一种新型PWM控制软开关半桥DC-DC变换器的制作方法

一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术技术领域，尤其涉及一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器。


背景技术：

2.随着社会的不断进步，电力电子技术得到了快速的发展，dc-dc变换器的研究也越来越深入，越来越多的变换器工作在高频状态下，如何减小变换器高频开关时产生的开关损耗也成为了重点研究的问题。llc与移相全桥作为研究较成熟的软开关dc-dc变换器，控制方式与脉宽调制相比较为复杂，同时llc中谐振电感上的能量损耗较大，pwm控制型dc-dc变换器与llc以及移相全桥相比控制方式简单，但传统的pwm控制半桥电路中开关管会产生较大的开关损耗。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种pwm控制的软开关半桥dc-dc变换器，使用脉宽调制，控制方式简单，通过新增辅助桥臂控制谐振网络的接入与脱出，来实现所有开关管的软开关，同时将谐振回路的输出作为单独的输出端，将谐振回路能量传递到副边，从而提升了电路的工作效率。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器，包括:输入电源模块、辅助开关桥臂电路、谐振网络、半桥主电路、主电路输出回路和振网络输出回路；所述输入电源模块，用于实现直流电压的输入以及输入电压滤波；所述辅助开关桥臂电路，用于控制谐振网络的接入与脱出；所述谐振网络，用于实现辅助桥臂开关管与半桥主电路开关管的软开关；所述半桥主电路，用于生成高频正负方波传递到变压器原边；所述主电路输出回路，用于生成所需大小的输出直流电压；所述谐振网络输出回路，用于实现谐振网络回路的能量向副边的传递。
5.作为本发明的进一步改进，所述输入电源模块包括输入直流电源ui和输入滤波电容cin，所述输入直流电源ui的正极与输入滤波电容cin的一端连接，输入直流电源ui的负极与输入滤波电容cin的另一端连接后接地。
6.作为本发明的进一步改进，所述辅助开关桥臂电路包括第一辅助开关管sa和第二辅助开关管sb，所述第一辅助开关管sa的漏极分别与输入滤波电容cin的一端、输入直流电源ui的正极连接，第一辅助开关管sa的源级与第二辅助开关管sb的漏极连接，第二辅助开关管sb的源级分别与输入滤波电容cin的另一端、输入直流电源ui的负极连接。
7.作为本发明的进一步改进，所述谐振网络包括谐振电感lr和谐振电容cr，所述谐振电感lr的一端分别与第一辅助开关管sa的源级以及第二辅助开关管sb的漏极连接，所述谐振电感lr的另一端与谐振电容cr的一端连接。作为本发明的进一步改进，所述半桥主电
路包括第一开关管s1、第二开关管s2、第一电容c1和第二电容c2；所述第一开关管s1的漏极分别与第一辅助开关管sa的的漏极、输入滤波电容cin的一端、输入直流电源ui的正极以及第一电容c1的一端连接，所述第一电容c1的另一端与第二电容c2的一端连接，所述第一开关管s1的源级分别与第二开关管s2的漏极以及谐振电容cr的另一端连接；所述第二开关管s2的源级分别与第二辅助开关管sb的源级、输入滤波电容cin的另一端、输入直流电源ui的负极以及第二电容c2的另一端连接。
8.作为本发明的进一步改进，所述主电路输出回路包括变压器励磁电感lm、主电路变压器t1、第一二极管d1、第二二极管d2、第一输出滤波电感lo1、第一输出电容co1和第一输出端uo1；所述变压器励磁电感lm的一端分别与第一开关管s1的源级、谐振电容cr的另一端以及第二开关管s2的漏极连接，变压器励磁电感lm的另一端分别与第一电容c1的另一端以及第二电容c2的一端连接；所述主电路变压器t1的1次绕组的一端与变压器励磁电感lm的一端连接,主电路变压器t1的1次绕组的另一端与变压器励磁电感lm的另一端连接；所述主电路变压器t1的2次绕组的一端与第一二极管d1的阳极连接，所述主电路变压器t1的2次绕组的另一端与第二二极管d2的阳极端连接；第一二极管d1的阴极分别与第二二极管d2的阴极以及第一输出滤波电感lo1的一端连接，第一输出滤波电感lo1的另一端分别与第一输出电容co1的一端以及第一输出端uo1的正极连接；所述第一输出电容co1的另一端接地，且分别与主电路变压器t1的2次绕组的中间抽头端以及第一输出端uo1的负极连接。
9.作为本发明的进一步改进，所述谐振网络输出回路包括谐振回路变压器t2、第三二极管d3、第四二极管d4、第二输出滤波电感lo2、第二输出电容co2和第二输出端uo2；所述谐振回路变压器t2的1次绕组的一端与分别与谐振电感lr的一端、第一辅助开关管sa的源级以及第二辅助开关管sb的漏极连接，谐振回路变压器t2的1次绕组的另一端与谐振电容cr的一端连接；所述谐振回路变压器t2的2次绕组的一端与第三二极管d3的阳极连接，谐振回路变压器t2的2次绕组的另一端与第四二极管d4的阳极连接；所述第三二极管d3的阴极分别与第四二极管d4的阴极以及第二输出滤波电感lo2的一端连接，第二输出滤波电感lo2的另一端分别与第二输出电容co2的一端以及第二输出端uo2的正极连接，所述第二输出电容co2的另一端接地，且分别与谐振回路变压器t2的2次绕组的中间抽头端以及第二输出端uo2的负极连接。
10.作为本发明的进一步改进，所述第一辅助开关管sa、第二辅助开关管sb、第一开关管s1和第二开关管s2均为mos管。
11.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器，通过在pwm控制半桥dc-dc变换器的基础上增加一个辅助回路，控制谐振网络的接入与脱出，谐振网络谐振实现主回路与辅助回路开关管的软开关，减少了高频开关损耗，同时将谐振网络作为单独的输出端，增加
了电路的工作效率。
12.本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器，通过改变主电路占空比大小即可控制输出电压的大小，在提供软开关条件的基础上，保留了较为简单的控制方式。
附图说明
13.图1为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路拓扑结构图；图2为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的驱动信号与开关管电压电流时序图；图3为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式1拓扑模态图；图4为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式2拓扑模态图；图5为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式3拓扑模态图；图6为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式4拓扑模态图；图7为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式5拓扑模态图；图8为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式6拓扑模态图；图9为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式7拓扑模态图；图10为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式8拓扑模态图；图11为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式9拓扑模态图；图12为本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器电路的工作模式10拓扑模态图；
附图中：
14.输入电源模块1；输入直流电源ui；输入滤波电容cin；辅助开关桥臂电路2；第一辅助开关管sa；第二辅助开关管sb；谐振网络3；谐振电感lr；谐振电容cr；半桥主电路4；第一开关管s1；第二开关管s2；第一电容c1；第二电容c2；主电路输出回路5；变压器励磁电感lm；主电路变压器t1；第一二极管d1、第二二极管d2；第一输出滤波电感lo1；第一输出电容co1；第一输出端uo1；谐振网络输出回路6；谐振回路变压器t2；第三二极管d3；第四二极管d4；第二输出滤波电感lo2；第二输出电容co2；第二输出端uo2。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.图1示出的是本发明一种新型pwm控制软开关半桥dc-dc变换器一实施方式的结构示意图，其主体部分包括输入电源模块1、辅助开关桥臂电路2、谐振网络3、半桥主电路4、主电路输出回路5和谐振网络输出回路6。
17.输入电源模块1包含输入直流电源ui与输入滤波电容cin，用于实现直流电压的输入以及输入电压滤波。具体的，输入电源模块1包括输入直流电源ui和输入滤波电容cin，输入直流电源ui的正极与输入滤波电容cin的一端连接，输入直流电源ui的负极与输入滤波电容cin的另一端连接后接地。
18.辅助开关桥臂电路2包含第一辅助开关管sa 和第二辅助开关管sb，用于控制谐振网络3的接入与脱出，具体的，第一辅助开关管sa的漏极分别与输入滤波电容cin的一端、输入直流电源ui的正极连接，第一辅助开关管sa的源级与第二辅助开关管sb的漏极连接，第二辅助开关管sb的源级分别与输入滤波电容cin的另一端、输入直流电源ui的负极连接。通过新增第一辅助开关管sa和第二辅助开关管sb控制谐振网络3的接入与脱出，谐振网络3谐振实现主回路与辅助回路开关管的软开关。
19.谐振网络3包含谐振电感lr与谐振电容cr，用于实现辅助桥臂开关管与主电路开关管的软开关。具体的，谐振电感lr的一端分别与第一辅助开关管sa的源级以及第二辅助开关管sb的漏极连接，谐振电感lr的另一端与谐振电容cr的一端连接。
20.半桥主电路4用于生成高频正负方波传递到变压器原边，半桥主电路4包括第一开关管s1、第二开关管s2、第一电容c1和第二电容c2，通过第一开关管s1和第二开关管s2的交替导通生成高频方波传递到变压器原边，经过全波整流后输出直流波形, 可通过调节占空比控制输出电压大小。具体的，第一开关管s1的漏极分别与第一辅助开关管sa的的漏极、输入滤波电容cin的一端、输入直流电源ui的正极以及第一电容c1的一端连接，第一电容c1的另一端与第二电容c2的一端连接，第一开关管s1的源级分别与第二开关管s2的漏极以及谐振电容cr的另一端连接，第二开关管s2的源级分别与第二辅助开关管sb的源级、输入滤波电容cin的另一端、输入直流电源ui的负极以及第二电容c2的另一端连接。
21.主电路输出回路5包括变压器、全波整流电路与滤波网络，用于生成所需大小的输出直流电压。具体的，主电路输出回路5包括变压器励磁电感lm、主电路变压器t1、第一二极管d1、第二二极管d2、第一输出滤波电感lo1、第一输出电容co1和第一输出端uo1，第一二极管d1和第二二极管d2构成全波整流电路，第一输出滤波电感lo1和第一输出电容co1构成滤波网络。具体的，变压器励磁电感lm的一端分别与第一开关管s1的源级、谐振电容cr的另一端以及第二开关管s2的漏极连接，变压器励磁电感lm的另一端分别与第一电容c1的另一端以及第二电容c2的一端连接，主电路变压器t1的1次绕组的一端与变压器励磁电感lm的一端连接,主电路变压器t1的1次绕组的另一端与变压器励磁电感lm的另一端连接，主电路变压器t1的2次绕组的一端与第一二极管d1的阳极连接，主电路变压器t1的2次绕组的另一端与第二二极管d2的阳极端连接，第一二极管d1的阴极分别与第二二极管d2的阴极以及第一
输出滤波电感lo1的一端连接，第一输出滤波电感lo1的另一端分别与第一输出电容co1的一端以及第一输出端uo1的正极连接，第一输出电容co1的另一端接地，且分别与主电路变压器t1的2次绕组的中间抽头端以及第一输出端uo1的负极连接。
22.谐振网络输出回路6用于实现谐振网络回路的能量向副边的传递，谐振网络输出回路6包括谐振回路变压器t2、第三二极管d3、第四二极管d4、第二输出滤波电感lo2、第二输出电容co2和第二输出端uo2。在本实施方式中，谐振电感lr为变压器原边电感，实现谐振网络3回路的能量向副边的传递。具体的，谐振回路变压器t2的1次绕组的一端与分别与谐振电感lr的一端、第一辅助开关管sa的源级以及第二辅助开关管sb的漏极连接，谐振回路变压器t2的1次绕组的另一端与谐振电容cr的一端连接，谐振回路变压器t2的2次绕组的一端与第三二极管d3的阳极连接，谐振回路变压器t2的2次绕组的另一端与第四二极管d4的阳极连接，第三二极管d3的阴极分别与第四二极管d4的阴极以及第二输出滤波电感lo2的一端连接，第二输出滤波电感lo2的另一端分别与第二输出电容co2的一端以及第二输出端uo2的正极连接，第二输出电容co2的另一端接地，且分别与谐振回路变压器t2的2次绕组的中间抽头端以及第二输出端uo2的负极连接。
23.作为优选，在本实施方式中，第一辅助开关管sa、第二辅助开关管sb、第一开关管s1和第二开关管s2均为mos管。第一辅助开关管sa、第二辅助开关管sb、第一开关管s1和第二开关管s2的栅极接收外部设备提供的开关信号。
24.下面以图1所示为主电路结构，结合图2至图12叙述本发明的pwm控制软开关半桥dc-dc变换器的工作原理和工作模态。
25.工作模态1（t0~t1）：本阶段第一辅助开关管sa、第二辅助开关管sb、第一开关管s1和第二开关管s2均处于关断状态，此时输入直流电源ui只与输入滤波电容cin、第一电容c1和第二电容c2形成回路，变压器励磁电感lm上的电压为0，第一电容c1和第二电容c2上的电压为1/2ui，第一辅助开关管sa、第二辅助开关管sb、第一开关管s1和第二开关管s2上的电压也为1/2ui。
26.工作模态2（t1~t2）：第一辅助开关管sa导通，谐振网络3开始谐振，产生正向电流，流过变压器励磁电感lm的电流im也缓慢上升，当电流im达到最大值时，变压器励磁电感lm两端的电压由0上升至最大值1/2ui，此时第一辅助开关管sa、谐振网络3、变压器励磁电感lm形成电流回路，同时谐振电流流过第一开关管s1两端的体二极管，将第一开关管s1两端电压钳位至0，为第一开关管s1创造软开关条件。
27.工作模态3（t2~t3）：第一开关管s1零电压开通，此时流经串联的谐振电感lr和谐振电容cr的电流反向，谐振电感lr上的电压vlr下降至0，流过第一开关管s1的电流is1上升，谐振回路变压器t2在此工作模态不工作，此时谐振网络3的反向电流点过第一辅助开关管sa的体二极管，为第一辅助开关管sa创造零电压关断条件。
28.工作模态4（t3~t4）：第一辅助开关管sa关断，流经谐振网络3的电流ir由负值变为0，流过第一辅助开关管sa体二极管的电流与电流ir相等，因此也由负值变为0,此时流过第一开关管s1的电流逐渐趋于稳定。
29.工作模态5（t4~t5）：第一开关管s1关断，由于结电容的存在使第一开关管s1两端的电压缓慢上升，流经第一开关管s1的电流缓慢下降至0，谐振网络3受到激励发生谐振，产生较小的正向电压与正向电流ir。励磁电感电流im缓慢下降，电流给cs1充电的同时为cs2
放电，cs2放电结束后，第二开关管s2的体二极管导通，为电流im续流，第二开关管s2两端电压在短时间内为0。
30.工作模态6（t4~t5）：此时处于死区时间，第一辅助开关管sa、第二辅助开关管sb、第一开关管s1和第二开关管s2均关断，主电路无电流回路，第一辅助开关管sa、第二辅助开关管sb、第一开关管s1、第二开关管s2与第一电容c1、第二电容c2上承受的电压为1/2ui。
31.工作模态7（t5~t6）：第二辅助开关管sb开通，谐振电感lr与谐振电容cr开始谐振，谐振电感lr上生成负向电压与负向电流，第二开关管s2的反向二极管有电流流过，将第二开关管s2两端的电压钳位至0，为第二开关管s2创造软开关条件，同时流过变压器励磁电感lm的电流im负向增加，变压器励磁电感lm上的电压vm的值上升为-1/2ui。
32.工作模态8（t6~t7）：第二开关管s2开通，由于第二开关管s2开通前两端电压已经下降至0，因此第二开关管s2为零电压开通，此时流经谐振网络3的电流由负变为正，谐振电感lr两端的电压vr由负变为0，励磁电感电流im负向增加，此时isb=-ir，流经第二开关管s2的电流上升至稳定值，谐振回路变压器t2在此工作模态不工作。
33.工作模态9（t7~t8）：第二辅助开关管sb关断，流经谐振网络3的电流ir变为0，流过第二辅助开关管sb反向二极管的电流也降为0，此时流过第二辅助开关管sb的电流逐渐趋于稳定。
34.工作模态10（t8~t9）：第二开关管s2关断，由于结电容的存在使第二开关管s2两端的电压缓慢上升，流经第二开关管s2的电流缓慢下降至0，谐振网络3受到激励发生谐振，产生较小的负向电压与负向电流ir。励磁电感电流im缓慢下降，电流给cs2充电的同时为cs1放电，cs1放电结束后，第一开关管s1的体二极管导通，第一开关管s1两端电压在短时间内为0，t9之后为下一周期。
35.通过对该电路不同工作模态的分析，可知本发明的pwm控制型软开关半桥dc-dc变换器通过新增辅助开关桥臂电路，控制谐振网络的接入与脱出，为开关管创造了软开关条件，同时利用谐振回路变压器，将谐振网络的能量传递到输出端，该电路具有如下优点：1、采用pwm控制，控制方式较简单；2、谐振网络向副边提供能量，增大了电路的能量传输效率；3、实现了开关管的软开关，减少了器件损耗；4、有源器件少，电路拓扑简单。
36.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。