专利名称：一种半桥式软开关直流变换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种软开关半桥式直流变换器及其控制方法，属于电能变换领域。
背景技术：
半桥式直流变换器具有电压变比大、易于实现大功率化等优点，在个人电脑用开 关电源以及通信领域的低压大功率开关电源中得到了广泛应用。但是传统电路采用的硬开 关工作方式，在功率开关器件以及功率二极管的导通和关断过程中，由于开关频率很高，产 生较大的开关损耗，造成系统效率下降，也制约了开关频率的提升，不利于降低损耗、体积 和成本。针对上述问题的一种解决方案是采用软开关技术。现有软开关方案中，有一种是 采用上下两个开关器件的占空比移相的控制方案，将上管的控制信号通过延迟一定相角后 作用到下管上去，并在两个开关器件的导通信号之间设置死区时间，利用在死区时间的区 间内，变压器的漏感和开关器件的结电容谐振，使下管承受的电压出现等于零的时刻，若在 此时开通开关器件，则可实现零电压开通(ZVS)。这种方案无需外加辅助谐振器件，结构简 单，但是谐振条件受变压器漏感的大小和负载条件的限制，软开关范围有限，而且上管仍然 是硬开关，其损耗仍然可观。另一种方案是外加辅助谐振电路，如图1所示，在半桥式直流 变换器的基础上，将开关器件&和二极管D3串联，再并联到变压器两端。开关器件&和二 极管D3起到了电流箝位的作用。该方案在&导通期间，变压器通过开关器件&和二极管 1)3短路，避免漏感继续与结电容谐振。当下管关断时，变压器漏感中的能量可以用来帮助实 现上管的零电压开通。但是开关器件&和二极管D3的引入增加了变压器原边的环流损耗， 另外，会在变压器副边的开关器件上产生电压振荡，产生高频电磁噪声和滤波电感、变压器 的高频损耗，反而降低了系统效率，同时需要提高变压器副边连接的开关器件的耐压等级， 间接提高了系统成本，也降低了可靠性。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种半桥式软开关直流变换 器及其控制方法，解决半桥式直流-直流变换器存在的开关损耗大以及整流电路的电压振 荡大的问题。本发明上述第一个目的，一种半桥式软开关直流变换器，其特征在于所述变换器 的结构组成包括开关器件S1Ap S2, SE1, SE2,电感Ladd、L0, 二极管DpD2,变压器Tks，谐振电容 Cb，C0 ；其连接结构为=S1的功率输入端与输入电源的正极以及D1的负极相连，S1的功率 输出端与Sa的功率输入端、Ladd的一端相连，\的功率输出端与&的功率输入端、D2的正极 相连，S2的功率输出端与输入电源的负极、Cb的一端相连；Ladd的另一端与D1的正极、D2的 负极以及Tks原边绕组的一端相连，Tes原边绕组的另一端与Cb的另一端相连；Tks的第一副 边绕组的一端与第二副边绕组的一端、Ltj的一端相连，Tks的第一副边绕组的另一端与Sk2的功率输入端相连，Tes的第二副边绕组的另一端与^的功率输入端相连，Sei的功率输出端 与^i2的功率输出端以及Q的一端相连，并作为变换器输出端的负极，L0的另一端与Q的 另一端相连，并作为变换器输出端的正极。进一步地，上述开关器件S” SA、S2、Sei, Se2均为全控性开关器件MOSFET或IGBT。本发明上述第二个目的，一种半桥式软开关直流变换器的控制方法，其特征在于 设置采样周期，并在每个采样周期中，执行如下步骤I、令Sp Sei的控制信号( 、,为高电平，此时Sp Sei导通，并设定导通时间为 t。n，在导通时间等于t。n时，执行步骤II ；II、令S1Aki的控制信号、G^1S低电平，此时Sl、SKl关断，并设定第一死区时 间为tdl，经过时间tdl，执行步骤III ；111、令&、Sk2^a的控制信号Gs2、GSr2、^^为高电平，此时&、&2、\导通，并 令所述的三个开关器件导通时间同样为t。n，在导通时间等于t。n时，执行步骤IV ；IV、令S2、Se2的控制信号G2、<\2为低电平，此时S2、Se2关断，执行步骤V ；V、设定第2死区时间为td2，在时间等于Ts_td2时，令\的控制信号为低电平， 此时所有开关器件均关断，直到此采样周期结束；并且，在后续的每一个采样周期到来时，重复步骤I至V。本发明软开关升压型DC-DC变换器的应用实施，其突出效果为采用较少的器件和简单的控制方法，即可实现主功率开关器件的宽范围软开关工 作，同时通过在开关过程将外加的电感短路，降低了谐振回路的谐振参数，进而有效抑制了 变压器副边的整流电路的电压振荡，降低了系统损耗和高频噪声，有利于提高系统的转换 效率，易于实现高频化和高集成度、高功率密度。
图1是现有技术一种变换器的原理图；图2是本发明变换器的电路结构示意图；图3是本发明变换器的工作波形示意图；图4是本发明变换器的等效电路示意图；图5是本发明变换器在S1导通时的简化等效电路示意图；图6是本发明变换器在S2、Sa导通时的简化等效电路示意图。
具体实施例方式下面结合图2至图6所示的本发明变换器原理图、等效电路图及工作波形示意图 等，进一步说明本发明一种半桥式软开关直流变换器及其控制方法的实质特征及显著效 果。图2是本发明实施例的电路结构示意图，其组成包括开关器件S” SA、S2、Sei, SK2，均采 用全控性开关器件MOSFET或IGBT，电感Ladd、L0, 二极管D1, D2,变压器Tks，谐振电容CB，C。。 开关器件Sp SA、S2、Sei, Se2均采用全控性开关器件MOSFET或IGBT。S1的功率输入端与输入电源的正极、D1的负极相连，S1的功率输出端与Sa的功率 输入端、Ladd的一端相连，Sa的功率输出端与&的功率输入端、D2的正极相连，S2的功率输出端与输入电源的负极、Cb的一端相连；Ladd的另一端与D1的正极、D2的负极以及Tks原边 绕组的一端相连，Tes原边绕组的另一端与Cb的另一端相连；Tks的第一副边绕组的一端与第 二副边绕组的一端、L0的一端相连，Tes的第一副边绕组的另一端与Sk2的功率输入端相连， Tes的第二副边绕组的另一端与^的功率输入端相连，Sei的功率输出端与^i2的功率输出 端以及Q的一端相连，并作为变换器输出端的负极，L0的另一端与Ctj的另一端相连，并作为 变换器输出端的正极。其中开关器件SA、电感Ladd、二极管D” D2是在常规半桥式直流变换器的基础上外 加的辅助软开关器件，通过合理的控制，使主功率开关器件Si、S2实现零电压开通和关断， 以降低其开关损耗。开关器件 5κ1、Se2连接到变压器两个副边绕组上，由于两个副边绕组的同名端不 同，因此通过合理控制Si、Sk2，可以实现变压器的副边绕组始终为输出电容Q的同一端充 电，即Ski、、起到了整流作用。以及所述的半桥式软开关直流变换器的控制方法，工作过程及工作波形如图3所 示。设定采样周期Ts，在每个采样周期的开始时刻，采用如下控制步骤I、令Sp Sei的控制信号、为高电平，此时Si、Sei导通，并设定导通时间为 t。n，在导通时间等于t。n时，执行步骤2 ；II、令S1Jki的控制信号％、低电平，此时S1Jki关断，并设定第一死区时 间为tdl，经过时间td，执行步骤3 ；111、令32、31；2、\的控制信号<^2、GSr2 , (\为高电平，此时&、&2、\导通，并 令所述的三个开关器件导通时间同样为t。n，在导通时间等于t。n时，执行步骤4 ；IV、令S2、Se2的控制信号<^2、(^2为低电平，此时s2、Se2关断，执行步骤5 ；V、设定第2死区时间为td2，在时间等于Ts_td2时，令\的控制信号G^1为低电平， 此时所有开关器件均关断，直到此采样周期结束。。在后续的每个采样周期到来时，重复步骤I至步骤V。下面结合图4所示的本发明的等效电路示意图阐述其工作原理。图中的电容Cp CA、C2、CK1、CK2分别是开关器件Si、S^S2ApSk2的内部结电容，并认为C1 = Ca = C2 = Cei = CK2。变压器Tks等效为理想变压器和激磁电感Lm并联，再和漏感Llltg串联的形式。\、Ladd构 成了辅助软开关电路，通过上述开关控制流程，使主功率开关器件Sp S2实现零电压开通和 关断，以降低其开关损耗。软开关的实现原理为，对于S1，在死区时间里，D1, Ladd, C1构成谐 振通路，S1两端的电压呈现正弦变化，有等于零的时刻，若在电压零点附近开通S1,则可以 实现S1的零电压开通。在S1关断时，D1, Ladd通过D1为结电容C1供电，实现缓冲电路的功 能，降低S1的关断损耗。对于S2，在死区时间里，D2、Ladd、CA构成谐振通路，S2两端的电压有 等于零的时刻，若在电压零点附近开通S2，则可以实现&的零电压开通。在&关断时，结电 容Q、Ca为串联关系，Ladd为Q、Ca充电，实现缓冲电路的功能，降低&的关断损耗。下面分析本实施方式降低 κ1、Se2两端电压振荡的原因。图5给出了 S1导通时的 简化等效电路示意图，图中Ct是结电容Ck2(Cki)考虑变压匝比后归算到变压器原边的电容 值。根据变换器的控制原理可知，S1导通瞬间，SpLadd和D1构成通路，即将Ladd与谐振回路 (C0Llkg)分离，参与谐振的电感只有变压器的漏感Llkg，由于Ct两端的谐振电压(即^1Ak2两端的谐振电压)的幅值和谐振回路的电感量成正比，电感量的减小有效降低了谐振电压 的幅值。图6给出了 S2Aa导通时的简化等效电路示意图，SA、D2*Ladd构成通路，即将Ladd 与谐振回路(Ct、Llkg)分离，参与谐振的电感只有变压器的漏感Llkg，即同样降低了 Ct两端的 谐振电压的幅值。而根据图3中变压器原边电流ipH(用于原边和副边的能量传递)和外加电感的 电流iadd波形的差异能够看到在主功率开关器件Si、S2动作过程中，S1, Ladd和D1通路以及 SA、D2和Ladd通路对电感Ladd的分离效果。根据上述分析可知，本发明在实现主功率开关器件零电压软开关的同时，有效降 低了整流器件Si、Se2的振荡电压幅值，进而提高了变换器的效率和可靠性。
权利要求
1.一种半桥式软开关直流变换器，其特征在于所述变换器的结构组成包括开关器件 Si、SA、S2、SE1, Sk2，电感 Ladd、L0, 二极管 D1、D2,变压器 Tks，谐振电容 CB，C。；其连接结构为=S1的功率输入端与输入电源的正极以及D1的负极相连，S1的功率输出 端与Sa的功率输入端、Ladd的一端相连，Sa的功率输出端与&的功率输入端、D2的正极相 连，S2的功率输出端与输入电源的负极、Cb的一端相连；Ladd的另一端与D1的正极、D2的负 极以及Tks原边绕组的一端相连，Tes原边绕组的另一端与Cb的另一端相连；Tks的第一副边 绕组的一端与第二副边绕组的一端、Ltj的一端相连，Tks的第一副边绕组的另一端与Sk2的功 率输入端相连，Tes的第二副边绕组的另一端与^的功率输入端相连，Sei的功率输出端与 Se2的功率输出端以及Q的一端相连，并作为变换器输出端的负极，L0的另一端与Q的另一 端相连，并作为变换器输出端的正极。
2.根据权利要求1所述的一种半桥式软开关直流变换器，其特征在于所述开关器件 S1^ SA、S2、SE1, Se2均为全控性开关器件MOSFET或IGBT。
3.一种半桥式软开关直流变换器的控制方法，其特征在于设置采样周期Ts，并在每个 采样周期中，执行如下步骤I、令S”Sei的控制信号<^、0 高电平，此时S” Sei导通，并设定导通时间为t。n， 在导通时间等于t。n时，执行步骤II ；II、令S1Jki的控制信号<^、<^,为低电平，此时S1Jki关断，并设定第一死区时间为 tdl，经过时间tdl，执行步骤III ；III、令&、31；2、\的控制信号<^2、G、、<^为高电平，此时&、&2、\导通，并令所 述的三个开关器件导通时间同样为t。n，在导通时间等于t。n时，执行步骤IV ；IV、令S2、Se2的控制信号巧2、G^2为低电平，此时S2、Se2关断，执行步骤V；V、设定第2死区时间为td2，在时间等于Ts-td2时，令\的控制信号为低电平，此时 所有开关器件均关断，直到此采样周期结束；并且，在后续的每一个采样周期到来时，重复步骤I至V。
全文摘要
本发明揭示了一种改进的半桥式软开关直流-直流变换器，其组成包括开关器件S1、SA、S2、SR1、SR2，电感Ladd、LO，二极管D1、D2，变压器TRS，谐振电容CB，CO。在常规半桥式直流变换器的基础上外加SA、Ladd、D1、D2构成辅助软开关器件，通过合理控制，使主功率开关器件S1、S2实现宽范围零电压开通和关断，同时有效抑制了变压器副边的整流电路的电压振荡。本发明有效提高了变换器的工作效率，降低了系统损耗和高频噪声，易于实现高频化和高集成度、高功率密度。
文档编号H02M1/14GK102148573SQ20111009822
公开日2011年8月10日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者卜树坡, 曹建东, 章雯, 赵展, 钱涛 申请人:苏州工业职业技术学院