一种航天器用Weinberg软开关变换器的制作方法

一种航天器用weinberg软开关变换器
技术领域
1.本发明属于电源变换器技术领域，涉及一种航天器用weinberg软开关变换器。


背景技术：

2.随着航天技术的发展，航天器负载功率不断增加，未来空间电源向高压大功率方向发展，高压母线的电源分系统可以减小电能传输损耗，采用更高电压的母线进行功率传输是空间电源的一种发展趋势。高压母线电源系统需要采用高耐压值开关器件，减小开关器件应力是一个亟待解决的问题。
3.为解决变换器中开关管应力大的问题，国内外学者对各种拓扑软开关技术进行研究，但对于weinberg拓扑软开关技术还没有相应的方案，不能解决其开关管应力大的问题。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种航天器用weinberg软开关变换器。
5.本发明解决技术的方案是：
6.一种航天器用weinberg软开关变换器，包括基本weinberg电路和软开关电路；所述基本weinberg电路用于实现输入、输出电压的直流变换；所述软开关电路对所述基本weinberg电路的mos管进行钳位，实现mos管零电压导通、二极管零电流关断。
7.所述基本weinberg电路包括第一耦合电感l、第一变压器t、第一mos管q1、第二mos管q2、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第一滤波电容c1和第二滤波电容c
f
；
8.第一耦合电感l初级电感l1同名端与变换器输入端电源的正极连接，第一耦合电感l初级电感l1非同名端与第一耦合电感l次级电感l2同名端相连接；所述第一耦合电感l次级电感l2非同名端与第三二极管d3阳极相连接；所述第三二极管d3阴极连接至变换器输出端负载正极；所述第一变压器t初级线圈t1同名端与第一变压器t次级线圈t2非同名端相连接，第一变压器t初级线圈t1非同名端与第一mos管q1的漏极相连接；第一变压器t次级线圈t2同名端与第二mos管q2的漏极相连接；所述第一耦合电感l初级电感l1、次级电感l2公共端与第一变压器t初级线圈t1、次级线圈t2公共端相连接；所述第一mos管q1的源极与所述第二mos管q2的源极连接至gnd；所述第一二极管d1阳极连接至第一mos管q1的漏极，阴极连接至变换器输出端负载正级；所述第二二极管d2阳极连接至第二mos管q2的漏极，阴极连接至变换器输出端负载正级；第一滤波电容c1一端连接至变换器输入端电源的正极，另一端连接至gnd；第二滤波电容c
f
一端连接至变换器输出端负载的正极，另一端连接至gnd；
9.变换器输入端电源的负极连接至gnd，变换器输出端负载负极连接至gnd。
10.所述软开关电路包括第三mos管q
a1
、第四mos管q
a2
、第四二极管d
a1
、第五二极管d
a2
、第六二极管d
a
、第七二极管d
b
、第一谐振电感l
a1
、第二谐振电感l
a2
、第一谐振电容c
a1
和第二谐振电容c
a2
；
11.所述第三mos管q
a1
漏极连接至第一谐振电感l
a1
的一端，第三mos管q
a1
源极连接至
gnd；所述第四mos管q
a2
漏极连接至第一谐振电感l
a2
的一端，第四mos管q
a2
源极连接至gnd；所述第一谐振电感l
a1
的另一端连接至第一mos管q1的漏极；所述第一谐振电感l
a2
的另一端连接至第二mos管q2的漏极；所述第四二极管d
a1
的阳极连接至第三mos管q
a1
与第一谐振电感l
a1
的公共端，第四二极管d
a1
的阴极连接至变换器输出端负载的正极；所述第五二极管d
a2
的阳极连接至第四mos管q
a2
与第二谐振电感l
a2
的公共端，第五二极管d
a2
的阴极连接至变换器输出端负载的正极；所述第六二极管d
a
阳极连接至gnd，阴极连接至第一mos管q1漏极；所述第七二极管d
b
阳极连接至gnd，阴极连接至第二mos管q2漏极；所述第一谐振电容c
a1
一端连接至第一mos管q1漏极，另一端连接至gnd；所述第二谐振电容c
a2
端连接至第第二mos管q2漏极，另一端连接至gnd。
12.第一耦合电感l满足：l1＝l2，其中l1为第一耦合电感l初级电感的电感值，l2为第一耦合电感l次级电感的电感值，且初级电感l1与次级电感线圈l2匝数比为1:1，l
lk
为第一耦合电感l等效漏感值，l
lm
为第一耦合电感l等效励磁电感值。
13.第一变压器t满足：初级线圈t1、次级线圈t2匝数比为1:1，变比为1:1，l
tk
为第一变压器t等效漏感值，l
tm
为第一变压器t等效励磁电感值。
14.第一mos管q1和第二mos管q2采用pwm驱动，第一mos管q1和第二mos管q2在一个周期内交替导通。
15.第三mos管q
a1
和第四mos管q
a2
采用pwm驱动，第三mos管q
a1
和第四mos管q
a2
在一个周期内交替导通；第三mos管q
a1
在第一mos管q1导通前导通，在第一mos管q1导通后第三mos管q
a1
断开；第四mos管q
a2
在第二mos管q2导通前导通，在第二mos管q2导通后第四mos管q
a2
断开；第一mos管q1和第二mos管q2能够实现零电压导通。
16.本发明与现有技术相比的有益效果是：
17.(1)本发明保留了基本weinberg变换器输入输出电流连续、效率高的特点，增加软开关电路；通过增加辅助mos管q
a1
、q
a2
，二极管d
a1
、d
a2
、d
a
、d
b
，谐振电感l
a1
、l
a2
、谐振电容c
a1
、c
a2
，实现了weinberg拓扑的软开关。
18.(2)本发明的第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q
a1
、第四mos管q
a2
，均实现了零电压导通，降低了开关管引起的损耗，减小开通时电流尖峰，减小电流应力，提升电源系统可靠性。
19.(3)本发明基于weinberg变换器实现了二极管d3的零电流关断，大大降低了二极管反向电压尖峰，减小二极管电压应力，降低开关损耗，可选用低耐压值二极管，减小器件成本，利于器件选型。
附图说明
20.图1为weinberg软开关变换器电路；
21.图2为weinberg软开关变换器电路各开关模态的等效电路，其中(a)为模态1，(b)为模态2，(c)为模态3，(d)为开关模态4，(e)为模态5，(f)为模态6，(g)为模态7，(h)为模态8；
22.图3为变换器的主要工作波形。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
24.一、电路结构
25.本发明提出的变换器拓扑结构如图1所示。
26.本发明一种航天器用weinberg软开关变换器，包括基本weinberg电路、软开关电路；基本weinberg电路用于实现输入输出电压直流变换；软开关电路对所述基本weinberg电路的mos管进行钳位，并实现mos管零电压导通。
27.基本weinberg电路包括第一耦合电感l、第一变压器t、第一mos管q1、第二mos管q2、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第一滤波电容c1、第二滤波电容c
f
。
28.基本weinberg电路中第一耦合电感l初级电感l1同名端与变换器输入端电源的正极连接，第一耦合电感l初级电感l1非同名端与第一耦合电感l次级电感l2同名端相连接；所述第一耦合电感l次级电感l2非同名端与第三二极管d3阳极相连接；所述第三二极管d3阴极连接至变换器输出端负载正级；所述第一变压器t初级线圈t1同名端与第一变压器t次级线圈t2非同名端相连接，第一变压器t初级线圈t1非同名端与第一mos管q1的漏极相连接；第一变压器t次级线圈t2同名端与第二mos管q2的漏极相连接；所述第一耦合电感l初级电感l1、次级电感l2公共端与第一变压器t初级线圈t1、次级线圈t2公共端相连接；所述第一mos管q1的源极与所述第二mos管q2的源极连接至gnd；所述第一二极管d1阳极连接至第一mos管q1的漏极，阴极连接至变换器输出端负载正级；所述第二二极管d2阳极连接至第二mos管q2的漏极，阴极连接至变换器输出端负载正级；第一滤波电容c1一端连接至变换器输入端电源的正极，另一端连接至gnd；第二滤波电容c
f
一端连接至变换器输出端负载的正极，另一端连接至gnd。
29.软开关电路包括第三mos管q
a1
、第四mos管q
a2
、第四二极管d
a1
、第五二极管d
a2
、第六二极管d
a
、第七二极管d
b
、第一谐振电感l
a1
、第二谐振电感l
a2
、第一谐振电容c
a1
、第二谐振电容c
a2
。
30.第三mos管q
a1
漏极连接至第一谐振电感l
a1
的一端，第三mos管q
a1
源极连接至gnd；所述第四mos管q
a2
漏极连接至第一谐振电感l
a2
的一端，第四mos管q
a2
源极连接至gnd；第一谐振电感l
a1
的另一端连接至第一mos管q1的漏极；第一谐振电感l
a2
的另一端连接至第二mos管q2的漏极；第四二极管d
a1
的阳极连接至第三mos管q
a1
与第一谐振电感l
a1
的公共端，第四二极管d
a1
的阴极连接至变换器输出端负载的正极；第五二极管d
a2
的阳极连接至第四mos管q
a2
与第二谐振电感l
a2
的公共端，第五二极管d
a2
的阴极连接至变换器输出端负载的正极；第六二极管d
a
阳极连接至gnd，阴极连接至第一mos管q1漏极；第七二极管d
b
阳极连接至gnd，阴极连接至第二mos管q2漏极；第一谐振电容c
a1
一端连接至第一mos管q1漏极，另一端连接至gnd；第二谐振电容c
a2
端连接至第第二mos管q2漏极，另一端连接至gnd。
31.第一耦合电感满足：l1＝l2，其中l1为第一耦合电感l初级电感的电感值，l2为第一耦合电感l次级电感的电感值，且初级电感l1与次级电感线圈l2匝数比为1:1，l
lk
为第一耦合电感l等效漏感值，l
lm
为第一耦合电感l等效励磁电感值。
32.第一变压器满足：初级线圈t1、次级线圈t2匝数比为1:1，变比为1:1，l
tk
为第一耦
合电感l等效漏感值，l
tm
为第一耦合电感l等效励磁电感值。
33.采用pwm驱动第一mos管q1和第二mos管q2在一个周期内交替导通，第一mos管q1和第二mos管q2可以实现零电压导通。
34.采用pwm驱动第三mos管q
a1
和第四mos管q
a2
在一个周期内交替导通；第三mos管q
a1
在第一mos管q1导通前导通，在第一mos管q1导通后第三mos管q
a1
断开；第四mos管q
a2
在第二mos管q2导通前导通，在第二mos管q2导通后第四mos管q
a2
断开。
35.其中，耦合电感l初级电感与次级电感感值相同，l
lk
为耦合电感l等效漏感值，l
lm
为耦合电感l等效励磁电感值，变压器t原边与副边变比为1:1，l
tk
为第一变压器t等效漏感值，l
tm
为第一变压器t等效励磁电感值，d1、d2、d3、d
a1
、d
a2
、为整流二极管，d
a
、d
b
、为钳位二极管，c1、c
f
为输入、输出滤波电容，l
a1
、l
a2
为谐振电感，c
a1
、c
a2
为谐振电容。
36.二、工作原理
37.如图2所示为各开关模态的等效电路，图3为变换器的主要工作波形。所述的weinberg软开关变换器依次经过16个开关模态，此处设变换器输入电压为v
in
，变换器输出电压为v
out
，由于mos管q1、mos管q2交替导通，工作原理相同，以mos管q1相关的前8个工作模态为例进行说明：
38.(1)模态1[t0‑
t1]：t0之前，第一mos管q1和第三mos管q
a1
均处于断开状态，第三二极管d3导通，由于第一耦合电感l初级、次级匝比为1:1，第一变压器t中心抽头电压v
t
为0.5(v
out
+v
in
)，其中v
out
为输出电压，v
in
为输入电压。第一变压器t励磁电感续流，第二二极管d2也为导通状态，将第二mos管q2的ds端电压钳位至v
out
，第一mos管q1的ds端电压为v
in
。t0时刻，开通第三mos管q
a1
，此时第一谐振电感l
a1
电流i
la1
从0开始线性上升，考虑第一耦合电感、第一变压器漏感，第一谐振电感l
a1
电流i
la1
上升斜率为：
[0039][0040]
式(1)中，v
in
为输入电压。根据变压器效应，第一变压器t原、副边变比为1:1时，原、副边电流相等，第二二极管d2导通，其电流线性上升，上升斜率为：
[0041][0042]
式(2)中，i
d2
为第二二极管d2电流，在t1时刻，i
la1
与i
d2
一同上升至输出电流i
out
，第三二极管d3逐渐关断，其电流线性下降，下降斜率为：
[0043][0044]
式(3)中，i
d3
为第三二极管d3电流，其斜率小于传统weinberg拓扑中二极管d3电流线性下降斜率v
in
/(l
lk
+l
tk
)，其中v
in
为输入电压，新型拓扑达到减缓二极管d3关断速度的目的，有效降低其反向电压尖峰，实现二极管d3零电流关断。模态1持续时间为：
[0045][0046]
式(4)中t
01
为模态1持续时间，i
out
为输出电流，v
in
为输入电压。
[0047]
(2)模态2[t1‑
t2]：在此模态中，第一谐振电感l
a1
与第一谐振电容c
a1
开始谐振，第一谐振电感电流i
la1
继续上升，第一谐振电容c
a1
的电压开始下降。
[0048][0049]
v
ca1
(t)＝v
in
cosω(t
‑
t1)(6)
[0050][0051]
式(5)中i
la1
(t)为第一谐振电感在t时刻电流，i
out
为输出电流，v
in
为输入电压，z
a
为第一谐振电感l
a1
与第一谐振电容c
a1
的阻抗，ω为第一谐振电感l
a1
与第一谐振电容c
a1
谐振角频率。式(6)中v
ca1
(t)为第一谐振电容c
a1
在t时刻电压，v
in
为输入电压，ω为第一谐振电感l
a1
与第一谐振电容c
a1
谐振角频率。式(7)中z
a
为第一谐振电感l
a1
与第一谐振电容c
a1
的阻抗，ω为第一谐振电感l
a1
与第一谐振电容c
a1
谐振角频率。
[0052]
t2时刻，第一谐振电容c
a1
的电压下降到0时，同时第一变压器t中心抽头电压v
t
随之从0.5(v
out
+v
in
)降低至0.5v
out
，第一mos管q1反并联的第六二极管d
a
导通，将第一mos管q1电压钳位到0。第一谐振电感l
a1
电流i
la1
为：
[0053][0054]
式(8)中，i
la1
(t2)为第一谐振电感l
a1
在t2时刻电流，i
out
为输出电流，v
out
为输出电压，z
a
为第一谐振电感l
a1
与第一谐振电容c
a1
的阻抗。模态持续时间为1/4谐振周期：
[0055][0056]
式(9)中，t
12
为模态2持续时间，l
a1
为第一谐振电感，c
a1
为第一谐振电容。
[0057]
(3)模态3[t2‑
t3]：在此模态中，第六二极管d
a
导通，第一mos管q1两端电压为0。
[0058]
(4)模态4[t3‑
t4]：t3时刻第一mos管q1由于其两端电压为0，其可以零电压开通。第三mos管q
a1
开通时间应满足：
[0059][0060]
式(10)中，t
d
为第三mos管q
a1
开通时间，t
01
为模态1持续时间，t
12
为模态2持续时间，l
a1
为第一谐振电感，i
out
为输出电流，v
in
为输入电压。
[0061]
基本weinberg变换器由于耦合电感存在漏感，mos管开通瞬间第三二极管d3会相应关断，mos管q1硬开通时，流过二极管d3的di/dt很大，导致其产生过大反电压尖峰，weinberg软开关变换器中mos管零电压开通时，流过第三二极管d3的di/dt较小，二极管反向电压尖峰很小，有效减小第三二极管d3应力，提升电源可靠性。
[0062]
(5)模态5[t4‑
t5]：t4时刻，关断第三mos管q
a1
，其关断时电流不为0，第四二极管d
a1
导通，将能量传输至负载。第三mos管q
a1
两端电压立马上升为输出电压v
out
，第一谐振电感l
a1
能量转移到负载中，第一谐振电感l
a1
电流线性下降，第一mos管q1电流线性上升。
[0063][0064][0065]
式(11)、(12)中，i
la1
(t)为第一谐振电感在t时刻电流，i
q1
(t)为第一mos管在t时刻电流，i
la1
(t2)为第一谐振电感在t2时刻电流，v
out
为输出电压，l
a1
为第一谐振电感，z
a
为第一谐振电感l
a1
与第一谐振电容c
a1
的阻抗。t5时刻，第一谐振电感l
a1
电流下降到0，第一mos管q1电流为输出电流i
out
。
[0066]
(6)模态6[t5‑
t6]：此模态中，第一mos管q1、第二二极管d2导通，mos管q1可以实现零电压开通，第四二极管d
a1
关断，第一变压器t的原边t1和副边t2具有相同的匝数，则i
q1
＝i
t2
。由于第二mos管q2关断，电流流经第二二极管d2到输出。变压器效应将第一变压器中心抽头的电压v
ct
钳位为输出电压v
out
的一半：v
ct
＝v
out
/2，忽略第一变压器励磁电感与漏感，变换器输入电流：i
in
＝i
q1
+i
d2
，由于i
q1
＝i
d2
＝i
out
，则i
in
＝2i
out
，其中i
in
为输入电流，i
out
为输出电流，i
q1
为第一mos管q1电流，i
d2
为第二二极管d2电流。第一耦合电感l1电流变化率为：di
l1
/dt＝(v
in
‑
0.5v
out
)/l1，其中，l1为第一耦合电感，i
l1
为第一耦合电感l1电流，i
out
为输出电流，v
out
为输出电压。变换器输出电流变化率为：
[0067][0068]
式(13)中，l1为第一耦合电感，i
out
为输出电流，v
out
为输出电压。
[0069]
(7)模态7[t6‑
t7]：t6时刻第一mos管q1关断，由于第一谐振电容c
a1
两端电压为0，不能突变，第一mos管q1可以实现零电压关断，第一谐振电容c
a1
开始充电，其电压从0开始线性上升。
[0070][0071]
式(14)中，c
a1
为第一谐振电容，v
ca1
(t)为第一谐振电容c
a1
在t时刻电压，i
out
为输出电流。由于存在第一谐振电容c
a1
，其两端电压不能突变，所以第一mos管q1可以零电压关断。
[0072]
(8)模态8[t7‑
t8]:t7时刻第一谐振电容c
a1
电压上升至v
out
，此时第一二极管d1导通，第一mos管q1的ds电压钳位至v
out
，此模态、与基本weinberg拓扑一样。t8时刻，第三mos管q
a2
开通，开始另一个开关臂工作，模态9
‑
16与模态1
‑
8情况类似。
[0073]
本发明在基本weinberg电路的基础上增加软开关电路，保留了基本weinberg变换器输入输出电流连续、效率高的特点，增加软开关电路；通过增加辅助mos管q
a1
、q
a2
，二极管d
a1
、d
a2
、d
a
、d
b
，谐振电感l
a1
、l
a2
、谐振电容c
a1
、c
a2
，实现weinberg软开关变换器主mos管q1、q2零电压开通，降低了开关管损耗、减小电应力；二极管d3零电流关断，降低了反向恢复损耗；二极管d3电压应力大大降低，可采用低耐压二极管，利于器件选型。
[0074]
综上所述，针对传统weinberg变换，开关处于硬状态工作，mos管、二极管应力大，高压母线电源系统开关器件难以选型问题，本发明提出一种航天器用weinberg软开关变换
器，保留了基本weinberg变换器输入输出电流连续、效率高的特点，在基本weinberg电路的基础上增加软开关电路，实现weinberg软开关变换器主mos管q1、q2零电压开通，降低了开关管损耗、减小电应力；实现二极管d3零电流关断，降低了反向恢复损耗，大大降低二极管d3电压应力，可采用低耐压二极管，利于器件选型。本发明电路可靠、有效，weinberg软开关变换器适用于高电压航天器电源控制器，有效提高电源可靠性。
[0075]
本发明在基础weinberg拓扑基础上通过增加软开关电路，实现mos管零电压开通、二极管软关断，有效地提高了航天器电源系统可靠性。
[0076]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。