适用于固定频率的无源软开关全桥式变换电路及方法与流程

本发明属于电力电子学分支领域，尤其涉及适用于固定频率的无源软开关全桥式变换电路及方法。

背景技术：

影响开关电源效率的一个主要因素，是功率开关管的开关损耗。功率损耗可用下式表述：P＝U×I。

从图1可以看出，在t0～t1、t3～t5期间，由于流过功率开关管的电流为零(忽略功率开关管漏电流)，功率开关管的损耗为零，；在t2～t3、t6～t7期间，由于施加在功率开关管的电压为零(忽略功率开关管导通电阻)，功率开关管的损耗为零；而在t1～t2、t3～t4、t5～t6、t7～t8功率开关管开关转换期间，施加在功率开关管上的电压、电流均不为零，由此而产生功率开关管开关损耗，在电压、电流交汇处，产生瞬态最大功耗。

为了克服硬开关变换器的缺陷，提出了许多软开关方法。这些软开关方法可以分为两大类。一类为有源软开关技术，典型的如PWM零电压或零电流过渡软开关技术，它们是以附加的辅助有源开关及LC谐振元件，使功率开关管在零电压下或零电流下完成过渡状态期间的换流；其本质是利用了LC谐振电路存在电压或电流过零状态与有源开关的实时可控性，来实现软开关。但是，这里的谐振能量必须足够大以创造零电压开关或零电流开关的条件，此外有源谐振电路应当在软开关控制器的控制信号下工作。实际上辅助电路的自身功耗，以及有源器件与控制的复杂度也带来了成本的提高与可靠性的降低，故许多软开关技术的推广应用受到了很大的限制。另一种则是无源软开关技术，它利用主电路功率开关管PWM状态的变化来代替受给定时序控制的辅助有源开关，只用无源无损元器件而设法在硬开关变换器上构成无源缓冲型软开关电路，由于不用额外的有源开关和相应的控制、检测、驱动电路，就有较低的成本、较高的可靠性、较好的性价比，而且还可能获得接近于有源软开关技术的效果而日益得到人们的重视。

然而，目前除了特殊的移相PWM控制的全桥无源软开关变换器外，对大多数的以传统PWM为控制方法的全桥式变换器，无源软开关技术仍未能实用化而成为缺陷。移相PWM控制也有控制电路复杂、四个功率开关器件工作状态与所受电应力不同等缺陷。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种适用于固定频率的无源软开关全桥式变换电路及方法，以简洁的拓扑、较低的成本，即可达到较少的能量交换和传递回路、较低的损耗、较强的缓冲效果。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

适用于固定频率的无源软开关全桥式变换电路，包括硬开关全桥式变换电路，所述硬开关全桥式变换电路包括输出变压器、左桥臂支路和右桥臂支路；所述左桥臂支路和右桥臂支路均包括上功率开关管、下功率开关管；所述输出变压器连接在两个下功率开关管的漏极之间；其特殊之处是：还包括缓冲单元、吸收单元、补偿单元；所述缓冲单元包括分别串接在上功率开关管和下功率开关管之间的左缓冲电感和右缓冲电感；所述吸收单元包括左吸收支路和右吸收支路，所述左吸收支路和右吸收支路均包括吸收二极管、吸收电感和吸收电容；所述吸收二极管的正极与下功率开关管的漏极相连，其负极与吸收电感的一端相连；所述吸收电感的另一端与吸收电容的一端相连；所述吸收电容的另一端与下功率开关管的源极相连；所述补偿单元包括左补偿二极管和右补偿二极管；所述左补偿二极管的正极与吸收电容的一端连接，其负极与上功率开关管的源极相连；所述右补偿二极管的正极与吸收电容的一端连接，其负极与上功率开关管的源极相连。

上述吸收二极管是高速快恢复二极管。

上述吸收电容是高频无感吸收电容器。

适用于固定频率的无源软开关全桥式变换方法，采用PWM控制硬开关全桥式变换电路的导通；包括以下步骤：

1)当PWM控制的相应功率开关管开通时，使主桥臂的电流通过一个缓冲电感，实现零电流开通；

2)该功率开关管开通后，硬开关全桥式变换电路工作；

3)该功率开关管关闭时，用并联在下桥臂功率开关管的吸收电容，实现零电压关闭；

4)该功率开关管关闭后至下次开通前，将吸收电容的电能通过补偿二极管馈入电源中，实现吸收电容的无损耗复位。

为了抑制浪涌电流，还可在步骤1中将吸收电容的充电电流通过一个缓冲电感。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用两个串接在两侧主桥臂的上、下功率开关管中间的缓冲电感，达到功率开关管零电流开通的目的。

2、本发明利用并接在下桥臂的两个吸收电容，达到功率开关管零电压关闭的目的。

3、本发明利用连接在每个吸收电容上的两个快速二极管，一只限流电感，完成吸收电容的复位，并实现抑制浪涌电流的效果。

4、本发明以简洁的拓扑、较低的成本，即可达到较少的能量交换和传递回路、较低的损耗、较强的缓冲效果。

附图说明

图1是现有硬开关变换器的电路原理图；

图2是现有硬开关变换器驱动波形、电压波形、电流波形的示意图；

图3是本发明的电路原理图；

图4是本发明驱动波形、电压波形、电流波形的示意图。

具体实施方式

一种适用于固定频率的无源软开关全桥式变换电路，包括硬开关全桥式变换电路以及串接在两侧主桥臂的上、下功率开关管中间的两个缓冲电感，输出变压器连接在两个下桥臂功率开关管的漏极，吸收支路二极管也连接在两个下桥臂功率开关管的漏极，吸收电容通过缓冲电感和相应二极管相连，吸收电容同时通过两个补偿二极管同两个上桥臂功率开关管的源极相连。吸收二极管是纳米级高速快恢复二极管。吸收电容是高频无感吸收电容器。

适用于固定频率的无源软开关全桥式变换方法，采用PWM控制硬开关全桥式变换电路的导通；该导通过程包括以下步骤：

1)当PWM控制的相应功率开关管开通时，使主桥臂的电流通过一个缓冲电感，实现零电流开通；同时将吸收电容的充电电流通过一个缓冲电感，实现浪涌电流的抑制；

2)该功率开关管开通后，硬开关全桥式变换电路工作；

3)该功率开关管关闭时，用并联在下桥臂功率开关管的吸收电容，实现零电压关闭；

4)该功率开关管关闭后至下次开通前，利用连接在每个吸收电容上的两个快速二极管，一只限流电感，完成吸收电容的复位。具体来说，D2保证放电电流只能流向D1，D1保证充电电流流向电源VP，LS3用于抑制浪涌电流。

本发明原理：

本发明是在传统的硬开关全桥式变换器基础上，附加两套由两个高速快恢复二极管、一个高频无感吸收电容器、两个缓冲电感构成的独特的无源软开关网络。

无源网络中的两个缓冲电感串接在两侧主桥臂的上、下功率开关管中间，输出变压器连接在两个下桥臂功率开关管的漏极，吸收支路二极管也连接在两个下桥臂功率开关管的漏极，吸收电容通过缓冲电感和相应二极管相连，该吸收电容同时通过两个补偿二极管同两个上桥臂功率开关管的源极相连。因此该网络可以使硬开关半桥式变换器获得无源软开关效果。

发明与其它软开关技术不同的是，这种无源软开关网络，是以利用储能电感和电容的形式，错开功率开关管电压、电流出现的时间而达到实现功率开关管软开关的目标。在较低的成本、较少的能量传递回路、较低的损耗、较强的缓冲效果下，使硬开关全桥式变换器获得无源软开关的效果。该新方法可以直接应用在固定频率的全桥式变换器。

本发明工作过程：

从图3可以看出，当控制信号P1、P4为高电平，P2、P3为低电平时，功率开关管V1、V4导通，V2、V3处于关断状态，电流经V1、左缓冲电感LS1、变压器T1初级线圈、V4回到电源负极。由于流过LS1的电流不能突变，流过V1、V4的电流是从零开始增加，所以V1、V4是零电流导通；与此同时，电源VP通过V1、LS1、D2、LS3向吸收电容CS1充电，直到CS1上电压和VP相等为止。当P1、P4变为低电平时，由于CS1上的电压和VP电压相等，V1是零电压关断，CS2上是零电压，V4也是零电压关断。当V1、V4关断时，LS1的储能通过D2、吸收电感LS3向CS1充电；通过T1初级线圈、D4、LS4向CS2充电，避免了V3、V4上电压尖峰的出现。

同样道理，当P2、P3为高电平，P1、P4为低电平时，V2、V3导通，V1、V4处于关断状态，电流经V2、LS2、T1初级线圈、V3回到电源负极。由于流过右缓冲电感LS2的电流不能突变，流过V2、V3的电流是从零开始增加，所以V2、V3是零电流导通；与此同时，电源VP通过V2、LS2、D4、LS4向CS2充电，直到CS2上电压和VP相等为止。当P2、P3变为低电平时，由于CS2上的电压和VP电压相等，V2是零电压关断，CS1上是零电压，V3也是零电压关断。当V2、V3关断时，电感的储能通过D4、LS4向CS2充电；通过T1初级线圈、D2、LS3向CS1充电，避免了V3、V4上电压尖峰的出现。

从图4软开关变换器开关损耗产生示意图可以看出，采用本发明的桥式变换器功率开关管在开关转换期间电流和电压的交点明显下移，即功率开关管的开关损耗明显降低。