专利名称：一种全桥组合软开关直流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全桥组合软开关直流变换器，属于电力电子技术领域。
背景技术：
通常，功率变换器是一种将输入电压源或电流源变换成指定输出电压或电流的功率处理电路。功率变换器的一种类型，即基于全桥拓扑的DC/DC功率变换器，是大、中功率DC/DC变换器的理想电路，得到广泛的应用和研究。全桥变换器主要包括全桥逆变电路、高频变压器和输出整流滤波电路组成，具有功率开关器件电压、电流额定值较小，功率变压器利用率较高等明显优点。大电流快速IGBT和大电流快速恢复二极管技术的发展使得大、中功率变换器得以实现。而传统的PWM全桥变换器，由于开关管工作在硬开关状态，开关损耗和开关噪声大，因而影响了效率和开关频率的提高，从而制约了功率变换器的功率密度的提高和单位输出功率的体积和重量的减小。因此，人们提出了软开关技术。软开关分为零电压开关和零电流开关。目前，软开关技术主要有两种发展方向一个方向是附加开关或改变主电路拓扑等形式，一般是在变换器电路中设置某种形式的LC谐振电路，这使得输入滤波器和输出滤波器的设计复杂化，并影响系统的噪声。另一个发展方向是无损(低损)缓冲吸收电路，其基本思路是设计一容性支路与开关管并联，一感性支路与开关管串联，处理吸收储存元件中的能量，将其回馈至电源或大幅消减其数值，从而消除(消弱)损耗问题，达到软化开关的目的。如今软开关变换器都应用了谐振原理，在电路中并联或串联谐振网络，势必产生谐振损耗，并使电路受到固有问题的影响。为此，人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点。电路中既可以存在零电压开通，也可以存在零电流关断，同时既可以包含零电流开通，也可以包含零电压关断，是这四种状态的任意组合。由此可见，由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势。到现在，对软开关的研究取得了很大的进展，然而还未实现软开关技术的实用化。全桥变换器中，两个桥臂的导通时间不相同、开关管的导通压降存在略微的差异、每个导通管的储存时间不同等都会造成初级置位伏秒数与复位伏秒数不相等。只要伏秒数稍有不等，磁芯就不能回到起点，并且若干周期后，磁芯将偏离磁滞回线进入饱和区。磁芯饱和时，变压器不能承受电压，当下一周期开关管再次导通时，开关管将承受很大的电压和电流，导致开关管损坏。
发明内容
为了克服上述的不足，本发明的目的在于提供一种全桥组合软开关直流变换器。本发明采取的技术方案一种全桥组合软开关直流变换器，包括逆变电路、串联谐振电路、高频变压器、输出整流电路、输出滤波电路；所述逆变电路包括4个IGBT管Ql、Q2、Q3和Q4，4个IGBT管的寄生二极管D11、D22、D33 和 D44 ；Ql和Q3的公共端与高频变压器的初级绕组的一端之间有串联谐振电路，Q2和Q4的公共端与高频变压器初级绕组的另一端连接，Ql两端并联RCD缓冲电路I，Q2两端并联RCD缓冲电路II，Q3两端并联RCD缓冲电路III，Q4两端并联RCD缓冲电路IV ;高频变压器输出端连接输出整流电路，输出整流电路连接输出滤波电路。RCD缓冲电路I由Cl、Dl和Rl组成，Cl与Dl串联后与Ql并联，所述Dl上并联有Rl ；RCD缓冲电路II由C2、D2和R2组成，C2与D2串联后与Q2并联，所述D2上并联有R2 ;RCD缓冲电路III由C3、D3和R3组成，C3与D3串联后与Q3并联，所述D3上并联有R3 ；RCD缓冲电路IV由C4、D4和R4组成，C4与D4串联后与Q4并联，所述D4上并联有R4。串联谐振电路由谐振电感Lg和谐振电容Cg串联构成。高频变压器的次级绕组的一端与整流二极管D5和D7的公共端连接，另一端与整流二极管D6和D8的公共端连接。所述输出整流电路包括4个快恢复二极管D5、D6、D7和D8，D5两端并联RC缓冲电路I，D6两端并联RC缓冲电路II，D7两端并联RC缓冲电路III，D8两端并联RC缓冲电路IV ;所述RC缓冲电路I由R5及C5串联构成，RC缓冲电路II由R6及C6串联构成，RC缓冲电路III由R7及C7串联构成，RC缓冲电路IV由R8及C8串联构成。所述输出滤波电路包括电感L和电解电容Col和Co2，Col与Co2的电容值相等，电阻Rol和Ro2分别与Col和Co2并联，电阻Rol和Ro2的阻值相等，所述的Col和Co2的工作电压相等；Co3和Co4为无极性电容，Co3和Co4分别与Col和Co2并联。所述为输入端的直流电压经过所述逆变电路逆变成高频的交流方波电压，所述Ql和Q4为一对导通管，Ql和Q4同时导通或Ql和Q4同时关断；Q2和Q3为另一对导通管，Q2和Q3同时导通或Q2和Q3同时关断；同一桥臂的两个IGBT管不能同时导通，每一对导通管的占空比在输入电压最低时不大于95%。本发明的原理一种全桥拓扑组合软开关直流变换器，输入的直流电源经过输入滤波电路供给全桥逆变电路，由Ql、Q2、Q3和Q4四个开关管组成的桥式逆变电路将直流电逆变成高频的交流方波电压，再经过高频变压器变压后整流滤波，最后输出稳定的直流电压；设计开关管缓冲电路，使得开关管关断时集电极电压缓慢上升，减少开关损耗；能抑制了漏感尖峰，防止二次击穿，可以选择较低耐压值的开关管，降低了成本，提高了变换器的可靠性；串联谐振电路的谐振频率等于开关频率，使得逆变之后的电压为准正弦波交流电压。本发明的有益效果本发明全桥组合软开关直流变换器采用RCD缓冲电路和串联谐振电路的组合软开关技术，真正减小了开关损耗，且能有效解决全桥直流变换器的偏磁问题，占空比丢失低。该实施方案不需外加辅助开关，电路结构简单，实现简单。开关管的工作频率恒定，因为是恒频方式控制，所以软开关的实现条件不依耐输入电压和输出电流等外部条件，有利于高频变压器实现高功率密度和高效率。简化了功率变压器、输入和输出滤波器的设计。
图1是本发明电路结构简图。图2是本发明实施例的IGBT (Ql)两端无RCD缓冲电路时集电极和发射极之间的电压和流过Ql的电流波形示意图。图3是本发明实施例的IGBT (Ql)两端并联RCD缓冲电路时集电极和发射极之间的电压波形示意图。图4是本发明实施例的全桥组合软开关直流变换器的主要波形示意图。图5是本发明实施例的全桥组合软开关直流变换器各开关模态I [t' ct' J等效电路结构不意图。图6是本发明实施例的全桥组合软开关直流变换器各开关模态2 [t' 1;t' 2]等效电路结构不意图。图7是本发明实施例的全桥组合软开关直流变换器各开关模态3 [t' 2，t' 3]等效电路结构不意图。图8是本发明实施例的全桥组合软开关直流变换器各开关模态4[t' 3，t' 4]等效电路结构不意图。图9是本发明实施例的全桥组合软开关直流变换器的不同开关模态的统一等效电路图。图中1逆变电路，2串联谐振电路，3高频变压器，4输出整流电路，5输出滤波电路。
具体实施例方式如图1所示为本发明实施例的电路结构简图。本发明包括逆变电路(I)、串联谐振电路(2)、高频变压器(3)、输出整流电路(4)、输出滤波电路(5)。如图2所示为本发明实施例的IGBT (Ql)两端无RCD缓冲电路I时集电极和发射极之间的电压和流过Ql的电流波形示意图。当Ql开通期间，Q4开通，Q2和Q3关断，Ql两端的电压为OV山时刻，Ql和Q4关断，此时储存在所述高频变压器励磁电感中的能量释放，电感两端电压极性反向，使Ql的集电极电压迅速上升到所述输入电压Vin，由于所述高频变压器存在漏感，漏感中的能量也释放，所以Ql集电极产生漏感尖峰电压'，所述漏感尖峰电
压'大于所述电压Vin，然后电压又在关断时间tf结束时下降到，在Ql关断瞬间到关断
结束的tf时间内，流过Ql的电流从最初峰值电流Ip下降到OA山 t2 Q1和Q4关断，Q2
和Q3仍然处于关断状态，Ql两端的电压为，流过Ql的电流为OA ；t2时刻，Q2和Q3开
通，Ql两端的电压上升到Vin ；t2 t3 Q1和Q4保持关断，Q2和Q3保持开通，Ql两端的电压为Vin，流过Ql的电流为OA ；t3时刻，Q2和Q3关断，在Q2和Q3上产生漏感尖峰'，Ql两端的电压为V17V1 = Vin-VL (<0);t3 t4 Q1和Q4保持关断，Q2和Q3处于关断状态，Ql两
端的电压为，流过Ql的电流仍为OA ；t4时刻，Ql和Q4开通，Ql两端的电压为0V，由于
所述高频变压器电感和谐振电感的存在，使得流过Ql的电流缓慢上升到Iin ；t4 t5 Q1和Q4保持开通，Ql两端的电压为0V，流过Ql的电流从Iin上升到Ip。
为了抑制漏感尖峰电压 '，减小所述开关管IGBT关断时的重叠损耗，防止所述开关管IGBT关断瞬间在其集电极和发射极之间产生很高的电压尖峰，在开关管IGBT两端设计所述RCD缓冲电路。如图3所示为本发明实施例IGBT (Ql)两端并联RCD缓冲电路I时集电极和发射极之间的电压波形示意图。在h时刻，Ql关断(即Ql和Q4关断)，由于一部分电流通过二极管Dl给Cl充电，使得在Ql的关断时间tf内，Ql两端的电压不会瞬间上升到'，而是缓慢上升到小于\的电压Vp，当Ql完全关断后，Cl两端的电压通过电阻Rl放电到t2时刻；在t2时刻，Ql两端的电压缓慢上升到Vin ；t3时刻，Q2和Q3关断，Ql两端的电压缓慢下降，当Q2和Q3完全关断后，Ql两端的电压又缓慢上升；t4时刻，Ql和Q4开通，Ql两端的缓慢下降到OV。假设最初的峰值电流Ip流过Cl的电流为Ip/2，流过逐渐关断的Ql的电流为Ip/2。设计合适的电容Cl，使得两端的电压在Ql的关断时间tf内上升到2Vd。。则Cl和Rl的表达式推导如下(I)输入功率为Pin，输出额定功率P。，变换器的效率为Π ;(2) Vin的最小电压为Vin(min),开关管的占空比为D,开关周期为T ； 如图2所示，流过Ql的电流脉冲是一个宽度为I一的梯形斜波，将梯形斜波的电
流等效为同样脉宽的平顶电流，其电流平均值为
权利要求
1.ー种全桥组合软开关直流变换器，包括逆变电路(I)、串联谐振电路(2)、高频变压器(3)、输出整流电路(4)、输出滤波电路(5);所述逆变电路(I)包括4个IGBT管Ql、Q2、Q3和Q4，4个IGBT管的寄生ニ极管D11、D22、D33和D44 ； 其特征在于Q1和Q3的公共端与高频变压器的初级绕组的一端之间有串联谐振电路(2)，Q2和Q4的公共端与高频变压器初级绕组的另一端连接，Ql两端并联RCD缓冲电路I，Q2两端并联RCD缓冲电路II，Q3两端并联RCD缓冲电路III，Q4两端并联RCD缓冲电路IV ；高频变压器(3 )输出端连接输出整流电路(4 )，输出整流电路(4 )连接输出滤波电路(5 )。
2.根据权利要求I所述的ー种全桥组合软开关直流变换器，其特征在于RCD缓冲电路I由Cl、Dl和Rl组成，Cl与Dl串联后与Ql并联，所述Dl上并联有Rl ;RCD缓冲电路II由C2、D2和R2组成，C2与D2串联后与Q2并联，所述D2上并联有R2 ；RCD缓冲电路III由C3、D3和R3组成，C3与D3串联后与Q3并联，所述D3上并联有R3 ；RCD缓冲电路IV由C4、D4和R4组成，C4与D4串联后与Q4并联，所述D4上并联有R4。
3.根据权利要求I所述的ー种全桥组合软开关直流变换器，其特征在干串联谐振电路(2)由谐振电感Lg和谐振电容Cg串联构成。
4.根据权利要求I所述的ー种全桥组合软开关直流变换器，其特征在于高频变压器(3)的次级绕组的一端与整流ニ极管D5和D7的公共端连接，另一端与整流ニ极管D6和D8的公共端连接。
5.根据权利要求I所述的ー种全桥组合软开关直流变换器，其特征在于所述输出整流电路(4)包括4个快恢复ニ极管D5、D6、D7和D8，D5两端并联RC缓冲电路I，D6两端并联RC缓冲电路II，D7两端并联RC缓冲电路III，D8两端并联RC缓冲电路IV ;所述RC缓冲电路I由R5及C5串联构成，RC缓冲电路II由R6及C6串联构成，RC缓冲电路III由R7及C7串联构成，RC缓冲电路IV由R8及C8串联构成。
6.根据权利要求I所述的ー种全桥组合软开关直流变换器，其特征在于所述输出滤波电路(5)包括电感L和电解电容Col和Co2，Col与Co2的电容值相等，电阻Rol和Ro2分别与Col和Co2并联，电阻Rol和Ro2的阻值相等，所述的Col和Co2的工作电压相等；Co3和Co4为无极性电容，Co3和Co4分别与Col和Co2并联。
7.根据权利要求I所述的ー种全桥组合软开关直流变换器，其特征在于所述为输入端的直流电压经过所述逆变电路(I)逆变成高频的交流方波电压，所述Ql和Q4为ー对导通管，Ql和Q4同时导通或Ql和Q4同时关断；Q2和Q3为另ー对导通管，Q2和Q3同时导通或Q2和Q3同时关断；同一桥臂的两个IGBT管不能同时导通，每ー对导通管的占空比在输入电压最低时不大于95%
全文摘要
本发明公开了一种全桥组合软开关直流变换器，属于电力电子技术技术领域。采用本发明不仅大大降低了开关损耗而且提高了大、中功率变换器的开关频率、效率和功率密度，本发明的谐振电容解决了全桥变换器的直通和偏磁问题，这样使得全桥变换器真正的成为大功率直流变换器的理想电路。
文档编号H02M3/28GK102983747SQ20121051423
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者刘彦呈, 张洁喜, 李霄燕, 李烔, 杜文杰, 王川, 郭昊昊, 艾莉莉 申请人:大连海事大学