新型高效移相全桥zcs-pwm软开关变换器的制造方法
【专利摘要】一种新型高效移相全桥ZCS?PWM软开关变换器，包括全桥移相软开关变换电路，所述全桥移相软开关变换电路包括全桥逆变电路、变压器和输出整流电路所述ZCS?PWM软开关变换器还包括有源辅助电路和无源辅助电路，所述有源辅助电路包括前置电感La，前置电容Ca，前置二极管Da和辅助开关管Sa，所述无源辅助电路包括滤波电感L1，后置电容Cc、输出电容C2，第一后置二极管D3和第二后置二极管D4。本发明提供一种减小体积、功率密度较大、成本较低、效率较高的新型高效移相全桥ZCS?PWM软开关变换器。
【专利说明】
新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器
技术领域
[0001] 本发明涉及软开关变换器，尤其是一种移相全桥软开关变换器。
【背景技术】
[0002] 进入21世纪以来，作为强电一弱电接口和推进现代先进制造技术关键的电力电子 技术正方兴未艾地在全世界得到发展。伴随着功率半导体器件、高频化和软开关技术以及 系统集成技术的发展和应用，作为电力电子变换技术的一个重要分支，DC/DC变换技术几十 年来有了飞速的发展和变化，拥有巨大的市场份额。在中大功率直流应用场合，经过几十年 的发展，移相全桥软开关变换器逐步趋向成熟，日益发展成为主流。因此，进行移相全桥变 换器的相关研究，是具有重要意义的。
[0003] 移相全桥软开关变换器，作为一种具有优良性能的变换器，开关管均工作在软开 关条件下，开关损耗小，而且结构简单、控制也简单，顺应了直流电源小型化、高频化的发展 趋势，因此自20世纪八九十年代以来，成为电力电子技术领域的研究热点之一，已经在中大 功率DC/DC变换场合得到了广泛研究和应用。但是，在研究和使用过程中，也发现先前所提 出的移相全桥软开关技术存在以下问题:一，谐振技术:谐振元器件往往是体积很大的又笨 重的，把它们用在很多装置中有点不切实际、二，ZVZCS技术:复杂且增加了很多成本，然而 很多时候被限制在低功率设备中、三，无源缓冲技术:虽然用这种变换器可以避免多种辅助 开关电路的应用，但是这种电路本身就是很复杂的电路结构，而且没有真正的消除损耗，而 是暂时缓解损耗、四，二极管或IGBT辅助电路:需要一系列的反向阻断二极管应用在主开关 器件中来阻断电流为了防止电流从它们的体二极管流过或者需要带反向阻断能力的IGBT 被使用。这些反向阻断设备的使用在变流器中增加了传导损失的量，因此降低了变流器的 效率。分析这些问题的产生原因并找到相应的合适解决方案，对于促进移相全桥软开关变 换器的研究和应用来说，是一件迫切的、有益的工作。
【发明内容】
[0004] 为了克服已有移相全桥软开关变换器的体积较大、功率密度较小、成本较高、效率 较低的不足，本发明提供一种减小体积、功率密度较大、成本较低、效率较高的新型高效移 相全桥ZCS-PffM软开关变换器。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -种新型高效移相全桥ZCS-PffM软开关变换器，包括全桥移相软开关变换电路，所 述全桥移相软开关变换电路包括全桥逆变电路、变压器和输出整流电路所述ZCS-PWM软开 关变换器还包括有源辅助电路和无源辅助电路，所述有源辅助电路包括前置电感L a，前置 电容Ca，前置二极管Da和辅助开关管Sa，所述前置二极管D a和辅助开关管53串联且连接在输 入电源的正负极之间，所述前置电感1^和前置电容C a形成辅助开关支路，所述辅助开关支路 的一端与所述前置二极管Da的阴极和辅助开关管S a之间的中间节点连接，所述辅助开关支 路的另一端与全桥逆变电路连接;所述无源辅助电路包括滤波电感Ll，后置电容C。、输出电 容C2,第一后置二极管D3和第二后置二极管D4,所述第一后置二极管D3和后置电容Cc串联 且连接在输出整流电路的正负极之间，所述第二后置二极管D4的阳极与所述第一后置二极 管D3的阴极和后置电容C。的一端之间的中间节点连接，所述滤波电感Ll的一端与第一后置 二极管D3的阳极连接，所述滤波电感Ll的另一端、所述第一后置二极管D3的阴极均与输出 电容的一端连接，所述输出电容的另一端与后置电容C。的另一端连接。
[0007] 进一步，所述全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关 管，所述第一开关管和第三开关管、第二开关管和第四开关管形成两个并联桥臂，所述前置 二极管D a的阳极、辅助开关管Sa分别与所述桥臂的两端连接，所述辅助开关支路的另一端与 第一开关管和第三开关管之间的中间节点连接，两个并联桥臂的中间节点分别与变压器的 原边的两端连接。
[0008] 再进一步，所述输出整流电路包括第一二极管和第二二极管，所述变压器的副边 带有三个输出接口，分别为上输出接口、中间输出接口和下输出接口，所述上输出接口与第 一二极管的阴极连接，所述下输出接口与第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极 和第二二极管的阳极连接后同时与第一后置二极管D3的阳极连接，所述中间输出接口同时 与所述输出电容的另一端、后置电容C。的另一端连接。
[0009] 本发明的技术构思为:为了使移相全桥变换器稳定的工作在软开关条件下，又比 较容易实现且节省成本也不会出现以上的缺点，又能够实现高效率。本发明设计了一种新 型高效移相全桥软开关变换器，这种新型全桥变流器的显著优点就是它允许它的主电源开 关运行在ZCS，比传统的全桥变流器有很少的能量损失。它被实现通过应用两个非常简单有 效的辅助电路一 一个是可以在ZCS开通或关断的开关管，另外一个就是后级的无源辅助电 路。
[0010]针对移相全桥变换器，本发明设计了一种简单可靠易实现的移相全桥软开关变换 器，通过在前级加一个简单的有源辅助电路，在后级加一个简单的无源辅助电路，让主变换 器的开关管都工作在ZCS状态下，本身的辅助开关管也工作在ZCS状态下。这样变换器开关 损耗都变得很小，能使变换器实现较高的效率，特别是在较大功率的场合尤其明显。
[0011] 本发明的有益效果主要表现在:没有比较笨重的共振元件，变换器的体积不会很 大，所以设计起来比较简单，且功率密度大。可以让四个主电源开关管和辅助电路开关管都 ZCS开通和关断。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明新型高效移相全桥软开关主电路图；
[0013] 图2为移相全桥软开关各个开关管的驱动波形图；
[0014]图3为不同阻抗值Zo对应的Ca峰值电压的变化；
[0015] 图4为不同阻抗值&对应的辅助电路开关管Isa不同的峰值电流值；
[0016] 图5为主开关Sl电流随时间变换曲线；
[0017] 图6为开关管两端电压Vs1与其流过的电流图；
[0018] 图7为本发明新型移相全桥软开关变换器效率曲线与传统的移相全桥软开关效率 曲线对比图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0020] 参照图1~图7，一种新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器，包括全桥移相软开 关变换电路，所述全桥移相软开关变换电路包括全桥逆变电路、变压器和输出整流电路所 述ZCS-PWM软开关变换器还包括有源辅助电路和无源辅助电路，所述有源辅助电路包括前 置电感L a，前置电容匕，前置二极管Da和辅助开关管Sa，所述前置二极管Da和辅助开关管5 3串 联且连接在输入电源的正负极之间，所述前置电感La和前置电容Ca形成辅助开关支路，所述 辅助开关支路的一端与所述前置二极管D a的阴极和辅助开关管Sa之间的中间节点连接，所 述辅助开关支路的另一端与全桥逆变电路连接;所述无源辅助电路包括滤波电感Ll，后置 电容C。、输出电容C2，第一后置二极管D3和第二后置二极管D4，所述第一后置二极管D3和后 置电容C c串联且连接在输出整流电路的正负极之间，所述第二后置二极管D4的阳极与所述 第一后置二极管D3的阴极和后置电容C。的一端之间的中间节点连接，所述滤波电感Ll的一 端与第一后置二极管D3的阳极连接，所述滤波电感Ll的另一端、所述第一后置二极管D3的 阴极均与输出电容的一端连接，所述输出电容的另一端与后置电容C。的另一端连接。
[0021] 进一步，所述全桥逆变电路包括第一开关管Sl、第二开关管S2、第三开关管S3和第 四开关管S4,所述第一开关管和第三开关管、第二开关管和第四开关管形成两个并联桥臂， 所述前置二极管〇 3的阳极、辅助开关管Sa分别与所述桥臂的两端连接，所述辅助开关支路的 另一端与第一开关管和第三开关管之间的中间节点连接，两个并联桥臂的中间节点分别与 变压器的原边的两端连接。
[0022]再进一步，所述输出整流电路包括第一二极管Dl和第二二极管D2,所述变压器的 副边带有三个输出接口，分别为上输出接口、中间输出接口和下输出接口，所述上输出接口 与第一二极管的阴极连接，所述下输出接口与第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的 阳极和第二二极管的阳极连接后同时与第一后置二极管D3的阳极连接，所述中间输出接口 同时与所述输出电容的另一端、后置电容C。的另一端连接。
[0023] 本实施例中，新型高效移相全桥软开关变换器与传统的全桥移相软开关变换器最 大的改变就是在传统的全桥电路的前级加了一个有源辅助电路，包括前置电感L a，前置电 容匕，前置二极管Da，辅助开关管Sa，在后级整流电路中加入了无源辅助电路模块包括滤波 电感Lf，后置电容C。、输出电容C2,第一后置二极管D3、第二后置二极管D4,如图1所示就是 本发明新型高效移相全桥软开关变换器的主电路拓扑。图2是移相全桥软开关各个开关管 的驱动波形图。在这步，要确定前置电容C a和前置电感La的初值，前置电容Ca和前置电感La 的初值被前置电容(^两端的电压决定。我们希望Ca两端的电压是高的，但是，不能太高不要 超过400V。一旦原边电压值被选择，合适的元件值将会依据它允许的辅助电路转移主开关 电流在一个合适的速度，这个速度在下一步将会被确认。
[0024] 前置电容匕两端的最大电压可以用下面的公式计算出来：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 上式用基尔霍夫电流定律得到，考虑到副边反射电压和变压器漏感。Vo是输出电 压，Vf是副边反射到原边电压，Zo是阻抗，η为变比η = Ν2?/Νι = Ν22/Νι。
[0029] 图3被划分不同的Zo对应不同的在(^两端的输入电压。当输入电压确定之后，从图 中可以看出，阻抗越大，Ca两端的最大电压越大。如果选择较小的阻抗，C a的值会更大，它必 须能储存足够的能量确保模式结束时能够强制电流反方向流进全桥，创造 ZCS关断条件。
[0030] 辅助电路阻抗被定义：
[0031]
[0032] 那将影响辅助电路开关管峰值电流压力，以至于超前臂开管可以ZCS关断。值得注 意的是辅助电路开关管峰值电流会比全桥输入电流更高，全桥电流可以是相反的减少到 零，以相反的方向通过全桥开关管体二极管，那样便可以ZCS关断。图3展示了在输入电压不 同的情况下，不同的阻抗对应的不同辅助电路开关管峰值电流。确定一个Z 1的值，就可以知 道对应的Iu的值。在辅助电路中的电流大约是输入电流的两倍是比较合理的，在这个基础 上，它可以确保开关管电流足够ZCS开通和关断。
[0033] 当ZdPZ1的值确定了，LjPCa的值就可以确定了。下面最主要的就是设计辅助电路 开关管的占空比，它应该相当于辅助电路二极管反向恢复时间的三倍左右，可以被确定如 下：
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]辅助开关支路LJPCa的值知道了，下一步是确认辅助电路变换器超前臂ZCS开通和 关断，辅助电路开关管也是ZCS开通和关断。图5是主开关Sl随时间变换曲线，这个时间被 ￥以上、(^、1^决定，这每一条曲线负的部分203 1丨11(1〇?就是51能被205关断的时间。
[0040] 当Vca = 400V，ZCS Window大约是0.9us.值得注意的是辅助开关Sa可以被软关断 当Sl被关断的时候，由于在Sa的电流流过它的体二极管当电流流过Sl体二极管时。
[0041] -个非常简单的后级无源辅助电路没有任何开关管，被提供在变压器副边为了实 现滞后臂ZCS开通和关断，主要通过设置后置电容Cc储存能量的大小即电容值。在Cc充电完 成后，Cc两端的电压达到输出电压Vo tXc两端的电压可以被表达出来通过下列方程式：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 这里Vcc是后置电容Cc两端的电压，Icc是通过它的电流。初始条件都为0。
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 这个Cc最小值储存的能量要确保足够反射到原边电流能提供开关管S2和S4的ZCS 开关。但是，要确保C。的值：
[0050] 在轻载条件下确保电容完全放电在都不打开期间，Ce的值越大需要占空比越小。 Ce应该是尽可能的小的，但是大于等于所得的Ce值。
[0051] 为验证所提出的方法的有效性，本发明对这种新型高效移相全桥软开关变换器用 了一个实例来证明。设定:输入电压Vin=400V，最大输出功率为3KW，变压器漏感=3.2uH，变 压器变比N = 7:6,开关频率fSw=80KHz。确定Zo= 1.4Ω，Ζι = 0·7Ω，可得La = 3uH，Ca = 62nF， Cc = 3.5uF。应用这个实例能够得到理想的效果。如图6是主开关管电压与对应电流波形 图，可见能够实现ZCS开通和关断，其他开关管和开关管5 1-样也能实现ZCS开通和关断。图 7是本发明的效率曲线与传统的效率曲线对比图，显然本发明新型移相全桥软开关变换器 的效率和传统移相全桥软开关变换器相比较效率有了明显的提高，特别是在大功率场合。 [0052]以上阐述的是本发明给出实例用以表明所设计方法的优越性，显然本发明不只是 局限于上述实例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下 对其可作种种变形加以实施。本发明所设计的一种新型高效移相全桥软开关变换器比传统 的移相全桥软开关变换器有很明显的优势，效率有了很大的提高，尤其是在大功率场合。
【主权项】
1. 一种新型高效移相全桥ZCS-PffM软开关变换器，包括全桥移相软开关变换电路，所述 全桥移相软开关变换电路包括全桥逆变电路、变压器和输出整流电路其特征在于：所述 ZCS-PWM软开关变换器还包括有源辅助电路和无源辅助电路，所述有源辅助电路包括前置 电感La，前置电容〇!，前置二极管D a和辅助开关管Sa，所述前置二极管Da和辅助开关管Sa串联 且连接在输入电源的正负极之间，所述前置电感L a和前置电容Ca形成辅助开关支路，所述辅 助开关支路的一端与所述前置二极管〇3的阴极和辅助开关管S a之间的中间节点连接，所述 辅助开关支路的另一端与全桥逆变电路连接;所述无源辅助电路包括滤波电感Ll，后置电 容C。、输出电容C2，第一后置二极管D3和第二后置二极管D4，所述第一后置二极管D3和后置 电容C c串联且连接在输出整流电路的正负极之间，所述第二后置二极管D4的阳极与所述第 一后置二极管D3的阴极和后置电容C。的一端之间的中间节点连接，所述滤波电感Ll的一端 与第一后置二极管D3的阳极连接，所述滤波电感Ll的另一端、所述第一后置二极管D3的阴 极均与输出电容的一端连接，所述输出电容的另一端与后置电容C。的另一端连接。2. 如权利要求1所述的新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器，其特征在于:所述全 桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和第 三开关管、第二开关管和第四开关管形成两个并联桥臂，所述前置二极管D a的阳极、辅助开 关管Sa分别与所述桥臂的两端连接，所述辅助开关支路的另一端与第一开关管和第三开关 管之间的中间节点连接，两个并联桥臂的中间节点分别与变压器的原边的两端连接。3. 如权利要求1所述的新型高效移相全桥ZCS-PWM软开关变换器，其特征在于:所述输 出整流电路包括第一二极管和第二二极管，所述变压器的副边带有三个输出接口，分别为 上输出接口、中间输出接口和下输出接口，所述上输出接口与第一二极管的阴极连接，所述 下输出接口与第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连接后 同时与第一后置二极管D3的阳极连接，所述中间输出接口同时与所述输出电容的另一端、 后置电容C。的另一端连接。
【文档编号】H02M3/335GK105915059SQ201610213521
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】南余荣, 田风华, 王长河, 董方, 李冬冬
【申请人】浙江工业大学