CN1734905A - 软开关pwm交错并联双管正激变换器 - Google Patents

Abstract

一种软开关PWM交错并联双管正激变换器，属电能变换装置的直流变换器。由两路双管正激变换器交错并联组成，电源(V_in)，功率开关管(Q₁)、(Q₂)，箝位二极管(D_C1)、(D_C2)，高频隔离变压器(T_r)原边第一绕组(N_P1)和第一变压器漏感(L_r1)组成一路双管正激变换器；电源(V_in)，功率开关管(Q₃)、(Q₄)，箝位二极管(D_C3)、(D_C4)，高频隔离变压器(T_r)原边第二绕组(N_P2)和第二变压器漏感(L_r2)组成另外一路双管正激变换器。输出整流二极管(D_R1)和(D_R2)，输出滤波电感(L_f)，输出滤波电容(C_f)组成输出整流滤波电路。该变换器保留了双管正激变换器电压应力低，可靠性高的优点。两路双管正激变换器共用一个高频变压器，提高了变压器磁芯的利用率。两路双管正激变换器交错互补工作，同一路双管正激变换器的两个开关管同时关断，但不同时开通。不需附加任何有源或无源电路实现了开关管的软开关，变换器不存在环流状态，减小了通态损耗，提高了变换效率和功率密度。

Description

软开关PWM交错并联双管正激变换器

一、技术领域

本发明的软开关PWM交错并联双管正激变换器，属电能变换装置的直流变换器。

二、背景技术

适用于高压输入大功率场合的DC/DC变换器有全桥变换器和双管正激变换器。全桥变换器易于实现开关管的软开关，但是存在桥臂直通的危险，降低了变换器的可靠性。而可靠性是所有电力电子装置的生命线，对航空电源尤有重要意义。双管正激变换器具有内在抗桥臂直通的能力，可靠性高，然而双管正激变换器的占空比只能小于0.5，变压器磁芯工作在磁化曲线的第一象限，而且不易实现软开关，难以提高变换器的转换效率和功率密度。1997年美国学者Kutkut提出了一种双桥变换器，由两路双管正激变换器交错并联构成，共用一个高频变压器，利用移相控制实现开关管的零电压开关，但是存在较大的环流，影响了变换器的效率。2003年南航严仰光教授提出了一种新型双路双管正激变换器，两路双管正激变换器共用一个高频变压器，并且共用原边箝位二极管，利用变压器漏感能量实现开关管的零电压开关。该变换器输出不含滤波电感，应用在直流变压器场合，不能实现输出稳压，不利于后级逆变器的优化设计。

三、发明内容

本发明的目的在于针对上述变换器的缺陷，研制一种软开关PWM交错并联双管正激变换器，以克服现有变换器存在的缺陷，在实现开关管的软开关和保留双管正激变换器电压应力低、可靠性高等优点的同时，使变换器不存在环流状态，减小通态损耗，提高变换效率和变换器功率密度。实现上述目的的软开关PWM交错并联双管正激变换器，由两路双管正激变换器交错并联组成，一路由电源正极连于第一功率开关管漏极，功率开关管源极连于与高频隔离变压器原边第一绕组同名端相连的第一变压器漏感，高频隔离变压器原边第一绕组异名端连于第二功率开关管漏极，其源极连于电源负极构成回路，在第一变压器漏感输入端与电源负极之间连接一个箝位二极管，在高频隔离变压器原边第一绕组异名端与电源正极之间同样连接一个箝位二极管组成一路双管正激变换器；另一路由电源正极连于第三功率开关管漏极，其源极连于与高频隔离变压器原边第二绕组异名端相连的第二变压器漏感，高频隔离变压器原边第二绕组同名端连于第四功率开关管漏极，其源极连于电源负极构成回路，在第二变压器漏感输入端与电源负端之间连接一个箝位二极管，在高频隔离变压器原边第二绕组同名端与电源正极之间同样连接一个箝位二极管组成第二路双管正激变换器，高频隔离变压器副边第一绕组的同名端连于第一输出整流二极管正极，高频隔离变压器副边第二绕组的异名端连于第二输出整流二极管正极，两个输出整流二极管的负极同时串联滤波电感，再串联滤波电容，滤波电容另一端连于高频隔离变压器副边第一绕组异名端与副边第二绕组同名端的连接点组成整流滤波回路。

本发明的控制方法，采用改进的PWM控制，两路双管正激变换器交错互补工作，同一路双管正激变换器的两个开关管同时关断，但不同时开通。本发明不需附加任何有源或无源电路实现了功率开关管的软开关，变换器不存在环流，减小通态损耗，提高变换效率和变换器功率密度。

四、附图说明

附图1是本发明的软开关PWM交错并联双管正激变换器电路结构示意图。

附图2是软开关PWM交错串联双管正激变换器电路结构示意图。

附图3是软开关PWM交错并联双管正激变换器主要波形示意图。

附图4-8是各开关模态的等效电路结构示意图

上述附图中的主要符号名称：V_in——电源电压。Q₁～Q₄——功率开关管。C₁～C₄——功率开关管的寄生电容。D₁～D₄——功率开关管的体二极管。D_C1～D_C1——箝位二极管。C_d1～C_d2——输入分压电容。T_r——高频变压器；变压器原副边变比为K。L_r1、L_r2——变压器漏感。N_P1、N_P2——高频隔离变压器原边绕组；N_S1、N_S2——高频隔离变压器副边绕组。D_R1、D_R2——输出整流二极管。L_f——滤波电感。C_f——滤波电容。R_Ld——负载。V_o出电压。I_o——输出电流。

五、具体实施方式

附图1是软开关PWM交错并联双管正激变换器结构示意图。附图2是软开关PWM交错串联双管正激变换器结构示意图。以附图1的软开关PWM交错并联双管正激变换器为例，由两路双管正激变换器交错并联组成。一路由电源V_in正极连于第一功率开关管Q₁漏极，功率开关管Q₁源极连于与高频隔离变压器T_r原边第一绕组N_P1同名端相连的第一变压器漏感L_r1，高频隔离变压器T_r原边第一绕组N_P1异名端连于第二功率开关管Q₂漏极，其源极连于电源V_in负极构成回路，在第一变压器漏感L_r1输入端与电源V_in负极之间连接箝位二极管D_C1，在高频隔离变压器T_r原边第一绕组N_P1异名端与电源正极之间连接箝位二极管D_C2组成一路双管正激变换器；另一路由电源V_in正极连于第三功率开关管Q₃漏极，其源极连于与高频隔离变压器T_r原边第二绕组N_P2异名端相连的第二变压器漏感L_r2，高频隔离变压器T_r原边第二绕组N_P2同名端连于第四功率开关管Q₄漏极，其源极连于电源V_in负极构成回路，在第二变压器漏感L_r2输入端与电源V_in负极之间连接箝位二极管D_C3，在高频隔离变压器T_r原边第二绕组N_P2同名端与电源V_in正极之间同样连接箝位二极管D_C4组成第二路双管正激变换器，高频隔离变压器T_r副边第一绕组N_S1的同名端连于第一输出整流二极管D_R1正极，高频隔离变压器副边第二绕组N_S2的异名端连于第二输出整流二极管D_R2正极，两个输出整流二极管的负极同时串联滤波电感L_f，再串联滤波电容C_f，滤波电容C_f另一端连于高频隔离变压器T_r副边第一绕组N_S1异名端与副边第二绕组N_S2同名端的连接点组成整流滤波回路。

控制方法如下：两路双管正激变换器180°互补工作。开关管Q₁和Q₃为180°互补导通，开关管Q₁和Q₂同时关断，开关管Q₂相对于开关管Q₁滞后一个相位开通；开关管Q₃和Q₄同时关断，开关管Q₄相对于开关管Q₂滞后一个相位开通。故定义开关管Q₁和Q₃为超前管，开关管Q₂和Q₄为滞后管。开关管Q₂和Q₄PWM工作，通过调节开关管Q₂和Q₄的脉冲宽度来调节输出电压。控制芯片采用1片3895。超前管Q₁、Q₃实现零电压开通和关断，滞后管Q₂和Q₄实现零电流开通、零电压关断，从而减小开关管的开关损耗，提高变换效率。下面以附图1为主电路结构，结合附图3～8叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个变换器在一个开关周期有10种开关模态，分别是[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₁，t₃]、[t₃，t₄]、[t₄，t₅]、[t₅，t₆]、[t₆，t₇]、[t₇，t₈]、[t₈，t₉]、[t₉，t₁₀](见附图2)，其中，[t₀，t₅]为前半周期，[t₅，t₁₀]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

在分析之前，作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件；②所有电感、电容和变压器均为理想元件；③滤波电感L_f足够大，可等效为输出电流I_o的电流源。

1.开关模态1[t₀，t₁][对应于附图4]开关管Q₁、Q₂导通，副边整流管D_R1导通，整流管D_R2截止，变换器通过变压器绕组N_P1向负载传递能量。

2.开关模态2[t₁，t₂][对应于附图5]t₁时刻关断开关管Q₁、Q₂，原边电流i_Np1给电容C₁、C₂充电，原边电流i_Np2给电容C₃、C₄放电，i_Np1＝i_Np2＝I_o/2K。开关管Q₁、Q₂两端电压线性上升，为零电压关断。到t₂时刻，开关管Q₁、Q₂两端电压上升到V_in/2，开关管Q₃、Q₄两端电压下降到零，此时可以零电压开通开关管Q₃。

3.开关模态3[t₂，t₃][对应于附图6]在t₂时刻，二极管D_C1、D_C2导通，此时副边整流管D_R1、D_R2同时导通，变压器原副边电压被箝位在零。原边电流i_Np1在输入电压的作用下线性减小。

4.开关模态4[t₃，t₄][对应于附图7]t₃时刻原边电流i_Np1减小为零，二极管D_C1、D_C2自然截止，开关管Q₁、Q₂两端电压箝位在V_in/2。

5.开关模态5[t₄，t₅][对应于附图8]t₄时刻，开关管Q₄开通，由于漏感L_r2的作用，原边电流i_Np2缓慢上升，开关管Q₄为零电流开通。开关管Q₃已在t₄时刻开通，原边电流i_Np2在输入电压的作用下线性上升。漏感L_r1与电容C₁、C₂谐振工作，开关管Q₁、Q₂两端电压线性上升。t₅时刻，开关管Q₁、Q₂两端电压上升到V_in，i_Np2＝I_o/K副边整流二极管D_R1截止。此后，变换器通过绕组N_P2向负载传递能量。变换器开始另一半周期工作，其工作情况类似于上述的半个周期。

由以上描述可知，本发明提出的软开关PWM交错并联双管正激变换器具有如下优点：

该变换器保留了双管正激变换器开关管电压应力低、不存在桥臂直通、可靠性高等优点。

采用变压器的磁集成技术，两路双管正激变换器共用一个高频变压器，提高了磁芯利用率。

采用改进的PWM控制策略，超前管实现零电压开通和关断，滞后管实现零电流开通、零电压关断，通过调节滞后管的脉冲宽度来调节输出电压，大大减小了开关损耗，有利于实现变换器的高频化。

不需附加任何有源或无源电路实现了原边电流的复位，不存在环流状态，大大减小了通态损耗，提高了变换效率。

Claims (2)

1、一种软开关PWM交错并联双管正激变换器，由两路双管正激变换器交错并联组成，其特征在于，由电源(Vin)正极连于第一功率开关管(Q1)漏极，功率开关管(Q1)源极连于与高频隔离变压器(Tr)原边第一绕组(NP1)同名端相连的第一变压器漏感(Lr1)，高频隔离变压器(Tr)原边第一绕组(NP1)异名端连于第二功率开关管(Q2)漏极，其源极连于电源(Vin)负极构成回路，在第一变压器漏感(Lr1)输入端与电源(Vin)负极之间连接箝位二极管(DC1)，在高频隔离变压器(Tr)原边第一绕组(NP1)异名端与电源正极之间连接箝位二极管(DC2)组成一路双管正激变换器；另一路由电源(Vin)正极连于第三功率开关管(Q3)漏极，其源极连于与高频隔离变压器(Tr)原边第二绕组(NP2)异名端相连的第二变压器漏感(Lr2)，高频隔离变压器(Tr)原边第二绕组(NP2)同名端连于第四功率开关管(Q4)漏极，其源极连于电源(Vin)负极构成回路，在第二变压器漏感(Lr2)输入端与电源(Vin)负极之间连接箝位二极管(DC3)，在高频隔离变压器(Tr)原边第二绕组(NP2)同名端与电源(Vin)正极之间同样连接箝位二极管(DC4)组成第二路双管正激变换器，高频隔离变压器(Tr)副边第一绕组(NS1)的同名端连于第一输出整流二极管(DR1)正极，高频隔离变压器副边第二绕组(NS2)的异名端连于第二输出整流二极管(DR2)正极，两个输出整流二极管的负极同时串联滤波电感(Lf)，再串联滤波电容(Cf)，滤波电容(Cf)另一端连于高频隔离变压器(Tr)副边第一绕组(NS1)异名端与副边第二绕组(NS2)同名端的连接点组成整流滤波回路。

2、一种交错串联软开关PWM交错并联双管正激变换器，其特征在于，将权利要求1所述的两路双管正激变换器交错串联组成。

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