具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路及变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路及变换器，涉及电路设计【技术领域】，所述变换器桥臂电路包括：依次连接的电源、桥臂单元、吸收单元、缓冲单元和能量有源回馈单元，所述能量有源回馈单元与所述电源连接；所述桥臂单元将所述电源供应的能量传递到负载；所述吸收单元抑制了所述桥臂单元工作时电压和电流的变化率，并将此过程所获得的残留能量转移到所述缓冲单元中；所述缓冲单元将接收到的残留能量经由所述能量有源回馈单元反馈至所述电源。本发明通过缓冲单元将残留能量集中接收，并通过能量有源回馈单元将残留能量回馈到电源中，不仅消除了无损吸收回路的电流环流问题，而且提高了变换器的效率。
【专利说明】具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路及变换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及电路设计【技术领域】，特别涉及一种具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路及变换器。
【背景技术】
[0002]变换器桥臂电路以其高开关频率特性被广泛的应用在电子电力变换器中来减小装置的体积和重量，或提高系统效率。但是，随着开关频率的增大，其开关损耗将会增大，同时也会产生很大的EMI噪声，影响周围电气设备和变换器本身的正常工作。
[0003]无损吸收回路是指把开关过程转移到吸收回路中的能量不经由电阻消耗掉，而是设法回馈到电源侧或负载侧。现有的各种无损吸收回路技术几乎都是通过无源元件和二极管来实现能量回馈，达到降低开关损耗的目的，故无损吸收回路也被称作无源软开关(passive soft switching)。开关过程中，无损吸收回路对开通di/dt和关断dv/dt的抑制，以及吸收回路中能量转移和回馈都是通过电路运行的参数条件变化自动切换工作模式实现的，故吸收回路中元器件参数的变化或不一致性对开关管的开关过程具有很好的鲁棒性；而软开关的开关时序与辅助回路元器件的谐振条件有关，其辅助元器件参数的变化或不一致性会恶化开关管的开关过程，甚至毁坏开关管。因此无损吸收回路相比较软开关技术而言，具有可靠性高、成本低、以及适宜于工业化批量生产等优点，从而得到广泛的研究。但现有的变换器桥臂电路无损吸收回路，要么电路结构非常复杂，要么能量回馈支路一直有电流环流存在，导致变换器的效率低下。
【发明内容】
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题是:如何避免无损吸收回路的电流环流问题，以提高变换器的效率。
[0006](二)技术方案
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路，所述变换器桥臂电路包括:依次连接的电源、桥臂单元、吸收单元、缓冲单元和能量有源回馈单元，所述能量有源回馈单元与所述电源连接；
[0008]所述桥臂单元将所述电源供应的能量传递到负载；
[0009]所述吸收单元抑制了所述桥臂单元工作时电压和电流的变化率，并将此过程获得的残留能量转移到所述缓冲单元中；
[0010]所述缓冲单元将接收到的残留能量经由所述能量有源回馈单元反馈至所述电源。
[0011]其中，所述桥臂单元包括:两个开关管SpS2和两个二极管，每个开关管均包括:集电极、发射极和栅极，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极连接，所述第一开关管31的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S1的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S1的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S2的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S2的集电极连接，由所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极的连接点为所述负载供电；
[0012]其中，所述吸收单元包括:两个电感U、L2、两个电容Cn、C21和两个二极管Dn、D21，第一电感L1串联于所述第一开关管S1的集电极与电源的阳极之间，第二电感L2串联于所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极之间，第一电容C11并联于所述第一开关管S1的集电极和发射极之间，所述第二电容C21并联于所述第二开关管S2的集电极和发射极之间，所述第三二极管D11串联于所述第一开关管S1的集电极与所述第一电容C11之间，且其阴极
与所述第一电容C11连接，所述第四二极管D21串联于所述第二开关管S2的发射极与第二电容C21之间，且其阳极a2与所述第二电容C21连接。
[0013]其中，所述缓冲单元包括:两个电容C12、C22和两个二极管D12、D22，第三电容C12的第一端与所述电源的阳极连接，所述第三电容C12的第二端与第五二极管D12的阴极连接，所述第五二极管D12的阳极与所述第三二极管D11的阴极连接，第四电容C22的第一端与所述电源的阴极连接，所述第四电容C22的第二端与所述第六二极管D22的阳极连接，所述第六二极管D22的阴极与所述第四二极管D21的阳极a2连接；
[0014]其中，所述缓冲单元包括:第三电容C。和第五二极管D。，所述第五二极管D。的阳极与所述第三二极管D11的阴极ai连接，所述第五二极管D。的阴极与所述第三电容C。的第一端连接，所述第三电容C。的第二端与所述第四二极管D21的阳极a2连接。
[0015]其中，所述桥臂单元包括:两个开关管SpS2和两个二极管，每个开关管均包括:集电极、发射极和栅极，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极连接，所述第一开关管31的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S1的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S1的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S2的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S2的集电极连接，由所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极的连接点为所述负载供电；
[0016]其中，所述吸收单元包括:两个电感U、L2、两个电容Cn、C21和两个二极管Dn、D21，第一电感L1和第二电感L2串联连接，且连接后的所述第一电感L1和第二电感L2串联于所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极之间，第一电容C11并联于所述第一开关管S1的集电极和发射极之间，所述第二电容C21并联于所述第二开关管S2的集电极和发射极之间，由所述第一电感L1和第二电感L2的连接点为负载供电，所述第三二极管D11串联于所述第一开关管S1的发射极与所述第一电容C11之间，且其阳极与所述第一电容C11连接，所述第四二极管D21串联于所述第二开关管S2的集电极与所述第二电容C21之间，且其阴极a2与所述第二电容C21连接。
[0017]其中，所述缓冲单元包括:第三电容C。和第五二极管D。，所述第五二极管D。的阳极与所述第四二极管D21的阴极a2连接，所述第五二极管D。的阴极与所述第三电容C。的第一端连接，所述第三电容C。的第二端与所述第三二极管D11的阳极ai连接。
[0018]其中，所述缓冲单元包括:两个电容C12、C22和两个二极管D12、D22，第三电容C12的第一端与所述第四二极管D21的阳极b2连接，所述第三电容C12的第二端与所述第五二极管D12的阴极连接，所述第五二极管D12的阳极与所述电源的负极连接，第四电容C22的第一端与所述第三二极管D11的阴极Id1，所述第四电容C22的第二端与所述第六二极管D22的阳极连接，所述第六二极管D22的阴极与所述电源的阳极连接。
[0019]其中，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述缓冲单元中电容的电压低于所述电源的电压，所述缓冲单元中电容的电压由所述电源的电压、所述缓冲单元中电容的电容值、所述直流/直流隔离式变换电路中的变压器匝比和控制占空比决定。
[0020]其中，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述直流/直流隔离式变换电路为推挽式变换电路、正激式变换电路、反激式变换电路、全桥式变换电路或半桥式变换电路。
[0021 ] 其中，所述能量有源回馈单元为直流/直流非隔离式变换电路，所述直流/直流非隔离式变换电路包括辅助开关管Sal和Sa2，每个辅助开关管均包括:集电极、发射极和栅极，所述辅助开关管Sal的发射极与第三二极管D11的阳极B1连接，所述辅助开关管Sal的集电极与所述第五二极管D12的阴极连接，所述辅助开关管Sa2的集电极与所述第四二极管D21的阴极a2连接，所述辅助开关管Sa2的发射极与所述第六二极管D22的阳极连接；
[0022]所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极的连接点的电流10在开关管S1和第二二极管之间换向时，所述辅助开关管Sal处于常通状态，所述辅助开关管Sa2处于常断状态，且所述辅助开关管Sa2能承受预设的反向电压；所述电流10在开关管S2和第一二极管之间换向时，所述辅助开关管Sa2处于常通状态，Sal处于常断状态，且所述辅助开关管Sal能承受预设的反向电压，所述反向电压大小通过改变所述缓冲单元中电容的电容值和吸收单元中电容的电容值之间的比值来调整。
[0023]其中，所述第一电感L1和第二电感L2为独立电感或耦合电感。
[0024]本发明还公开了一种变换器，其特征在于，所述变换器包括:至少两个所述的变换器桥臂电路，所有变换器桥臂电路共用一个能量有源回馈单元。
[0025](三)有益效果
[0026]本发明通过缓冲单元将残留能量集中接收，并通过能量有源回馈单元将残留能量回馈到电源中，不仅消除了无损吸收回路的电流环流问题，而且提高了变换器的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明第一种实施方式的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构框图；
[0028]图2是本发明第一种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；
[0029]图3是本发明第二种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；
[0030]图4是本发明第三种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；
[0031]图5是本发明第四种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图。【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0033]图1是本发明第一种实施方式的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构框图；参照图1，所述变换器桥臂电路包括:依次连接的电源、桥臂单元、吸收单元、缓冲单元和能量有源回馈单元，所述能量有源回馈单元与所述电源连接；
[0034]所述桥臂单元将所述电源供应的能量传递到负载；
[0035]所述吸收单元抑制了所述桥臂单元工作时电压和电流的变化率，并将此过程获得的残留能量转移到所述缓冲单元中；
[0036]所述缓冲单元将接收到的残留能量经由所述能量有源回馈单元反馈至所述电源。
[0037]本实施方式通过缓冲单元将残留能量集中接收，并通过能量有源回馈单元将残留能量回馈到电源中，不仅消除了无损吸收回路的电流环流问题，而且提高了变换器的效率。
[0038]根据吸收电感和缓冲电容连接位置的不同，能量有源回馈吸收回路(EnergyActive Recovery Snubber, EARS)的缓冲电容有单缓冲支路电容和双缓冲支路电容两种，辅助开关管的耐压有低压(电压可以是桥臂直流侧电压的十分之一左右)和常压(电压等于桥臂直流侧电压)两种。低压辅助开关管能量回馈电路具有隔离变压电路结构，可以是推挽式变换电路、正激式变换电路、反激式变换电路、全桥式变换电路或半桥式变换电路等直流/直流(DC/DC)隔离变换电路拓扑形式。低压辅助开关管及其能量缓冲电容的电压与隔离变压器的匝比有关。而常压辅助开关管能量回馈电路有隔离式和非隔离式两种。
[0039]实施例1
[0040]图2是本发明第一种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；本实施例为变换器桥臂电路中具有双缓冲支路电容、低压辅助开关管的能量有源回馈吸收回路，辅助开关管构成的能量回馈电路是推挽式直流/直流变换电路结构；参照图2，所述桥臂单元包括:两个开关管SpS2和两个二极管，每个开关管均包括:集电极、发射极和栅极，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极连接，所述第一开关管S1的集电极与电源的阳极(即图中的“P”点)连接，所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极(即图中的“N”点)连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S1的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S1的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S2的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S2的集电极连接，由所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极的连接点为所述负载供电。
[0041]优选地，所述吸收单元包括:两个电感U、L2、两个电容Cn、C21和两个二极管Dn、D21，第一电感L1串联于所述第一开关管S1的集电极与电源的阳极之间，第二电感L2串联于所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极之间，第一电容C11并联于所述第一开关管S1的集电极和发射极之间，所述第二电容C21并联于所述第二开关管S2的集电极和发射极之间，所述第三二极管D11串联于所述第一开关管S1的集电极与所述第一电容C11之间，且其阴极％与所述第一电容C11连接，所述第四二极管D21串联于所述第二开关管S2的发射极与第二电容C21之间，且其阳极a2与所述第二电容C21连接；
[0042]优选地，所述缓冲单元包括:两个电容C12、C22和两个二极管D12、D22，第三电容C12的第一端与所述电源的阳极连接，所述第三电容C12的第二端与第五二极管D12的阴极连接，所述第五二极管D12的阳极与所述第三二极管D11的阴极ai连接，所述第四电容C22的第一端与所述电源的阴极连接，所述第四电容C22的第二端与所述第六二极管D22的阳极连接，所述第六二极管D22的阴极与所述第四二极管D21的阳极a2连接；
[0043]其中，L1和L2是吸收电感，串联在开关管S1和S2的两侧，用于抑制开关管开通过程的电流上升率di/dt，以降低开通损耗；Cn和C21是吸收电容，分别并联在开关管S1和S2上，用于抑制开关管关断过程中的电压上升率dv/dt AdP D21分别与吸收电容C11和C21串联，用于防止开关管开通时吸收电容的电压通过开关管短路放电；C12和C22分别为S1和S2对应的缓冲电容，通过D12和D22自动换流，在开关过程将吸收电感和吸收电容的谐振能量转移到C12和C22中。
[0044]下面以桥臂单元上开关管S1的开关状态为例进行分析，S2的开关工作过程与S1类似，这里便不再赘述。本实施例的变换器桥臂电路的工作原理为:当S1开通时，电感L1的电流逐渐增加，电感L2的电流逐渐减小，二极管D12两端不再承受反向压降，则C11通过二极管D12>电感L1、开关管S1谐振回路向缓冲电容C12转移能量。当L2中的电流谐振减小至O时，电源Vin通过电感L1、开关管S1、二极管D21、电感L2为C21进行谐振充电。当C11放电结束后，若L1中的电流除了负载电流和L2中的电流外，仍存在一定的残余电流，则L1将通过二极管D11和D12将残余电流转移到缓冲电容C12中，与此同时，L2与C21仍然进行谐振，为C21充电。若匕电流下降为0、C21的电压充电至L+K+2匕时(定义Vci2=Vc22=Vb),则二极管D22不再承受反向压降，开始导通，C21通过电感L1、电源Vin、缓冲电容C22、二极管D22、负载电流10进行谐振放电，当谐振半周，C21放电电流为O时，C21电压稳定在大于等于Vin但小于等于Vin+Vb的值；若C21电压充电至Vin+2Vb时，L2电流还未下降为0，此时二极管D22导通，电感L2中多余的电流将经过D21、D22转移到缓冲电容C22中，当L2中电流下降为O时，C21按上述所说的过程通过电感L1、直流侧电压源Vin、缓冲电容C22、二极管D22、负载电流10进行谐振放电，谐振半周之后该过程结束，C21电压稳定在Vin，此后进入S1开通稳态。当S1关断时，电感L1对C11进行线性充电，当C11电压充电至ViJVb-Ve21时，二极管D22开始导通，则C2I通过二极管D22、负载电流源I。、缓冲电容C22进行谐振放电，C11通过L1继续谐振充电，当νε2ι下降到小于等于\时，S1的续流二极管(S2的反并联二极管，即第二二极管)开始导通，则L2通过S1的续流二极管参与谐振过程，电流逐渐上升。当L2的电流上升到10时，若C21的电压还未放电到O，留有残余电压八￥，则(:11充电至￥^+2￥13-八￥;当1^2的电流上升到I。时，C21的电压已经放电到0，则C11充电至Vin+2Vb。此后电容C11通过二极管D12、缓冲电容C12、电源Vin、电感L2、S2的反并联二极管、负载电流I。进行谐振放电，谐振半周之后C11放电电流为O时，C11电压稳定在大于等于Vin但小于等于Vin+Vb的某个值，而后进入S1关断稳态。在S1开关过程中，吸收回路中的能量转移到C12和C22中，因此C12和C22中的电压是波动的。由于吸收回路的能量缓冲由桥臂上下两侧的两个电容C12和C22分别来承担，因此其相应的回馈电路需要用两个辅助开关管和两个变压器原边，故本实施例的辅助DC/DC隔离变换器采用推挽式变换电路的形式来实现，但不限于推挽式变换电路。
[0045]本实施例的变换器桥臂电路中的能量有源回馈单元为推挽式变换电路，其由辅助开关管Sal、Sa2、二极管Dal、Da2、Ds、变压器组成，由于推挽式变换电路的工作原理为本领域技术人员所公知的技术，故而在此不再赘述。辅助开关管Sal、Sa2的控制方式独立于开关管SpS2的控制逻辑，缓冲电容C12和C22上的电压平均值取决于变压器的匝比，变换器输出侧滤波电感可用变压器的漏感来获得。因推挽式变换电路输出侧为桥臂单元两侧的电源Vin，输出电压需要维持恒定不变，因此可以采用前馈或者反馈的形式实现可调占空比。
[0046]图2中的辅助直流/直流隔离变换电路中的低压辅助开关管的选择只依赖于C12或C22中的电压和需要回馈的能量，且其控制独立于桥臂单元中的开关管控制逻辑时序。这非常有利于辅助直流/直流隔离变换器的设计。同一变换器中不同桥臂单元对应的缓冲单元可以共用一个辅助直流/直流隔离变换电路。这种具有辅助开关管的能量有源回馈吸收回路(EARS)技术，解决了无损吸收回路的能量无源回馈的环流问题。变换器桥臂电路上的吸收电感、吸收电容及其串联的二极管和能量回馈支路在图2电路的基础上，可以进行相应的变化，得到不同的无损吸收回路。
[0047]实施例2
[0048]图3是本发明第二种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；本实施例的变换器桥臂电路中具有单缓冲支路电容、低压辅助开关管的能量有源回馈吸收回路，辅助开关管构成的能量回馈电路是单端正激式直流/直流变换电路结构；参照图3，所述桥臂单元包括:两个开关管Sp S2和两个二极管，每个开关管均包括:集电极、发射极和栅极，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极连接，所述第一开关管31的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S1的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S1的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S2的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S2的集电极连接，由所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极的连接点为所述负载供电。
[0049]所述吸收单元包括:两个电感Lp L2、两个电容Cn、C21和两个二极管Dn、D21，所述第一电感L1和第二电感L2串联连接，且连接后的所述第一电感L1和第二电感L2串联于所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极之间，第一电容C11并联于所述第一开关管S1的集电极和发射极之间，所述第二电容C21并联于所述第二开关管S2的集电极和发射极之间，由所述第一电感L1和第二电感L2的连接点为负载供电，所述第三二极管D11串联于所述第一开关管S1的发射极与所述第一电容C11之间，且其阳极与所述第一电容C11连接，所述第四二极管D21串联于所述第二开关管S2的集电极与所述第二电容C21之间，且其阴极a2与所述第二电容C21连接。
[0050]优选地，所述缓冲单元包括:第三电容C。和第五二极管D。，所述第五二极管D。的阳极与所述第四二极管D21的阴极a2连接，所述第五二极管D。的阴极与所述第三电容C。的第一端连接，所述第三电容C。的第二端与所述第三二极管D11的阳极ai连接。
[0051]下面以桥臂单元上开关管S1的开关状态为例进行分析，S2的开关工作过程与S1类似，这里便不再赘述。本实施例的变换器桥臂电路的工作原理为:当S1开通时，电感L1电流线性增加到I。，L2中电流线性减小为0，之后C11通过开关管S1、电感L1和L2、二极管D21、D。构成的放电谐振回路向缓冲电容C。转移能量，电源Vin通过开关管S1、电感L1和L2、二极管D21给C21进行谐振充电。当C11放电结束，C21充电至Vin+V。。时，谐振过程结束。此后，L1和L2中的电流能量通过二极管Dn、D21、D。转移到缓冲电容C。中。当L2中电流降为零时，L1中电流降为I。，此后S1开通暂态过程结束，进入稳态。当S1关断时，C11线性充电至Vin，C21通过缓冲电容C。线性放电至Nco ;此后输入电压源Vin、电容Cn、C21、C。、输出电流源I。、L1和L2构成谐振回路；当L1电流谐振到O时、L2的电流谐振到I。时，C11电压充电至Vin+V。。、C21电压放电至O，而后进入S1关断稳态。依据电路原理，在S1开关过程中，吸收回路中的能量转移到同一个缓冲电容C。中，因此C。的电压是波动的。本实施例的辅助DC/DC隔离变换器采用单端正激式变换电路的形式来实现，但不限于单端正激式变换电路。
[0052]本实施例的变换器桥臂电路中的能量有源回馈单元为单端正激式变换电路，其由辅助开关管Sa、二极管1、队、变压器组成，由于单端正激式变换电路的工作原理为本领域技术人员所公知的技术，故而在此不再赘述。辅助开关管Sa的控制方式独立于桥臂开关管的控制逻辑，缓冲电容C。上的电压平均值取决于变压器的匝比。同样其输出侧的滤波电感可以用变压器的漏感来实现。为维持输出电压的恒定不变，可以采用前馈或者反馈的控制方式实现可调占空比。辅助DC/DC隔离变换器不限于正激形式，也可以采用其他形式。
[0053]实施例3
[0054]图4是本发明第三种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；本实施例的变换器桥臂电路中具有单缓冲支路电容、常压辅助开关管的能量有源回馈吸收回路，辅助开关管构成的能量回馈电路是双端正激式直流/直流变换电路结构；参照图4，本实施例的变换器桥臂电路与实施例1的电路结构基本相同，不同之处在于:
[0055]所述缓冲单元包括:第三电容C。和第五二极管D。，所述第五二极管D。的阳极与所述第三二极管D11的阴极ai连接，所述第五二极管D。的阴极与所述第三电容C。的第一端连接，所述第三电容C。的第二端与所述第四二极管D21的阳极a2连接。
[0056]本实施例的辅助DC/DC隔离变换器采用双端正激式变换电路的形式来实现，但不限于双端正激式变换电路。本实施例的变换器桥臂电路中的能量有源回馈单元为双端正激式变换电路，其由辅助开关管sal、Sa2、二极管Dal、Da2, Ds、变压器组成，由于单端正激式变换电路的工作原理为本领域技术人员所公知的技术，故而在此不再赘述。
[0057]下面以桥臂单元上开关管S1的开关状态为例进行分析，S2的开关工作过程与S1类似，这里便不再赘述。本实施例的变换器桥臂电路的工作原理为开通时，电感L1中电流线性增加到I。，。中电流线性减小到0，开关管S2的反并联二极管截止。此后，C11通过二极管D。、D21, L2,电源Vin、L1, S1组成的谐振回路将能量转移到缓冲电容C。中，电源Vin通过U、Sp D21、L2为C21进行谐振充电。当C11放电结束、C21充电至Vin时，谐振过程结束。谐振过程结束时，L1和L2中的谐振电流达到最大值。此后，L1和L2中的谐振电流向C。和C21并联放电，当L2电流降为零时，L1电流降为I。。此后S1开通暂态过程结束，进入稳态。iSi关断时，输入电压源Vin通过电感L1、二极管Dn、输出电流源10对C11进行充电，同时，C21通过输出电流源I。、输入电压源Vin、电感L1、二极管Dn、D。回路将能量转移到缓冲电容C。中。此过程V。。近似看作不变，则C11是线性充电，C21是线性放电，C11和C21的充放电电流相等，均为I。的一半。当C21放电结束后，C11充电至Vin。此后D21、S1的续流二极管(S2的反并联二极管，即第二二极管)导通，将C21的电压箝位在零电平,L1通过Vin和输出电流源10向C11和C。电容中谐振放电，同时，C11和C。通过Vin和输出电流源10给L2进行谐振充电。当L1电流由10降为零时，L2电流由零上升为I。，谐振过程结束，S1关断暂态过程也结束，进入稳态。当C11充电至Vin时，谐振过程结束，D21中的电流转移到L2中。与实施例2的原理类似，在开关换向期间，C。的电压是波动的，缓冲电容C。的能量以双端正激式变换电路的形式回馈到电源侧。同一变换器中不同桥臂单元对应的缓冲单元可以共用一个辅助直流/直流隔离变换电路。辅助开关管sal、Sa2的控制独立于开关管S1、S2的控制逻辑时序，缓冲电容C。上的电压平均值等于直流侧输入电压Vin，其输出侧的滤波电感也可以用变压器的漏感实现。由于双端正激式变换电路的输出端为电源，因此要维持输出电压的恒定不变，可以采用前馈或反馈的形式实现可调占空比。
[0058]实施例4
[0059]图5是本发明第四种实施例的具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路的结构示意图；本实施例的变换器桥臂电路中具有双缓冲支路电容、常压辅助开关管的能量有源回馈吸收回路，辅助开关管构成的能量回馈电路是直流/直流非隔离式变换电路结构；参照图5，本实施例的变换器桥臂电路与实施例2的电路结构基本相同，不同之处在于:
[0060]所述缓冲单元包括:两个电容C12X22和两个二极管D12、D22，所述第三电容C12的第一端与所述第四二极管D21的阳极b2连接，所述第三电容C12的第二端与所述第五二极管D12的阴极连接，所述第五二极管D12的阳极与所述电源的负极连接，所述第四电容C22的第一端与所述第三二极管D11的阴极Id1，所述第四电容C22的第二端与所述第六二极管D22的阳极连接，所述第六二极管D22的阴极与所述电源的阳极连接。
[0061]本实施例的所述能量有源回馈单元为直流/直流非隔离式变换电路，由辅助开关管Sal和Sa2组成，所述辅助开关管Sal的发射极与第三二极管D11的阳极ai连接，所述辅助开关管Sal的集电极与所述第五二极管D12的阴极连接，所述辅助开关管Sa2的集电极与所述第四二极管D21的阴极a2连接，所述辅助开关管Sa2的发射极与所述第六二极管D22的阳极连接。
[0062]由于本实施例的，下面开关管S1的开关状态为例进行分析，S2的开关工作过程与S1类似，这里便不再赘述。本实施例的变换器桥臂电路的工作原理为:当10电流为正时，辅助开关管Sal工作在导通状态，Sa2工作在截止状态，电流10在开关管S1与其续流二极管(gp第二二极管)之间换向，且Sa2能承受预设的反向电压，所述反向电压大小通过改变所述缓冲单元中电容c12、c22的电容值和吸收单元中电容Cn、C21的电容值之间的比值来调整。当S1开通时，电感L1中电流线性上升，L2中电流线性下降，当L1电流上升到I。，L2电流下降为零时，C11通过开关管S1,电感L1和L2回路为缓冲电容C12进行充电，将C11和谐振电感L1和L2的能量全部转移到C12中；当S1关断时，C11线性充电，当C11电压上升至使D12不再承受反向压降时，C12开始向负载放电，将C12的能量全部转移到负载侧，当C12中电压下降为零时，S1的续流二极管(即第一二极管)开始导通。
[0063]当图4中的I。电流为负时，则辅助开关管Sal工作在截止状态，Sa2工作在导通状态，电流10在开关管S2与其续流二极管(即开关管S1的反并联二极管)之间换向。
[0064]图5的工作原理表明，辅助开关管Sal和Sa2的导通和关断状态，只与电流10的方向有关，与桥臂开关管的控制逻辑时序无关。因此辅助开关管Sal和Sa2的控制非常简单。但在实际电路中，该辅助开关管Sal和Sa2会承受反向压降。可通过调节吸收电容C11或C21与缓冲电容C12或C22的比值来降低辅助开关管所承受的反向电压。显然，辅助开关管承受的反向电压可以远小于正向电压，因此该辅助开关管Sal和Sa2可以用IGBT等器件来实现。
[0065]对于实施例1?4中任一项所述的变换器桥臂电路,其中，所述第一电感L1和第二电感L2可以为独立电感(即普通意义上的电感),还可以为耦合电感,但为耦合电感时,不仅可以使桥臂电路中主开关管的电流应力更小，还可以使开通损耗进一步减小。
[0066]对于实施例1或2所述的变换器桥臂电路，其中，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述缓冲单元中电容的电压低于所述电源的电压，所述缓冲单元中电容的电压由所述电源的电压、所述缓冲单元中电容的电容值、所述直流/直流隔离式变换电路中的变压器匝比和控制占空比决定。
[0067]本发明还公开了一种变换器，所述变换器包括:至少两个实施例1或3所述的变换器桥臂电路，所有变换器桥臂电路可共用一个能量有源回馈单元，从而简化电路和节约成本。
[0068]以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【权利要求】
1.一种具有能量有源回馈吸收回路的变换器桥臂电路，其特征在于，所述变换器桥臂电路包括:依次连接的电源、桥臂单元、吸收单元、缓冲单元和能量有源回馈单元，所述能量有源回馈单元与所述电源连接； 所述桥臂单元将所述电源供应的能量传递到负载； 所述吸收单元抑制了所述桥臂单元工作时电压和电流的变化率，并将此过程获得的残留能量转移到所述缓冲单元中； 所述缓冲单元将接收到的残留能量经由所述能量有源回馈单元反馈至所述电源。
2.如权利要求1所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述桥臂单元包括:两个开关管SpS2和两个二极管，每个开关管均包括:集电极、发射极和栅极，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极连接，所述第一开关管S1的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S1的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S1的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S2的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S2的集电极连接，由所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极的连接点为所述负载供电； 其中，所述吸收单元包括:两个电感1^、1^2、两个电容Cn、C21和两个二极管Dn、D21，第一电感L1串联于所述第一开关管S1的集电极与电源的阳极之间，第二电感L2串联于所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极之间，第一电容C11并联于所述第一开关管S1的集电极和发射极之间，所述第二电容C21并联于所述第二开关管S2的集电极和发射极之间，所述第三二极管D11串联于所述第一开关管S1的集电极与所述第一电容C11之间，且其阴极ai与所述第一电容C11连接，所述第四二极管D21串联于所述第二开关管S2的发射极与第二电容C21之间，且其阳极a2与所述第二电容C21连接。 其中，所述缓冲单元包括:两个电容C12、C22和两个二极管D12、D22，第三电容C12的第一端与所述电源的阳极连接，所述第三电容`C12的第二端与第五二极管D12的阴极连接，所述第五二极管D12的阳极与所述第三二极管D11的阴极连接，第四电容C22的第一端与所述电源的阴极连接，所述第四电容C22的第二端与所述第六二极管D22的阳极连接，所述第六二极管D22的阴极与所述第四二极管D21的阳极a2连接。
3.如权利要求2所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述缓冲单元包括:第三电容C。和第五二极管D。，所述第五二极管D。的阳极与所述第三二极管D11的阴极ai连接，所述第五二极管D。的阴极与所述第三电容C。的第一端连接，所述第三电容C。的第二端与所述第四二极管D21的阳极a2连接。
4.如权利要求1所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述桥臂单元包括:两个开关管SpS2和两个二极管，每个开关管均包括:集电极、发射极和栅极，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极连接，所述第一开关管S1的集电极与电源的阳极连接，所述第二开关管S2的发射极与所述电源的阴极连接，第一二极管的阳极与所述第一开关管S1的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管S1的集电极连接，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管S2的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管S2的集电极连接，由所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极的连接点为所述负载供电； 其中，所述吸收单元包括:两个电感1^、1^2、两个电容Cn、C21和两个二极管Dn、D21，第一电感L1和第二电感L2串联连接，且连接后的所述第一电感L1和第二电感L2串联于所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极之间，第一电容C11并联于所述第一开关管S1的集电极和发射极之间，所述第二电容C21并联于所述第二开关管S2的集电极和发射极之间，由所述第一电感L1和第二电感L2的连接点为负载供电，所述第三二极管D11串联于所述第一开关管S1的发射极与所述第一电容C11之间，且其阳极与所述第一电容C11连接，所述第四二极管D21串联于所述第二开关管S2的集电极与所述第二电容C21之间，且其阴极a2与所述第二电容C21连接。 其中，所述缓冲单元包括:第三电容C。和第五二极管D。，所述第五二极管D。的阳极与所述第四二极管D21的阴极a2连接，所述第五二极管D。的阴极与所述第三电容C。的第一端连接，所述第三电容C。的第二端与所述第三二极管D11的阳极a1连接。
5.如权利要求4所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述缓冲单元包括:两个电容C12> C22和两个二极管D12、D22，第三电容C12的第一端与所述第四二极管D21的阳极b2连接，所述第三电容C12的第二端与所述第五二极管D12的阴极连接，所述第五二极管D12的阳极与所述电源的负极连接，第四电容C22的第一端与所述第三二极管D11的阴极Id1，所述第四电容C22的第二端与所述第六二极管D22的阳极连接，所述第六二极管D22的阴极与所述电源的阳极连接。
6.如权利要求2或4所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述缓冲单元中电容的电压低于所述电源的电压，所述缓冲单元中电容的电压由所述电源的电压、所述缓冲单元中电容的电容值、所述直流/直流隔离式变换电路中的变压器匝比和控制占空比决定。
7.如权利要求2~4中任一项所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述能量有源回馈单元为直流/直流隔离式变换电路，所述直流/直流隔离式变换电路为推挽式变换电路、正激式变换电路、反激式变换电路、全桥式变换电路或半桥式变换电路。
8.如权利要求5所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述能量有源回馈单元为直流/直流非隔离式变换电路，所述直流/直流非隔离式变换电路包括辅助开关管Sal和Sa2，每个辅助开关管均包括:集电极、发射极和栅极，所述辅助开关管Sal的发射极与第三二极管D11的阳极B1连接，所述辅助开关管Sal的集电极与所述第五二极管D12的阴极连接，所述辅助开关管Sa2的集电极与所述第四二极管D21的阴极a2连接，所述辅助开关管Sa2的发射极与所述第六二极管D22的阳极连接； 所述第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极的连接点的电流I。在开关管S1和第二二极管之间换向时，所述辅助开关管Sal处于常通状态，所述辅助开关管Sa2处于常断状态，且所述辅助开关管Sa2能承受预设的反向电压；所述电流10在开关管S2和第一二极管之间换向时，所述辅助开关管Sa2处于常通状态，Sal处于常断状态，且所述辅助开关管Sal能承受预设的反向电压，所述反向电压大小通过改变所述缓冲单元中电容的电容值和吸收单元中电容的电容值之间的比值来调整。
9.如权利要求2~5中任一项所述的变换器桥臂电路，其特征在于，所述第一电感L1和第二电感L2为独立电感或耦合电感。
10.一种变换器，其特征在于，所述变换器包括:至少两个权利要求2或3所述的变换器桥臂电路，所有变换器桥臂电路共用一个能量有源回馈单元。
【文档编号】H02M1/34GK103501109SQ201310513213
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】郑琼林, 王蓓蓓, 邵天骢, 张捷频, 李艳, 黄先进, 游小杰, 张立伟, 王剑, 郭希铮 申请人:北京交通大学