CN100364219C - 带有箝位电容的交错反激式变换器主电路 - Google Patents

Abstract

一种带箝位电容的交错反激式变换器主电路，属DC/DC变换器。包括两路反激式变换器交错并联电路：由输入电源(U_i)、第一变压器(T₁)原边绕组、第一主功率管(Q₁)组成第一并联回路；由输入电源(U_i)、第二变压器(T₂)原边绕组、第二主功率管(Q₂)组成第二并联回路；由两个变压器(T₁)(T₂)的副边绕组及两个整流二极管(D₁)(D₂)和输出滤波电容(C_o)组成两个输出并联回路，以及连接在第一回路变压器(T₁)原边绕组非同名端和第二回路变压器(T₂)原边绕组同名端之间的箝位电容(C_p)。该主电路结构简单，两主功率管交错导通，控制方法简单，减小了输入输出电压电流纹波，易于提高变换器的功率等级。功率管关断时，箝位电容可吸收变压器原边绕组漏感上的能量，减小了功率管上的电压应力。可实现输入输出电气隔离，具有高效率高可靠性等特点，在低压输入中大功率场合有广泛的应用前景。

Description

带有箝位电容的交错反激式变换器主电路

一、技术领域：

本发明涉及的是一种反激DC-DC的主电路拓扑，属电力电子DC-DC技术。

二、背景技术：

反激变换器可靠性高，电路拓扑简洁，输入输出电气隔离，升/降压范围宽，易于多路输出。但它的隔离变压器兼起储能电感的作用，变压器漏感大，功率管电压尖峰高。输出电压的纹波较大，导致输出滤波元件尺寸大。而且电压负载调整率不高，这些因素限制了反激变换器的功率增大，通常只能在150W以下。

为了提高反激变换器传输功率，于是有人提出一种交错反激式变换器，该变换器由两单个反激式变换器简单并联构成，这两个反激变换器共用同一条直流母线和共用同一个输出滤波电容，两个主功率管交错导通。这种结构增大了变换器的传输功率，减小了输入输出电压电流纹波，减小了输出滤波元件的尺寸，但它并没有改善反激式变换器功率管电压尖峰高的不利因素。

1989年C.P.Henze等人提出了有源箝位的交错反激式变换器，它是由两个共用直流母线和输出滤波电容的有源箝位反激式变换器并联构成，两主功率管交错导通。由于箝位电容可有效的吸收了变压器原边漏感的能量，因此该变换器不但具有交错反激变换器所有优点的同时还降低了功率管的电压应力。但该电路由于增加了两个辅助开关管，两个箝位电容。电路中元器件多，控制复杂。1996年，Robert Watson等人提出一种新颖有源箝位的交错反激式变换器，它的箝位电路由一个开关管，一个辅助二极管和一个箝位电容构成。虽然较前面的有源箝位交错反激式变换器少了一个开关管和一个箝位电容，但还是元器件较多，控制较复杂。

三、发明内容：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，研制一种结构简单、元器件少、控制简单、可减小主功率管电压应力，具有高效率和可靠性的带有箝位电容的交错反激式变换器的主电路拓扑。

本发明的带有箝位电容的交错反激式变换器主电路，包括两路反激式变换器交错并联电路：由输入电源正极连于第一变压器原边绕组同名端，而非同名端连于并联有第一体二极管的第一个主功率管漏极，而源极连于输入电源负极组成第一回路；由输入电源正极连于并联有第二体二极管的第二个主功率的漏极，而源极连于第二变压器原边绕组的同名端，其非同名端连于输入电源负极组成第二回路；第一回路的第一变压器、第二回路的第二变压器副边绕组的非同名端分别串联第一整流二极管、第二整流二极管后相互并联，第一整流二极管、第二整流二极管的阴极和第一回路的第一变压器、第二回路的第二变压器副边绕组同名端并联一输出滤波电容，组成两个输出并联回路，其特征在于第一个回路的第一变压器原边绕组非同名端与第一个主功率管漏极的串联点和第二回路的第二个主功率管源极与第二变压器原边绕组同名端的串联点之间连接一个箝位电容。

本发明共有两个功率管，两个变压器，两个整流二极管，一个箝位电容和一个输出滤波电容。在每个开关周期，两功率管交错导通，控制简单。交错的结构使其可以传输较大的功率，输入输出电压电流纹波小，输出滤波器件尺寸小。箝位电容在功率管关断时，可以吸收变压器漏感上的能量，减小了功率管上的电压应力。因此在低压输入的中高功率场合有着广泛的应用前景。

四、附图说明：

图1是带有箝位电容的交错反激式变换器主电路原理图

图2(a)~(d)是带有箝位电容的交错反激式变换器的工作模态图

图1和图2中各符号名称如下：

U₁——输入电源电压

T₁、T₂——分别为变换器中的两变压器

L_r1、L_m1——分别为T₁变压器原边绕组的漏感和励磁电感

L_r2、L_m2——分别为T₂变压器原边绕组的漏感和励磁电感

i_p1、i_p2——分别为流过T₁和T₂原边绕组的电流

Q₁、Q₂——分别为变换器的两主功率管

Q_D1、Q_D2——分别为Q₁和Q₂的体二极管

C_p——箝位电容

U_cp——箝位电容电压

D₁、D₂——分别为副边两整流二极管

i_s1、i_s2——分别为流过T₁和T₂副边绕组的电流

U_o——输出电压

五、具体实施方式：

图1是本发明带有箝位电容的交错反激式变换器主电路原理图，由图1可知，本发明变换器主电路包括两路反激式变换器交错并联电路，由输入电源U₁正极依次连于第一个变压器T₁原边绕组的漏感L_r1和励磁电感L_m1，再串联并联有体二极管Q_D1的第一个主功率管Q₁后，连于输入电源U₁负极组成第一回路；由输入电源U₁正极连于并联有体二极管Q_D2的第二个主功率Q₂，再依次串联第二个变压器T₂原边绕组的漏感L_r2和励磁电感L_m2后连于输入电源U₁负极组成第二回路；箝位电容C_p连接在第一回路变压器T₁原边绕组非同名端与主功率管Q₁漏极的串联点和第二回路主功率管Q₂源极与变压器T₂原边绕组同名端的串联点之间。两个变压器T₁、T₂副边绕组输出端各自串联一个整流二极管D₁、D₂后相互并联，输出滤波电容C_o连接在两个变压器T₁、T₂副边绕组同名端与两个整流二极管D₁、D₂负极之间组成两个输出并联回路。因此本变换器实际上由两单管反激变换器组合后加入了一箝位电容而成。由于箝位电容大小和工作占空比大小的不同，电路工作模态会略有不同，但在一开关周期内其主要的工作模态可描述如下：

模态1：如图2(a)，主功率管Q₁导通，变压器T₁原边绕组电流i_p1开始线性上升，变压器T₁储能，整流二极管D₁反偏截止。主功率管Q₂仍处于关断状态，整流二极管D₂导通，变压器T₂释放能量。箝位电容C_p与漏电感L_r2开始谐振，变压器T₂原边绕组电流i_p2为负值，通过变压器T₂传输的能量由两部分构成：①箝位电容C_p上的能量以正激模式通过变压器T₂传到副边，②励磁电感L_m2上的

储能以反激模式由变压器T₂传到副边。当变压器T₂原边绕组电流i_p2反向减小到零时，正激模式停止工作，变压器T₂仅工作在反激模式下。当主功率管Q₁关断时，该模态结束。

模态2：如图2(b)，主功率管Q₁关断，主功率管Q₂保持关断状态。主功率管Q₁关断后由于变压器T₁电感电流不能突变，所以迫使体二极管Q_D2和整流二极管D₁导通，变压器T₁向负载释放能量。体二极管Q_D2导通为漏感L_r1能量的释放提供了通路，变压器T₁原边绕组电流i_p1给箝位电容C_P充电，因此主功率管Q₁的电压尖峰较小。体二极管Q_D2的导通使输入电源电压U₁加在励磁电感L_m2和漏感L_r2上，变压器T₂原边绕组电流i_p2线形增加，整流二极管D₂关断。当主功率管Q₂导通后该模态结束。

模态3：如图2(c)，主功率管Q₂导通，变压器T₂原边绕组电流i_p2开始线性上升，变压器T₂储能，整流二极管D₂反偏截止。主功率管Q₁仍处于关断状态，整流二极管D₁导通，变压器T₁释放能量。箝位电容C_p与漏感L_r1开始谐振，变压器T₁原边绕组电流i_p1为负值，通过变压器T₁传输的能量由两部分构成：①箝位电容C_p上的能量以正激模式通过变压器T₁传到副边，②励磁电感L_m1上的储能以反激模式由变压器T₁传到副边。当变压器T₁原边绕组电流i_p1反向减小到零时，正激模式停止工作，变压器T₁仅工作在反激模式下。当主功率管Q₂关断时，该模态结束。

模态4：如图2(d)，主功率管Q₂关断，主功率管Q₁保持关断状态。主功率管Q₂关断后由于变压器T₂电感电流不能突变，所以迫使体二极管Q_D1和整流二极管D₂导通，变压器T₂向负载释放能量。体二极管Q_D1导通为漏感L_r2能量的释放提供了通路，变压器T₂原边绕组电流i_p2给箝位电容C_P充电，因此主功率管Q₂的电压尖峰也较小。体二极管Q_D1的导通使输入电源电压U₁加在励磁电感L_m1和漏感L_r1上，变压器T₁原边绕组电流i_P1线形增加，整流二极管D₁关断。当主功率管Q₁再次导通后该模态结束。

Claims (1)

1.一种带有箝位电容的交错反激式变换器主电路，包括两路反激式变换器交错并联电路：由输入电源(U_i)正极连于第一变压器(T₁)原边绕组同名端，而非同名端连于并联有第一体二极管(Q_D1)的第一个主功率管(Q₁)漏极，而源极连于输入电源(U_i)负极组成第一回路；由输入电源(U_i)正极连于并联有第二体二极管(Q_D2)的第二个主功率管(Q₂)的漏极，而源极连于第二变压器(T₂)原边绕组的同名端，其非同名端连于输入电源(U_i)负极组成第二回路；第一变压器(T₁)、第二变压器(T₂)副边绕组的非同名端分别串联第一整流二极管(D₁)、第二整流二极管(D₂)后相互并联，第一整流二极管(D₁)、第二整流二极管(D₂)的阴极和第一变压器(T₁)、第二变压器(T₂)副边绕组同名端并联一输出滤波电容(C_o)，组成两个输出并联回路，其特征在于第一变压器(T₁)原边绕组非同名端与第一个主功率管(Q₁)漏极的串联点和第二个主功率管(Q₂)源极与第二变压器(T₂)原边绕组同名端的串联点之间连接一个箝位电容(C_p)。

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