专利名称：一种辅助双管有源钳位全桥软开关变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及是一种全桥软开关高效率电能变换装置，特别是一种应用于低输出电压、高输出电流场合的中、小功率直流变换器。
背景技术：
为了减小开关变换器的体积，开关电源高频化趋势越来越明显。然而，开关速度提高后功率开关管器件的损耗急剧上升，不仅带来EMI及热应力等问题，还会降低变换器本身的可靠性。为了要提高开关频率及减少开关损耗，ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。传统的移相全桥变换器软开关技术需要增加额外的谐振电感或谐振电容，但是这种方法不仅会增加变换器的体积和复杂性，且功率器件的应力也急剧上升，具有占空比丢失严重等缺点；不对称全桥、LLC变换器的软开关实现条件较苛刻，不适用输入工作电压较宽的场合。为了实现对开关变换器的高效率、 高可靠性和低EMI，就必然对传统硬开关技术进行创新，使ZVS、ZCS软开关的实现条件更简单、更可靠。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是针对低输出电压、高输出电流应用场合，提出了 ZVS实现范围宽的一种利用同步整流驱动信号锁存漏感能量辅助双管有源钳位全桥软开关变换器。本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案一种辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，包括变压器原边电路、变压器副边电路，所述原边电路包括输入电源，第一至第四开关管、隔离变压器原边绕组；其中所述第一开关管和第三开关管、第二开关管和第四开关管分别组成两个半桥电路，两个半桥电路的两端分别与输入电源的正极、负极连接，所述隔离变压器原边绕组的两端分别连接两个半桥电路的中点；所述两个半桥电路的两个桥臂之间依次串接第一、第二钳位开关管。优选的，本实用新型的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，第一至第四开关管、 第一至第二钳位开关管均包括其寄生二极管、寄生电容。优选的，本实用新型的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，副边电路包括隔离变压器副边绕组、第一至第二同步整流开关管、输出电感、输出滤波电容，负载构成；其中隔离变压器副边绕组的一端与第一同步整流开关管的源极连接，第一同步整流开关管的漏极分别与输出电感的一端、第二同步整流开关管的漏极连接，第二同步整流开关管的源极与隔离变压器副边绕组的另一端连接；所述输出电感的另一端分别与输出滤波电容的一端、 负载的一端连接，所述输出滤波电容的另一端、负载的另一端分别与隔离变压器副边绕组的中点连接。优选的，本实用新型的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，第一、第二同步整流开关管均包括其寄生二极管、寄生电容。[0009]本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果本实用新型的一种辅助双管有源钳位全桥软开关变换器具有ZVS实现可靠且范围宽、占空比丢失低的优点。增加的辅助开关管工作在ZCS条件下，且其驱动信号与副边的同步整流开关管信号一致，电路实现较简单。该实施方案无需增加额外的谐振电感，ZVS实现条件不依赖于输入电压和负载电流等外部变量，有利于变换器实现高功率密度、高效率。 特别是，在每个开关周期，隔离变压器的漏感能量被收集起来并在死区时间释放能量，克服了传统全桥变换器原边开关管关断时产生的电压振荡尖峰，提高了变换器的可靠性。本实用新型通过在隔离变压器原边增加两个辅助开关管实现ZVS，同时辅助管的驱动信号直接采用副边同步整流驱动信号，具有结构简单、可靠性高、ZVS实现条件可靠的优点。
图1是本实用新型的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器原理图。图2是本实用新型实例的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器的主要波形示意图。图3-5是本实用新型实例的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器各开关模态等效电路结构示意图。其中图3是[t^tj模态，图4是[t1;t2]模态，图5是[t2，t3]模态。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明如图1所示，本实用新型的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器由输入电源Vin， 开关管Q1-Q4，隔离变压器TX1，辅助开关管Q5-Q6、副边同步整流开关管Q7-Q8、输出电感 Li、输出滤波电容Cl，负载Rl构成。辅助开关管的驱动波形与副边同步整流开关管的驱动信号一致，为占空比为近似50%的互补方波信号，辅助开关管之间插入死区以防止共通。图 1中的DQ5、Cq5为开关管Q5的寄生二极管和寄生电容，DQ6、Cq6为开关管Q6寄生二极管和寄生电容。需要指出的是开关管Q1-Q4中存在相同的寄生参数，为简化图中未示出。如图2所示，其给出了本实用新型实例的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器的时序和主要波形示意图。图2从上至下波形分别为全桥中开关管Q1、Q4的驱动波形；全桥中开关管Q2、Q3的驱动波形；辅助开关管Q5和同步整流管Q7的驱动波形；流过寄生二极管 Dai和辅助开关管Q5中的电流波形；辅助开关管Q6和同步整流管Q8的驱动波形；流过寄生二极管Dq5和辅助开关管Q6中的电流波形；隔离变压器原边电流ip ；同步整流开关管Q7电流波形；同步整流开关管Q8电流波形；输出电感电流波形I。由图2可知，辅助双管有源钳位辅助双管有源钳位全桥软开关变换器在一个开关周期内可主要分为6种开关模式，分别为[t。，tj、[t1 t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]，其中[t。，t3]为前半周期，[t3，t6] 为后半周期。以下简要介绍各工作模态时变换器的工作原理。[tQ，tj 模态(参考图 3)在、时刻之前的死区时间内，漏感与开关管Q1-Q4和辅助开关管Q6中的结电容谐振，锁存在辅助桥臂中的漏感能量释放并与结电容能量交换。通过设计合适的漏感，在图 2中的、时刻，全桥开关管Q1、Q4和辅助开关管Q5的DS两端电压可谐振为0，因此全桥开关管Ql和Q4可实现ZVS开通。在、时刻，由于Dq6 二极管阻断，此时辅助开关管Q5导通并没有电流流过，同时由于辅助开关管Q5两端的DS电压为0，因此Q5为ZVZCS (零电压零电流开关)开通。全桥变换器中开关管Q1、Q4和同步整流开关管Q7导通，隔离变压器激磁电流线性增加，输出电感iu储存能量电流线性上升。变压器中原边电流ip由激磁电感电流和输出电感iu折算到原边电流两部分叠加组成，电源为负载供电。[t1;t2]模态(参考图 4):全桥变换器的输出电压达到期望的V。ut，全桥变换器的主开关管Ql和Q4关闭。由于原边变压器中流过的电流不足以提供输出电感iu所需电流，同步整流开关管Q7和同步整流开关管Q8中的体二极管同时导通提供负载电流，隔离变压器被短路。由于辅助开关管 Q5处于导通状态，变压器原边电流流经由寄生二极管DQ6、Q5和变压器原边绕组两端构成的辅助桥臂环路，变压器的漏感能量被锁存在辅助桥臂中。输出电感、储存能量经过同步整流开关管Q7和同步整流开关管Q8中的体二极管释放到输出端，电感电流iu在输出电压的作用下线性下降。由图2可知，在[t1; t2]模态期间流过变压器原边的电流变化很小，电流下降的原因是部分漏感能量被辅助桥臂内的阻抗所消耗。由于漏感的能量被辅助桥臂所锁存，全桥开关管Ql、Q4在关闭时两端将不会出现显著的电压振荡尖峰，实现了低EMI，开关管的可靠性也得到提高。[t2，t3]模态(参考图 5)全桥变换器中开关管Q1-Q4、辅助开关管Q5-Q6、副边同步整流开关管Q7-Q8都处于关闭状态。在这期间锁存在辅助桥臂中的漏感能量释放并与开关管结电容能量交换。隔离变压器原边电流在漏感和开关管结电容谐振影响下下降，因这段死区时间较短，原边电流也可近似认为不变化。通过设计合适的漏感，在图2中的t3时刻，全桥开关管Q2、Q3和辅助开关管Q6的DS电压可谐振为0，原边电流流过Q2、Q3的寄生体二极管中向电源馈电， 因此在t3时刻开关管Q2、Q3和Q6可实现ZVS开通。在该模态期间，原边输入电流依然不足以提供输出电感iu所需电流，同步整流开关管Q7-Q8中的寄生体二极管同时导通流过电流，隔离变压器依旧被短路。后半周期[t3，t6]的开关工作模态和前半周期[、，t3]是相同的，不再分析。由以上分析可知，我们通过利用同步整流开关管的驱动信号控制辅助开关管 Q5-Q6的工作时刻，将全桥变压器的漏感能量锁存并在死区时刻释放，同时辅助开关管工作在ZVZCS状态。由于死区时间较小，相对于传统的全桥变换器软开关技术，该方法不仅可以使主开关管Q1-Q4很容易实现ZVS开关，而且ZVS软开关的实现范围较宽，与负载和输入电压的关联性不高。通过这样的设计，就可以极大的降低全桥变换器中功率开关管的开关损耗，提高了变换器的效率，且工作在ZVZCS状态下的辅助开关管开关损耗也较低。且该方法由于克服了传统全桥变换器原边开关管关断时产生的电压振荡尖峰，变换器的可靠性也大大提高。本实用新型实例的具体参数如下输入电压为36VDC-75VDC ；输出电压12VDC ；输出电流15A ；变压器匝比为2 1 ；输出滤波电感Ll为15 μ H;输出滤波电容Cl为200 μ F ； 全桥主开关管、辅助开关管、副边同步整流开关管均为IPB108N15N3G，其控制芯片为 ISL6753,设定的开关频率为100kHz，死区时间为500nS。综上所述，本实用新型的一种辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，通过利用副边同步整流驱动信号控制全桥变换器的两个辅助开关管的开关动作时刻，可将收集到的原边变压器漏感能量在死区时间内释放，实现全桥变换器主开关管的ZVS (零电压开关)软开关。通过辅助开关管方式实现的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器主开关管ZVS条件受输入电压和负载变化的影响较小，可以在较宽的范围内实现ZVS，提升了变换器的效率。同时，全桥变换器的原边主开关管上不会产生由于其关闭造成漏感和结电容间的振荡引起的谐振尖峰，全桥开关管可选择较低的耐压值，降低了成本，提高了变换器的可靠性。此外，由于全桥变换器容易在全范围内实现ZVS开关，副边采用同步整流技术，因此EMI干扰低、效率高。
权利要求1.一种辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，包括变压器原边电路、变压器副边电路， 其特征在于所述原边电路包括输入电源，第一至第四开关管、隔离变压器原边绕组；其中所述第一开关管和第三开关管、第二开关管和第四开关管分别组成两个半桥电路，两个半桥电路的两端分别与输入电源的正极、负极连接，所述隔离变压器原边绕组的两端分别连接两个半桥电路的中点；所述两个半桥电路的两个桥臂之间依次串接第一、第二钳位开关管。
2.根据权利要求1所述的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，其特征在于所述第一至第四开关管、第一至第二钳位开关管均包括其寄生二极管、寄生电容。
3.根据权利要求1所述的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，其特征在于所述副边电路包括隔离变压器副边绕组、第一至第二同步整流开关管、输出电感、输出滤波电容， 负载构成；其中隔离变压器副边绕组的一端与第一同步整流开关管的源极连接，第一同步整流开关管的漏极分别与输出电感的一端、第二同步整流开关管的漏极连接，第二同步整流开关管的源极与隔离变压器副边绕组的另一端连接；所述输出电感的另一端分别与输出滤波电容的一端、负载的一端连接，所述输出滤波电容的另一端、负载的另一端分别与隔离变压器副边绕组的中点连接。
4.根据权利要求3所述的辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，其特征在于所述第一、第二同步整流开关管均包括其寄生二极管、寄生电容。
专利摘要本实用新型公开了一种辅助双管有源钳位全桥软开关变换器，包括变压器原边电路、变压器副边电路，原边电路包括输入电源，第一至第四开关管、隔离变压器原边绕组；其中所述第一开关管和第三开关管、第二开关管和第四开关管分别组成两个半桥电路，两个半桥电路的两端分别与输入电源的正极、负极连接，所述隔离变压器原边绕组的两端分别连接两个半桥电路的中点；所述两个半桥电路的两个桥臂之间依次串接第一、第二钳位开关管。本实用新型通过利用副边同步整流驱动信号控制全桥变换器的两个辅助开关管的开关动作时刻，可将收集到的原边变压器漏感能量在死区时间内释放，实现全桥变换器主开关管的ZVS软开关，EMI干扰低、效率高。
文档编号H02M3/335GK202218160SQ20112032066
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者周岩 申请人:南京邮电大学