专利名称：改进型三电平半桥移相零电压变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及大功率开关电源装置领域，尤其是一种三电平半桥移相零电压设 备。
背景技术：
三电平半桥移相零电压开关变换器保留了全桥移相零电压开关变换器的恒频控 制、零电压开关的优势，同时使开关管耐压要求减半，特别适合应用于高压输入的大、中功 率DC/DC变换场合，但传统的全桥移相零电压开关变换器的缺陷在三电平半桥移相零电压 开关变换器也同样存在，其主要表现在1)如附图1所示，轻载时，谐振电感Lr贮能不足，无法实现滞后管Q2、Q3的零电 压开通，损耗大，能量转换效率不高；2)滞后管开通时，副边二极管D7 DlO反向恢复存在强烈振荡，二极管上电压应 力较大，对二极管的电参数要求高，降低系统可靠性，滞后管的开通损耗很大；3)谐振电感Lr的存在会引起副边占空比丢失，同样会降低变换器转换效率。发明内容为了克服已有三电平半桥移相零电压变换器的滞后管零压困难、能量转换效率 低、可靠性差、开通损耗大、占空比流失较重的不足，本实用新型提供一种有效改善滞后管 零压条件、提高能量转换效率、增强可靠性、降低开通损耗、减少占空比流失的改进型三电 平半桥移相零电压变换器。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种改进型三电平半桥移相零电压变换器，包括两个分压电容(C5、C6)、两个箝 位二极管(D5、D6)、上开关桥臂、下开关桥臂、变压器(Tl)、输出整流滤波电路和负载IU，其 中，所述上开关桥臂包括第一上桥臂支路和第二上桥臂支路，第一上桥臂支路和第二上桥 臂支路串联，所述下开关桥臂包括包括第一下桥臂支路和第二下桥臂支路，第一下桥臂支 路和第二下桥臂支路串联；两个分压电容(C5、C6 )之间串联，两个箝位二极管(D5、D6 )之间串联，所述两个分 压(C5、C6)之间的中间节点和两个箝位二极管(D5、D6)之间的连接节点连接，所述两个箝 位二极管(D5、D6)之间的连接节点与变压器(Tl)的原边的一端连接，一个分压电容(C5) 与第一上桥臂支路连接，一个箝位二极管(D5)与第一上桥臂支路和第二上桥臂支路之间的 中间节点连接，所述第二上桥臂支路与变压器(Tl)的原边的另一端连接；另一个分压电容 (C6 )与第一下桥臂支路连接，另一个箝位二极管(D5 )与第一下桥臂支路和第二下桥臂支路 之间的中间节点连接，所述第一下桥臂支路与变压器(Tl)的原边的另一端连接；变压器(Tl)的副边与输出整流滤波电路连接，所述整流滤波电路输出接负载&; 所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器还包括辅助支路，所述辅助支路包括第一附加 电容(C7)、第二附加电容(C7a)和附加电感(Li)，其中，第一附加电容(C7)的一端与第一上3桥臂支路和第二上桥臂支路之间的中间节点连接，第一附加电容(C7)另一端与第二附加电 容(C7a)连接，第二附加电容(C7a)的另一端与第一下桥臂支路和第二下桥臂支路之间的 中间节点连接，附加电感(Li)的一端与变压器(Tl)的原边的另一端连接，附加电感(Li)的 另一端与第一附加电容(C7)和第二附加电容(C7a)之间的中间节点连接。进一步，所述的输出整流滤波电路为全桥整流滤波电路。或者是所述的输出整流 滤波电路为半桥整流滤波电路。进一步，第一上桥臂支路路包括相互并联的第一上开关管(Q1)、第一上二极管 (Dl)和第一上开关电容(Cl)，第二上桥臂支路包括相互并联的第二上开关管(Q2)、第二 上二极管(D2)和第二上开关电容(C2)；第一下桥臂支路路包括相互并联的第一下开关管 (Q3)、第一下二极管(D3)和第一下开关电容(C3)，第二上桥臂支路包括相互并联的第二下 开关管(Q4)、第二下二极管(D4)和第二下开关电容(C4)。再进一步，所述第一上二极管(Dl)为第一上开关管(Ql)的寄生二极管，所述第二 上二极管(D2)为第二上开关管(Q2)的寄生二极管，所述第一下二极管(D3)为第一下开关 管(Q3)的寄生二极管，所述第二下二极管(D4)为第二下开关管(Q4)的寄生二极管。本实用新型的技术构思为在普通的三电平半桥移相电路基础上构建了一条辅助 支路。参见图3，把普通的三电平半桥移相电路中电容C7改成C7和C7a串联，电感Ll与 C7、C7a串联点E和上、下桥臂连接点A相连，去掉普通的三电平半桥移相电路中的谐振电 感Lr。由于辅助支路Li、C7、C7a的作用使得变换器的滞后臂能够在轻载实现零电压开 关。去掉与变压器Tl相连的谐振电感Lr后，使得占空比丢失的问题得到很大改善，仅变压 器Tl的漏感Lik在起作用，而变压器漏感Lik是很小的。本实用新型的有益效果主要表现在1、在不增加额外功率器件的条件下，改善了 开关管的全负载范围零电压开关条件；2、减少占空比丢失；3、很好的抑制住副边二极管 D7 D10的反向恢复电压尖峰，同时由于开关管在副边二极管完成反向恢复后才开通，开通 损耗大幅下降，使得器件工作更可靠稳定，提高了整机效率，减少了电磁辐射。
图1是普通三电平半桥移相零电压变换器示意图。图2是本实用新型的三电平半桥移相零电压变换器的示意图(输出整流采用全桥 整流方式)。图3是本实用新型的三电平半桥移相零电压变换器的示意图(输出整流采用全波 整流方式)。图4是IcTt1阶段的工作模式示意图。图5是、、2阶段的工作模式示意图。图6是tf t3阶段工作模式示意图。图7是tft4阶段工作模式示意图。图8是t:t5阶段工作模式示意图。图9是t5 阶段工作模式示意图。图10是本实用新型实施方式的工作波形图，其中[0027]Vgl、Vg2、Vg3、Vg4*Ql、Q2、Q3、Q4 的驱动波形；Vdsl、Vds2、Vds3、Vds4 为 Q1Q2Q3Q4 的漏、源极电压波形；Vpl为变压器Tl原边电压波形；Ipl为变压器Tl原边电流波形；Idl、Id2、Id3、Id4 为 D1、D2、D3、D4 的电流波形；111为Ll的电流波形。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。参照图1 图10，一种改进型三电平半桥移相零电压变换器，包括两个分压电容 (C5、C6)、两个箝位二极管(D5、D6)、上开关桥臂、下开关桥臂、变压器(Tl)、输出整流滤波 电路和负载R1，其中，所述上开关桥臂包括第一上桥臂支路和第二上桥臂支路，第一上桥 臂支路和第二上桥臂支路串联，所述下开关桥臂包括包括第一下桥臂支路和第二下桥臂支 路，第一下桥臂支路和第二下桥臂支路串联；两个分压电容(C5、C6 )之间串联，两个箝位二极管(D5、D6 )之间串联，所述两个分 压(C5、C6)之间的中间节点和两个箝位二极管(D5、D6)之间的连接节点连接，所述两个箝 位二极管(D5、D6)之间的连接节点与变压器(Tl)的原边的一端连接，一个分压电容(C5) 与第一上桥臂支路连接，一个箝位二极管(D5)与第一上桥臂支路和第二上桥臂支路之间的 中间节点连接，所述第二上桥臂支路与变压器(Tl)的原边的另一端连接；另一个分压电容 (C6 )与第一下桥臂支路连接，另一个箝位二极管(D5 )与第一下桥臂支路和第二下桥臂支路 之间的中间节点连接，所述第一下桥臂支路与变压器(Tl)的原边的另一端连接；变压器(Tl)的副边与输出整流滤波电路连接，所述整流滤波电路输出接负载& ； 所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器还包括辅助支路，所述辅助支路包括第一附加 电容(C7)、第二附加电容(C7a)和附加电感(Li)，其中，第一附加电容(C7)的一端与第一上 桥臂支路和第二上桥臂支路之间的中间节点连接，第一附加电容(C7)另一端与第二附加电 容(C7a)连接，第二附加电容(C7a)的另一端与第一下桥臂支路和第二下桥臂支路之间的 中间节点连接，附加电感(Li)的一端与变压器(Tl)的原边的另一端连接，附加电感(Li)的 另一端与第一附加电容(C7)和第二附加电容(C7a)之间的中间节点连接。参照图2，所述的输出整流滤波电路为全桥整流滤波电路。或者是参照图3，所述 的输出整流滤波电路为半桥整流滤波电路。第一上桥臂支路路包括相互并联的第一上开关管(Q1)、第一上二极管(Dl)和第 一上开关电容(Cl)，第二上桥臂支路包括相互并联的第二上开关管(Q2)、第二上二极管 (D2)和第二上开关电容(C2)；第一下桥臂支路路包括相互并联的第一下开关管(Q3)、第 一下二极管(D3)和第一下开关电容(C3)，第二上桥臂支路包括相互并联的第二下开关管 (Q4)、第二下二极管(D4)和第二下开关电容(C4)。所述第一上二极管(Dl)为第一上开关管(Ql)的寄生二极管，所述第二上二极管 (D2)为第二上开关管(Q2)的寄生二极管，所述第一下二极管(D3)为第一下开关管(Q3)的 寄生二极管，所述第二下二极管(D4)为第二下开关管(Q4)的寄生二极管。在移相控制中第一上开关管(Q1)、第二下开关管(Q4)作为超前管，第二上开关管5(Q2)、第一下开关管(Q3)作为滞后管。图4至图10为图2的工作模式图，图3的工作模式也可以作类似分析。其中实体 器件为相应模式下电流实际所走路径，虚体元件则在该模式下不参与工作。图10则是对应 于各模式阶段所形成的波形。为了方便分析，假设没有特殊说明的器件均为理想器件；Ll 足够大，其电流为线性变化，在滞后管开关过程中其电流保持不变；第一附加电容(C7)、第 二附加电容(C7a)足够大，其电压保持不变。两个箝位二极管(D5、D6)的作用是在第一上开关管(Q1)、第二下开关管(Q4)开通 时对第一附加电容(C7)和第二附加电容(C7a)充电以实现第一附加电容(C7)和第二附加 电容(C7a)串联后的电压箝位在输入电压的一半，在后续分析中不再涉及。初始状态，第一上开关管(Q1)、第二上开关管(Q2)处于导通状态，第一附加电容 (C7)的电压通过第二上开关管(Q2)加在附加电感(Li)两端，附加电感(Li)的电流线性增 加，变压器副边通过整流电路的整流二极管(D7、D10)、整流电感(Lf)向负载Rl馈能。参照图4、图10，模式1 (t(Ttl阶段)，在t0时刻，第一上开关管(Ql)零电压关断 (C1、C4的作用)。第一上电容开关(Cl)被负载电流充电，第二下开关电容(C4)通过第二附 加电容(C7a)、第一附加电容(C7)、第二上开关管(Q2)、变压器(Tl)向负载放电，第一上电 容开关(Cl)、第二下开关电容C4)电压分别线性上升和下降，变压器(Tl)副边电压也线性 下降；附加电感(Li)电流继续线性增加。参照图5、图10，模式2 (t^t2阶段)，在、时刻，第一上电容开关(Cl)充电到 Vin/2，第二下开关电容(C4)放电到0，变压器(Tl)副边电压也降为0，被整流电路的整流 二极管(D8、D9)短路，第二下开关管(Q4)的第二下二极管(D4)导通，变压器(Tl)原边电 流沿变压器(Tl)、分压电容(C6)、第二下二极管(D4)、第二附加电容(C7a)、第一附加电容 (C7)、第二上开关管(Q2)、变压器漏感(Lk)、变压器(Tl)作环流；附加电感(Li)电流继续线 性增加。在此阶段开通第二下开关管(Q4)，第二下开关管(Q4)为零电压开通。参照图6、图10，模式3 (tft3阶段)，在、时刻，第二上开关管(Q2)零电压关断第 二上开关电容(C2)、第一下开关电容(C3)的作用)。由于变压器(Tl)副边被短路，第一下开 关电容(C3)、第二上开关电容(C2)和漏感(Lk)发生谐振，由于附加电感(Li)的电流参与， 第一下开关电容(C3)、第二上开关电容(C2)分别被充、放电，漏感(Lk)电流迅速反向，变 压器副边的整流电路的整流二极管(D7、D10)开始和其他两个整流二极管(D8、D9)换流。参照图7、图10，模式4 (tft4阶段)，在t3时刻，变压器副边的整流电路的整流二 极管(D7、D10)电流降为零，换流结束。变压器原边电压开始上升，整流电路的整流二极管 (D7、D10)开始承受反向电压，出现反向恢复现象，当整流电路的整流二极管(D7、D10)的 反向恢复电流与负载电流两者之和折算到原边大于附加电感(Li)的电流，第一下开关电 容(C3)充电、第二上开关电容(C2)放电从而使第一下开关电容(C3)的电压出现短暂的上 升，当D7、DlO反向恢复结束后，反向截止，第一下开关电容(C3)继续放电、第二上开关电 容(C2)继续充电，第一下开关电容(C3)电压继续下降。此阶段由于附加电感(Li)电流的 限制，抑制了其他两个整流二极管(D8、D9)的反向恢复电流和电压尖峰。参照图8、图10，模式5 (Ct5阶段)，在t4时刻，第一下开关电容(C3)放电到零 伏，第二上开关电容(C2)充电到Vin/2，第一下开关管(Q3)的第一下二极管(D3)导通。电 感附加电感(Li)的电流一部分向负载供电，一部分通过第一下二极管(D3)走环流，附加电感(Li)的电流开始线性下降；此时开通，第一下开关管(Q3)为零电压开通。由于附加电感 (Li)电流的作用，很容易把第一下开关电容(C3)放电到0，实现，第一下开关管(Q3)的零电 压开通，由于主变不串谐振电感(Lr)且附加电感(Li)向负载预供电，使得占空比丢失问题 得到解决，另外其他两个整流二极管(D8、D9)的反向恢复发生在，第一下开关管(Q3)开通 前，因此，第一下开关管(Q3)没有反向恢复引起的额外损耗。 参照图9、图10，模式6 (tf阶段)，随着附加电感(Li)电流的下降，第一下二极管 (D3)电流也跟着下降，在t5时刻第一下二极管(D3)电流下降为零，，第一下开关管(Q3)开 始走正向电流，进入另外半个工作周期。重复模式、至t5的过程，不再累述。
权利要求1.一种改进型三电平半桥移相零电压变换器，包括两个分压电容(C5、C6)、两个箝位 二极管(D5、D6)、上开关桥臂、下开关桥臂、变压器(Tl)、输出整流滤波电路和负载R1，其 中，所述上开关桥臂包括第一上桥臂支路和第二上桥臂支路，第一上桥臂支路和第二上桥 臂支路串联，所述下开关桥臂包括包括第一下桥臂支路和第二下桥臂支路，第一下桥臂支 路和第二下桥臂支路串联；两个分压电容(C5、C6)之间串联，两个箝位二极管(D5、D6)之间串联，所述两个分压 (C5、C6)之间的中间节点和两个箝位二极管(D5、D6)之间的连接节点连接，所述两个箝位 二极管(D5、D6)之间的连接节点与变压器(Tl)的原边的一端连接，一个分压电容(C5)与第 一上桥臂支路连接，一个箝位二极管(D5)与第一上桥臂支路和第二上桥臂支路之间的中间 节点连接，所述第二上桥臂支路与变压器(Tl)的原边的另一端连接；另一个分压电容(C6) 与第一下桥臂支路连接，另一个箝位二极管(D5)与第一下桥臂支路和第二下桥臂支路之间 的中间节点连接，所述第一下桥臂支路与变压器(Tl)的原边的另一端连接；变压器(Tl)的副边与输出整流滤波电路连接，所述整流滤波电路输出接负载RL ；其特 征在于所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器还包括辅助支路，所述辅助支路包括 第一附加电容(C7)、第二附加电容(C7a)和附加电感(Li)，其中，第一附加电容(C7)的一端 与第一上桥臂支路和第二上桥臂支路之间的中间节点连接，第一附加电容(C7)另一端与第 二附加电容(C7a)连接，第二附加电容(C7a)的另一端与第一下桥臂支路和第二下桥臂支 路之间的中间节点连接，附加电感(Li)的一端与变压器(Tl)的原边的另一端连接，附加电 感(Li)的另一端与第一附加电容(C7)和第二附加电容(C7a)之间的中间节点连接。
2.如权利要求1所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器，其特征在于所述的输 出整流滤波电路为全桥整流滤波电路。
3.如权利要求1所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器，其特征在于所述的输 出整流滤波电路为半桥整流滤波电路。
4.如权利要求1一3之一所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器，其特征在于第 一上桥臂支路路包括相互并联的第一上开关管(Q1)、第一上二极管(Dl)和第一上开关电 容(Cl)，第二上桥臂支路包括相互并联的第二上开关管(Q2)、第二上二极管(D2)和第二上 开关电容(C2);第一下桥臂支路路包括相互并联的第一下开关管(Q3)、第一下二极管(D3) 和第一下开关电容(C3)，第二上桥臂支路包括相互并联的第二下开关管(Q4)、第二下二极 管(D4)和第二下开关电容(C4)。
5.如权利要求4所述的改进型三电平半桥移相零电压变换器，其特征在于所述第一 上二极管(Dl)为第一上开关管(Ql)的寄生二极管，所述第二上二极管(D2)为第二上开关 管(Q2)的寄生二极管，所述第一下二极管(D3)为第一下开关管(Q3)的寄生二极管，所述第 二下二极管(D4)为第二下开关管(Q4)的寄生二极管。
专利摘要一种改进型三电平半桥移相零电压变换器，包括两个分压电容(C5、C6)、两个箝位二极管(D5、D6)、上开关桥臂、下开关桥臂、变压器(T1)、输出整流滤波电路和负载Rl，还包括辅助支路，第一附加电容(C7)的一端与上桥臂支路连接，第一附加电容(C7)另一端与第二附加电容(C7a)连接，第二附加电容(C7a)的另一端与下桥臂支路连接，附加电感(L1)的一端与变压器(T1)的原边的另一端连接，附加电感(L1)的另一端与第一附加电容(C7)和第二附加电容(C7a)之间的中间节点连接。本实用新型能有效改善滞后管零压条件、提高能量转换效率、增强可靠性、降低开通损耗、减少占空比流失。
文档编号H02M3/28GK201830143SQ201020552158
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年3月10日
发明者袁明祥 申请人:杭州中恒电气股份有限公司