专利名称：降低移相全桥变换器开关损耗的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及直流DC-DC变换器变换技术领域，特别是涉及降低移相全桥变换器开关损耗的装置。
背景技术：
随着全桥ZVS移相技术的推出，该技术在大功率领域中得到了广泛的应用。通过在移相全桥变换器中引入谐振电感和死区时间，使开关管实现了零电压开通，但开关管在轻载时很难实现零电压开通，仍然存在较大的开关损耗，不适用于负载和电源电压波动范围较大的场合。轻载情况下的变换器滞后臂很难实现ZVS，这与谐振电感、谐振电容大小和开关管触发脉冲的死区时间有关系，而超前臂很容易实现ZVS，这是因为超前臂上开关管关断时， 输出滤波器也参于谐振，有足够的大的电流完成对超前臂漏上两个谐振电容的充放电。导致这种问题的根本原因是PSFB-ZVS变换器拓扑结构本身的缺陷，存在软开关实现的负载范围和占空比丢失等问题，影响这些问题的因素是谐振电感和谐振电容。通常采用的死区时间是固定的，当谐振参数发生变化时，变换器滞后臂管在轻载甚至重载时也不能完成零电压开通。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供降低移相全桥变换器开关损耗的装置，具体技术方案如下。降低移相全桥变换器开关损耗的装置，其包括顺次连接的谐振电容电压检测单元、判断单元、控制运算单元和信号发生单元，信号发生单元包括移相信号发生单元、死区信号发生单元和移相触发脉冲发生单元；谐振电容电压检测单元检测谐振电容电压信号并转化此信号送至判断单元；判断单元判断谐振电容电压检测单元转换的信号所属类型；控制运算单元根据判断单元判断信号类型计算出最佳死区时间；信号发生单元输出控制运算单元所计算出的移相全桥两桥臂上下管开关的死区时间的移相触发脉冲。上述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置中，所述谐振电容电压检测单元包括与移相全桥两桥臂下管两个谐振电容并联的第一串联电阻和第二串联电阻，两个电平转换电路和采样存储单元；第一串联电阻包括串联的第一分压电阻和第二分压电阻，第二串联电阻包括串联的第三分压电阻和第四分压电阻；第一分压电阻一端接地，另一端与第二分压电阻一端连接；所述第三分压电阻一端接地，另一端与第四分压电阻一端连接。上述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置中，所述的电平转换电路包括两个级联运放电路第一级联运放电路和第二级联运放电路；其中第一级联运放电路包括第一运放、第二运放、第一运放反相端输入电阻、第一运放正相端输入电阻、第一反馈可调电阻、第一运放反相端落地电阻、第二运放反相端输入电阻、第二运放正相端输入电阻、第二反馈电阻和第二运放反相端落地电路；所述第二级联运放电路包括第三运放、第四运放、第三运放反相端输入电阻、第三运放正相端输入电阻、第三反馈可调电阻、第三运放反相端落地电路、第四运放反相端输入电阻、第四运放正相端输入电阻、第四反馈电阻和第四运放反相端接地电阻。上述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置中，第一级联运放电路中，第一运放反相端输入电阻一端、第一分压电阻一端和第二分压电阻一端连接，第一运放反相端输入电阻另一端、第一反馈可调电阻一端和第一运放的反相输入端连接，第一运放正相端输入电阻一端、第一运放反相端落地电阻一端和第一运放的正相输入端连接，第一运放反相端落地电阻另一端接地，第一运放正相端输入电阻另一端连接参考电压Vrefl，第二运放反相端输入电阻一端、第一运放的输出端与第一反馈可调电阻另一端连接，第二运放反相端输入电阻另一端、第二反馈电阻一端和第二运放的反相输入端连接，第二运放正相端输入电阻一端、第二运放反相端落地电路一端和第一运放的正相输入端连接，第二运放反相端落地电路另一端接地，第二运放正相端输入电阻另一端连接另一参考电压Vref2，所述第二级联运放电路中，第三运放反相端输入电阻一端、第三分压电阻一端和第四分压电阻一端连接，第三运放反相端输入电阻另一端、第三反馈可调电阻一端和第三运放的反相输入端连接，第三运放正相端输入电阻一端、第三运放反相端落地电路一端和第三运放的正相输入端连接，第三运放反相端落地电路另一端接地，第一运放正相端输入电阻另一端连接参考电压Vrefl ’，第四运放反相端输入电阻一端、第一运放的输出端与第三反馈可调电阻另一端连接，第四运放反相端输入电阻另一端、第四反馈电阻一端和第二运放的反相输入端连接， 第四运放正相端输入电阻另一端连接参考电压Vref2’，第二反馈电阻另一端与第二运放的输出端连接，第四反馈电阻另一端与第四运放的输出端连接。上述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置中，采用存储单元接收电平转换电路的信号进行存储，为判断单元提供数字信号，采用存储单元的一个接收端与第二运放的输出端连接，另一个接收端与第四运放的输出端连接。上述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置中，采样存储单元和判断单元、控制运算单元和信号发生单元采用TI公司的TMS320F2812 DSP实现。上述装置降低移相全桥变换器开关损耗的方法，包括如下步骤(1)谐振电容电压检测单元检测转换谐振电容电压信号后送至判断单元；(2)利用判断单元判断由检测单元检测出来的移相全桥变换器中两桥臂下管谐振电容电压信号的类型；(3)控制运算单元根据判断单元判断的类型分别实时计算两桥臂中同一桥臂上下两开关管的最佳死区时间；所述死区时间包括移相全桥的同一桥臂中超前臂和滞后臂上下两个开关管间的死区时间，两个桥臂的最佳死区时间独立产生；(4)经信号发生单元产生的死区时间为最佳死区时间的移相触发脉冲使开关管开通时承受电压最小，从而降低开关管的开关损耗。上述的方法中，步骤O)中判断单元判断两桥臂下管谐振电容电压的大小，然后进行分类；步骤(3)中控制运算单元根据判断单元对两桥臂下管谐振电容电压大小的分类，实时计算出两桥臂中同一桥臂上下两开关管的最佳死区时间。上述的方法中，步骤中死区信号发生单元产生的死区信号是一系列死区时间为最佳死区时间的脉冲，通过将该系列脉冲注入到所述移相脉冲发生单元中，产生实时可调且死区时间最佳的移相脉冲信号。上述的方法中，步骤(4)移相脉冲发生单元通过协同控制，控制最佳死区时间可调和控制触发脉冲移相。上述的方法中，步骤(1)采样存储规律是，单周期内正常工作状态下，当超前臂开关管关断后，开始采样，并计时，直到同桥臂另一个开关管都开通，时长△ t，采样点数50 ； 开关单周期采样持续1/6个工频周期，即一个工频周期内共6次采样；一个工频周期存储数据全部更新一次。上述的方法中，死区信号发生单元，采用TI公司的TMS320F2812 DSP，死区信号发生单元根据谐振电容电压信号分类计算出大小为最佳死区时间、频率为开关频率的一系列脉冲。与现有技术相比，本实用新型根据开关管上电压变化趋势，通过实时调整超前桥臂和滞后桥臂的死区时间，无须过分关注谐振参数是否匹配问题，扩大软开关的实现范围， 使开关管的开关损耗最小，达到降低开关管损耗目的，提高变换器的效率。本实用新型通过谐振电容电压检测单元检测的谐振电容电压信号，然后由判断单元来判断该电压信号的大小，再由控制运算单元计算同桥臂两开关管的最佳死区时间，经信号发生单元产生的最佳死区时间的触发脉冲使开关管开通时承受电压最小，从而达到降低开关损耗的目的。
图1是本实用新型的控制方法的流程图。图2是谐振电容电压检测单元的电路图。图3是判断单元程序流程图。图如和图4b是超前臂开关管开关的最佳死区时间波形图。图如和图4d是滞后臂开关管开关的最佳死区时间波形图。图5是固定死区时间时的驱动电压和滞后臂下管电压波形图。图6是本实用新型采用死区时间实时调整后驱动电压和滞后臂下管电压波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施做进一步说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此。如图1，降低移相全桥变换器开关损耗的装置，其包括顺次连接的谐振电容电压检测单元、判断单元、控制运算单元和信号发生单元，信号发生单元包括移相信号发生单元、死区信号发生单元和移相触发脉冲发生单元；谐振电容电压检测单元检测谐振电容电压信号并转化此信号送至判断单元；判断单元判断谐振电容电压检测单元转换的信号所属类型；控制运算单元根据判断单元判断信号类型计算出最佳死区时间；信号发生单元输出控制运算单元所计算出的移相全桥两桥臂上下管开关的死区时间的移相触发脉冲。如图2，所述谐振电容电压检测单元包括与移相全桥两桥臂下管两个谐振电容 (c3、C4)并联的第一串联电阻和第二串联电阻，两个电平转换电路和采样存储单元；第一串联电阻包括串联的第一分压电阻Rdl和第二分压电阻Rd2，第二串联电阻包括串联的第三分压电阻I^d3和第四分压电阻Rd4;第一分压电阻Rdl—端接地，另一端与第二分压电阻Rd2—端连接；所述第三分压电阻Rd3 —端接地，另一端与第四分压电阻Rd4 —端连接。所述的电平转换电路包括两个级联运放电路第一级联运放电路和第二级联运放电路；其中第一级联运放电路包括第一运放A1、第二运放A2、第一运放反相端输入电阻队、 第一运放正相端输入电阻&、第一反馈可调电阻R3、第一运放反相端落地电阻R4、第二运放反相端输入电阻&、第二运放正相端输入电阻&、第二反馈电阻R7和第二运放反相端落地电路述第二级联运放电路包括第三运放、第四运放、第三运放反相端输入电阻R/、第三运放正相端输入电阻IV、第三反馈可调电阻IV、第三运放反相端落地电路R/、第四运放反相端输入电阻IV、第四运放正相端输入电阻IV、第四反馈电阻R/和第四运放反相端接地电阻IV。第一级联运放电路中，第一运放反相端输入电阻R1 —端、第一分压电阻Rdl —端和第二分压电阻Rd2 —端连接，第一运放反相端输入电阻R1另一端、第一反馈可调电阻R3 —端和第一运放A1的反相输入端连接，第一运放正相端输入电阻& 一端、第一运放反相端落地电阻R4 —端和第一运放A1的正相输入端连接，第一运放反相端落地电阻R4另一端接地，第一运放正相端输入电阻&另一端连接参考电压VMfl，第二运放反相端输入电阻& 一端、第一运放A1的输出端与第一反馈可调电阻R3另一端连接，第二运放反相端输入电阻R5另一端、第二反馈电阻R7 一端和第二运放A2的反相输入端连接，第二运放正相端输入电阻& 一端、第二运放反相端落地电路& 一端和第一运放A1的正相输入端连接，第二运放反相端落地电路&另一端接地，第二运放正相端输入电阻&另一端连接另一参考电压Vref2，所述第二级联运放电路中，第三运放反相端输入电阻R/ —端、第三分压电阻I d3 —端和第四分压电阻Rd4 —端连接，第三运放反相端输入电阻R1'另一端、第三反馈可调电阻IV —端和第三运放A3的反相输入端连接，第三运放正相端输入电阻IV —端、第三运放反相端落地电路 R4' 一端和第三运放A3的正相输入端连接，第三运放反相端落地电路R/另一端接地，第一运放正相端输入电阻&另一端连接参考电压Vrefl’，第四运放反相端输入电阻IV —端、第一运放A1的输出端与第三反馈可调电阻R/另一端连接，第四运放反相端输入电阻IV另一端、第四反馈电阻R/ —端和第二运放^的反相输入端连接，第四运放正相端输入电阻IV 另一端连接参考电压Vref2’，第二反馈电阻R7另一端与第二运放的输出端连接，第四反馈电阻R/另一端与第四运放的输出端连接。移相全桥变换器通过引入谐振电感，在开关管都关断的死区时间内，利用谐振电感Lr和谐振电容(C1-C4)的电压不阶跃性，实现零电压开通。当变换器处于轻载时，Lr不能完成对C；的充放电，因此滞后管不能实现ZVS导通；如果谐振电感k和C；参数不匹配， 那么电路可能存在潜在路径(潜电路)，出现非正常的工作模态，就会导致滞后臂的开关管很难实现ZVS。以上情况都会因开关管不能实现ZVS而增大开关损耗。开关损耗由下述表达式决定Pk = \^ipucdt Δ t时间内开关损耗。ip 初级谐振电感电流。mCJ谐振电容的电压。At 同桥臂开关管关断到另一开关管开通的时间。本实用新型的方案是，不管电路处于轻载还是电路谐振参数不匹配状况下，在滞后臂开关管关断之前，检测谐振电容C3电压&3 ；在滞后臂关断后，初级电感电流过零时，检测谐振电容C4电压&4，分别判断&3、所处的状态类型，实时调节同桥臂开关管死区时间，使开关管开通时的电压最小，此时与此开关管并联的结电容电流不会回升，即保证开关损耗最小。图1是本实用新型的控制方法的流程图。采样存储单元和判断单元、控制运算单元和信号发生单元采用TI公司的TMS320F2812 DSP0检测单元检测移相全桥变换器两桥臂下管谐振电容(C3、C4)电压，电平转换电路将电压转换为0 3V，并送至TMS320F2812 DSP 的A/D接口，启动采样，读取AdcRegs. RESULTX.采样存储规律是，单周期内正常工作状态下，当超前臂开关管关断后，开始采样，并计时t1;直到另一对开关管都开通，时长△ t，采样点数50 ；开关单周期采样持续1/6个工频周期，即一个工频周期内共6次；一个工频周期存储数据全部更新一次。DSP中程序判断单元判断谐振电容C3、C4的电压％和％ (1)判断滞后臂谐振电容C3电压的％，在滞后臂关断前，判断&3大小所属类型；(2)判断超前臂谐振电容C4电压的％，在滞后开关管关断后，判断ip下降至零时刻的谐振电容C4电压&4大小所属类型；参见图3，当谐振电容电压「C, >Q时，将其判为I类；谐振电容电压^; =Q，将其判为II类；进一步判断，若谐振电容电压& >|，则将其判为III类，若<·^，则将
其判为IV类。控制运算单元根据前一步判断单元实时判断的结果(谐振电容C3、C4电压 vC3、电压所属类型)，分别计算出滞后臂和超前臂最佳死区时间。II类在超前臂(滞后臂)开关管关断后，在谐振电容C3 (C4)电压％ (Fq)第一个
极小值点处开通同桥臂另一开关管，即t3时刻开通滞后臂开关管。图如，0 < t彡T/2内超前臂:td = At2 = t「t。；图 4c，Τ/2 < t < T 内滞后臂:td' = At2' = t3-t2 ；III类在超前臂(滞后臂)开关管关断后谐振电容C3(C4)电压& )降至
时，开通另一开关管，即t4时刻开通滞后臂开关管。图如，0<{彡172内超前臂td= At3 =t3-t0 ；图 4c，Τ/2 < t < T 内滞后臂:td' = At3' = t4-t2 ；IV类在谐振电容C3(C4)电压&3 降为零后开通超前臂(滞后臂)开关管。图4b，0 < t彡T/2内超前臂取
权利要求1.降低移相全桥变换器开关损耗的装置，其特征在于包括顺次连接的谐振电容电压检测单元、判断单元、控制运算单元和信号发生单元。
2.如权利要求1所述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置，其特征在于信号发生单元包括移相信号发生单元、死区信号发生单元和移相触发脉冲发生单元。
3.如权利要求1或2所述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置，其特征在于所述谐振电容电压检测单元包括与移相全桥两桥臂下管两个谐振电容(c3、C4)并联的第一串联电阻和第二串联电阻，两个电平转换电路和采样存储单元；第一串联电阻包括串联的第一分压电阻(Rdl)和第二分压电阻(Rd2),第二串联电阻包括串联的第三分压电阻(Rd3)和第四分压电阻(Rd4)；第一分压电阻(I^dl) —端接地，另一端与第二分压电阻(Rd2) —端连接；所述第三分压电阻(Rd3) —端接地，另一端与第四分压电阻(Rd4) —端连接。
4.如权利要求3所述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置，其特征在于所述的电平转换电路包括两个级联运放电路第一级联运放电路和第二级联运放电路；其中第一级联运放电路包括第一运放(A1)、第二运放(A2)、第一运放反相端输入电阻(R1)、第一运放正相端输入电阻(R2)、第一反馈可调电阻(R3)、第一运放反相端落地电阻(R4)、第二运放反相端输入电阻(R5)、第二运放正相端输入电阻(R6)、第二反馈电阻(R7)和第二运放反相端落地电路(R8)；所述第二级联运放电路包括第三运放、第四运放、第三运放反相端输入电阻 OV )、第三运放正相端输入电阻OV )、第三反馈可调电阻(R/ )、第三运放反相端落地电路OV )、第四运放反相端输入电阻OV )、第四运放正相端输入电阻OV )、第四反馈电阻 (R7，)和第四运放反相端接地电阻OV )。
5.如权利要求4所述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置，其特征在于第一级联运放电路中，第一运放反相端输入电阻(R1) —端、第一分压电阻(Rdl) —端和第二分压电阻 (Rd2) —端连接，第一运放反相端输入电阻(R1)另一端、第一反馈可调电阻(R3) —端和第一运放(A1)的反相输入端连接，第一运放正相端输入电阻(R2) —端、第一运放反相端落地电阻(R4) —端和第一运放(A1)的正相输入端连接，第一运放反相端落地电阻(R4)另一端接地，第一运放正相端输入电阻(R2)另一端连接参考电压(VMfl)，第二运放反相端输入电阻 (R5) —端、第一运放(A1)的输出端与第一反馈可调电阻(R3)另一端连接，第二运放反相端输入电阻(R5)另一端、第二反馈电阻(R7) —端和第二运放(A2)的反相输入端连接，第二运放正相端输入电阻(R6) —端、第二运放反相端落地电路(R8) —端和第一运放(A1)的正相输入端连接，第二运放反相端落地电路(R8)另一端接地，第二运放正相端输入电阻(R6)另一端连接另一参考电压(Vref2),所述第二级联运放电路中，第三运放反相端输入电阻(R/ ) 一端、第三分压电阻(Rd3) —端和第四分压电阻(Rd4) —端连接，第三运放反相端输入电阻 (R/ )另一端、第三反馈可调电阻(R3’ ) 一端和第三运放(A3)的反相输入端连接，第三运放正相端输入电阻OV ) 一端、第三运放反相端落地电路OV ) 一端和第三运放(A3)的正相输入端连接，第三运放反相端落地电路0V)另一端接地，第一运放正相端输入电阻(R2) 另一端连接参考电压(υ)，第四运放反相端输入电阻αν) —端、第一运放(A1)的输出端与第三反馈可调电阻αν)另一端连接，第四运放反相端输入电阻αν)另一端、第四反馈电阻(R/ ) 一端和第二运放(A2)的反相输入端连接，第四运放正相端输入电阻OV )另一端连接参考电压(VMf2’)，第二反馈电阻(R7)另一端与第二运放的输出端连接，第四反馈电阻(R/)另一端与第四运放的输出端连接；采用存储单元的一个接收端(I1)与第二运放(A2)的输出端连接，另一个接收端(I2)与第四运放的输出端连接。
6.根据权利要求2所述的降低移相全桥变换器开关损耗的装置，其特征在于死区信号发生单元采用TI公司的TMS320F2812 DSP。
专利摘要本实用新型提供降低移相全桥变换器开关损耗的装置，包括谐振电容电压检测单元、判断单元、控制运算单元和信号发生单元，其中信号发生单元包括移相信号发生单元、死区信号发生单元和移相触发脉冲发生单元。本实用新型通过谐振电容电压检测单元检测的谐振电容电压信号，然后由判断单元来判断该电压信号的大小，再由控制运算单元计算两桥臂中同一桥臂上下两开关管的最佳死区时间，经信号发生单元产生的移相触发脉冲信号使开关管开通时承受电压最小，从而达到降低开关损耗的目的。本实用新型相对死区时间固定的移相控制技术，能提供最佳死区时间，把开关损耗降低到最小，并扩大软开关范围，提高变换器的工作效率，尤其适用于大功率移相全桥变换器。
文档编号H02M3/335GK201975997SQ20112008951
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者丘东元, 何文志, 张桂东, 张波, 戴钰, 林仕立, 段振涛, 肖文勋 申请人:华南理工大学