一种开关电源及其无源移相全桥ZVZCS变换器的制作方法

一种开关电源及其无源移相全桥zvzcs变换器
技术领域
1.本实用新型涉及开关电源技术应用领域，具体涉及一种开关电源及其无源移相全桥zvzcs变换器。


背景技术：

2.随着电子电力系统飞快发展，开关电源得到非常广泛的应用，一般采用拓扑结构实现，其结构成本低，但在实际工作中由于损耗的存在，且变换器控制电路存在占空比丢失严重，通断损耗大，稳定性差等缺陷，导致变换器的转换效率低。
3.因此，现有开关电源变换器的转换效率还有待提高。


技术实现要素：

4.本实用新型提供的一种开关电源及其无源移相全桥zvzcs变换器，旨在提高转换效率。
5.根据第一方面，一种实施例中提供一种无源移相全桥zvzcs变换器,包括：第一开关器件，第二开关器件，第三开关器件，第四开关器件，第一电容，第一变压器和第二变压器；
6.所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件组成全桥电路；第一开关器件和第二开关器件组成超前桥臂，第三开关器件和第四开关器件组成滞后桥臂；
7.超前桥臂的输出端通过第一电容连接第一变压器原边绕组的一端，滞后桥臂的输出端连接第二变压器原边绕组的一端；第一变压器原边绕组的另一端连接第二变压器的原边绕组的另一端；第一变压器副边绕组的一端连接所述变换器的第一输出端；第二变压器副边绕组的一端连接所述变换器的第一输出端；第一变压器副边绕组的另一端连接所述变换器的第二输出端以及第二变压器副边绕组的另一端；
8.所述变换器的第一输出端用于连接负载的一端，所述变换器的第二输出端用于连接负载的另一端。
9.一实施例提供的所述无源移相全桥zvzcs变换器中，还包括：第一变压器的第一激磁电感和第二变压器的第二激磁电感；
10.所述第一激磁电感与所述第一变压器的原边绕组并联；所述第二激磁电感与所述第二变压器的原边绕组并联。
11.一实施例提供的所述无源移相全桥zvzcs变换器中，还包括：第一二极管，第二二极管和第二电容；
12.第一变压器副边绕组的一端连接第一二极管的正极，第一二极管的负极连接所述变换器的第一输出端和第二电容的一端；第二电容的另一端连接所述变换器的第二输出端；第二变压器副边绕组的一端连接第二二极管的正极，第二二极管的负极连接所述变换器的第一输出端。
13.一实施例提供的所述无源移相全桥zvzcs变换器中，还包括滤波电容；
14.所述滤波电容的一端用于连接第一开关器件的一端和第三开关器件的一端，还用于连接电源的正极；所述第一开关器件的另一端为超前桥臂的输出端，连接第二开关器件的一端，第二开关器件的另一端连接滤波电容的另一端和第四开关器件的另一端；所述滤波电容的另一端用于连接电源的负极；第三开关器件的另一端为滞后桥臂的输出端，连接第四开关器件的一端。
15.一实施例提供的所述无源移相全桥zvzcs变换器中，还包括：第三二极管，第四二极管，第五二极管和第六二极管；
16.所述第一开关器件的一端连接第三二极管的负极，所述第一开关器件的另一端连接第三二极管的正极；所述第二开关器件的一端连接第四二极管的负极，所述第二开关器件的另一端连接第四二极管的正极；所述第三开关器件的另一端连接第五二极管的正极，第五二极管的负极为滞后桥臂的输出端、连接第六二极管的正极，第六二极管的负极连接第四开关器件的一端。
17.一实施例提供的所述无源移相全桥zvzcs变换器中，还包括第三电容和第四电容；
18.所述第一开关器件的一端通过第三电容连接第一开关器件的另一端；所述第二开关器件的一端通过第四电容连接第二开关器件的另一端。
19.一实施例提供的所述无源移相全桥zvzcs变换器中，
20.所述第一开关器件的控制端用于在一个开关周期内，接收第一控制信号；所述第一控制信号用于控制所述第一开关器件在开关周期的起始时刻到预设的第一时刻之间的时间区间内导通，在预设的第一时刻到预设的第八时刻之间的时间区间内关断，在预设的第八时刻到下一开关周期的起始时刻之间的时间区间内导通；
21.所述第二开关器件的控制端用于在一个开关周期内，接收第二控制信号；所述第二控制信号用于控制所述第二开关器件在开关周期起始时刻到预设的第二时刻之间的时间区间内关断，在预设的第二时刻到预设的第七时刻之间的时间区间内导通，在预设的第七时刻到下一开关周期的起始时刻之间的时间区间内关断；
22.所述第三开关器件的控制端用于在一个开关周期内，接收第三控制信号；所述第三控制信号用于控制所述第三开关器件在开关周期起始时刻到预设的第五时刻之间的时间区间内关断，在预设的第五时刻到预设的第九时刻之间的时间区间内导通，在预设的第九时刻到下一开关周期的起始时刻之间的时间区间内关断；
23.所述第四开关器件的控制端用于在一个开关周期内，接收第四控制信号；所述第四控制信号用于控制所述第四开关器件在开关周期起始时刻到预设的第四时刻之间的时间区间内导通，在预设的第四时刻到下一开关周期的起始时刻之间的时间区间内关断；
24.其中，起始时刻、第一时刻、第二时刻、第四时刻、第五时刻、第七时刻、第八时刻和第九时刻在同一开关周期中是从先到后的时间顺序。
25.一实施例提供的所述无源移相全桥zvzcs变换器中，所述第一开关器件为第一mos管，第二开关器件为第二mos管，第三开关器件为第一三极管，第四开关器件为第二三极管；第一mos管的漏极为第一开关器件的一端，第一mos管的源极为第一开关器件的另一端，第一mos管的栅极为第一开关器件的控制端；第二mos管的漏极为第二开关器件的一端，第二mos管的源极为第二开关器件的另一端，第二mos管的栅极为第二开关器件的控制端；第一
三极管的集电极为第三开关器件的一端，第一三极管的发射极为第三开关器件的另一端，第一三极管的基极为第三开关器件的控制端；第二三极管的集电极为第四开关器件的一端，第二三极管的发射极为第四开关器件的另一端，第二三极管的基极为第四开关器件的控制端。
26.一实施例提供的所述无源移相全桥zvzcs变换器中，超前桥臂的输出端与滞后桥臂的输出端之间的电压下降为0的时刻为第二时刻。
27.一实施例提供一种开关电源，包括如上所述的无源移相全桥zvzcs变换器。
28.据上述实施例的一种开关电源及其无源移相全桥zvzcs变换器，包括：第一开关器件和第二开关器件组成的超前桥臂，第三开关器件和第四开关器件组成的滞后桥臂，第一电容，第一变压器和第二变压器；超前桥臂的输出端通过第一电容连接第一变压器原边绕组的一端，滞后桥臂的输出端连接第二变压器原边绕组的一端；第一变压器原边绕组的另一端连接第二变压器的原边绕组的另一端；第一变压器副边绕组的一端连接所述变换器的第一输出端；第二变压器副边绕组的一端连接所述变换器的第一输出端；第一变压器副边绕组的另一端连接所述变换器的第二输出端以及第二变压器副边绕组的另一端。如此，能提高变换器的转换效率。
附图说明
29.图1为本实用新型提供的变换器一实施例的电路原理图；
30.图2为本实用新型提供的变换器中，在一开关周期中各类电压和电流的波形图；
31.图3为本实用新型提供的变换器中，t0-t1时刻变换器的等效电路图；
32.图4为本实用新型提供的变换器中，t1-t2时刻变换器的等效电路图；
33.图5为本实用新型提供的变换器中，t2-t3时刻变换器的等效电路图；
34.图6为本实用新型提供的变换器中，t3-t4时刻变换器的等效电路图；
35.图7为本实用新型提供的变换器中，t5-t6时刻变换器的等效电路图；
36.图8为本实用新型提供的变换器中，t6-t7时刻变换器的等效电路图。
具体实施方式
37.下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
38.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
39.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，
不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
40.针对现有开关电源的一些工作效率问题，现提供一种无源移相全桥zvzcs变换器，实现超前桥臂和滞后桥臂变换环流和占空比及igbt拖尾问题，在次级端负载变化比较大的范围实现晶体管zvzcs(零电压零电流开关)软开关，并且消除漏感振荡干扰问题，提高了整个电路的工作效率和噪声抑制比。下面通过一些具体的实施例进行详细说明。
41.如图1所示，本实用新型提供的无源移相全桥zvzcs变换器,包括：第一开关器件q1，第二开关器件q2，第三开关器件q3，第四开关器件q4，第一电容c1，第一变压器t1和第二变压器t2。其中，第一开关器件q1、第二开关器件q2、第三开关器件q3和第四开关器件q4组成全桥电路，具体的，第一开关器件q1和第二开关器件q2组成超前桥臂，第三开关器件q3和第四开关器件q4组成滞后桥臂。
42.超前桥臂的输出端a通过第一电容c1连接第一变压器t1原边绕组的一端，本实施例中，超前桥臂的输出端a具体通过第一电容c1连接第一变压器t1原边绕组的同名端。第一电容c1为阻断电容。滞后桥臂的输出端b连接第二变压器t2原边绕组的一端，本实施例中，第二变压器t2原边绕组的同名端连接滞后桥臂的输出端b。第一变压器t1原边绕组的另一端连接第二变压器t2的原边绕组的另一端，本实施例中，具体是第一变压器t1原边绕组的异名端连接第二变压器t2的原边绕组的异名端。第一变压器t1副边绕组的一端连接变换器的第一输出端a，本实施例中，具体是第一变压器t1副边绕组的同名端连接变换器的第一输出端a。第二变压器t2副边绕组的一端连接变换器的第一输出端a，本实施例中，具体是第二变压器t2副边绕组的同名端连接变换器的第一输出端a。第一变压器t1副边绕组的另一端连接变换器的第二输出端b以及第二变压器t2副边绕组的另一端，本实施例中，具体是第一变压器t1副边绕组的异名端连接变换器的第二输出端b以及第二变压器t2副边绕组的异名端。
43.变换器的第一输出端a用于连接负载rl的一端，变换器的第二输出端b用于连接负载rl的另一端。
44.变换器还包括：第一变压器t1的第一激磁电感(励磁电感)lm1和第二变压器t2的第二激磁电感(励磁电感)lm2。第一激磁电感lm1与第一变压器t1的原边绕组并联，即第一激磁电感lm1的一端连接第一变压器t1原边绕组的同名端，第一激磁电感lm1的另一端连接第一变压器t1原边绕组的异名端。同样的，第二激磁电感lm2与第二变压器t2的原边绕组并联，即第二激磁电感lm2的一端连接第一激磁电感lm1的另一端、还连接第二变压器t2原边绕组的异名端，第二激磁电感lm2的另一端连接第二变压器t2原边绕组的同名端。实际激磁电感产生的磁通，总会有少许会散漏在激磁电感外，也并不能通过磁芯传输到副边线圈(绕组)，通常称之为漏磁通，形成的电感即为漏感，漏感串联在原边线圈(绕组)中。如图1所示，第一激磁电感lm1的第一漏感lk1串联在c1和t1原边线圈的同名端之间，第二激磁电感lm2的第二漏感lk2串联在b和t2原边线圈的同名端之间。
45.变换器还可以包括：第一二极管d1，第二二极管d2和第二电容c2。第一二极管d1，第二二极管d2和第二电容c2构成了变压器输出侧的整流滤波电路，对变压器的输出进行整流和滤波。
46.具体的，第一变压器t1副边绕组的同名端连接第一二极管d1的正极，第一二极管
d1的负极连接变换器的第一输出端a和第二电容c2的一端，本实施例中，第二电容c2的一端就是变换器的第一输出端a。第二电容c2的另一端连接变换器的第二输出端b，本实施例中，第二电容c2的另一端就是变换器的第二输出端b。第二变压器t2副边绕组的同名端连接第二二极管d2的正极，第二二极管d2的负极连接变换器的第一输出端a。
47.变换器还可以包括第三电容c3和第四电容c4。第一开关器件q1的一端通过第三电容c3连接第一开关器件q1的另一端；第二开关器件q2的一端通过第四电容c4连接第二开关器件q2的另一端。
48.在全闭环电路对应策略中，无源移相全桥zvzcs变换器的工作过程如下：
49.变换器由控制mosfet管，变压器，输出侧的整流滤波电路组成，由两个变压器独立相接，在前半个开关周期，一个变压器作为次级能量传输，而另一个则用为输出电感，在后半个开关周期中两个变压器功能互换，选mosfet作为超前臂开关，而滞后桥臂开关最大极地减小了开关损耗，通过两个并联电容c3与c4和激磁电感的充放电过程，使c3(c4)的电压放电到端压为零需实现，而在次级换电流期间阻断电容c1使初级电流ip下降到零，从而实现后臂的关断，滞后臂串联二极管阻止-ip产生，因此在滞后臂实现零开关同时，超前臂同步实现零开关，致使变换器周而复始地工作在ccm模式(连续导通模式)，如此有效的提高了变换器的转换效率。
50.变换器还可以包括滤波电容c，用于对电源u的输出进行滤波。滤波电容c的一端用于连接第一开关器件q1的一端和第三开关器件q3的一端，还用于连接电源u的正极。第一开关器件q1的另一端为超前桥臂的输出端a，连接第二开关器件q2的一端，第二开关器件q2的另一端连接滤波电容c的另一端和第四开关器件q4的另一端。滤波电容c的另一端用于连接电源u的负极。第三开关器件q3的另一端为滞后桥臂的输出端b，连接第四开关器件q4的一端。有的实施例中，变换器还可以包括上述的电源u。
51.变换器还可以包括：第三二极管d3，第四二极管d4，第五二极管d5和第六二极管d6。其中，第一开关器件q1的一端连接第三二极管d3的负极，第一开关器件q1的另一端连接第三二极管d3的正极。第二开关器件q2的一端连接第四二极管d4的负极，第二开关器件q2的另一端连接第四二极管d4的正极。第三开关器件q3的另一端连接第五二极管d5的正极，第五二极管d5的负极为滞后桥臂的输出端b、连接第六二极管d6的正极，第六二极管d6的负极连接第四开关器件q4的一端。
52.从电路图可知，本实用新型用无源元件电容和二极管组成辅助电路实现超前桥臂开关器件的零电压开关与滞后桥臂的零电流开关，增加了有效占空比，没有增加任何电压电流应力，实现了能量回馈及吸收元件复位，将能量回归到输出端且实现晶体管zvzcs软开关，变压器无损磁复位从而大大提升了转换效率。
53.上述四个开关器件可以均采用晶体管，本实施例以第一开关器件q1为第一mos管(如开关管)、第二开关器件q2为第二mos管(如开关管)、第三开关器件q3为第一三极管、第四开关器件q4为第二三极管为例进行说明。本实施例的超前桥臂用mos管，滞后桥臂用三极管，相比于全部用mos管或全部用三极管，能减少损耗，达到高效转换。
54.第一mos管的漏极为第一开关器件q1的一端，第一mos管的源极为第一开关器件q1的另一端，第一mos管的栅极为第一开关器件q1的控制端。第二mos管的漏极为第二开关器件q2的一端，第二mos管的源极为第二开关器件q2的另一端，第二mos管的栅极为第二开关
器件q2的控制端。第一三极管的集电极为第三开关器件q3的一端，第一三极管的发射极为第三开关器件q3的另一端，第一三极管的基极为第三开关器件q3的控制端。第二三极管的集电极为第四开关器件q4的一端，第二三极管的发射极为第四开关器件q4的另一端，第二三极管的基极为第四开关器件q4的控制端。
55.如图2所示，第一开关器件q1的控制端用于在一个开关周期t内，接收第一控制信号。第一控制信号用于控制第一开关器件q1在开关周期t的起始时刻t0到预设的第一时刻t1之间的时间区间内导通，在预设的第一时刻t1到预设的第八时刻t8之间的时间区间内关断，在预设的第八时刻t8到下一开关周期的起始时刻之间的时间区间内导通。图2中，ugvq1表示第一mos管q1栅极接收的高电平信号，第一mos管高电平导通。
56.第二开关器件q2的控制端用于在一个开关周期t内，接收第二控制信号。第二控制信号用于控制第二开关器件q2在开关周期t起始时刻t0到预设的第二时刻t2之间的时间区间内关断，在预设的第二时刻t2到预设的第七时刻t7之间的时间区间内导通，在预设的第七时刻t7到下一开关周期的起始时刻t0之间的时间区间内关断。图2中，ugvq2表示第二mos管q2栅极接收的高电平信号，第二mos管q2高电平导通。
57.第三开关器件q3的控制端用于在一个开关周期t内，接收第三控制信号。第三控制信号用于控制第三开关器件q3在开关周期t起始时刻t0到预设的第五时刻t5之间的时间区间内关断，在预设的第五时刻t5到预设的第九时刻t9之间的时间区间内导通，在预设的第九时刻t9到下一开关周期的起始时刻之间的时间区间内关断。图2中，ugvq3表示第一三极管q3基极接收的高电平信号，第一三极管q3高电平导通。
58.第四开关器件q4的控制端用于在一个开关周期t内，接收第四控制信号。第四控制信号用于控制第四开关器件q4在开关周期t起始时刻t0到预设的第四时刻t4之间的时间区间内导通，在预设的第四时刻t4到下一开关周期的起始时刻之间的时间区间内关断。图2中，ugvq4表示第二三极管q4基极接收的高电平信号，第二三极管q4高电平导通。
59.其中，如图2所示，起始时刻t0、第一时刻t1、第二时刻t2、第四时刻t4、第五时刻t5、第七时刻t7、第八时刻t8和第九时刻t9在同一开关周期中是从先到后的时间顺序。
60.变换器还可以包括控制器，控制器用于在开关周期内向第一开关器件q1的控制端输出第一控制信号，在开关周期内向第二开关器件q2的控制端输出第二控制信号，在开关周期内向第三开关器件q3的控制端输出第三控制信号，在开关周期内向第四开关器件q4的控制端输出第四控制信号。下面就变换器的工作过程进行详细说明。
61.(1).在开关周期t起始时刻t0到预设的第一时刻t1之间的时间区间内，即当t0时刻-t1时刻时，第一开关器件q1和第四开关器件q4导通，此时电流的走向如图3所示。超前桥臂的输出端a与滞后桥臂的输出端b之间的电流ip对阻断电容c1充电，设c1的初始电压为-uc1p,第一变压器t1各次级传递能量，第二变压器t2则为输出电感，此时表达式为：
62.63.其中，uc1为第一电容c1的电压，uc1(t)为第一电容c1在t时刻的电压，ip为超前桥臂的输出端a与滞后桥臂的输出端b之间的电流，c1为第一电容的电容量，ilm1为第一激磁电感lm1的电流，ilm2为第二激磁电感lm2的电流，u为电源的电压，n1为第一变压器t1的匝数比，lm1为第一变压器t1的第一激磁电感的感抗，n2为第二变压器t2的匝数比，lm2为第二变压器t2的第二激磁电感的感抗，uo为变换器的输出电压，即变换器第一输出端a与第二输出端b之间的电压。
64.(2).在开关周期t预设的第一时刻t1到预设的第二时刻t2之间的时间区间内，即当t1时刻-t2时刻时，由t1时刻第一开关器件q1关断，c3充电c4放电，以维持ip，由于lm足够大，即可视为ip为恒值ip(t1)，c1在短时间内可视作恒压源uc1p,其等效电路图如图4所示。t2时刻到零点，第二二极管d2导通，此时表达式为：
[0065][0066]
其中，uc3为第三电容c3的电压，uc3(t)为第三电容c3在t时刻的电压，c3为第三电容的电容量，uc4为第四电容c4的电压，uc4(t)为第四电容c4在t时刻的电压，c4为第四电容的电容量，ip(t1)为t1时刻ab之间的电流。
[0067]
(3).在开关周期t预设的第二时刻t2到预设的第三时刻t3之间的时间区间内，即当t2时刻-t3时刻时，如图5所示，第二开关管q2在零电压条件下开通，此时up＝0，即超前桥臂的输出端与滞后桥臂的输出端之间的电压up下降为0的时刻为第二时刻t2，-uc1p加在两个变压器漏感和初级线圈(原边绕组)上，使ip下降，当io不足以提供负荷电流时，第二二极管d2导通，次级线圈(副边绕组)正向导通，t3时ip下降到零，此时ip(t)＝i
1-uc1p*t/(2lk)。其中，lk为电路中总的漏感的感抗，即第一漏感lk1和第二漏感lk2之和。
[0068]
(4).在开关周期t预设的第三时刻t3到预设的第四时刻t4之间的时间区间内，即当t3时刻-t4时刻时，ip＝0，且up＝-uc1p,两个变压器副边绕组连接的二极管(d1和d2)均导通，如图6所示，且通过电流为0.5io,从而有效抑制传统zvs环境循环电流的产生，从而提高了效率。
[0069]
(5).在开关周期t预设的第四时刻t4到预设的第五时刻t5之间的时间区间内，即当t4时刻-t5时刻时，t4时刻第四开关器件q4电流关断。
[0070]
(6).在开关周期t预设的第五时刻t5到预设的第六时刻t6之间的时间区间内，即当t5时刻-t6时刻时，t5时刻，如图7所示，第三开关器件q3零电流开通，ip在阻断电容c1和电源电压u作用下反向增长，此时第一二极管d1和第二二极管d2仍导通，则：ip(t)＝-(u+uc1p)t/(2lk)。
[0071]
(7).在开关周期t预设的第六时刻t6到预设的第七时刻t7之间的时间区间内，即当t6时刻-t7时刻时，如图8所示，第一二极管d1关断，此时第二二极管d2导通，当下一个开关周期开始时，第二变压器t2的原边绕组储能，id2下降导致第二二极管d2关断，第一二极管d1则导通，其达到周而复始的循环，从而达到了pwm全桥变换。
[0072]
上述变换器能提高整机电路的可用性及降低损耗；各个开关管为功率管的理想器件，激磁电感lm1》漏磁电感lk1,lm2》lk2，漏感相对lk相对lm很小，利用本实用新型的变换器，当电路在连续工作状态时能够降低开关损耗，同时减小通态损耗，当电路进入连续工作状态时，避免变压器励磁电流反向激增问题，减小变压器损耗，提高电路整体工作效率。
[0073]
本实用新型改善开关方式零切换时电路的emi(电磁干扰)，电路在连续工作状态时均不存在主开关管漏源极两端电压振荡，改善了电路emi。
[0074]
本实用新型还提供一种开关电源，其具有如上所述的变换器。用上述变换器做成的开关电源，电源转换效率高。
[0075]
以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。