谐振软开关定频不对称半桥反激变换器及控制系统和方法

本发明属于电力电子变换器，涉及一种谐振软开关定频不对称半桥反激变换器及控制系统和方法。

背景技术：

1、在当前电力电子变换器高速发展的时代，高效率、高功率密度的电力电子变换器受到众多学者的广泛关注与研究。隔离型dc-dc变换器由于其输入输出电气隔离的优势，应用场景较多。在不同的隔离型dc-dc变换器场合中，反激变换器以其输入输出电气隔离、结构简单以及成本较低等优点，被广泛应用于照明电源领域中。然而，由于传统反激变换器无法实现软开关、漏感能量被浪费、开关管电压应力过大，存在尖峰等缺点，限制了开关频率的提升。针对以上问题，一些改进的电路拓扑被提出，其中有源钳位反激变换器以其能够实现软开关，并且能够有效减小漏感能量浪费等优点，被应用较多。但是，有源钳位反激变换器仍然存在开关管电压应力高的缺点，限制了变换器功率密度、效率的提升。在目前的研究中，不对称半桥反激变换器被提出，该变换器在实现软开关的同时，具有更低的开关管电压应力，拓展了其应用范围。

2、在当前的技术发展中，产生了一些实现不对称半桥反激变换器的软开关实现方法。其中主流方式是使变换器工作于励磁电流过零模式，实现励磁电感电流反向流动，进而实现第一开关管的软开关。在定开关频率模式下，无法控制负向电流的大小，导致轻载时负向电流过大，甚至重载时无法实现软开关。较大的负向电流导致了较高的环流损耗。在变开关频率模式下，尽管能够将负向电流控制在较小的范围内，但开关频率宽范围变化增加了输出滤波器的设计难度。

3、此外，传统电路中的谐振网络参数固定，若谐振周期过长，原边开关管关断电流较大，且副边二极管无法实现zcs关断，增加了开关损耗；若谐振周期过短，则相同负载下原边谐振电流过大，增加了开关管的导通损耗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种谐振软开关定频不对称半桥反激变换器及控制系统和方法，该变换器及控制系统和方法能够实现软开关，且大幅降低导通损耗，提高变换器的效率。

2、为达到上述目的，本发明公开了一种谐振软开关定频不对称半桥反激变换器，包括直流输入电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、输出电容、负载、反激变压器、二极管、漏感及谐振等效电容；谐振等效电容包括第五开关管、第六开关管、谐振主电容及谐振辅助电容；

3、直流输入电源的正极与第一开关管的漏极相连接，直流输入电源的负极与第二开关管的源极、第六开关管的源极及谐振辅助电容的负极相连接，第六开关管的漏极与第五开关管的漏极相连接，第五开关管的源极及谐振辅助电容的正极与谐振主电容的负极相连接；

4、第一开关管的源极与第二开关管的漏极、第三开关管的漏极及漏感的一端相连接，漏感的另一端与反激变压器原边的同名端相连接，第三开关管的源极与第四开关管的源极相连接，第四开关管的漏极与谐振主电容的正极及反激变压器原边的非同名端相连接，二极管的阳极与反激变压器副边的同名端相连接，二极管的阴极与输出电容的正极及负载的一端相连接，反激变压器副边的非同名端与输出电容的负极及负载的另一端相连接。

5、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管均为宽禁带半导体器件、场效应管或晶体管。

6、模态1(t0-t1)下：在本模态开始时，励磁电感的电流ilm负向流动，第一开关管的输出寄生电容电荷被完全释放且体二极管导通，第一开关管的漏源电压为零，在t0时刻，第一开关管导通，实现zvs导通；在本模态中，第一开关管导通，第二开关管、第二开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管及二极管关断，一次侧电流经励磁电感、漏感及第一开关管流至输入端，励磁电感的电流上升；第二开关管的电压应力为输入电压vin，由于不对称半桥反激变换器中，输入电压vin大于折算到一次侧的输出电压n·vo，第四开关管的电压应力为零，第三开关管的电压应力为vin－vcr；当励磁电感的电流ilm从负值上升到零时，本模态结束。

7、模态2(t1-t2)：在本模态开始时，励磁电感的电流ilm从负值上升到过零，并开始上升，当第一开关管关断时，励磁电感的电流ilm达到峰值，本模态结束。

8、模态3(t2-t3)：本模态为第一开关管关断后的死区时间，在本模态期间，正向的励磁电感的电流ilm需要续流回路，励磁电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的输出寄生电容发生谐振，第二开关管的输出电容电荷被抽走，第二开关管的体二极管导通，在死区时间结束时，即t3时刻，第二开关管的漏源电压谐振至零，本模态结束。

9、模态4(t3-t4)：在本模态开始时，第二开关管的漏源电压为零，在t3时刻，导通第二开关管，实现zvs导通，在本模态中，第二开关管导通，第一开关管、第三开关管及第四开关管关断，电流经第二开关管、励磁电感、谐振等效电容流回，反激变压器的原边绕组电压变为下正上负，励磁电感的电流从峰值开始下降，漏感开始与谐振等效电容发生谐振；反激变压器的副边绕组两端电压大于输出电压vo，二极管导通，能量向反激变压器的副边传输；第一开关管的电压应力为输入电压vin，由于不对称半桥反激变换器中，输出电压vo大于零，且本模态中，励磁电感的电压被钳位在-n·vo，第三开关管的电压应力为零，第四开关管的电压应力为n·vo，在第二开关管整个导通期间，第三开关管均实现zvs导通，在t4时刻，导通第三开关管，本模态结束；

10、模态5(t4-t5)：在本模态开始时，第三开关管导通，第一开关管、第三开关管及第四开关管关断，漏感继续与谐振等效电容发生谐振，励磁电感的电流ilm继续下降，在t5时刻，励磁电感的电流ilm降为零，本模态结束；

11、模态6(t5-t6)：由于第二开关管及第三开关管导通，第一开关管及第四开关管关断，且励磁电感的电压继续被钳位在-n·vo，励磁电感的电流开始负向流动，并且继续下降；通过调整第五开关管及第六开关管的导通与关断，等效为调整谐振等效电容的大小，使得在t6时刻，当励磁电感的电流ilm继续下降为ilm_th时，漏感电流ilr正好下降为ilm_th，二极管的电流降为零，实现zcs关断，且第二开关管关断，本模态结束。

12、模态7(t6-t7)：在本模态开始时，第二开关管关断，励磁电感的电流ilm为负并且为ilm_th，由于第三开关管导通，励磁电感的电流ilm将第四开关管的输出寄生电容电荷抽走，第四开关管的体二极管导通，励磁电感的电流ilm经第三开关管及第四开关管的体二极管形成续流回路，由于第四开关管的漏源电压为零，在t7时刻，导通第四开关管，实现zvs导通，本模态结束。

13、模态8(t7-t8)：在本模态开始时，第一开关管及第二开关管关断，第三开关管及第四开关管导通，励磁电感的电流ilm在第三开关管及第四开关管上续流，并保持ilm_th大小，在t8时刻，关断第三开关管及第四开关管，本模态结束；

14、模态9(t8-t9)：在本模态开始时，第三开关管及第四开关管关断，励磁电感的电流ilm为负，并将第一开关管的输出寄生电容电荷抽走，使第一开关管的体二极管导通，励磁电感的电流ilm流经第一开关管的体二极管至输入端，通过谐振等效电容形成续流回路，在t9时刻，导通第一开关管，本模态结束。

15、本发明公开了一种谐振软开关定频不对称半桥反激变换器的控制系统，包括第一比较器、第二比较器、第一衰减模块、第二衰减模块、pi控制模块、检测使能模块、等效电容调节模块、漏源电压检测、调节模块及pwm控制器；

16、负载的正极与第一衰减模块的输入端及检测使能模块的输入端相连接，第一衰减模块的输出端与第一比较器的输入端相连接，第一比较器的输出端与pi控制模块的输入端相连接，检测使能模块的输出端与等效电容调节模块的输入端相连接，第二衰减模块与第一开关管的漏极及源极相连接，第二衰减模块的输出端与第二比较器的输入端相连接，第二比较器的输出端与漏源电压检测、调节模块的输入端相连接，漏源电压检测、调节模块的输出端与检测使能模块的输入端相连接；

17、pi控制模块的输出端、等效电容调节模块的输出端、漏源电压检测、调节模块的输出端与pwm控制器的输入端相连接，pwm控制器的输出端与第一开关管的栅极、第二开关管的栅极、第三开关管的栅极、第四开关管、第五开关管及第六开关管的栅极相连接。

18、本发明公开了一种谐振软开关定频不对称半桥反激变换器的控制方法，包括以下步骤：

19、检测第一开关管的漏极与源极之间的电压，当第四开关管关断后的死区时间结束后，当检测到第一开关管的体二极管导通，此时第一开关管的漏极与源极之间的电压为第一开关管的体二极管的正偏压降，则认为实现第一开关管的软开关，减小第二开关管的导通时间，以减小环流损耗；当检测到第一开关管的漏极与源极之间的电压为正，则认为第一开关管不满足软开关条件，此时增大第二开关管的导通时间，以实现软开关；

20、当第二开关管关断时，检测使能模块开启，反激变压器的副边电流id流入等效电容调节模块，当检测到反激变压器的副边电流id不为零时，认为谐振周期过长，则调节第五开关管及第六开关管通断时间，以实现二极管的软开关；当检测到反激变压器的副边电流id为零时，认为谐振周期过短，则调节第五开关管及第六开关管通断时间，以减小导通损耗。

21、本发明具有以下有益效果：

22、本发明所述的谐振软开关定频不对称半桥反激变换器及控制系统和方法在具体操作时，在现有不对称半桥反激变换器中增加两个低电压/电流应力的辅助开关管，实现所有开关管的零电压导通(zero voltage switching,zvs)，同时通过控制漏感负向电流的环流值ilm_th的大小，实现满足所有开关管软开关条件下的最小环流电流损耗；在增加开关控制电容电路的情况下，增加两个低电压/电流应力的辅助开关管及电容，有效降低一次侧与二次侧电流有效值，同时精确实现反激变压器副边二极管零电流的关断(zero currentswitching,zcs)，降低电路的导通损耗，提高电路效率。