CN104158414A - 内电感全桥变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内电感全桥变换器，属于电力电子变换器的技术领域。所述的内电感全桥变换器包括依次连接的全桥变换结构、变压器、整流电路、滤波电路，所述滤波电路为一个电容，所述电容并联在该变换器的输出端。通过去掉传统变换器滤波电路的大电感，只保留一个电容滤波，一方面使得滤波电路的体积减小，另一方面消除了整流二极管的电压震荡，解决了现有变换器体积大，整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题。

Description

内电感全桥变换器

技术领域

本发明涉及内电感全桥变换器，属于电力电子变换器领域。

背景技术

全桥变换器适合于高输入电压和中大功率场合，在通讯开关电源、电力操作电源等领域已得到广泛应用。无需外加辅助开关，全桥变换器中独特的桥臂结构易于实现开关管的软开关工作(有源箝位软开关技术也可看成是在变换器内部构造出桥臂结构)，从而可以大幅提高开关频率，有利于效率和功率密度的提升。但是传统ZVS移相全桥变换器存在软开关范围窄、变压器副边占空比丢失、整流二极管电压振荡缺点、而且传统变换器由于滤波单元采用大电感与电容结合的电路，使得变换器的体积普遍较大，占用空间大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种内电感全桥变换器，通过去掉传统变换器滤波电路的大电感，只保留一个电容滤波，一方面使得滤波电路的体积减小，另一方面消除了整流二极管的电压震荡，解决了现有变换器体积大，整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题，提高了变换器的效率和功率密度。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

内电感全桥变换器，包括依次连接的全桥变换结构、变压器、整流电路、滤波电路，所述全桥变换结构包括第一至第四开关管，其中第一开关管与第三开关管组成第一变换桥臂，第二开关管与第四开关管组成第二变换桥臂；所述滤波电路为一个滤波电容，所述滤波电容并联在该变换器的输出端。

所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。

所述全桥整流电路包括第一至第四整流二极管，其中第一整流二极管与第三整流二极管组成第一整流桥臂，第二整流二极管与第四整流二极管组成第二整流桥臂；所述变压器原边绕组的一端与第一变换桥臂的中点连接，变压器原边绕组的另一端与第二变换桥臂的中点连接，所述变压器副边绕组的一端与第一整流桥臂的中点连接，变压器副边绕组的另一端与第二整流桥臂的中点连接。

所述全波整流电路包括第一整流二极管、第二整流二极管；所述变压器原边绕组的一端与第一变换桥臂的中点连接，变压器原边绕组的另一端与第二变换桥臂的中点连接，所述变压器的副边绕组包括第一至第三端口，变压器副边绕组的第一端与第一整流二级管的阳极连接，变压器副边绕组的第二端与第二整流二级管的阳极连接，第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极均与所述滤波电容的一端连接，滤波电容的另一端与变压器副边绕组的第三端连接。

所述第一至第四开关管的输入端、输出端之间均并联一个二极管与一个电容，其中，所述二极管的阴极与开关管的输入端连接，二极管的阳极与开关管的输出端连接。

所述第一至第四开关管为三极管、IGBT管、MOS管中的一种。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、该电路结构比传统的变换器结构缺少了一个大电感，使得变换器的体积减小。

2、由于没有大的滤波电感存在，使得变换器的转换效率得到提高。

3、整流二极管无反向恢复震荡问题。

附图说明

图1为全桥整流的内电感全桥变换器。

图2为全波整流的内电感全桥变换器。

图3为内电感全桥变换器电感电流，桥臂中点电压，变压器副边电压波形。

图4(a)为带全波整流电路的内电感全桥变换器开关模态0的等效电路图。

图4(b)为带全波整流电路的内电感全桥变换器开关模态1的等效电路图。

图4(c)为带全波整流电路的内电感全桥变换器开关模态2的等效电路图。

图4(d)为带全波整流电路的内电感全桥变换器开关模态3的等效电路图。

图4(e)为带全波整流电路的内电感全桥变换器开关模态4的等效电路图。

图4(f)为带全波整流电路的内电感全桥变换器开关模态5的等效电路图。

图5为当输入电压V_in＝50V，输出电压V_o＝40V时实验波形。

图6为输入电压V_in＝80V，输出电压V_o＝40V时实验波形。

图中标号说明：V_in为直流电压源；Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为第一、第二、第三、第四功率开关管，D_r1、D_r2、D_r3、D_r4为第一至第四整流二极管，C_o为滤波电容，R_o为负载；T_r为变压器。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1、图2所示的内电感全桥变换器，包括依次连接的全桥变换结构、变压器、整流电路、滤波电路，所述全桥变换结构包括开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，其中开关管Q₁与开关管Q₃组成第一变换桥臂，开关管Q₂与开关管Q₄组成第二变换桥臂；所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。

全桥整流电路包括整流二极管D_r1、D_r2、D_r3、D_r4，其中整流二极管D_r1与整流二极管D_r3组成第一整流桥臂，整流二极管D_r2与整流二极管D_r4组成第二整流桥臂；所述变压器T_r原边绕组的一端与第一变换桥臂的中点连接，变压器T_r原边绕组的另一端与第二变换桥臂的中点连接，所述变压器T_r副边绕组的一端与第一整流桥臂的中点连接，变压器T_r副边绕组的另一端与第二整流桥臂的中点连接，所述滤波电路为一个电容C_o，所述电容C_o并联在该变换器的输出端，全桥变换结构输入端接直流电压源V_in，滤波电路输出端接负载R_o，电感L_r为变压器T_r的等效漏感。采用该结构的变换器，整流二极管无反向恢复震荡。

全波整流电路包括第一整流二极管D_r1、第二整流二极管D_r2；所述变压器T_r原边绕组的一端与第一变换桥臂的中点A连接，变压器T_r原边绕组的另一端与第二变换桥臂的中点B连接，所述变压器T_r的副边绕组包括第一至第三端口，其中，第二端为变压器副边绕组的中间抽头，变压器T_r副边绕组的第一端与第一整流二级管D_r1的阳极连接，变压器T_r副边绕组的第二端与第二整流二级管D_r2的阳极连接，第一整流二极管D_r1的阴极、第二整流二极管D_r2的阴极均与所述滤波电容的一端连接，滤波电容的另一端与变压器T_r副边绕组的第三端连接。

所述开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的输入端、输出端之间均并联一个二极管与一个电容，其中，所述二极管的阴极与开关管的输入端连接，二极管的阳极与开关管的输出端连接；开关管Q₁的输入输出端之间并联二极管D₁、电容C₁；开关管Q₂的输入输出端之间并联二极管D₂、电容C₂；开关管Q₃的输入输出端之间并联二极管D₃、电容C₃；开关管Q₄的输入输出端之间并联二极管D₄、电容C₄。

所述开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为三极管、IGBT管、MOS管中的一种。

本发明的工作原理及工作过程如下：

本发明内电感全桥变换器的全桥变换结构的控制信号电压V_g、电感电流I_p、桥臂中点电压V_AB、变压器副边电压V_CD的波形如图3所示，其工作过程分为6个开关模态，分别为开关模态0至开关模态5，具体描述如下：

开关模态0，对应图3中的t₀时刻：等效电路如图4(a)所示，在t₀时刻之前，Q₃和Q₄都导通，原边电流I_P由地经二极管D₄、漏感L_r、变压器原边绕组以及开关管Q₃最后回到地。副边电流回路是：下面副边绕组的负端，经第二整流二极管Dr₂，滤波电容C_o与负载R回到下面副边绕组的正端。

开关模态1，对应图3中的[t₀,t₁]：等效电路如图4(b)所示，t₀时刻关断Q₃，I_P从Q₃中转移到C₃和C₁的支路中，给C₃充电，同时C₁被放电，由于C₃、C₁和Q3是零电压关断，在t₁时刻C₃充电到V_in，D₁自然导通。

开关模态2，对应图3中的[t₁,t₂]：等效电路如图4(c)所示，D₁导通后，开通Q₁，由于D₁的存在，Q₁中没有电流流过，I_P逐渐反向减小到0，副边整流二极管Dr₂关断换流。

开关模态3，对应图3中的[t₂,t₃]：等效电路如图4(d)所示，I_P由负值过零并且正方向增大，变压器原边电压下正上负，上面副边绕组上正下负Dr₁开通，至t₃时刻Q₄关断。

开关模态4，对应图3中的[t₃,t₄]：等效电路如图4(e)所示，I_P由Q₄转移到C₂，C₄的支路上，给C₄充电C₂放电，由于C₂和C₄，Q₄为零电压关断，在t₄时刻C₂放电到零，D₂自然导通。

开关模态5，对应图3中的[t₄,t₅]：等效电路如图4(f)所示I_P由电源正流经Q₁经原边绕组，L_r，D₂回到电源正，在这期间开通Q₂，由于D₂的存在，Q₂中没有电流流过。由于是在D₂导通时开通Q₂所以Q₂是零电压开通。

在t₅时刻，Q₁关断，变换器开始另一半个周期的工作其工作情况类似于上述的半个周期。

由上述分析可得增益表达式为：

$G=\frac{V_o}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{\sqrt{16L_r^2{f}_s^2+k^4{R}^2(1-D^2)-4L_r{f}_s}}{k^{3}R}$

其中f_s为开关频率，L_r为漏感，k为变压器变比，令Q₄先于Q₁管关断，其相移为D，V_o为输出电压，V_in为输入电压。

下面通过具体实施例的数据说明采用本发明结构的有益效果：

实施例一，如图5所示，输入电压V_in＝50V，输出电压V_o＝40V，图中U_AB为变压器原边的输入电压，I_P为漏感电流，U_Dr为整流二极管电压，V_o为输出电压，其中U_AB，I_P，U_Dr，V_o所在坐标***，横坐标均为4微秒/单元格，U_AB的纵坐标为100伏/单元格，I_p的纵坐标为20安/单元格，U_Dr的纵坐标为40伏/单元格，V_o的纵坐标均为40伏/单元格，从图中可以看出，整流二极管在关断时无反向恢复震荡，变换器的效率得以提高，开关噪声也减小。

实施例二，如图6所示，输入电压V_in＝80V，输出电压V_o＝40V，图中U_AB为变压器原边的输入电压，I_P为漏感电流，U_Dr为整流二极管电压，V_o为输出电压，其中U_AB，I_P，U_Dr，V_o所在坐标***，横坐标均为4微秒/单元格，U_AB的纵坐标为100伏/单元格，I_P的纵坐标为20安/单元格，U_Dr的纵坐标为40伏/单元格，V_o的纵坐标均为40伏/单元格，从图中可以看出，整流二极管在关断时无反向恢复震荡，变换器的效率得以提高，开关噪声也减小。

可见，整流侧二极管无反向恢复震荡问题。

Claims (6)

1.内电感全桥变换器，包括依次连接的全桥变换结构、变压器、整流电路、滤波电路，所述全桥变换结构包括第一至第四开关管，其中第一开关管与第三开关管组成第一变换桥臂，第二开关管与第四开关管组成第二变换桥臂；其特征在于：所述滤波电路为一个滤波电容，所述滤波电容并联在该变换器的输出端。

2.根据权利要求1所述的内电感全桥变换器，其特征在于：所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。

3.根据权利要求2所述的内电感全桥变换器，其特征在于：所述全桥整流电路包括第一至第四整流二极管，其中第一整流二极管与第三整流二极管组成第一整流桥臂，第二整流二极管与第四整流二极管组成第二整流桥臂；所述变压器原边绕组的一端与第一变换桥臂的中点连接，变压器原边绕组的另一端与第二变换桥臂的中点连接，所述变压器副边绕组的一端与第一整流桥臂的中点连接，变压器副边绕组的另一端与第二整流桥臂的中点连接。

4.根据权利要求2所述的内电感全桥变换器，其特征在于：所述全波整流电路包括第一整流二极管、第二整流二极管；所述变压器原边绕组的一端与第一变换桥臂的中点连接，变压器原边绕组的另一端与第二变换桥臂的中点连接，所述变压器的副边绕组包括第一至第三端口，变压器副边绕组的第一端与第一整流二级管的阳极连接，变压器副边绕组的第二端与第二整流二级管的阳极连接，第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极均与所述滤波电容的一端连接，滤波电容的另一端与变压器副边绕组的第三端连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的内电感全桥变换器，其特征在于：所述第一至第四开关管的输入端、输出端之间均并联一个二极管与一个电容，其中，所述二极管的阴极与开关管的输入端连接，二极管的阳极与开关管的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的内电感全桥变换器，其特征在于：所述第一至第四开关管为三极管、IGBT管、MOS管中的一种。