CN100347939C - 副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器，它包括逆变电路，连接于逆变电路输出端的谐振电路，隔离变压器，整流电路和滤波电容组。逆变电路由一对互补并且占空比恒定为50%的信号来控制，通过调整控制信号的频率来控制输出电压。该变流器中逆变电路内的开关于零电压开关条件下工作，整流电路内的二极管于零电流开关条件下工作。其副边元器件的电压应力均为输出电压的一半。所以该变流器适合用于高电压输出、高变换效率、高功率密度的电源中。

Description

副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器

技术领域

本发明涉及谐振型变流器，尤其是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器。

背景技术

不同的变流拓扑适合不同的应用场合，其主要原因是元器件的数量不同，以及各个元器件的电压、电流、磁感应强度、温度等应力不同。已有技术中的正激、反激等DC/DC变流器拓扑的副边二极管电压平台是输出电压的两倍左右，考虑到反向恢复带来的电压尖峰，二极管的电压应力基本上为输出电压的四倍。已有技术中的移相全桥变流器、不对称半桥变流器等控制型软开关拓扑的副边二极管应力也是输出电压的四倍(考虑反向恢复)。

发明内容

本发明的目的是提出一种副边元器件(包括二极管和电容在内的所有元器件)电压应力是输出电压一半的谐振型变流器，以适应高电压输出场合的功率变换。

为达上述目的，本发明的副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器包括：

逆变电路，用于将输入的直流电压逆变成一个方波输出的电压；

谐振电路，该谐振电路包括电容器和电感器，连接于逆变电路的输出端；

隔离变压器，隔离变压器的原边绕组与谐振电路相连，副边绕组串联隔直电容；

整流电路，产生同一方向的脉冲电流，由四个二极管首尾相连组成，第一二极管和第三二极管的连接点与隔直电容相连，第二二极管和第四二极管的连接点与隔离变压器副边绕组不接隔直电容的一端相连；

滤波电容组，由两个电容串联组成，两个电容的连接点与整流电路的第一二极管和第二二极管的连接点相连，两个电容串联后的两端分别与第三二极管的阴极和第四二极管的阳极相连，用于将整流电路输出的脉冲电流滤成直流电压输出给负载。

上述的逆变电路可以是由四个开关管构成的全桥结构电路，也可以是由两个开关管构成的半桥结构电路。所说的谐振电路或者由电容器、第一电感器和第二电感器组成，其中，第二电感器与隔离变压器的原边绕组并联，电容器及第一电感器和隔离变压器的原边绕组串联；或者由与隔离变压器的原边绕组串联的电容器和第一电感器组成。

本发明中，逆变电路以一对互补并且占空比恒定为50％的信号来控制，通过调整控制信号的频率来控制输出电压，使隔离变压器副边所有元器件的电压应力是输出电压的一半，本发明变流器具有优良的功率变换效率、软开关性能及高输出电压的适应性。适合用于高电压输出、高变换效率、高功率密度的电源中。

附图说明

图1是本发明副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器的电路图；

图2是本发明副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器的典型工作波形；

图3是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器在阶段1的等效电路；

图4是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器在阶段2的等效电路；

图5是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器在阶段3的等效电路；

图6是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器在阶段4的等效电路；

图7是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器在阶段5的等效电路；

图8是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器在阶段6的等效电路；

图9是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器在阶段7的等效电路；

图10是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器在阶段8的等效电路；

图11是本发明中的逆变电路为半桥结构的电路图；

图12是本发明中的逆变电路为全桥结构，谐振电路为LC串联的电路图；

图13是本发明中的逆变电路为半桥结构，谐振电路为LC串联的电路图。

具体实施方式

图1所示是副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器的一种电路图，它包括：逆变电路110，连接于逆变电路输出端的谐振电路120，隔离变压器T_R，整流电路130和滤波电容组140。图例中，逆变电路110由四个开关管S₁、S₂、S₃、S₄组成全桥结构电路，用来将输入的直流电压逆变成一个方波。利用一对互补并且占空比恒定为50％的信号来控制，通过调整控制信号的频率来控制输出电压；谐振电路120由电容器Cs、第一电感器Ls和第二电感器Lm组成，第二电感器Lm与隔离变压器T_R的原边绕组并联，电容器Cs及第一电感器Ls和隔离变压器的原边绕组串联；整流电路130由四个二极管D₁～D₄首尾相连组成，用于产生同一方向的脉冲电流提供给滤波电容组140，二极管D₃的阴极、D₄的阳极、以及D₁和D₂相连的中点分别作为该整流电路的输出端；滤波电容组160由两个电容C₂、C₃串联组成；隔离变压器T_R的副边绕组串联隔直电容C₁，整流电路130的第一二极管D₁和第三二极管D₃的连接点与隔直电容C₁相连，第二二极管D₂和第四二极管D₄的连接点与隔离变压器T_R副边绕组不接隔直电容C₁的一端相连，两个电容的连接点与第一二极管D₁和第二二极管D₂的连接点相连，两个电容串联后的两端分别与第三二极管D₃的阴极和第四二极管D₄的阳极相连，用于将整流电路输出的脉冲电流滤成直流电压输出给负载R₀。

本发明中，逆变电路也可以用由两个开关管S₁、S₂组成的半桥结构电路，如图11所示。谐振电路也可以由与隔离变压器的原边绕组串联的LC串联电路来构成，如图12所示。或者也可以如图13所示，逆变电路采用半桥结构电路，谐振电路采用LC串联电路。

本发明的电路的具体工作过程的分析如下(对照图1)。该变流器的一个开关周期可以分为8个工作阶段，分别如图3～图10的8个等效电路所示。相应的工作波形如图2所示。8个工作阶段的工作原理分别描述如下：

(1)阶段1：t0～t1。在t0时刻S₁、S₄开通，原边谐振电流i_p流过S₁、S₄，并以正弦形式逐渐上升。在输出侧，二极管D₃、D₄导通，C₁、C₂、C₃上的电压之和将变压器钳位。因此原边的谐振是发生在L_s和C_s之间，流过L_m的励磁电流i_Lm线性上升。直到t1时刻，即i_p和i_Lm相等时该阶段结束。

(2)阶段2：t1～t2。t1时刻由于i_p和i_Lm相等，二极管D₃、D₄上电流自然过零而关断，因此几乎没有反向恢复的过程。同时，C₁、C₂、C₃上的电压不再对变压器箝位，那么L_m就成为自由的谐振电感，L_m与L_s加在一起与C_s谐振。这个谐振周期要比前一个谐振周期大得多，所以在这段时间里，原边电流可以看作近似不变，L_m是一个恒流源。直到S₁、S₄的门极信号为低电平，该阶段结束。

(3)阶段3：t2～t3。。在时刻t3，S₁、S₄关断，于是原边电流i_p对S₁、S₄的寄生电容充电，同时对S₂、S₃的寄生电容放电。此时输出侧D₁、D₂导通，C₁上的电压将变压器箝位。直至S₂、S₃的寄生电容上的电压放电到零该阶段结束。

(4)阶段4：t3～t4。当S₂、S₃的结电容上的电压下降到零之后，原边电流就流过S₂、S₃的体二极管，并且以正弦形式反向增大。由于S₂、S₃的体二极管的导通，使得S₂、S₃的漏源电压保持为零，为S₂、S₃的零电压开通创造了条件。当S₂、S₃的门极为高电平，该阶段结束。

(5)阶段5：t4～t5。在t4时刻S₂、S₃开通，原边谐振电流i_p流过S₂、S₃，并以正弦形式逐渐反向上升。在输出侧，二极管D₁、D₂导通，C₁上的电压继续将变压器钳位。因此原边的谐振是发生在L_s和C_s之间，流过L_m的励磁电流i_Lm线性下降。直到i_p和i_Lm相等时该阶段结束。

(6)阶段6：t5～t6。t5时刻由于i_p和i_Lm相等，二极管D₁、D₂上电流自然过零而关断，是零电流关断，因此几乎没有反向恢复的过程。此时，C₁上的电压不再对变压器箝位，那么L_m就成为自由的谐振电感，L_m与L_s加在一起与C_s谐振。直到S₂的门极信号为低电平，该阶段结束。

(7)阶段7：t6～t7。在时刻t6，S₂、S₃关断，于是原边电流i_p对S₂、S₃的寄生电容充电，同时对S₁、S₄的寄生电容放电。此时输出侧D₃、D₄导通。直至S₁、S₄的寄生电容上的电压放电到零该阶段结束。

(8)阶段8：t7～t8。当S₁、S₄的结电容上的电压下降到零之后，原边电流就流过S₁、S₄的体二极管，并且以正弦形式反向增大。由于S₁、S₄的体二极管的导通，使得S₁、S₄的漏源电压保持为零，为S₁、S₄的零电压开通创造了条件。当S₁、S₄的门极为高电平，该阶段结束。

由以上分析可以看到原边开关工作于ZVS，副边二极管工作于ZCS。由于C₂、C₃上的电压之和是输出电压V_o，根据波形的对称性可以得到C₁上的电压为输出电压的一半。

Claims (5)

1.副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器，其特征在于包括：

逆变电路(110)，用于将输入的直流电压逆变成一个方波输出的电压；

谐振电路(120)，该谐振电路包括电容器和电感器，连接于逆变电路(110)的输出端；

隔离变压器(T_R)，隔离变压器的原边绕组与谐振电路相连，副边绕组串联隔直电容(C₁)；

整流电路(130)，产生同一方向的脉冲电流，由四个二极管(D₁～D₄)首尾相连组成，第一二极管(D₁)和第三二极管(D₃)的连接点与隔直电容(C₁)相连，第二二极管(D₂)和第四二极管(D₄)的连接点与隔离变压器(T_R)副边绕组不接隔直电容(C₁)的一端相连；

滤波电容组(140)，由两个电容(C₂、C₃)串联组成，两个电容的连接点与整流电路(130)的第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)的连接点相连，两个电容串联后的两端分别与第三二极管(D₃)的阴极和第四二极管(D₄)的阳极相连，用于将整流电路输出的脉冲电流滤成直流电压输出给负载。

2.根据权利要求1所述的副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器，其特征在于逆变电路(110)是由四个开关管(S₁、S₂、S₃、S₄)构成的全桥结构电路。

3.根据权利要求1所述的副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器，其特征在于逆变电路(110)是由两个开关管(S₁、S₂)构成的半桥结构电路。

4.根据权利要求1所述的副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器，其特征在于谐振电路(120)由电容器(Cs)、第一电感器(Ls)和第二电感器(Lm)组成，第二电感器(Lm)与隔离变压器的原边绕组并联，电容器(Cs)及第一电感器(Ls)和隔离变压器的原边绕组串联。

5.根据权利要求1所述的副边元器件电压应力是输出电压一半的谐振型变流器，其特征在于谐振电路(120)由与隔离变压器的原边绕组串联的电容器(Cs)和第一电感器(Ls)组成。

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