专利名称：一种复合式正激直流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直流变换器，尤其涉及一种复合式正激直流变换器，属于直流变换器领域。
背景技术：
开关电源以其效率高、体积小、重量轻等显著优点而被广泛应用于工业生产、交通运输、 新能源发电等国民生产领域。随着应用范围的不断拓宽和应用设备的增加，对电源系统的稳 定性提出了更高的要求。双管正激变换器由于原边开关管电压应力低、具有内在抗桥臂直通能力、可靠性高而在 工业领域获得了广泛的应用。通过对双管正激变换器进行并联、串联组合，使双管正激变换 器在中、大功率变换领域获得了更广泛的应用，但双管正激变换器的开关管最大占空比只能 为0.5。为了提高开关电源的变换效率，需要采用软开关技术，从而降低开关损耗提高变换效率。 近年来，围绕开关变换器的软开关技术，国内外学者作了大量的研究，提出了各种软开关电 路，减小了开关损耗。中国专利CN1545200A提出了一种双路双管正激变换器拓扑，该拓扑由输入并联双管正激 变换器推导得到，保留了双管正激变换器高可靠性的优点，但该变换器仅适用于用作直流变 压器，即只能在开环下工作，实现直流电能的隔离和变换，而无法实现输出电压的闭环调节， 在输入电压发生变化时无法保证输出电压的稳定。中国专利CN1725617A提出了一种零电压开 关复合式交错并联双管正激三电平直流变换器，该变换器能够实现部分开关管的零电压开通 且具有开关管电压应力低等优点，但该变换器使用的开关管数量多，结构复杂，在实际应用中较少采用。 发明内容本发明针对背景技术中现有直流变换器存在的缺陷而提出一种可靠性高、变换效率高的复合式正激直流变换器。""本发明的复合式正激直流变换器，其结构包括原边电路、第一高频变压器、第二高频 变压器和副边电路，其中原边电路包括直流电源、第一分压电容、第二分压电容、第一功 率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一磁复位二极管、第二 磁复位二极管和第三磁复位二极管，直流电源的正极分别连接第一分压电容的一端、第一磁 复位二极管的阴极和第三功率开关管的漏极，直流电源的负极分别连接第二分压电容的一端、 第二磁复位二极管的阳极和第四功率开关管的源极，第一分压电容的另一端分别连接第二分 压电容的另一端、第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极；第一高频变压器包括第 一原边绕组和第一副边绕组，第二高频变压器包括第二原边绕组和第二副边绕组，第一原边 绕组的同名端分别连接第三功率开关管的源极和第三磁复位二极管的阴极，第一原边绕组的 非同名端分别连接第一功率开关管的漏极和第一磁复位二极管的阳极，第二原边绕组的同名 端分别连接第二功率开关管的源极和第二磁复位二极管的阴极，第二原边绕组的非同名端分 别连接第四功率开关管的漏极和第三磁复位二极管的阳极；副边电路包括第一整流二极管、 第二整流二极管、续流二极管、滤波电感、滤波电容和负载，第一整流二极管的阳极连接第 一副边绕组的同名端，第一整流二极管的阴极分别连接第二整流二极管的阴极、续流二极管 的阴极和滤波电感的一端，第二整流二极管的阳 连接第二副边绕组的同名端，第二副边绕组的非同名端分别连接第一副边绕组的非同名端、续流二极管的阳极、滤波电容的一端和负 载的一端，滤波电容的另一端分别连接滤波电感的另一端和负载的另一端。 本发明具有如下有益效果-1、 保留了双管正激变换器原边开关管电压应力低、不存在桥臂直通、可靠性高等优点， 其中功率开关管&、 &及磁复位二极管￡);、 Ib的电压应力仅为输入电压的一半；2、 实现了功率开关管&、 &的零电压开通，有利于提高变换效率；3、 副边交错并联输出结构提高了等效占空比和等效开关频率，有利于减小输出滤波器的 大小和体积，提高了变换器的动态响应速度；4、 开关管的最大占空比为0.66。
图1是本发明复合式正激直流变换器电路原理图。图2是本发明复合式正激直流变换器的主要波形图，图中[;广f/gM分别为第一、第二、 第三、第四功率开关管的驱动信号(CW表示开关管开通，OFF表示开关管关断)；bh /W、 Z'D3分别为第一、第二、第三磁复位二极管的电流；V附;、Vww分别为第一、第二原边绕组的 电压(同名端为正，非同名端为负)；fr&表示时间。图3~图8分别为本发明复合式正激直流变换器在开关模态1~开关模态6的等效电路原理图。图9为本发明复合式正激直流变换器副边采用两路串联连接方式时的电路原理图。 在图1及图3 图9中的标号名称10—原边电路；20—副边电路；f^一直流电源(输入 电压)；G、 G分别为第一、第二分压电容；Z)广D3分别为第一、第二、第三磁复位二极管； &~&分别为第一、第二、第三、第四功率开关管；7^分别为第一、第二高频变压器；iVw、 A^分别为第一、第二原边绕组；A^、 Afe分别为第一、第二副边绕组；￡>6 ￡ 5分别为第一、 第二整流二极管；"「续流二极管；i。一滤波电感；C。一滤波电容；i 。一负载。
具体实施方式
如图1所示，本发明复合式正激直流变换器的结构包括原边电路IO、第一高频变压器r;、第二高频变压器7^和副边电路20，其中原边电路io包括直流电源^、第一分压电容 c,、第二分压电容G、第一功率开关管&、第二功率开关管&、第三功率开关管&、第四功率开关管&、第一磁复位二极管Z);、第二磁复位二极管/)2和第三磁复位二极管"3，直流电 源K 的正极分别连接第一分压电容C/的一端、第一磁复位二极管D;的阴极和第三功率开关管&的漏极，直流电源K"的负极分别连接第二分压电容G的一端、第二磁复位二极管￡>2 的阳极和第四功率开关管&的源极，第一分压电容G的另一端分别连接第二分压电容G的另一端、第一功率开关管&的源极和第二功率开关管&的漏极；第一高频变压器r;包括第 一原边绕组和第一副边绕组iVw，第二高频变压器r2包括第二原边绕组7Vfe和第二副边绕 组入fe，第一原边绕组的同名端分别连接第三功率开关管&的源极和第三磁复位二极管D3的阴极，第一原边绕组的非同名端分别连接第一功率开关管&的漏极和第一磁复位二 极管D;的阳极，第二原边绕组的同名端分别连接第二功率开关管&的源极和第二磁复位 二极管D2的阴极，第二原边绕组iVp2的非同名端分别连接第四功率开关管&的漏极和第三磁 复位二极管￡)3的阳极；副边电路20包括第一整流二极管￡)￥、第二整流二极管￡>5、续流二极 管A5、滤波电感丄。、滤波电容C。和负载i 。，第一整流二极管D4的阳极连接第一副边绕组 iV^的同名端，第一整流二极管i^的阴极分别连接第二整流二极管D,-的阴极、续流二极管 A5的阴极和滤波电感丄。的一端，第二整流二极管A的阳极连接第二副边绕组Afe的同名端， 第二副边绕组A^的非同名端分别连接第一副边绕组iVw的非同名端、续流二极管A;的阳极、 滤波电容C。的一端和负载i 。的一端，滤波电容C。的另一端分别连接滤波电感￡。的另一端和负载i 。的另一端。在具体实施时，原边电路10的功率开关管采用带有体二极管的金属氧化物场效应晶体管 MOSFET或者IGBT。控制方式如下功率开关管&与&的驱动信号相同，功率开关管&与&的驱动信号相 同，功率开关管& (或&)与功率开关管& (或&)的驱动信号相位相差180° 。对于变压器r;，当功率开关管&与&开通时，变压器K正向磁化，当功率开关管&与&关断时，变压器r,通过磁复位二极管"/、 "3及功率开关管&的体二极管去磁，也就是功 率开关管&的体二极管同时用作变压器"的磁复位二极管，变压器r,磁复位时为功率开关 管&的零电压开通创造了条件。同理，功率开关管&的体二极管用作变压器^的磁复位二 极管，变压器:T2磁复位时为功率开关管&的零电压开通创造了条件。图2是本发明复合式正激直流变换器的主要波形图，下面结合图2~图8说明本发明的具体工作原理及工作过程。在分析之前，作如下假设a.功率开关管由理想开关和反并联二极管构成；b.分压电容C;、 G足够大且相等，可以将它们看作Fi"/2的电压源；C.滤波电感Z。足够大，电感电流4为平滑的直流；d.变压器为理想变压器，且iVw:iSfe:A^:A(yf":":l:l。1、 开关模态l (对应于图2中[&力]，其等效电路如图3所示)^时刻之前，开关管& &均关断，变压器72通过磁复位二极管￡>2、 Z^及开关管&的体 二极管去磁，磁复位二极管Z);截止，整流二极管i),、 /)5截止，续流二极管A5续流；^时刻， 开关管&、 &开通，其中&为零电压开通，变换器通过变压器7^向负载及。提供能量，变压 器K正向磁化，72继续去磁，整流二极管￡>4导通，整流二极管。5、续流二极管D6截止。2、 开关模态2 (对应于图2中[&。]，其等效电路如图4所示)O时刻，变压器7^的磁化电流降为0， T2磁化过程结束，开关管&、 &仍开通，开关管 &、 &均关断，磁复位二极管D,、 Z)2、 Ds均截止，变换器通过变压器^向负载i 。提供能量， 变压器的磁化电流继续增大，整流二极管Z^导通，整流二极管￡>5、续流二极管A;截止。3、 开关模态3 (对应于图2中[^力]，其等效电路如图5所示)6时刻，开关管&、 &关断，变压器T;的磁化电流流经开关管&的体二极管、磁复位二 极管A及Dj进行去磁，磁复位二极管Z)2仍截止，变压器r/的磁化电流不断减小，整流二 极管A、 ￡>5截止，续流二极管A;导通。4、 开关模态4 (对应于图2中[&"]，其等效电路如图6所示)^时刻，开关管&、 &导通，其中&为零电压开通，变换器通过变压器72向负载/ 。提 供能量，变压器K的磁化电流从O开始变大，变压器7^继续去磁，磁化屯流不断减小，整流 二极管D5导通，整流二极管r^、续流二极管A;截止。5、 开关模态5 (对应于图2中[&W，其等效电路如图7所示)"时刻，变压器T;的磁化电流降为0， 2^磁化过程结束，开关管&、 &仍开通，开关管 &、 &均关断，磁复位二极管D/、 Z)2、 ￡)3均截止，变换器通过变压器^向负载i 。提供能量， 变压器n的磁化电流继续增大，整流二极管￡>5导通，整流二极管Z^、续流二极管A5截止。6、 开关模态6 (对应于图2中^6]，其等效电路如图8所示)^时刻，开关管&、 &关断，变压器K的磁化电流流经开关管&的体二极管、磁复位二 极管I^及D3进行去磁，磁复位二极管A仍截止，变压器T2的磁化电流不断减小，整流二 极管i^、 05截止，续流二极管Aj导通。如图9所示为本发明副边采用两路串联连接方式的电路原理图，图中原边电路10的结构 与图1中相同，副边电路20中增加了一个续流二极管￡>7，副边电路20的结构为整流二极 管的阳极连接副边绕组7VW的同名端，整流二极管的阴极分别连接续流二极管Aj的阴 极和滤波电感丄。的一端，副边绕组A^的非同名端分别连接续流二极管A;的阳极、续流二极 管￡>7的阴极和整流二极管￡)5的阴极，整流二极管￡ 5的阳极连接副边绕组^\&的同名端，副 边绕组的非问名端分别连接续流二极管￡>7的阳极、滤波电容C。的一端和负载i 。的一端，滤波电容C。的另一端分别连接滤波电感"的另一端和负载及。的另一端。其控制原理及工作 过程与图1所示的复合式正激直流变换器相似。 一般，副边采用两路并联连接方式适用于输 出电压较低、输出电流较大的场合，副边采用两路串联连接方式适用于输出电压较高、输出 电流较小的场合。
权利要求
1、一种复合式正激直流变换器，其特征在于包括原边电路(10)、第一高频变压器(T1)、第二高频变压器(T2)和副边电路(20)，其中原边电路(10)包括直流电源(Vin)、第一分压电容(C1)、第二分压电容(C2)、第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)、第一磁复位二极管(D1)、第二磁复位二极管(D2)和第三磁复位二极管(D3)，直流电源(Vin)的正极分别连接第一分压电容(C1)的一端、第一磁复位二极管(D1)的阴极和第三功率开关管(S3)的漏极，直流电源(Vin)的负极分别连接第二分压电容(C2)的一端、第二磁复位二极管(D2)的阳极和第四功率开关管(S4)的源极，第一分压电容(C1)的另一端分别连接第二分压电容(C2)的另一端、第一功率开关管(S1)的源极和第二功率开关管(S2)的漏极；第一高频变压器(T1)包括第一原边绕组(NP1)和第一副边绕组(NS1)，第二高频变压器(T2)包括第二原边绕组(NP2)和第二副边绕组(NS2)，第一原边绕组(NP1)的同名端分别连接第三功率开关管(S3)的源极和第三磁复位二极管(D3)的阴极，第一原边绕组(NP1)的非同名端分别连接第一功率开关管(S1)的漏极和第一磁复位二极管(D1)的阳极，第二原边绕组(NP2)的同名端分别连接第二功率开关管(S2)的源极和第二磁复位二极管(D2)的阴极，第二原边绕组(NP2)的非同名端分别连接第四功率开关管(S4)的漏极和第三磁复位二极管(D3)的阳极；副边电路(20)包括第一整流二极管(D4)、第二整流二极管(D5)、续流二极管(D6)、滤波电感(Lo)、滤波电容(Co)和负载(Ro)，第一整流二极管(D4)的阳极连接第一副边绕组(NS1)的同名端，第一整流二极管(D4)的阴极分别连接第二整流二极管(D5)的阴极、续流二极管(D6)的阴极和滤波电感(Lo)的一端，第二整流二极管(D5)的阳极连接第二副边绕组(NS2)的同名端，第二副边绕组(NS2)的非同名端分别连接第一副边绕组(NS1)的非同名端、续流二极管(D6)的阳极、滤波电容(Co)的一端和负载(Ro)的一端，滤波电容(Co)的另一端分别连接滤波电感(Lo)的另一端和负载(Ro)的另一端。
全文摘要
本发明公开了一种复合式正激直流变换器，属于直流变换器领域。该变换器的结构包括原边电路、第一高频变压器、第二高频变压器和副边电路，其中原边电路由直流电源、两个分压电容、四个功率开关管和三个磁复位二极管构成，所述第一和第二高频变压器均由原边绕组和副边绕组构成，副边电路由两个整流二极管、续流二极管、滤波电感、滤波电容和负载构成。该变换器副边两路交错并联输出结构有利于减小整流二极管的电压应力、提高等效占空比和等效开关频率、减小输出滤波器的大小和体积。本发明可靠性高，变换效率高，适用于中、高压功率变换场合。
文档编号H02M3/28GK101635510SQ20091018478
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者吴红飞, 岩 邢 申请人:南京航空航天大学