CN101562398A - 一种输入串联推挽正激变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输入串联推挽正激变换器，属于电力电子变换器领域。其结构包括：直流电源、第一分压电容、第二分压电容、第一功率开关管、第二功率开关管、磁复位二极管、第一电感、第二电感、第一整流二极管、第二整流二极管、输出滤波电容和主功率变压器，主功率变压器由两组初级绕组(原边)和两组次级绕组(副边)构成。本发明中变压器原边为两路正激变换器交错串联构成，变压器副边为并联输出，两路正激变换器使用公共的磁复位二极管完成磁复位及原边电感的续流，通过原边电感及功率开关管的寄生电容可实现功率开关管的零电压开通和关断。本发明体积小，变换效率高，适用于中、高压输入场合。

Description

一种输入串联推挽正激变换器

技术领域

本发明涉及一种变换器，尤其涉及一种输入串联推挽正激变换器，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

开关电源变换器具有效率高、体积小、重量轻等显著的优点，在工业生产、航空航天、新能源发电等国民经济的各个领域发挥着越来越重要的作用。提高变换器的可靠性、效率和功率密度一直是变换器研究领域的重要课题。

双管正激变换器具有内在的抗桥臂直通的能力，可靠性高，因而在工业领域得到了广泛的应用，但双管正激变换器需要使用的开关管数目较多且最大占空比只能为0.5。软开关技术成为提高变换器效率和功率密度的重要手段，近年来获得了广泛的研究与应用。以美国弗吉尼亚大学电力电子中心Fred C.Lee为首的学者***地提出了直流变压器的概念。直流变压器在接近100％的等效占空比下工作，省去了输出滤波电感，结构简单，采用开环控制，易于实现软开关，可进一步提高效率和功率密度，在两级结构的电压调节模块、分布式电源***的前端变换器、航空静止变流器等场合具有广泛的应用。中国专利1545200A号中提出了一种双路双管正激变换器拓扑作为直流变压器的主电路拓扑，该变换器具有开关管电压应力低、实现开关管的零电压开关等优点，但使用的开关管数量多，成本较高。常用的直流变压器拓扑还包括半桥、全桥等拓扑，这些拓扑都存在桥臂直通的潜在危险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对背景技术中存在的缺陷而提出一种结构简单、体积小、变换效率高、功率密度大且可靠性高的输入串联推挽正激变换器。

本发明的输入串联推挽正激变换器，其结构包括：直流电源、第一分压电容、第二分压电容、第一功率开关管、第二功率开关管、磁复位二极管、第一电感、第二电感、第一整流二极管、第二整流二极管、输出滤波电容和主功率变压器，其中：直流电源的正极分别连接第一分压电容的一端和第一功率开关管的漏极，直流电源的负极分别连接第二分压电容的一端和第二功率开关管的源极，第一功率开关管的源极分别连接第一电感的一端和磁复位二极管的阴极，第二功率开关管的漏极分别连接第二电感的一端和磁复位二极管的阳极；主功率变压器包括第一初级绕组、第二初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组，第一初级绕组的同名端连接第一电感的另一端，第二初级绕组的同名端连接第二电感的另一端，第一初级绕组的非同名端分别连接第二初级绕组的非同名端、第一分压电容的另一端和第二分压电容的另一端，第一次级绕组的同名端连接第一整流二极管的阳极，第一次级绕组的非同名端分别连接第二次级绕组的同名端、输出滤波电容的一端和输出负载的一端，第二次级绕组的非同名端连接第二整流二极管的阳极，第二整流二极管的阴极分别连接第一整流二极管的阴极、输出滤波电容的另一端和输出负载的另一端。

本发明的有益效果为：1、开关管电压应力等于输入电压，适用于中、高压输入场合；2、仅使用两个功率开关管及一个磁复位二极管，电路结构简单；3、实现了功率开关管的零电压开关，变换效率高；4、通过变压器的磁集成技术，减小了变压器的体积，提高了功率密度；5、不存在桥臂直通，变换器可靠性高；6、本发明宜作为直流变压器使用，采用开环控制，起隔离和变压作用。

附图说明

图1是本发明输入串联推挽正激变换器拓扑原理图。

图2是本发明输入串联推挽正激变换器主要波形图，图中：D_S1、D_S2分别为第一、第二功率开关管的驱动信号(ON表示开关管开通，OFF表示开关管关断)；v_DS1、v_DS2分别为第一、第二功率开关管漏极与源极间的电压；v_NS1为第一次级绕组N_S1的电压；i_NP1、i_NP2分别为第一初级绕组N_P1和第二初级绕组N_P2的电流；i_D1为磁复位二极管D₁的电流；t₀～t₄为时间。

图3～图6分别为本发明输入串联推挽正激变换器在开关模态1～开关模态4的等效电路原理图。

在图1及图3～图6中的标号名称：V_in为直流电源(输入电压)；C₁、C₂分别为第一、第二分压电容；S₁、S₂分别为第一、第二功率开关管；D₁为磁复位二极管；T为主功率变压器；N_P1、N_P2分别为主功率变压器的第一、第二初级绕组；N_S1、N_S2分别为主功率变压器的第一、第二次级绕组；L_r1、L_r2分别为第一、第二电感；D₂、D₃分别为第一、第二整流二极管；C_o为输出滤波电容；R_o为输出负载；V_o表示输出电压。

具体实施方式

如图1所示，本发明的输入串联推挽正激变换器拓扑，其结构包括：直流电源V_in、第一分压电容C₁、第二分压电容C₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、磁复位二极管D₁、第一电感L_r1、第二电感L_r2、第一整流二极管D₂、第二整流二极管D₃、输出滤波电容C_o和主功率变压器T，其中：直流电源V_in的正极分别连接第一分压电容C₁的一端和第一功率开关管S₁的漏极，直流电源V_in的负极分别连接第二分压电容C₂的一端和第二功率开关管S₂的源极，第一功率开关管S₁的源极分别连接第一电感L_r1的一端和磁复位二极管D₁的阴极，第二功率开关管S₂的漏极分别连接第二电感L_r2的一端和磁复位二极管D₁的阳极；主功率变压器T包括第一初级绕组N_P1、第二初级绕组N_P2、第一次级绕组N_S1和第二次级绕组N_S2，第一初级绕组N_P1的同名端连接第一电感L_r1的另一端，第二初级绕组N_P2的同名端连接第二电感L_r2的另一端，第一初级绕组N_P1的非同名端分别连接第二初级绕组N_P2的非同名端、第一分压电容C₁的另一端和第二分压电容C₂的另一端，第一次级绕组N_S1的同名端连接第一整流二极管D₂的阳极，第一次级绕组N_S1的非同名端分别连接第二次级绕组N_S2的同名端、输出滤波电容C_o的一端和输出负载R_o的一端，第二次级绕组N_S2的非同名端连接第二整流二极管D₃的阳极，第二整流二极管D₃的阴极分别连接第一整流二极管D₂的阴极、输出滤波电容C_o的另一端和输出负载R_o的另一端，输出滤波电容C_o为输出负载R_o提供能量，主功率变压器T原边的第一电感L_r1和第二电感L_r2含变压器两个原边的漏感。

本发明的输入串联推挽正激变换器的控制方式如下：功率开关管S₁与S₂交错180°导通，占空比相等且接近0.5，采用开环控制。

如图2所示是本发明输入串联推挽正激变换器主要波形图，下面结合图2～图6说明本发明的具体工作原理及工作过程，说明前先作如下假设：a、电路已达到稳态；b、两个分压电容C₁和C₂足够大且相等，可以看作为V_in/2的电压源；c、两个电感L_r1和L_r2为变压器原边串联电感，其分别包含了变压器两个原边的漏感；d、主功率变压器T满足：N_P1＝N_P2，N_S1＝N_S2；e、功率开关管由理想开关、反并联二极管和电容并联构成。

1、开关模态1(对应于图2中[t₀，t₁]，其等效电路如附图3所示)

t₀时刻之前，S₁导通，S₂关断，变压器磁化电流正向增大，D₂导通，输入电压通过初级绕组N_P1向负载传递能量。t₀时刻，S₁关断，电感L_r1与L_r2开始与开关管寄生电容一起谐振，S₁两端电压谐振上升，当S₁两端电压上升到V_in、S₂两端电压降为0时，该模态结束。

2、开关模态2(对应于图2中[t₁，t₂]，其等效电路如附图4所示)

t₁时刻，S₂的寄生体二极管导通，电感L_r1与L_r2的电流在输入输出电压的共同作用下分别线性下降和线性上升，开关管两端电压保持不变。

3、开关模态3(对应于图2中[t₂，t₃]，其等效电路如附图5所示)

t₂时刻，S₂零电压开通，电感L_r1与L_r2的电流在输入输出电压的共同作用下分别线性下降和线性上升，当两电感L_r1与L_r2电流相等时，S₂的寄生体二极管截止，D₂截止，该模态结束。

4、开关模态4(对应于图2中[t₃，t₄]，其等效电路如附图6所示)

t₃时刻，D₂截止，变压器电压开始反向。D₃导通，变压器开始反向激磁，磁化电流开始反向增大，输入电压通过变压器初级绕组N_P2向负载提供能量，当S₁关断时，该模态结束。

t₄时刻之后，变换器开始另半个工作周期，其工作过程与前半个周期类似，不重复叙述。

通过前面的分析可以看出，本发明中变压器原边采用两个正激变换器交错串联，省去了常规正激变换器的磁复位绕组，使用二极管完成磁复位，不仅电路结构简单，不存在桥臂直通，而且实现了开关管的零电压开关，因此具有很高的效率。

Claims (1)

1、一种输入串联推挽正激变换器，其特征在于：包括直流电源(V_in)、第一分压电容(C₁)、第二分压电容(C₂)、第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、磁复位二极管(D₁)、第一电感(L_r1)、第二电感(L_r2)、第一整流二极管(D₂)、第二整流二极管(D₃)、输出滤波电容(C_o)和主功率变压器(T)，其中：直流电源(V_in)的正极分别连接第一分压电容(C₁)的一端和第一功率开关管(S₁)的漏极，直流电源(V_in)的负极分别连接第二分压电容(C₂)的一端和第二功率开关管(S₂)的源极，第一功率开关管(S₁)的源极分别连接第一电感(L_r1)的一端和磁复位二极管(D₁)的阴极，第二功率开关管(S₂)的漏极分别连接第二电感(L_r2)的一端和磁复位二极管(D₁)的阳极；主功率变压器(T)包括第一初级绕组(N_P1)、第二初级绕组(N_P2)、第一次级绕组(N_S1)和第二次级绕组(N_S2)，第一初级绕组(N_P1)的同名端连接第一电感(L_r1)的另一端，第二初级绕组(N_P2)的同名端连接第二电感(L_r2)的另一端，第一初级绕组(N_P1)的非同名端分别连接第二初级绕组(N_P2)的非同名端、第一分压电容(C₁)的另一端和第二分压电容(C₂)的另一端，第一次级绕组(N_S1)的同名端连接第一整流二极管(D₂)的阳极，第一次级绕组(N_S1)的非同名端分别连接第二次级绕组(N_S2)的同名端、输出滤波电容(C₀)的一端和输出负载(R_o)的一端，第二次级绕组(N_S2)的非同名端连接第二整流二极管(D₃)的阳极，第二整流二极管(D₃)的阴极分别连接第一整流二极管(D₂)的阴极、输出滤波电容(C_o)的另一端和输出负载(R_o)的另一端。

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