专利名称：自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器。
背景技术：
移相控制软开关全桥变换器由于综合了 PWM开关和谐振型开关的优点，在开关过程中，利用谐振技术实现零电压/零电流开关，开关过程结束后又回到普通的PWM状态，它同时具备了开关损耗小，通态损耗低及PWM调压等优点，因此在中大功率的直流变换场合受到广泛的青睐。传统的移相控制零电压开关全桥变换器在负载较轻时滞后臂会失去软开关，为此可以增加变压器漏感或串联谐振电感，但这会带来变压器二次侧占空比的丢失，导致需要减小变压器原副边匝比来补偿丢失的占空比，这又使得效率降低。同时变压器漏感或串联谐振电感的增大引发了变压器二次侧寄生振荡。为了减小变压器漏感或串联谐振电感，加入辅助网络成为一种趋势。有文献在滞后臂并联有源辅助网络，在辅助电感中存储能量来帮助滞后臂实现零电压开关，辅助开关管的控制简单，但在全负载范围内辅助网络中的能量恒定不变，负载较重时，变压器漏感中存储的能量已经满足实现滞后臂ZVS条件，辅助能量存在大量损耗，从而降低了效率。有文献虽然可以实现有源辅助网络中存储的能量随负载电流的变化而变化，减小了辅助网络的导通损耗，但其对辅助开关管的控制十分复杂，难以实现。
发明内容
本发明的目的在于针对上述变换器所存在的技术缺陷提供一种自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，辅助开关管控制简单，辅助网络能量随负载的变化而自适应的变化，且在较宽负载范围内可以实现主功率开关管的零电压开关，导通损耗降低，变换器效率得到提高。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源、结构相同的第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、隔离变压器以及整流滤波电路；其中每个逆变桥臂都包括二个开关管、二个体二极管和二个寄生电容，第一开关管的漏极分别与第一体二极管阴极、第一寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的正输入端，第一开关管的源极分别与第一体二极管阳极、第一寄生电容的另一端、第二开关管的漏极、第二体二极管阴极、第二寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的源极分别与第二体二极管阳极、第二寄生电容的另一端连接构成逆变桥臂的负输入端，直流电源的正极分别接第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的正输入端，直流电源的负极分别接第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的负输入端，隔离变压器副边绕组的输出端接整流滤波电路的输入端，隔离变压器原边绕组具有一中心抽头，其特征在于还包括由辅助桥臂、辅助变压器、辅助电容和辅助电感构成的有源辅助网络；其中辅助桥臂包括二个辅助开关管和两个辅助二极管，第一辅助开关管的漏极接第一辅助二极管的阴极构成辅助桥臂的正输入端，第一辅助开关管的源极分别接第一辅助二极管的阳极、第二辅助开关管的漏极、第二辅助二极管的阴极构成辅助桥臂的输出端，第二辅助开关管的源极接第二辅助二极管的阳极构成辅助桥臂的负输入端，直流电源的正负极分别接辅助桥臂的正负输入端。辅助变压器原边绕组的输入端接隔离变压器原边绕组的中心抽头端，辅助变压器原边绕组的输出端接辅助电容的输入端，辅助变压器包括两个匝数相同的 副边绕组，其中第一副边绕组与辅助变压器原边绕组的输入端是异名端的一端接第一辅助开关管的栅极，第一副边绕组的另一端接第一辅助开关管的源极，第二副边绕组与辅助变压器原边绕组的输入端是同名端的一端接第二辅助开关管的栅极，第二副边绕组的另一端接第二辅助开关管的源极，辅助电容的输出端接直流电源的负极，辅助电感的输入端接第二逆变桥臂的输出端，辅助电感的输出端接辅助桥臂的输出端。本发明披露了自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，其可以在宽负载范围实现开关管的零电压开关，并基本消除了变压器二次侧的寄生振荡。与原有技术相比其主要技术特点是，利用所述辅助变压器的副边绕组电压作为辅助开关管的驱动电压，控制简单，且辅助开关管工作在零电流开通条件，辅助开关管的驱动电压占空比随负载电流的变化而自适应的变化，存储于辅助电感的能量可以随负载的变化而自适应的变化，不仅能帮助滞后管在轻载甚至空载时实现软开关，并且降低了辅助网络在重载时的导通损耗，由于隔离变压器漏感取值小，输出整流管因反向恢复引起的损耗大大减小，输出整流管的电压应力也随之减小，变换器的效率得到提高。
附图I是传统的零电压开关全桥变换器结构示意图。附图2是本发明的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器电路结构示意图。附图3是本发明的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器主要工作波形示意图。附图4 附图10是本发明的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器的各开关1旲态不意图。上述附图中的主要符号名称Vin、电源电压。Q1 Q4、功率开关管。& (；、寄生电容。D1-D4、体二极管。Tka、辅助变压器。Ca、辅助电容。La、辅助电感。Qal Qa2、辅助开关管。Dal、Da2、辅助二极管。Tk、隔离变压器。Lk、隔离变压器漏感。Dki、Dk2、输出整流二极管。Lf、滤波电感。Cf、滤波电容。Rw、负载。V。、输出电压。vAB、A与B两点间电压。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明附图I所示的是传统的零电压开关全桥变换器结构示意图。附图2所示的是自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器电路结构示意图。由直流电源Vin、两个逆变桥臂I和2、辅助桥臂3、隔离变压器4、辅助变压器5、辅助电容6、辅助电感7及整流滤波电路8组成。Q1 Q4是四只功率开关管，D1 D4分别是开关管Q1 Q4的体二极管，C1 C4分别是开关管Q1 Q4的寄生电容，Tea是辅助变压器，nA是辅助变压器的原副边匝比，La是辅助电感，Ca是辅助电容，Tk是隔离变压器，Lk是隔离变压器的漏感，Qal Qa2、辅助开关管，Dal、Da2是辅助二极管，Dki、Dk2是输出整流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RLd为负载。本变换器米用移相控制，开关管Q4和Q2分别滞后于开关管Q1和Q3 —个相位，称开关管Q1和Q3组成的第一逆变桥臂为超前桥臂，开关管Q2和Q4组成的第二逆变桥臂则为滞后桥臂。辅助开关管的驱动信号由辅助变压器两个副边绕组提供，两辅助开关管的驱动信号相反。辅助电容Ca的电压为输入电压 Vin的一半，即=Vin/2，可看作为Vin/2的电压源。下面以附图2为主电路结构，结合附图3 附图10叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器一个开关周期有14种开关模态，分别是[tftj、[trt2]、[t2-t3]、、[七4 tg]、[ 5 tg]、[ β t，]、[ 7 tg]、[七8 tg]、[ 9 tio]、[tio ^lll、[ χι 12]、1-^12 ^13]、其中，[t0-t7]为前半周期，[t7_t14]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。在分析之前，先作如下假设①所有开关管和二极管均为理想器件；②滤波电感足够大，因此副边输出可等效为恒流源，所有电感、电容均为理想元件^C1 = C3 = Clead7C2—C4 — Clag。I.开关模态I [tftj [对应于附图4]在h时刻之前，Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，原边电流近似不变，Vab = Vin,上整流二极管Dki流过全部负载电流，De2截止，原边给负载供电。h时刻关断Q1,电流ip从Q1中转移到C1和C3支路中，Vab由Vin逐渐变为零，在这个时段里，储存在Lk和Lf中的能量给C1充电，同时给仏放电。在C1和C3的缓冲下，Q1近似零电压关断。由于原边电流近似不变，在h时刻，C3的电压线性下降到零,Q3的反并联二极管D3自然导通，Q3可实现零电压开通。该模态的持续时间可以表示为(I)其中K为隔离变压器原副边匝比2.开关模态2 [trt2][对应于附图5]D3导通后，开通Q3, Q1和Q3驱动信号之间的死区时间td(lead) > t01o A点电位下降为零，所以vAB = 0，原边不向负载提供能量。此时辅助变压器副边绕组电压为Vin/2nA，辅助开关管Qal栅源极承受正向电压Vin/2nA而导通，此前辅助电感电流为零，在辅助电感的缓冲下，此时辅助开关管Qal近似零电流开通，辅助开关管Qa2栅源极承受反向电压_Vin/2nA而截止，此时U从零开始增加，辅助电感电流可表示为=(2)
Lat2时刻，辅助电感La储存的能量可以表示为4 =去4 . Iu = -1TTp--(3)
1式中D为电路工作占空比，Ts表示开关周期。从上式可以看出，辅助电感La储存的能量取决于辅助电感、输入电压和电路工作占空比D的大小。辅助电感储存的能量与负载电流有一定的关系，负载电流减小时，电路工作占空比D也随着减小，辅助电感储存的能量反而增加，因此辅助电感储存的能量可以随着负载电流的变化而自适应的变化。3.开关模态3 [t2-t3][对应于附图6]在t2时刻关断Q4，流入滞后桥臂的电流给C4充电，同时给C2放电，Q4为零电压关断。原边电流下降，并且不足以提供负载电流，副边整流管DK1、De2同时导通，变压器原、副边绕组端电压都为零，vAB直接加在隔离变压器漏感Lk上。漏感Lk、辅助电感1^与电容C2、C4谐振工作。原边电流、、辅助电流込、和开关管Q4两端的电压可以表示为
权利要求
1.自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源(Vin)、结构相同的第一逆变桥臂(I)和第二逆变桥臂(2)、隔离变压器(4)以及整流滤波电路(8);其中每个逆变桥臂都包括二个开关管、二个体二极管和二个寄生电容，第一开关管的漏极分别与第一体二极管阴极、第一寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的正输入端，第一开关管的源极分别与第一体二极管阳极、第一寄生电容的另一端、第二开关管的漏极、第二体二极管阴极、第二寄生电容的一端连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的源极分别与第二体二极管阳极、第二寄生电容的另一端连接构成逆变桥臂的负输入端，直流电源(Vin)的正极分别接第一逆变桥臂(I)和第二逆变桥臂(2)的正输入端，直流电源(Vin)的负极分别接第一逆变桥臂⑴和第二逆变桥臂⑵的负输入端，隔离变压器⑷副边绕组的输出端接整流滤波电路(8)的输入端，隔离变压器(4)原边绕组具有一中心抽头，其特征在于 还包括由辅助桥臂(3)、辅助变压器(5)、辅助电容(6)和辅助电感(7)构成的有源辅助网络；其中辅助桥臂(3)包括二个辅助开关管和两个辅助二极管，第一辅助开关管的漏极接第一辅助二极管的阴极构成辅助桥臂的正输入端，第一辅助开关管的源极分别接第一辅助二极管的阳极、第二辅助开关管的漏极、第二辅助二极管的阴极构成辅助桥臂的输出端，第二辅助开关管的源极接第二辅助二极管的阳极构成辅助桥臂的负输入端，直流电源的正负极分别接辅助桥臂的正负输入端。辅助变压器(5)原边绕组的输入端接隔离变压器(4)原边绕组的中心抽头端，辅助变压器(5)原边绕组的输出端接辅助电容(6)的输入端，辅助变压器(5)包括两个匝数相同的副边绕组，其中第一副边绕组与辅助变压器原边绕组的输入端是异名端的一端接第一辅助开关管的栅极，第一副边绕组的另一端接第一辅助开关管的源极，第二副边绕组与辅助变压器原边绕组的输入端是同名端的一端接第二辅助开关管的栅极，第二副边绕组的另一端接第二辅助开关管的源极，辅助电容(6)的输出端接直流电源(Vin)的负极，辅助电感(7)的输入端接第二逆变桥臂的输出端，辅助电感(7)的输出端接辅助桥臂的输出端。
2.如权利要求I所述的自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，其特征在于，所述辅助变压器的两副边绕组匝数Nsl = Ns2，且原副边匝比nA = Npl/Nsl = Np1/Ns2需满足辅助开关管的驱动要求。
全文摘要
本发明公开了自驱动有源辅助网络的软开关全桥直流变换器，包括直流电源Vin、第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、辅助桥臂、辅助变压器、辅助电容、辅助电感、隔离变压器及整流滤波电路。本发明采用移相控制方式，由于加入了由辅助桥臂、辅助电感、辅助变压器和辅助电容组成的有源辅助网络，该变换器可以在较宽负载范围内实现开关管的零电压开关，且辅助网络的能量随负载的变化而自适应的变化，减小了重载时辅助网络带来的损耗，同时辅助桥臂控制简单。
文档编号H02M3/335GK102931843SQ20111022647
公开日2013年2月13日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者陈仲, 史良辰, 季锋, 刘沙沙 申请人:陈仲