏极与电源正端相连，源极与第二功率开关管的漏极相连；第二功率开关管的源极与电源负端相连；第一功率开关管源极与第二功率开关管漏极之间的连结点作为该独立逆变桥臂的中点；公共逆变桥臂包括上、下单元，上、下单元均由功率二极管和第三功率开关管串联而成，且功率二极管的阳极和第三功率开关管漏极为承受高电位端；所述上单元的一端接电源正端，另一端接公共逆变桥臂的中点，所述下单元的一端接公共逆变桥臂的中点，另一端接电源负端；每个独立逆变桥臂的中点与公共逆变桥臂中点分别接有输出电路，各输出电路均包括复位电容、隔离整流电路和滤波电路；隔离整流电路的第一输入端与独立逆变桥臂和公共逆变桥臂的其中一个中点相连，第二输入端通过复位电容与独立逆变桥臂和公共逆变桥臂的另一个中点相连；滤波电路由滤波电感和滤波电容串接而成，并接在隔离整流电路的正、负输出端之间。
2、 根据权利要求1所述的多路输出直流-直流变换器，其特征在于所 述隔离整流电路由变压器与二极管整流桥组成，变压器原边绕组的两端作 为隔离整流电路的两个输入端；变压器副边绕组的一端与第一整流二极管 的阳极及第二整流二极管的阴极共接，变压器副边绕组的另一端与第三整 流二极管的阳极与第四整流二极管的阴极相连；第一整流二极管的阴极与 第三整流二极管的阴极相连，并作为该路隔离整流电路的正输出端，第二 整流二极管的阳极与第四整流二极的阳极相连，并作为该路隔离整流电路 的负输出端。
3、 根据权利要求1所述的多路输出直流-直流变换器，其特征在于所 述隔离整流电路的结构为变压器原边绕组的两端作为隔离整流电路的两个输入端；变压器副边 绕组的两端分别与第五整流二极管的阳极及第六整流二极管的阳极相连， 第五整流二极管的阴极与第六整流二极管的阴极相连，并作为该路隔离整 流电路的正输出端，变压器副边绕组的中心抽头引线作为该路隔离整流电 路的负输出端。
4、 根据权利要求2或3所述的多路输出直流-直流变换器，其特征在于 变压器原边绕组的一端串接电感后作为隔离整流电路的一个输入端。
5、 根据权利要求l、 2或3所述的多路输出直流-直流变换器，其特征 在于所述第三功率开关管为带有反并联二极管的功率开关管。
专利摘要本实用新型公开了一种多路输出直流-直流变换器，它包括公共逆变桥臂和多个独立逆变桥臂；各独立逆变桥臂均包括两个带有反并联二极管的第一、第二功率开关管；公共逆变桥臂包括均由功率二极管和第三功率开关管串联而成的上、下单元；每个独立逆变桥臂中点与公共逆变桥臂中点分别接有输出电路。本实用新型装置工作于恒定频率，各路输出电压均利用该路的独立逆变桥臂与公共逆变桥臂之间的相移来进行调节，各路输出之间完全独立，互不影响。各独立逆变桥臂作为移相控制中的超前桥臂，桥臂中的各功率开关管均可实现零电压开通；公共逆变桥臂作为移相控制中的滞后桥臂，通过二个功率二极管及各路输出电路中复位电容的作用，公共逆变桥臂中的功率开关管均可实现零电流开关。
文档编号H02M3/00GK201378796SQ200920084839
公开日2010年1月6日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者勇 康, 力 彭, 宇 陈 申请人:华中科技大学