CN103312171B - 隔离型软开关双管正激谐振dc/dc电路 - Google Patents

隔离型软开关双管正激谐振dc/dc电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子电能变换电路，旨在提供一种隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路。该电路包括电源、两个开关管、两个箝位二极管、高频隔离变压器、原边绕组、副边绕组、输出整流二极管和输出滤波电容；还包括输入侧电感、谐振电感和谐振电容；谐振电容Cr与电源并接，输入侧电感位于谐振电容与电源之间；谐振电感与变压器原边绕组串联；谐振电感和谐振电容与输出电压构成的负载组成串联谐振电路。本发明使功率开关管工作在零电压开通以及准零电流关断状态，减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，减小功率开关管的开关损耗。能回收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率；降低电路的能耗，节约能源。<!--1-->

Description

隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路
技术领域
本发明涉及一种电力电子电能变换电路，尤其涉及一种隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路。
背景技术
正激式拓扑因电路结构简洁、输入输出电气隔离、电压升降范围宽、易于多路输出、适用于中小功率电源变换场合等特点，而得到了广泛的采用。双管正激DC/DC变换器电路是电力电子技术中正激式拓扑中的一种直流电压变换电路。现今双管正激DC/DC变换器电路一般采用如附图1所示的结构来实现：包括起磁复位作用的二极管Dp1和Dp2、开关管Q1和Q2、起隔离输入输出且进行电压升降作用的变压器T1、限制电流流向的二极管D1、续流二极管D2以及起滤波作用的电感L和电容Co组成。该双管正激DC/DC变换电路存在不足：因为电力电子器件并非理想的开关，存在开通延时和关断延时，从而引起开关管Q1和Q2两端电压和通过它们的电流出现重叠时间，造成开关损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路。本发明通过采用该变换器电路能减少开关管在开通和关断瞬间，加在开关管两端的电压和通过该开关管的电流的重叠时间，从而减小开关器件的开关损耗，同时抑制电压或者电流过冲的发生。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路，包括电源(Vin)、两个开关管(Q1、Q2)、两个箝位二极管(Dp1、Dp2)、高频隔离变压器(T1)、原边绕组(NP)、副边绕组(Ns)、输出整流二极管(D1)和输出滤波电容(Co)；该电路还包括输入侧电感(Lin)、谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)；谐振电容Cr与电源(Vin)并接，输入侧电感(Lin)位于谐振电容(Cr)与电源(Vin)之间；谐振电感(Lr)与变压器原边绕组串联；谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)与输出电压Vo构成的负载组成串联谐振电路。
本发明中，所述电源(Vin)正极连接于输入侧电感(Lin)的输入端，输入侧电感(Lin)的输出端连于谐振电容(Cr)输入端，谐振电容(Cr)输出端连接于电源(Vin)负极构成回路；输入侧电感(Lin)输出端还连于开关管(Q2)一端，开关管(Q2)另一端连于与高频隔离变压器(T1)原边绕组(Np)同名端相连的谐振电感(Lr)，高频隔离变压器(T1)原边绕组(Np)异名端连于开关管(Q1)一端，开关管(Q1)另一端连于电源(Vin)负极构成回路；谐振电感(Lr)输入端连接箝位二极管(Dp2)阴极，箝位二极管(Dp2)阳极连于电源(Vin)负极；高频隔离变压器(T1)原边绕组(Np)异名端连接于箝位二极管(Dp1)阳极，箝位二极管(Dp1)阴极连于输入侧电感(Lin)输出端，组成双管正激变换器；高频隔离变压器(T1)副边绕组(Ns)的同名端连于输出整流二极管(D1)阳极，输出整流二极管(D1)阴极连接于输出滤波电容(Co)正极，滤波电容(Co)负极连于高频隔离变压器副边绕组(Ns)的异名端，构成回路；负载(RL)输入端连于滤波电容(Co)正极，负载(RL)输入端连于滤波电容(Co)负极，组成输出滤波回路。
本发明中，谐振电感是变压器漏感，或是外加的独立电感。
本发明中，两相双管正激谐振DC/DC电路共用一个谐振电容(Cr)，并且其两相电路中的开关管的驱动信号的占空比相同、相位相差180度。
本发明还提供了另一种隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路，包括电源(Vin)和输出滤波电容(Co)；包括两个并联的DC/DC变换器电路结构；两个DC/DC电路共用一个谐振电容(Cr)，并且其两相电路中的开关管的驱动信号的占空比相同、相位相差180度；其中，第一DC/DC变换器包括：两个开关管(Q1、Q2)、两个箝位二极管(Dp1、Dp2)、高频隔离变压器(T1)、原边绕组(NP)、副边绕组(Ns)、输出整流二极管(D1)和谐振电感(Lr)；谐振电感(Lr)与变压器原边绕组串联；开关管(Q2)一端与箝位二极管(Dp1)的阴极相连，开关管(Q2)另一端连于箝位二极管(Dp2)的阴极、与高频隔离变压器(T1)原边绕组(Np)同名端相连的谐振电感(Lr)的输入端；高频隔离变压器(T1)原边绕组(Np)异名端连于开关管(Q1)一端和箝位二极管(Dp1)的阳极，开关管(Q1)另一端连于箝位二极管(Dp2)的阳极；高频隔离变压器(T1)副边绕组(Ns)的同名端连于输出整流二极管(D1)阳极，输出整流二极管(D1)阴极连接于输出滤波电容(Co)正极，滤波电容(Co)负极连于高频隔离变压器副边绕组(Ns)的异名端，构成回路；负载(RL)输入端连于滤波电容(Co)正极，负载(RL)输入端连于滤波电容(Co)负极，组成输出滤波回路；第二DC/DC变换器与第一DC/DC变换器具有相同的结构，且：所述电源(Vin)正极连接于输入侧电感(Lin)的输入端，输入侧电感(Lin)的输出端连接于第一DC/DC变换器中箝位二极管(Dp1)的负极、谐振电容(Cr)输入端；谐振电容(Cr)输出端连接于第二DC/DC变换器中箝位二极管(Dp4)的正极；第一DC/DC变换器中箝位二极管(Dp2)的正极接于电源(Vin)的负极。
本发明属于一种新的隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路，该电路中包含双管正激变换电路和输出滤波电路对输入的直流电压进行转换，通过并联谐振电路使加在功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间减小，从而达到减小开关损耗的目的。
采用本发明的软开关单路双晶体管正激DC/DC变换器电路，可以减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，使开关器件的功率损耗减小。本发明能降低电路的能耗，节约能源，提高能量转化效率，减小功率开关器件的热能产生，提高电路的工作稳定性，提高器件和电路的使用寿命。本发明适合于DC/DC直流电压转换的电源电路。
采用软开关技术，在输入级利用谐振电感Lr和谐振电容Cr产生并联谐振，使功率开关管工作在零电压开通以及准零电流关断状态，减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，从而减小了功率开关管的开关损耗。
本发明产生的有益效果包括：
1、由于在输入端采用软开关并联谐振技术，使功率开关管工作在零电压开通以及准零电流关断状态，减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，减小了功率开关管的开关损耗。
2、回收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率。
3、降低电路的能耗，节约能源。
3、实现高频化，提升功率密度。
4、减小功率开关器件的热能产生，提高电路的工作稳定性，提高器件和电路的使用寿命。
附图说明
图1是采用普通双晶体管正激DC/DC变换器电路的结构示意图；
图2是本发明采用软开关单路双晶体管正激DC/DC变换器电路的结构示意图；
图3本发明采用的软开关单路双管正激电路在ton时的等效电路；
图4本发明采用的软开关单路双管正激电路在toff时的等效电路；
图5本发明零电压开通和准零电流关断时开关管两端电压电流示意图；
图6本发明零电压开通时开关管两端电压电流示意图；
图7本发明零电流关断时开关管两端电压电流示意图；
图8两相交错并联隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路；
图9隔离型软开关双管正激谐振DC/DC全桥整流电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1：
一种单相隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路，其电路结构如图2所示。
参见附图2。一种单相隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路，电源Vin和输入端电感Lin组成恒流输出；开关管Q1、Q2，箝位二极管Dp1、Dp2，高频隔离变压器T1原边绕组NP组成双管正激变换器；谐振电感Lr和谐振电容Cr组成并联谐振电路；输出整流二极管D1，输出滤波电容Co组成输出整流滤波电路。
具体连接方式为：电源Vin正极连接于输入侧电感Lin的输入端，输入侧电感Lin的输出端连于谐振电容Cr输入端，谐振电容Cr输出端连接于电源Vin负极构成回路；输入侧电感Lin输出端还连于开关管Q2一端，开关管Q2另一端连于与高频隔离变压器T1原边绕组Np同名端相连的谐振电感Lr，高频隔离变压器T1原边绕组Np异名端连于开关管Q1一端，开关管Q1另一端连于电源Vin负极构成回路；谐振电感Lr输入端连接箝位二极管Dp2阴极，箝位二极管Dp2阳极连于电源Vin负极；高频隔离变压器T1原边绕组Np异名端连接于箝位二极管Dp1阳极，箝位二极管Dp1阴极连于输入侧电感Lin输出端，组成双管正激变换器；高频隔离变压器T1副边绕组Ns的同名端连于输出整流二极管D1阳极，输出整流二极管D1阴极连接于输出滤波电容Co正极，滤波电容Co负极连于高频隔离变压器副边绕组Ns的异名端，构成回路；负载RL输入端连于滤波电容Co正极，负载RL输入端连于滤波电容Co负极，组成输出滤波回路。
电源Vin和输入侧大电感Lin可等效为一个电流源I。本发明采用的软开关单路双管正激DC/DC变换器电路在toff时的等效电路，参见附图4。此时开关管Q1和开关管Q2断开，因为开关管Q1和Q2的开关频率大于谐振频率，电路负载呈现感性特征，电压相位超前于电流相位，在开关管Q1和Q2上六股的电流上升前，因为开关管Q1和Q2上并联的二极管已经导通电流，故开关管Q1和Q2两端电压已经降为导通电压，此时电流上升产生的导通损耗并不大，开关处于零电压开通。开关管两端电压Vds和流过开关管的电流变化情况如图6所示，发生零电压开通。本发明采用的软开关单路双管正激DC/DC变换器电路在ton时的等效电路，参见附图3。此时开关管Q1和开关管Q2导通，当Q1和Q2关断时，谐振电感Lr和谐振电容Cr发生谐振，开关管两端电压Vds和流过开关管的电流变化情况如图7所示，发生准零电流关断。
实施例2：
一种两相隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路，其电路结构如图8所示。
双管正激谐振DC/DC电路，其电路结构可以拓展到多个单元并联的DC/DC变换器电路结构。以两相交错并联的双管正激谐振DC/DC电路加以说明：电源Vin正极连接于输入侧电感Lin输入端，输入侧电感Lin输出端连于并联谐振电容Cr输入端，并联谐振电容Cr输出端连接于电源Vin负极构成回路；
输入侧电感Lin输出端连于开关管Q2一端，开关管Q2另一端连于与高频隔离变压器T1原边绕组Np1同名端相连的谐振电感Lr1，高频隔离变压器T1原边绕组Np1异名端连于开关管Q1一端，开关管Q1另一端连于电源Vin负极构成回路；谐振电感Lr1输入端连接箝位二极管Dp2阴极，箝位二极管Dp2阳极连于电源Vin负极；高频隔离变压器T1原边绕组Np1异名端连接于箝位二极管Dp1阳极，箝位二极管Dp1阴极连于输入侧电感Lin输出端，组成第一路双管正激变换器；
输入侧电感Lin输出端连于开关管Q4一端，开关管Q4另一端连于与高频隔离变压器T2原边绕组Np2同名端相连的谐振电感Lr2，高频隔离变压器T2原边绕组Np2异名端连于开关管Q3一端，开关管Q3另一端连于电源Vin负极构成回路；谐振电感Lr2输入端连接箝位二极管Dp4阴极，箝位二极管Dp4阳极连于电源Vin负极；高频隔离变压器T2原边绕组Np2异名端连接于箝位二极管Dp3阳极，箝位二极管Dp3阴极连于输入侧电感Lin输出端，组成第二路双管正激变换器；
高频隔离变压器T1副边绕组Ns1的同名端连于输出整流二极管D1阳极，输出整流二极管D1阴极连接于输出滤波电容Co正极，高频隔离变压器T2副边绕组Ns2的同名端连于输出整流二极管D2阳极，输出整流二极管D2阴极连接于输出滤波电容Co正极，滤波电容Co负极连于高频隔离变压器副边绕组Ns1的异名端，构成回路；滤波电容Co负极连于高频隔离变压器副边绕组Ns2的异名端，构成回路；负载RL输入端连于滤波电容Co正极，负载RL输入端连于滤波电容Co负极，组成输出滤波回路。
参见附图9，该两相隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路的控制策略为：开关管Q1和Q2的驱动信号同相位，同占空比；开关管Q3和Q4的驱动信号同相位，同占空比；开关管Q1和Q2的驱动信号与开关管Q3和Q4的驱动信号相位差为180度。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路，包括电源Vin、两个开关管Q1、Q2、两个箝位二极管Dp1、Dp2、高频隔离变压器T1、原边绕组NP、副边绕组Ns、输出整流二极管D1和输出滤波电容Co；其特征在于，该电路还包括输入侧电感Lin、谐振电感Lr和谐振电容Cr；谐振电容Cr与电源Vin并接，输入侧电感Lin位于谐振电容Cr与电源Vin之间；输入侧电感Lin输出端还连于开关管Q2一端，开关管Q2另一端连于与高频隔离变压器T1原边绕组NP同名端相连的谐振电感Lr，高频隔离变压器T1原边绕组NP异名端连于开关管Q1一端，开关管Q1另一端连于电源Vin负极构成回路；谐振电感Lr输入端连接箝位二极管Dp2阴极，箝位二极管Dp2阳极连于电源Vin负极；高频隔离变压器T1原边绕组NP异名端连接于箝位二极管Dp1阳极，箝位二极管Dp1阴极连于输入侧电感Lin输出端；谐振电感Lr和谐振电容Cr与输出电压Vo构成的负载组成串联谐振电路；变压器副边绕组Ns与输出整流二极管D1串联后的支路与输出电容Co并接。
2.根据权利要求1所述的双管正激谐振DC/DC电路，其特征在于，所述电源Vin正极连接于输入侧电感Lin的输入端，输入侧电感Lin的输出端连于谐振电容Cr输入端，谐振电容Cr输出端连接于电源Vin负极构成回路；输入侧电感Lin输出端还连于开关管Q2一端，开关管Q2另一端连于与高频隔离变压器T1原边绕组Np同名端相连的谐振电感Lr，高频隔离变压器T1原边绕组Np异名端连于开关管Q1一端，开关管Q1另一端连于电源Vin负极构成回路；谐振电感Lr输入端连接箝位二极管Dp2阴极，箝位二极管Dp2阳极连于电源Vin负极；高频隔离变压器T1原边绕组Np异名端连接于箝位二极管Dp1阳极，箝位二极管Dp1阴极连于输入侧电感Lin输出端，组成双管正激变换器；高频隔离变压器T1副边绕组Ns的同名端连于输出整流二极管D1阳极，输出整流二极管D1阴极连接于输出滤波电容Co正极，滤波电容Co负极连于高频隔离变压器副边绕组Ns的异名端，构成回路；负载RL输入端连于滤波电容Co正极，负载RL输出端连于滤波电容Co负极，组成输出滤波回路。
3.根据权利要求1或2所述的双管正激谐振DC/DC电路，其特征在于，谐振电感是变压器漏感，或是外加的独立电感。
4.隔离型软开关双管正激谐振DC/DC电路，包括电源Vin和输出滤波电容Co；其特征在于，还包括两个并联的DC/DC变换器电路；两个DC/DC变换器电路共用一个谐振电容Cr，并且其两相电路中的开关管的驱动信号的占空比相同、相位相差180度；
其中，第一DC/DC变换器包括：两个开关管Q1、Q2、两个箝位二极管Dp1、Dp2、高频隔离变压器T1、原边绕组NP、副边绕组Ns、输出整流二极管D1和谐振电感Lr；谐振电感Lr与变压器原边绕组串联；开关管Q2一端与箝位二极管Dp1的阴极相连，开关管Q2另一端连于箝位二极管Dp2的阴极、与高频隔离变压器T1原边绕组Np同名端相连的谐振电感Lr的输入端；高频隔离变压器T1原边绕组Np异名端连于开关管Q1一端和箝位二极管Dp1的阳极，开关管Q1另一端连于箝位二极管Dp2的阳极；高频隔离变压器T1副边绕组Ns的同名端连于输出整流二极管D1阳极，输出整流二极管D1阴极连接于输出滤波电容Co正极，滤波电容Co负极连于高频隔离变压器副边绕组Ns的异名端，构成回路；负载RL输入端连于滤波电容Co正极，负载RL输出端连于滤波电容Co负极，组成输出滤波回路；
第二DC/DC变换器与第一DC/DC变换器具有相同的结构，且：所述电源Vin正极连接于输入侧电感Lin的输入端，输入侧电感Lin的输出端连接于第一DC/DC变换器中箝位二极管Dp1的负极、谐振电容Cr输入端；谐振电容Cr输出端连接于第二DC/DC变换器中箝位二极管Dp4的正极；第一DC/DC变换器中箝位二极管Dp2的正极接于电源Vin的负极。
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