CN106655779A - 一种移相全桥软开关充电电路 - Google Patents

一种移相全桥软开关充电电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于充电机技术领域，具体公开一种移相全桥软开关充电电路，串联的第一开关管、第三开关管与串联的第二开关管、第四开关管并联；输入直电源的正极、负极分别与开关管的两端连接；第一开关管通过原边漏感与变压器的原边连接，变压器的原边与第四开关管连接；第五二极管与第六二极管串联，第七二极管与第八二极管串联，变压器的副边一端与第五二极管、第六二极管的连接处连接，变压器的副边另一端与第七二极管、第八二极管的连接处连接；第五二极管、第七二极管阴极与辅助谐振电路一端连接；第六二极管、第八二极管阳极与辅助谐振电路另一端连接。该电路能在负载范围内实现所有主开关和辅助开关的ZCS，实现了整流二二极管的软转换。

Description

一种移相全桥软开关充电电路
技术领域
本发明属于充电机技术领域，具体涉及一种移相全桥软开关充电电路。
背景技术
在大功率充电机中，通常采用全桥拓扑结构电路，并采用脉宽调制(PWM)方式调整充电机电压、电流输出。采用PWM调制方式，功率管通常工作在硬开关状态，传统的硬开关电路曾以结构简单、控制方便得到广泛的应用，但由于电子开关是一种“硬开关”，即功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的，电路的开关损耗很大，这使得PWM开关技术的高频化受到了许多的限制；
现代电源日益向软开关方向发展，目前在全桥变换电路中应用较为广泛的软开关技术主要是零电压软开关(ZVS)和零电压零电流软开关(ZVZCS)两种，在IGBT开关电路中主要采用零电压零电流软开关(ZVZCS)。
现有IGBT软开关ZVZCS电路中，超前臂的零电压开关主要依靠并联的电容和变压器漏感来实现。滞后臂零电流的实现有多种方式。有的在原边串联隔直电容和饱和电抗器的方法，这种电路中饱和电抗器在正常工作时工作在饱和状态，电路在换相期问依靠隔直电容使原边电流复位，实现零电流关断，缺点是饱和电感的损耗比较大，影响了整个***得效率；有的在滞后桥臂串入二二极管，它利用串联二极管阻断电容电压可能引起的原边电流的反向流动。可以在任意负载和输入电压变化范围内实现滞后桥臂的零电流开关，这种电路拓扑的缺点是由于在滞后桥臂串联了二极管，从而增大了原边的导通损耗；有的在副边采用耦合电感给钳位电容充电的方式实现ZCS，但是耦合电感不仅加工复杂成本高，而且增加了额外的损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种移相全桥软开关充电电路，该电路不仅能在负载范围内实现所有主开关和辅助开关的ZCS，还实现了整流二二极管的软转换，辅助电路的谐振电感也对主开关的导通有作用，存在于部分ZCS电路中的辅助开关反并联二二极管的反向恢复问题也得以消除。
实现本发明目的的技术方案：一种移相全桥软开关充电电路，该电路包括输入直电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、原边漏感、变压器、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、辅助谐振电路和电池Battery，串联的第一开关管、第三开关管与串联的第二开关管、第四开关管并联；输入直电源的正极与第一开关管的一端、第二开关管的一端连接，输入直电源的负极与第三开关管、第四开关管的一端连接；第一开关管的另一端与原边漏感的一端连接，原边漏感的另一端与变压器的原边一端连接，变压器的原边另一端与第四开关管另一端连接；第五二极管与第六二极管串联，第七二极管与第八二极管串联，变压器的副边一端与第五二极管、第六二极管的连接处连接，变压器的副边另一端与第七二极管、第八二极管的连接处连接；第五二极管、第七二极管的阳极与辅助谐振电路的一端连接，辅助谐振电路的该端与电池Battery的正极连接；第六二极管、第八二极管的阳极与辅助谐振电路的另一端连接，辅助谐振电路的该端与电池Battery的负极连接。
所述的辅助谐振电路与电源Battery之间设有LC滤波电路，LC滤波电路由滤波电感、滤波电感组成。
所述的第一开关管由IGBT1及与之并联的第一二极管(D10组成,GBT1的发射极分别与第一二极管的阳极、第一电容的一端、变压器的原边漏感的一端连接，变压器T1的原边漏感的另一端与变压器的原边一端连接；IGBT1的集电极C分别与第一二极管的阴极、第一电容的另一端连接。
所述的第二开关管由IGBT2及与之并联的第二二极管组成，IGBT2的发射极与第二二极管的阳极的一端连接，IGBT2的集电极C分别与第二二极管的阴极、第二电容的另一端连接；IGBT1的集电极C与IGBT2的集电极C连接。
所述的第三开关管由IGBT3及与之并联的第三二极管组成，IGBT3的发射极分别与第三二极管的阳极、第三电容的一端连接，IGBT3的集电极C分别与第三二极管的阴极、第三电容的另一端、IGBT1的发射极连接。
所述的第四开关管由IGBT4及与之并联的第四二极管组成，IGBT4的发射极分别与第四二极管的阳极、IGBT3的发射极连接，IGBT4的集电极C分别与第四二极管的阴极、第四电容的另一端、IGBT3的发射极、变压器的原边另一端连接；第一开关管与第三开关管的集电极C组成超前桥臂，第二开关管与第四开关管的集电极C组成滞后桥臂。
所述的辅助谐振电路由谐振电感、谐振电容，二极管、钳位二极管和辅助开关组成，第五二极管的阴极、第七二极管的阴极与辅助谐振电路的箝位二极管的阴极、谐振电容的一端，LC滤波电路的滤波电感的一端连接，第六二极管的阳极、第八二极管的阳极与辅助谐振电路的二极管的阳极、LC滤波电路的滤波电感的一端连接；箝位二极管的阳极、谐振电容的另一端与辅助二极管阴极、辅助开关的集极连接，箝位二极管的阳极、辅助开关的发射极与LC滤波电路的滤波电感的另一端连接。
本发明的有益技术效果：与传统的零电压零电流(ZVZCS)全桥变换器结构不同，副边设计为辅助谐振电路的ZVZCS全桥变换器结构，这种新型变换器能在负载范围内实现所有主开关和辅助开关的ZCS，该辅助电路引起的功率损耗较小，可以提高电源效率。副边钳位电路还可以对副边整流桥的二二极管起到尖峰电压钳位作用，使整流桥二二极管所承受的方向电压限制在一定范围内，减少了二二极管电压应力，实现了整流二二极管的软转换，无须再对整流桥设计缓冲电路。实现全桥电路IGBT功率管的零电压、零电流开关，在副边增加了一个辅助谐振电路，加在主变压器的副边，以实现主开关的ZCS移相全桥软开关充电电路拓扑结构。
附图说明
图1为本发明所提供的一种移相全桥软开关充电电路的结构示意图。
图2为本发明所提供的一种移相全桥软开关充电电路的九个工作阶段中的相关电压、电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，第一开关管S1由IGBT1及与之并联的第一二极管D1组成,IGBT1的发射极分别与第一二极管D1的阳极、第一电容C1的一端、变压器T1的原边漏感Lk的一端连接，变压器T1的原边漏感Lk的另一端与变压器T1的原边一端连接。IGBT1的集电极C分别与第一二极管D1的阴极、第一电容C1的另一端连接。第二开关管S2由IGBT2及与之并联的第二二极管D2组成，IGBT2的发射极与第二二极管D2的阳极的一端连接，IGBT2的集电极C分别与第二二极管D2的阴极、第二电容C2的另一端连接；IGBT1的集电极C与IGBT2的集电极C连接。第三开关管S3由IGBT3及与之并联的第三二极管D3组成，IGBT3的发射极分别与第三二极管D3的阳极、第三电容C3的一端连接，IGBT3的集电极C分别与第三二极管D3的阴极、第三电容C3的另一端、IGBT1的发射极连接。第四开关管S4由IGBT4及与之并联的第四二极管D4组成，IGBT4的发射极分别与第四二极管D4的阳极、IGBT3的发射极连接，IGBT4的集电极C分别与第四二极管D4的阴极、第四电容C4的另一端、IGBT3的发射极、变压器T1的原边另一端连接。第一开关管S1的E端连接第三开关管S3的集电极C组成超前桥臂，第二开关管S2的E端连接第四开关管S4的集电极C组成滞后桥臂。
Vs是输入直电源；输入直电源Vs的正极分别与第一开关管S1的集电极C、第二开关管S2的集电极C连接，输入直电源Vs的负极与第三开关管S3的发射极、第四开关管S4的发射极连接。
如图1所示，为了实现全桥电路IGBT功率管的零电压、零电流开关，在副边增加了一个辅助谐振电路，辅助谐振电路由一个谐振电感Lr、谐振电容Cr，二极管Dh、钳位二极管Dc和辅助开关Sa组成，加在主变压器T1的副边，以实现主开关的ZCS移相全桥软开关充电电路拓扑结构。滤波电感Lo、滤波电感Co构成输出的LC滤波电路。
变压器T1的副边一端与第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极连接，第五二极管D5与第六二极管D6串联。变压器T1的副边另一端与第七二极管D7的阳极、第八二极管D8的阴极连接，第七二极管D7的阳极与第八二极管D8的串联。第五二极管D5的阴极、第七二极管D7的阴极与辅助谐振电路的箝位二极管Dc的阴极、谐振电容Cr的一端，LC滤波电路的滤波电感Lo的一端连接。第六二极管D6的阳极、第八二极管D8的阳极与辅助谐振电路的二极管Dh的阳极、LC滤波电路的滤波电感Co的一端连接。箝位二极管Dc的阳极、谐振电容Cr的另一端与辅助二极管Da的阴极、辅助开关Sa的集极连接，箝位二极管Dc的阳极、辅助开关Sa的发射极与LC滤波电路的滤波电感Co的另一端连接。Battery为电池，电池Battery作为充电电路负载，其输出电压是Vo。电池Battery的正极与LC滤波电路的滤波电感Co的两端连接。
第一电容C1和第三电容C3分别是与超前臂第一开关管S1、第三开关管S3并联的缓冲电容，实现两个开关管的零电压ZVS开关。
Lk是变压器T1的原边漏感；T1是高频变压器，起能量传输作用；二极管D5～D8在变压器副边组成整流电路。
谐振电感Lr、谐振电容Cr、二极管Dh和辅助开关Sa在副边构成一个能量缓冲电路，在换相期间复位原边电流，实现滞后桥臂的零电流ZCS开关；
由于Lr、Cr谐振时候会产生相应的寄生振荡，会使得开关Sa的电压应力交高，所以在开关Sa与二极管D7之间添加了一个箝位二极管Dc，以提高辅助电路性能，有了这个箝位二极管Dc以后，就可以避免Sa的电压压力过高问题，如果在谐振前半周期辅助开关管突然关断了，Dc可以给ILk提供续流回路。
Lo、Co构成输出的LC滤波电路。
Battery为电池，作为充电电路负载，输出电压是Vo。
下面结合附图1和图2对为本发明所提供的一种移相全桥软开关充电电路的的工作原理进行说明，软开关电路的工作过程共分为九个阶段，
模态1(t0～t1)：开关管S1和S4同时导通，t0时刻开通辅助开关Sa，Lr、Cr发生谐振，副边电流和整流桥电压谐振上升，谐振电容上的电压达到最大值2(nVs-Vo)。
模态2(t1～t2)：t1时刻，辅助开关Sa关断，输出整流电压Vrec。立即回落到正常值nVs，在此模态下变换器输入能量经变压器传递到负载。
模态3(t2～t3)：开关管S1关断，开关管S4保持导通。原边电流在漏感Llk的作用下保持方向不变给第一电容Cl充电给第三电容C3放电，第一电容Cl的电压上升，第三电容C3的电压下降.变压器两端的电压快速线性的下降。如果认为漏感足够大，原边电流nIo基本保持不变，变压器原边的电压VAB也线性下降。
模态4(t3～t4)：变压器副边电压与原边以相同的速率下降，当电压下降到2(nVs-Vo)时，Dh导通，Cr放电，副边电压被电容电压箝位并反射到原边。原边电流IP在反射电压的作用下快速下降，IP仍然C1充电，C3放电。
模态5(t4～t5)：开关管S3被完全放电到零，D3导通。开关管S3可以在此阶段零电压开通。整个反射电压加在漏感上，电流在反射电压的作用下持续减小。
模态6(t5～t6)：当原边电流完全为零后。变压器副边输出电流为零，负载电流完全由谐振电容提供。副边电压快速下降，在此阶段结束时下降到零。
模态7(t6～t7)：谐振电容的电压下降到零后，钳位电容完全放电，因此副边整流二二极管全部导通，负载电流通过副边二二极管Dh、Dc续流，由于原边电流ip在t6时刻已经完全复位到零，因此在t8时刻滞后桥臂开关管S4，实现零电流关断。
模态8(t7～t8)：副边电流继续通过副边整流二二极管，t7～t8为滞后桥臂开关管S2、S4的死区时间。
模态9(t8～t9)：t8时刻开关管S2实现零电流开通，，这是由于漏感Lk的作用，原边电流ip不能够突变，电流在漏感的抑制下线性上升，开始负半周期。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (7)

1.一种移相全桥软开关充电电路，其特征在于：该电路包括输入直电源(Vs)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、原边漏感(Lk)、变压器(T1)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)、辅助谐振电路和电池Battery，串联的第一开关管(S1)、第三开关管(S3)与串联的第二开关管(S2)、第四开关管(S4)并联；输入直电源(Vs)的正极与第一开关管(S1)的一端、第二开关管(S2)的一端连接，输入直电源(Vs)的负极与第三开关管(S3)、第四开关管(S4)的一端连接；第一开关管(S1)的另一端与原边漏感(Lk)的一端连接，原边漏感(Lk)的另一端与变压器(T1)的原边一端连接，变压器(T1)的原边另一端与第四开关管(S4)另一端连接；第五二极管(D5)与第六二极管(D6)串联，第七二极管(D7)与第八二极管(D8)串联，变压器(T1)的副边一端与第五二极管(D5)、第六二极管(D6)的连接处连接，变压器(T1)的副边另一端与第七二极管(D7)、第八二极管(D8)的连接处连接；第五二极管(D5)、第七二极管(D7)的阳极与辅助谐振电路的一端连接，辅助谐振电路的该端与电池Battery的正极连接；第六二极管(D6)、第八二极管(D8)的阳极与辅助谐振电路的另一端连接，辅助谐振电路的该端与电池Battery的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种移相全桥软开关充电电路，其特征在于：所述的辅助谐振电路与电源Battery之间设有LC滤波电路，LC滤波电路由滤波电感(Lo)、滤波电感(Co)组成。
3.根据权利要求2所述的一种移相全桥软开关充电电路，其特征在于：所述的第一开关管(S1)由IGBT1及与之并联的第一二极管(D10组成,GBT1的发射极分别与第一二极管(D1)的阳极、第一电容(C1)的一端、变压器(T1)的原边漏感(Lk)的一端连接，变压器T1的原边漏感(Lk)的另一端与变压器(T1)的原边一端连接；IGBT1的集电极C分别与第一二极管(D1)的阴极、第一电容(C1)的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的一种移相全桥软开关充电电路，其特征在于：所述的第二开关管(S2)由IGBT2及与之并联的第二二极管(D2)组成，IGBT2的发射极与第二二极管(D2)的阳极的一端连接，IGBT2的集电极C分别与第二二极管(D2)的阴极、第二电容(C2)的另一端连接；IGBT1的集电极C与IGBT2的集电极C连接。
5.根据权利要求4述的一种移相全桥软开关充电电路，其特征在于：所述的第三开关管(S3)由IGBT3及与之并联的第三二极管(D3)组成，IGBT3的发射极分别与第三二极管(D3)的阳极、第三电容(C3)的一端连接，IGBT3的集电极C分别与第三二极管(D3)的阴极、第三电容(C3)的另一端、IGBT1的发射极连接。
6.根据权利要求5述的一种移相全桥软开关充电电路，其特征在于：所述的第四开关管(S4)由IGBT4及与之并联的第四二极管(D4)组成，IGBT4的发射极分别与第四二极管(D4)的阳极、IGBT3的发射极连接，IGBT4的集电极C分别与第四二极管(D4)的阴极、第四电容(C4)的另一端、IGBT3的发射极、变压器(T1)的原边另一端连接；第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的集电极C组成超前桥臂，第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的集电极C组成滞后桥臂。
7.根据权利要求6述的一种移相全桥软开关充电电路，其特征在于：所述的辅助谐振电路由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)，二极管(Dh)、钳位二极管(Dc)和辅助开关(Sa)组成，第五二极管(D5)的阴极、第七二极管(D7)的阴极与辅助谐振电路的箝位二极管(Dc)的阴极、谐振电容(Cr)的一端，LC滤波电路的滤波电感(Lo)的一端连接，第六二极管(D6)的阳极、第八二极管(D8)的阳极与辅助谐振电路的二极管(Dh)的阳极、LC滤波电路的滤波电感(Co)的一端连接；箝位二极管(Dc)的阳极、谐振电容(Cr)的另一端与辅助二极管(Da的)阴极、辅助开关(Sa)的集极连接，箝位二极管(Dc)的阳极、辅助开关(Sa)的发射极与LC滤波电路的滤波电感(Co)的另一端连接。
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