專利名稱：二極管加電流互感器箝位的零電壓開關全橋直流變換器的制作方法
技術領域：
本發明的二極管加電流互感器箝位的零電壓開關全橋直流變換器屬電能變換裝置的直流變換器。
背景技術：
在中大功率的直流變換場合，全橋變換器由于開關管容易實現軟開關和采用恒定頻率控制而得到了廣泛的應用。近二十年來，出現了很多全橋變換器軟開關控制策略和電路拓撲。移相控制零電壓開關全橋變換器和移相控制零電壓零電流開關全橋變換器均可實現開關管的軟開關。但無論是零電壓開關還是零電壓零電流開關全橋變換器，由于副邊整流二極管存在反向恢復，變壓器的漏感(或附加的諧振電感)就會同輸出整流管的結電容發生諧振，二極管上會承受至少兩倍的尖峰電壓，因此必須選擇高壓整流二極管，這也就意味著增加副邊整流二極管的正向導通壓降。Richard Redl，Nathan O.Sokal andLaszlo Balogh，“A novel soft-switching full-bridge DC/DC converteranalysis，design considerations，and experimental results at 1.5kW，100kHz，”in Proc.IEEE PESC，1990，pp.162-172公開了一種零電壓開關全橋直流變換器，在變壓器的原邊引入一個諧振電感和兩只箝位二極管，不僅保持了開關管的軟開關特性，同時有效地消除了輸出整流管上的電壓尖峰和電壓振蕩。
但是，當此變換器工作在輕載甚至空載情況時，箝位二極管的結電容放電階段，釋放的能量無法轉移到負載端，只能存儲在諧振電感中，迫使箝位二極管多導通一次，箝位二極管中電流為諧振電感電流與變壓器原邊電流之差，此時變壓器原邊電流近似為零，箝位二極管中電流約等于諧振電感電流，由于諧振電感被超前橋臂的開關管和箝位二極管短路，電感電流維持不變，所以箝位二極管中電流在近似半個開關周期里維持不變。兩只箝位二極管在一個開關周期交替導通，如果箝位二極管的關斷速度不夠快，容易直通，造成箝位二極管的損壞。
發明內容
本發明的目的在于針對上述變換器的缺陷，研制一種二極管加電流互感器箝位的零電壓開關全橋直流變換器，無論變換器工作在何種負載情況下都可以有效地快速減小流過箝位二極管中電流，提高變換效率，二極管加電流互感器箝位的零電壓開關全橋直流變換器，包括直流電源Vin、第一逆變橋臂和第二逆變橋臂、諧振電感、箝位電路、隔離變壓器、整流及濾波電路，電流互感器、電流互感器整流電路、直流電源Vc。其中由第一開關管和第三開關管串聯后組成的第一逆變橋臂正向并聯在直流電源Vin正負輸出端；由第二開關管和第四開關管串聯后組成的第二逆變橋臂同樣正向并聯在直流電源Vin正負輸出端，上述第一至第四的四個開關管還各自并聯一個體二極管和一個寄生電容；箝位電路由兩個箝位二極管正向串聯組成，該箝位電路反向并聯在第一逆變橋臂兩端和第二逆變橋臂兩端，箝位二極管還各自并聯一個寄生電容；隔離變壓器的副邊兩個同匝數的副邊繞組相串聯，其中兩個副邊繞組的串聯點與整流濾波電路的負端相連，另外兩個不相連的端子分別和整流及濾波電路的兩個正端相連；諧振電感和上述隔離變壓器原邊繞組串聯，該串聯支路兩端分別連于第一逆變橋臂的兩個開關管的串聯點和第二逆變橋臂的兩個開關管的串聯點；電流互感器原邊繞組的一端與諧振電感和隔離變壓器原邊繞組的串聯點相連，另一端與箝位電路的兩個箝位二極管串聯點相連，電流互感器的副邊接電流互感器整流電路，電流互感器整流電路有兩種整流方式全波整流方式和全橋整流方式。電流互感器整流電路采用全波整流方式時，電流互感器的副邊為匝數相同的兩個繞組，兩個繞組的異名端相連，另外不相連的兩個端子分別接在電流互感器整流電路的兩個輸入端；電流互感器整流電路采用全橋整流方式時，電流互感器的副邊只有一個繞組，分別接電流互感器整流電路的兩個輸入端；電流互感器整流電路的輸出接直流電源Vc。本發明中，有三處直流電源都可替代直流電源Vc，第一種接法電流互感器整流電路的正負輸出端分別接輸入直流電源Vin的正負端；第二種接法電流互感器整流電路的正負輸出端分別接輸出電壓Vo的正負端；第三種接法電流互感器整流電路的正負輸出端分別接給控制及驅動電路供電的輔助電壓源的正負端；本發明與現有技術相比的主要技術特點是，由于加了箝位二極管電路，消除了因輸出整流管的反向恢復而引起的電壓振蕩和電壓尖峰，降低了輸出整流管的電壓應力，并且消除了輸出整流管因反向恢復引起的損耗，同時，引入的電流互感器，可以有效地快速減小流過箝位二極管中電流，改善在箝位二極管的工作環境。
四
附圖1和附圖2是本發明的零電壓開關全橋直流變換器兩種實施例電路結構示意圖。
附圖3和附圖4分別是本發明的零電壓開關全橋直流變換器在滿載和輕載(或是空載)的主要工作波形示意圖。
附圖4~21是本發明的零電壓開關全橋直流變換器的等效電路結構示意圖。
上述附圖中的主要符號名稱Vin、電源電壓。Q1～Q4、開關管。C1～C4、寄生電容。D1～D4、體二極管。Lr、諧振電感。Tr、隔離變壓器。D5、D6、箝位二極管。DR1、DR2、輸出整流二極管。CDR1、CDR2、輸出整流二極管的結電容。C5、C6、箝位二極管的結電容。Lf、濾波電感。Cf、濾波電容。RLd、負載。Vo、輸出電壓。vrect、變壓器副邊整流后電壓。vAB、A與B兩點間電壓。Ts、電流互感器。n、電流互感器原副邊的匝比。DR3～DR6、電流互感器輸出整流二極管。Vc、輔助控制電源電壓。
五具體實施例方式
附圖1和附圖2所示的是帶變壓器輔助繞組的零電壓開關全橋直流變換器的兩種電路結構示意圖。由直流電源Vin、兩個逆變橋臂1和2、諧振電感3、箝位電路4、隔離變壓器5、整流及濾波電路6、電流互感器7、電流互感器整流電路8及輔助控制電源電壓Vc組成。Q1～Q4是四只主開關管，D1～D4分別是開關管Q1～Q4的體二極管，C1～C4分別是開關Q1～Q4的寄生電容，Lr是諧振電感，Tr是隔離變壓器，D5、D6是箝位二極管，DR1和DR2是輸出整流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容，RLd為負載，Ts是電流互感器，DR3～DR6是電流互感器輸出整流二極管。本變換器采用移相控制，開關管Q1和Q3分別超前于開關管Q4和Q2一個相位，稱開關管Q1和Q3組成的第一逆變橋臂為超前橋臂，開關管Q2和Q4組成的第二逆變橋臂則為滯后橋臂。諧振電感3和上述隔離變壓器5原邊繞組串聯，該串聯支路中諧振電感另一端和第一逆變橋臂1的兩個開關管Q1、Q3的串聯點A相連，隔離變壓器5原邊繞組的另一端和第二逆變橋臂2的兩個開關管Q2、Q4的串聯點B相連；本發明的特點是諧振電感3和隔離變壓器5原邊繞組的串聯點C和箝位電路4的兩個箝位二極管D5、D6串聯點D不直接相連，而是在點C和點D之間串入電流互感器7的原邊繞組。電流互感器7副邊繞組接電流互感器整流電路8；電流互感器整流電路8的輸出接直流電壓源Vc9，本發明中，有三處直流電源都可替代直流電源Vc9，第一種接法電流互感器整流電路8的正負輸出端分別接輸入直流電源Vin的正負端；第二種接法電流互感器整流電路8的正負輸出端分別接輸出電壓Vo的正負端；第三種接法電流互感器整流電路8的正負輸出端分別接給控制及驅動電路供電的輔助電壓源的正負端；根據Vc的幅值可選擇電流互感器整流電路8的整流方式，如果Vc幅值比較低，可選用附圖1所示全波整流方式。如果Vc幅值比較高，可選用附圖2所示全橋整流方式。
下面以附圖1為主電路結構，結合附圖3～13敘述本發明的具體工作原理。本發明在不同負載時的工作原理不同，下面分兩種情況進行討論，一種情況是滿載，主要波形如附圖3所示；另一種情況為輕載，主要波形如附圖4所示。
在分析之前，作如下假設①所有開關管和二極管均為理想器件，整流二極管DR1和DR2以及箝位二極管D5和D6除外，它們都等效為一個理想二極管和一個電容并聯，以用來模擬反向恢復；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件。
首先分析本發明工作在滿載情況的工作原理。由附圖3可知整個變換器在一個開關周期有18種開關模態，分別是[t0以前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]、[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18](見附圖3)，其中，[t0以前，t9]為前半周期，[t9，t18]為后半周期。下面對各開關模態的工作情況進行具體分析。
1.開關模態1[t0以前][對應于附圖5]t0以前，開關管Q1和Q4導通，副邊整流二極管DR1導通，整流二極管DR2截止。
2.開關模態2[t0，t1][對應于附圖6]t0時刻關斷開關管Q1，原邊電流ip給電容C1充電，同時給電容C3放電，A點電壓下降。由于有電容C1和C3，開關管Q1是零電壓關斷。結電容CDR2放電，原邊電流ip和諧振電感iLr諧振下降。由于C點電位始終大于零，故箝位二極管D6不可能導通。同時由于結電容CDR2放電，副邊電壓減小，原邊電壓隨之減小，而B點電位箝在零，所以C點電位必小于輸入電壓Vin，因此箝位二極管D5也不可能導通。t1時刻，電容C3的電壓下降到零，即A點電位降為零，二極管D3導通。
3.開關模態3[t1，t2][對應于附圖7]二極管D3導通后，可以零電壓開通開關管Q3。A點電位降為零時，C點電壓還沒有下降到零，此時整流二極管DR2的結電容CDR2繼續放電，諧振電感電流iLr和原邊電流ip繼續下降。t2時刻，整流二極管DR2的結電容CDR2放電結束，二極管DR2導通，C點電壓下降到零。
4.開關模態4[t2，t3][對應于附圖8]整流二極管DR1和DR2同時導通，將變壓器原副邊電壓箝在零位，此時A、B、C三點電位均為零，諧振電感電流iLr與原邊電流ip相等，處于自然續流狀態，并且一直保持不變。
5.開關模態5[t3，t4][對應于附圖9]t3時刻關斷開關管Q4，電流iLr給電容C4充電，同時給電容C2放電。由于電容C2和C4的存在，開關管Q4是零電壓關斷。由于整流二極管DR1和DR2都導通，因此變壓器原副邊電壓均為零，電壓vAB直接加在諧振電感Lr上，因此，在這段時間里，實際上諧振電感Lr和結電容C2、C4在諧振工作。到t4時刻，電容C4的電壓上升至直流電源電壓Vin，電容C2的電壓下降到零，二極管D2自然導通。
6.開關模態6[t4，t5][對應于附圖10]二極管D2導通后，可以零電壓開通開關管Q2。此時原邊電流ip不足以提供負載電流，整流二極管DR1和DR2同時導通，變壓器原副邊電壓均為零，因此直流電源電壓Vin全部加在諧振電感Lr兩端，諧振電感電流iLr等于原邊電流ip，兩者線性下降。
7.開關模態7[t5，t6][對應于附圖11]到t5時刻，諧振電感電流iLr與原邊電流ip都下降為零，并且負方向增加，原邊電流ip反向后由開關管Q2和Q3提供通路，負載電流仍由兩個整流二極管提供回路，變壓器原副邊電壓依舊為零。直到t6時刻，原邊電流ip達到折算至原邊的負載電流，整流二極管DR1關斷。
8.開關模態8[t6，t7][對應于附圖12]在t6時刻，諧振電感Lr與整流二極管結電容CDR1諧振工作，給整流二極管DR1的結電容CDR1充電，原邊電流ip和諧振電感電流iLr繼續增加。
在這段時間中，B點電壓固定在直流電源電壓Vin，而變壓器原邊繞組電壓vBC由于整流二極管結電容CDR1的充電也同時上升，故C點電位一直在下降。到t7時刻，整流二極管結電容CDR1的電壓上升到2Vin·n2/n1，此時C點電壓下降至零，箝位二極管D6導通，將電壓vBC箝在直流電源電壓Vin，因此整流二極管結電容CDR1的電壓被箝在2Vin·n2/n1。
9.開關模態9[t7，t8][對應于附圖13]當箝位二極管D6導通后，原邊電流ip階躍下降到折算到原邊的濾波電感電流，并負向增加。此時有電流從電流互感器Ts原邊繞組的同名端流出，感應到副邊從同名端流入，使得電流互感器輸出整流二極管DR4導通，直流電壓Vc反向加在副邊繞組上，感應到原邊，電壓為Vcn，電壓方向為左負右正，即D點電位高于C點，由于D點電壓為零，因此諧振電感上承受一個左正右負的電壓，大小為Vcn，因此諧振電感電流iLr快速反向減小。它與原邊電流ip的差值從箝位二極管D6中流過。到t8時刻，電流ip和iLr相等，該模態結束，箝位二極管D6關斷。
10.開關模態10[t8，t9][對應于附圖14]箝位二極管D6關斷，沒有電流流過電流互感器Ts，電流互感器輸出整流二極管DR4關斷。電路進入穩態工作，原邊給副邊提供能量，原邊電流ip與諧振電感電流iLr相等。
下面分析本發明工作在輕載情況的工作原理。由附圖4可知整個變換器在一個開關周期有12種開關模態，分別是[t0以前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、(見附圖4)，其中，[t0以前，t5]為前半周期，[t5，t11]為后半周期。下面對各開關模態的工作情況進行具體分析。
1.開關模態1[t0以前][對應于附圖15]t0以前，開關管Q1導通，開關管Q3已經關斷，但是由于變壓器原邊電流和諧振電感電流都是零，沒有電流給寄生電容C3充電，A、B、C、D四點電壓都是直流電源電壓Vin，因此變壓器原副邊電壓均為零。此時濾波電感電流已經過零，副邊整流二極管DR1和DR2截止，濾波電感和輸出整流二極管的結電容CDR1、CDR2發生諧振。
2.開關模態2[t0，t1][對應于附圖16]t0時刻開通開關管Q4，開關管Q4是硬開通，B點電壓下降到0，變壓器原邊電壓上升直流電源電壓Vin，副邊電壓上升，當變壓器副邊電壓大于變壓器副邊整流后電壓vrect后，副邊整流二極管DR1導通。濾波電感電流開始上升，變壓器原邊電流和諧振電感電流一起上升。A點電壓保持在直流電源電壓Vin不變，C、D點電壓略有下降，基本保持在直流電源電壓Vin。
3.開關模態3[t1，t2][對應于附圖17]t1時刻關斷開關管Q1，開通開關管Q3，A點電壓迅速的下降到0，諧振電感電流開始下降，諧振電感Lr、箝位二極管D5、D6的結電容C5、C6以及副邊整流二極管DR2的結電容CDR2進行諧振，結電容C6和結電容CDR2放電，箝位二極管的結電容C6充電。C、D點電壓一起下降，此時有電流從電流互感器Ts原邊繞組的同名端流出，感應到副邊從同名端流入，使得電流互感器輸出整流二極管DR4導通，直流電壓Vc反向加在副邊繞組上，感應到原邊，電壓為Vcn，電壓方向為左負右正，即D點電位高于C點。流過副邊整流二極管DR1的電流減小，若負載很輕，在C點電壓下降到0之前，流過副邊整流二極管DR1的電流已經下降到0，副邊整流二極管DR1截止，副邊整流二極管DR1、DR2的結電容CDR1、CDR2串聯，和諧振電感Lr、箝位二極管D5、D6的結電容C5、C6繼續諧振，諧振電感電流和變壓器原邊電流繼續減小，C、D點電壓繼續下降，直到t2時刻，D點電壓下降到0，箝位二極管D6導通。
4.開關模態4[t2，t3][對應于附圖18]箝位二極管D6導通，D點電壓被箝在0，電流互感器Ts原邊繞組上電壓為Vcn，電壓方向為左負右正，所以D點電壓被箝在Vcn，此時B點電壓為0，所以變壓器Tr原邊電壓也是Vcn，折算到副邊，近似為0，副邊整流二極管DR1、DR2的結電容CDR1、CDR2繼續放電，放電電流大小相等，所以流過變壓器原邊電流ip為0，諧振電感電流與原邊電流ip的差值從箝位二極管D6中流過。此時諧振電感上承受一個左正右負的電壓，大小為Vcn，因此諧振電感電流iLr快速反向減小。
5.開關模態5[t3，t4][對應于附圖19]t3時刻，副邊整流二極管DR1、DR2的結電容CDR1、CDR2放電到0，整流二極管DR1和DR2同時導通，它們的電流分別為濾波電感電流的一半。諧振電感電流繼續減小。
6.開關模態6[t4，t5][對應于附圖20]t4時刻，濾波電感電流下降到0后反向，濾波電感和副邊整流二極管DR1、DR2的結電容發生諧振。
7.開關模態7[t5，t6][對應于附圖21]t4時刻，諧振電感電流和箝位二極管D6電流下降到0，箝位二極管D6、電流互感器輸出整流二極管DR4截止。電路進入穩態工作，變壓器Tr原邊電流、諧振電感電流都是0。
由以上描述可知，本發明提出的帶電流互感器的零電壓開關全橋直流變換器具有如下優點①箝位二極管可以有效地消除了輸出整流管上的電壓尖峰和電壓振蕩，降低輸出整流管的電壓應力。
②由于增加了電流互感器，可以有效地快速減小流過箝位二極管中電流，提高變換效率。
③改善箝位二極管在輕載情況下的工作條件，提高系統的可靠性。
④可以實現開關管的零電壓開關。
權利要求
1.一種二極管加電流互感器箝位的零電壓開關全橋直流變換器，包括直流電源Vin、第一逆變橋臂(1)和第二逆變橋臂(2)、諧振電感(3)、箝位電路(4)、隔離變壓器(5)、整流及濾波電路(6)，其中由第一開關管(Q1)和第三開關管(Q3)串聯后組成的第一逆變橋臂(1)正向并聯在直流電源(Vin)正負輸出端；由第二開關管(Q2)和第四開關管(Q4)串聯后組成的第二逆變橋臂(2)同樣正向并聯在直流電源(Vin)正負輸出端，上述第一至第四的四個開關管(Q1、Q2、Q3、Q4)還各自并聯一個體二極管和一個寄生電容；箝位電路(4)由兩個箝位二極管(D5、D6)正向串聯組成，該箝位電路(4)反向并聯在第一逆變橋臂(1)兩端和第二逆變橋臂(2)兩端，箝位二極管(D6、D6)還各自并聯一個寄生電容；隔離變壓器(5)的副邊兩個同匝數的副邊繞組相串聯，其中兩個副邊繞組的串聯點與整流濾波電路(6)的負端相連，另外兩個不相連的端子分別和整流及濾波電路(6)的兩個正端相連；諧振電感(3)和上述隔離變壓器(5)原邊繞組串聯，該串聯支路兩端分別連于第一逆變橋臂(1)的兩個開關管(Q1、Q3)的串聯點(A)和第二逆變橋臂(2)的兩個開關管(Q2、Q4)的串聯點(B)；其特征在于還包括電流互感器(7)、電流互感器整流電路(8)、直流電源Vc(9)。所述電流互感器(7)原邊繞組的一端與諧振電感(3)和隔離變壓器(5)原邊繞組的串聯點(C)相連，另一端與箝位電路(4)的兩個箝位二極管(D5、D6)串聯點(D)相連，電流互感器(7)的副邊接電流互感器整流電路(8)；所述電流互感器整流電路(8)采用全波整流方式時，電流互感器(7)的副邊為匝數相同的兩個繞組，兩個繞組的異名端相連，連接點與直流電源Vc(9)的負端相連，另外兩個不相連的端子分別和電流互感器整流電路(8)的兩個正端相連。
2.根據權利要求1所述的二極管加電流互感器箝位的零電壓開關全橋直流變換器，其特征在于，所述電流互感器整流電路(8)采用全橋整流方式時，電流互感器(7)的副邊只有一個繞組，分別接電流互感器整流電路(8)的兩個輸入端；電流互感器整流電路(8)的輸出接直流電源Vc(9)。
3.根據權利要求1所述的二極管加電流互感器箝位的零電壓開關全橋直流變換器，其特征在于，所述電流互感器整流電路(8)可與有三處直流電源相連，以替代直流電源Vc(9)；第一種接法，電流互感器整流電路(8)的正負輸出端分別接輸入直流電源Vin的正負端；第二種接法，電流互感器整流電路(8)的正負輸出端分別接輸出電壓Vo的正負端；第三種接法，電流互感器整流電路(8)的正負輸出端分別接給控制及驅動電路供電的輔助電壓源的正負端。
全文摘要
一種二極管加電流互感器箝位的零電壓開關全橋直流變換器，屬直流變換器，該直流變換器包括直流電源V
文檔編號H02M3/335GK101030731SQ20071001926
公開日2007年9月5日 申請日期2007年1月9日 優先權日2007年1月9日
發明者陳乾宏, 殷蘭蘭, 彭勃, 王健 申請人:南京航空航天大學