專利名稱：一種移相全橋軟開關電路的原邊箝位電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及直;jfu/直流(DC/DC)變換器，尤其涉及軟開關移相全橋
軟開關電路及其原邊箝位電路。
背景技術：
移相全橋軟開關電路以其電路簡單、控制容易、電磁千擾(EMI， Electro Magnetic Interference)小以及效率高等優點而得到廣泛應用。為了實現零電 壓開關(ZVS， Zero Voltage Switching),通常在移相全橋軟開關電路的原邊 引入一個諧振電感，導致副邊整流二極管反向恢復過程中產生較大的電壓尖 峰和振蕩。這不僅增加二極管損耗、使電路EMI性能變差、而且還迫使設計 人員選擇較高耐壓等級的輸出整流二極管。隨著二極管耐壓等級的提高，其 反向恢復時間一般會更長，從而又會導致電路的性能更差。
Richard Redl等在"A Novel Soft-Switching Full-Bridge DC-DC Converter: Analysis, Design Considerations, and Experimental Results at 1.5kW, 100kHz; IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.6.No.3.July 1991" 中提出一種較好的解決方案，其電路拓樸如圖l所示，在變壓器和諧振電感 之間增加兩個箝位二極管(D5， D6)，使在輸出二極管(DR1， DR2)反向 恢復期間諧振電感儲存的多余能量在箝位階段釋放到輸入電源中，減小整流 二極管電壓振蕩和尖峰。但該方案中，多余能量的釋放過程快慢不可控制， 只能由電路本身特性、參數決定，這就造成箝位二極管的工作條件往往很差， 無法實現零電流開關，降低了電路的可靠性并限制了變換器的效率水平。
為了解決箝位二極管工作條件差等問題，名為"一種諧振電感電壓箝位 的軟開關全橋移相電路"(申請號03114296.6;發明人張華建、呂明海、 王國泳、黃伯寧；
公開日2003.11.12)的專利文獻提出了一種箝位電路，它 利用輔助電感的箝位繞組解決輸出二極管反響恢復期間引起的問題，其一個典型應用如圖2所示，輔助電感(Lr)的箝位繞組支路串聯一個電阻Rw, 以保證電路在每個開關周期中，將諧振電感的多余能量及時消耗掉，使箝位 二極管及時地自然關斷，避免其反向恢復過程造成寄生參數等效元件的諧振， 提高電路可靠性。然而經實驗發現，由于輔助電感諧振繞組與箝位繞組的匝 比k大于等于l,在此情況下若在箝位支路引入電阻Rw，則會明顯影響輸出 整流二極管的箝位效果，即對電壓尖峰抑制得很不理想，并且有一部分能量 以發熱的形式消耗在該電阻上，限制了電路效率水平。
發明內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種移相全橋軟開關電路的原邊 箝位電路，能夠消除了箝位二極管反向恢復產生的影響，提高電路的可靠性， 且保證對輸出二極管的箝位效果和電路效率水平。
為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種移相全橋軟開關電路的 原邊箝位電路，包括輔助電感、第一箝位二極管以及第二箝位二極管，該電 路還包括一緩沖電感、第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件；其中，輔 助電感的箝位繞組其一端與諧振繞組一端共同連接于移相全橋軟開關電路的 一個開關橋臂的中點，該箝位繞組的另一端與緩沖電感連接，通過該緩沖電 感的另一端連接于第一輔助箝位元件和第二輔助箝位元件的中點；諧振繞組 的另 一端連接于第 一箝位二極管和第二箝位二極管的中點；諧振繞阻與箝位 繞阻的匝比值略小于1。
進一步地，第 一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件分別采用第 一輔助 箝位二極管和第二輔助箝位二極管，即箝位繞組的另 一端與緩沖電感連接， 通過緩沖電感的另 一端連接于第 一輔助箝位二極管和第二輔助箝位二極管的 中點；第一輔助箝位二極管的陰極與電源正極相連，第一輔助箝位二極管的 陽極與第二輔助箝位二極管的陰極連接于該中點，第二輔助箝位二極管的陽 極連接電源負極。
進一步地，第 一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件分別采用第 一輔助 箝位電容和第二輔助箝位電容，即箝位繞組的另一端與緩沖電感連接，通過 緩沖電感的另一端連接于第一輔助箝位電容和第二輔助箝位電容的中點。為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種移相全橋軟開關電路， 包括超前臂中第一開關管、第二開關管，滯后臂中第三開關管、第四開關管、 與所述第三開關管及所述第四開關管中點相連的原邊電感，以及與所述原邊
電感和所述第一開關管及所述第二開關管中點連接的原邊箝位電路，其中
該箝位電路包括箝位電路包括輔助電感、第一箝位二極管、第二箝位二 極管、緩沖電感、第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件；其中，輔助電 感的箝位繞組其一端與諧振繞組一端共同連接于移相全橋軟開關電路的一個 開關橋臂的中點，箝位繞組的另一端與緩沖電感連接，通過緩沖電感的另一 端連接于第一輔助箝位元件和第二輔助箝位元件的中點；諧振繞組的另一端 連接于第一箝位二極管和第二箝位二極管的中點；諧振繞阻與箝位繞阻的匝 比值略小于1。
進一步地，第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件分別采用第 一輔助 箝位二極管和第二輔助箝位二極管，即箝位繞組的另一端與緩沖電感連接， 通過緩沖電感的另 一端連接于第 一輔助箝位二極管和第二輔助箝位二極管的 中點；第一輔助箝位二極管的陰極與電源正極相連，該第一輔助箝位二極管 的陽極與第二輔助箝位二極管的陰極連接于所述中點，該第二輔助箝位二極 管的陽極連接電源負極。
進一步地，第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件分別采用第一輔助 箝位電容和第二輔助箝位電容，即箝位繞組的另一端與緩沖電感連接，通過 緩沖電感的另一端連接于第一輔助箝位電容和第二輔助箝位電容的中點。
本實用新型采用一對輔助二極管D7、 D8將箝位二極管D5、 D6—部分 電流轉移出來而自然零流關斷，而D7、 D8電流由于輔助電感La和箝位繞組 的作用而緩慢變化，使反向恢復的影響甚微而可以忽略。因此該方案不僅消 除了箝位二極管反向恢復帶來的影響，極大地提高了電路的可靠性；并且由 于沒有引入耗能電阻Rw，故很好地保證了對輸出二極管的箝位效果和效率 水平。
圖1是RichardRedl提出的移相全橋軟開關電路二極管原邊箝位拓樸；
圖2是現有的移相全橋軟開關電路電感電壓箝位拓樸的一個典型應用；
圖3是本實用新型的移相全橋軟開關電路中原邊箝位電路的一個實施 例的電路圖4是圖3等效的電路圖5 ~圖15是圖3所示電路在模式1至模式11階段等效電路和電流流 通路徑示意圖16是本實用新型的移相全橋軟開關電路中原邊箝位電路拓樸箝位二 極管的電流波形與RichardRedl拓樸對比情況示意圖17是本實用新型的移相全橋軟開關電路中原邊箝位電路與與應用諧 振電感電壓箝位電路輸出整流二極管電壓尖峰對比圖18是本實用新型的移相全橋軟開關電路中原邊箝位電路與應用諧振 電感電壓箝位電路時效率水平對比曲線圖。
具體實施方式
本實用新型提出一種移相全橋軟開關電路的原邊箝位電路，采用帶有箝 位二極管反向恢復電流抑制電路的無損箝位方案，該原邊箝位電路包括輔助 電感Lr，緩沖電感La，原邊箝位二極管D5、 D6以及輔助箝位二極管D7、 D8。其中，輔助電感的箝位繞組其一端與諧振繞組一端共同連接于一個開關 橋臂的中點，另一端與緩沖電感La串聯后連接于輔助箝位二極管D7、 D8中 點；諧振繞組另一端連接于原邊箝位二極管D5、 D6中點。
下面通過優選實施例并結合附圖對本實用新型上述技術方案的工作原理 及其所取得的技術效果作進一步詳解。
本實用新型主要解決軟開關移相全橋電路輸出整流二極管反向恢復所帶 來的問題，同時兼顧箝位二極管的工作條件，使其零電流自然關斷，提高電 路的可靠性和效率。由此，提出一種帶有箝位二極管反向恢復電流抑制電路的無損箝位方案，如圖3所示，該原邊箝位電路包括輔助電感Lr (該輔助電
感Lr的諧振繞阻與箝位繞阻的匝比k值應略小于1)，原邊箝位二極管D5、 D6，并還增加一緩沖電感La和兩個輔助箝位二極管D7、 D8。其中，輔助電 感的箝位繞組其一端與諧振繞組一端共同連接于一個開關橋臂的中點，另一 端與緩沖電感U串聯后連接于輔助箝位二極管D7、 D8中點；諧振繞組另一 端連4lr于原邊箝位二極管D5、 D6中點。增加的緩沖電感La和輔助箝位二^L 管D7、 D8構成了上述無損箝位方案中的箝位二極管反向恢復電流無損抑制 電路。這兩個輔助箝位二極管通過緩沖電感U以無損吸收方式將原邊箝位二 極管一部分電流轉移出來，使其零流自然關斷，可以解決原邊箝位二極管的 反向恢復問題，從而避免輔助電感與寄生參數等效元件在電路中產生劇烈振 蕩。
上述箝位二極管反向恢復電流無損抑制電路中的二極管D7、 D8的輔助 箝位作用，實際上也可以通過兩個電容器件實現。
下面以圖3為例，結合圖4 圖15介紹本電路的工作原理。
對于移相全橋電路，器件本身的寄生參數在開關過程中對電路特性有較 為顯著的影響。在分析過程中，需要對一些重要的器件參數進行等效。對于 MOS管，本身的寄生體二極管和DS結電容在圖3中已經畫出，如D1、 Cl 為Ql的寄生參數。變壓器漏感相對輔助電感的諧振繞組可做的非常小，對 輸出二極管尖峰影響很小，故可暫不考慮漏感的影響。由于開關頻率較高， 變壓器的寄生電容，包括匝間電容、原副邊寄生電容連同輸出二極管反向結 電容Cdl、 Cd2和電阻Rdl、 Rd2吸收參數不能忽略，將這些參數等效折算 到變壓器原邊Cs，得到的等效電路如圖4所示。
結合圖4的等效電路，將整個電路劃分為多個電路^^莫式階段進行具體電 路狀態分析。
模式1階段電流流通路徑如圖5所示，超前臂中Ql及滯后臂Q4導通， 其體二極管D1、 D4靠輔助電感Lr續流，電感能量回饋給輸入電源，原邊電 流iLr線性下降，其變化率為Vin/Lr;輸出二極管DR1， DR2續流，變壓器 被短路，輸出電流i。線性下降(由于輸出電感相對較大，故輸出電流可視為恒定值I。)。在tO時刻原邊電流過零，能量反饋結束。
模式2階段電流流通路徑如圖6所示，t0時刻原邊電流L過零后反向， 從Vin+流經Ql、輔助電感Lr、變壓器Tr、 Q4回到Vin-。原邊電流tr線性 上升，變化率依然是Vin/Lr。副邊二極管DR1、 DR2繼續導通，變壓器被短 路。tl時刻原邊電流b達到I。/n， n為變壓器原副邊匝比；輸出整流二極管 DR1、 DR2電流在tl時刻分別為
/節(/1) = /0/2+《(,1)/2 = /0;
^2叫=/0/2 —"/ir(Zl)/2 = 0;
模式3階段電流流通路徑如圖7所示，tl時刻輸出整流二極管DR2電 流過零開始反向恢復，經過二極管反向恢復時間trr到t2時刻，反向恢復結 束，將此時原邊電流記為Irp，有
/ir(,2)=/0/" + ^々Wi>=/^;
于是，輸出整流二極管DR1、 DR2電流在t2時刻分別為 /Dfll(。)=/0/2+w./rJp/2;
^2抑=/。/2-—/2;
t2時刻DR2反向恢復結束后，只有DR1導通，工作狀態發生變化，輔 助電感Lr存儲的多余能量首先與寄生參數(Cs)等效元件發生諧振，滿足箝 位條件后通過箝位電路D5、 D6釋放掉。
^t式4階段電流流通路徑如圖8所示，由于寄生電容的存在，原邊電流 需要向變壓器的寄生電容充電，副邊電流向DR2的反向結電容Cd2和Rd2 (如圖3中所示)吸收電路充電，此時輔助電感Lr與等效電容(Cs)發生諧 振。諧振過程中輔助電感Lr電壓下降，箝位二極管D5、 D6中點M電位上 升，變壓器原邊電流被輸出電感箝位，即lp(t—Io/n。在t3時刻，Vcs-Vin， 輔助電感Lr電壓降至零并開始反向，箝位二極管D5準備導通，輔助電感 Lr電流達到最大值。
模式5階段電流流通路徑如圖9所示，t3時刻箝位二極管D5導通，此 時變壓器和寄生電容的電壓被箝位與Vin;由于輔助電感的諧振繞組與箝位 繞組的匝比k小于l,箝位繞組非同名端電位高于D5、 D6中點M的電位，于是箝位電流從D5向輔助箝位二極管D7轉移，到t4時刻箝位電流完全轉 移到D7中。
可以通過調整匝比k,使箝位電流在Q1關斷以前全部轉移到D7，此后 即使輔助電感Lr能量沒有完全釋放，D7電流也會因緩沖電感La對電流變化 的抑制作用而緩慢變化，其反向恢復過程也因此可以忽略，進而避免了多余 的輔助電感能量與寄生l^t等效元件發生震蕩。在整個箝位階段，變壓器原 邊電壓凈皮箝位在Vin,保證副邊整流二極管安全工作。
模式6階段電流流通路徑如圖IO所示，t5時刻Ql關斷，Cl充電，C2 放電(直到Q3體二極管D3導通，如圖11所示)。此時輔助電感Lr電壓反 向，電感電流減小。由于變壓器電流,皮副邊輸出電感箝位，寄生電容Cs向 變壓器放電，Cs電壓下降。此過程中C1、 C2、 Cs、 Lr諧振。
t5時刻Lr兩端電壓為Vin，其后迅速下降。直到t6時刻(如圖11所示)， Q3體二極管D3導通，Lr兩端電壓為-Vcs。
模式7階段電流流通路徑如圖11所示，t6時刻Q3體二極管D3導通， Cl、 C2退出諧振。此階段Q3可以零電壓開通，Lr、 Cs繼續諧振，Lr的電 流繼續減小，Cs電壓下降卻未到零，變壓器承受正向電壓Vcs， DR1繼續導 通且電流為Io/n。到t7時刻，Vcs電壓降至零。
模式8階段電流流通路徑如圖12所示，t7時刻，變壓器電壓為零，輸 出二極管DR2開始導通，變壓器被短路。DR2電流線性上升，DR1電流線 性下降，變壓器原邊電流也線性下降。在t7時刻變壓器電流Ip=Io/n，大于 輔助電感Lr電流iLr，于是箝位二極管D6導通以補足被副邊輸出電感箝位的 變壓器原邊電流，由于輔助電感諧振繞組與箝位繞組匝比k略小于1， D6電 流逐漸被轉移到D8。到t8時刻，變壓器原邊電流下降到iLr，此時箝位電路 電流降至零。
^^莫式9階段電流流通路徑如圖13所示，輔助電感能量繼續環流，兩個 副邊二極管繼續導通(直至t9時刻Q4關斷時結束環流，如圖14所示)。
模式10階段電流流通路徑如圖14所示，t9時刻Q4關斷，此時Lr與 Cl、 C2諧振，Cl放電，C2充電，直至Q2體二極管D2導通。模式11階段電流流通路徑如圖15所示，t10時刻Q2體二極管D2導通， 進入與模式1相對照的另半個周期模式。
其后模式與以上分析的11個模式階段相同，故此不贅述。
下面給出通過實驗獲得的本實用新型與Richard Redl在原邊箝位電路中 箝位二極管電流波形的對比情況分析，如圖16所示。其中，ch3為RichardRedl 拓樸箝位二極管D5電流波形示意圖；chl為本實用新型拓樸箝位二極管D5 電流波形示意圖，ch2為本實用新型拓樸輔助箝位二^l管D7電流波形示意 圖。由該圖可見，本實用新型很好地改善了箝位二極管的工作條件_一箝位 二極管D5自然零流關斷，輔助箝位二極管D7反向恢復可以忽略不計。D6、 D8的電流情況分別與D5 、 D7相似。
移相全橋應用本實用新型原邊箝位電路與應用諧振電感電壓箝位電路 (圖2所示)時輸出整流二極管電壓尖峰對比如圖17所示。其中，左圖所示 為移相全橋電路采用本實用新型原邊箝位電路拓樸得到的輸出整流二極管電 壓波形，電壓尖峰為168V;右圖所示為移相全橋釆用現有的電感電壓箝位電 路所得到的輸出整流二極管電壓波形，電壓尖峰達到194V。可見本實用新型 輸出整流二極管的箝位效果較好，輸出二極管電壓應力較低，工作條件較優， 由此提高了系統的可靠性。
圖18給出了移相全橋應用本實用新型原邊箝位電路與應用諧振電感電 壓箝位電路時效率水平對比曲線。基于負載功率以及死區配合等因素影響， 最大效率差異點出現在20A負載條件下，此時應用本實用新型原邊箝位電路 效率高出1.32個百分點。
綜上所述，本實用新型提出的移相全橋軟開關電路的原邊箝位電路不僅 保持了原有移相全橋電路的軟開關特性，有效地避免了輸出二極管反向恢復 造成過高的電壓尖峰，由此改善輸出二極管的工作條件，提高系統可靠性； 而且無損吸收諧振電感多余能量，將其存儲并轉移至直流母線電源，提高了 變換器效率水平；增加的箝位二極管和輔助箝位二極管均具備軟恢復特性， 使電路具有優良的電氣性能。
權利要求1、一種移相全橋軟開關電路的原邊箝位電路，包括輔助電感、第一箝位二極管以及第二箝位二極管，其特征在于，所述電路還包括一緩沖電感、第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件；其中，所述輔助電感的箝位繞組其一端與諧振繞組一端共同連接于所述移相全橋軟開關電路的一個開關橋臂的中點，所述箝位繞組的另一端與所述緩沖電感連接，通過所述緩沖電感的另一端連接于所述第一輔助箝位元件和第二輔助箝位元件的中點；所述諧振繞組的另一端連接于所述第一箝位二極管和所述第二箝位二極管的中點；所述諧振繞阻與所述箝位繞阻的匝比值略小于1。
2、 按照權利要求1所述的電路，其特征在于，所述第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件分別采用第一輔助箝位二極管和第二輔助箝位二極管，即所述箝位繞組的另一端與所述緩沖電感連接，通過所述緩沖電感的另一端連接于所述第一輔助箝位二極管和第二輔助箝位二極管的中點；所述第一輔助箝位二極管的陰極與電源正極相連，所述第一輔助箝位二極管的陽極與所述第二輔助箝位二極管的陰極連接于所述中點，所述第二輔助箝位二極管的陽極連接電源負極。
3、 按照權利要求1所述的電路，其特征在于，所述第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件分別采用第 一輔助箝位電容和第二輔助箝位電容，即所述箝位繞組的另一端與所述緩沖電感連接，通過所述緩沖電感的另一端連接于所述第 一輔助箝位電容和第二輔助箝位電容的中點。
4、 一種移相全橋軟開關電路，包括超前臂中第一開關管、第二開關管，滯后臂中第三開關管、第四開關管、與所述第三開關管及所述第四開關管中點相連的原邊電感，以及與所述原邊電感和所述第一開關管及所述第二開關管中點連接的原邊箝位電路，其特征在于所述箝位電路包括箝位電路包括輔助電感、第一箝位二極管、第二箝位二極管、緩沖電感、第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件；其中，所述輔助電感的箝位繞組其一端與諧振繞組一端共同連接于所述移相全橋軟開關電路的一個開關橋臂的中點，所述箝位繞組的另一端與所述緩沖電感連接， 通過所述緩沖電感的另一端連接于所述第一輔助箝位元件和第二輔助箝位元件的中點；所述諧振繞組的另 一端連接于所述第 一箝位二極管和所述第二箝 位二極管的中點；所述諧振繞阻與所述箝位繞阻的匝比值略小于1。
5、 按照權利要求4所述的電路，其特征在于，所述第一輔助箝位元件 以及第二輔助箝位元件分別采用第一輔助箝位二極管和第二輔助箝位二極管，即所述箝位繞組的另一端與所述緩沖電感連接，通過所述緩沖電感的另 一端連接于所述第一輔助箝位二極管和第二輔助箝位二極管的中點；所述第 一輔助箝位二極管的陰極與電源正極相連，所述第 一輔助箝位二極管的陽極 與所述第二輔助箝位二極管的陰極連接于所述中點，所述第二輔助箝位二極管的陽極連接電源負極。
6、 按照權利要求4所述的電路，其特征在于，所述第一輔助箝位元件 以及第二輔助箝位元件分別采用第 一輔助箝位電容和第二輔助箝位電容，即 所述箝位繞組的另一端與所述緩沖電感連接，.通過所述緩沖電感的另一端連 接于所述第 一輔助箝位電容和第二輔助箝位電容的中點。
專利摘要一種移相全橋軟開關電路的原邊箝位電路，包括輔助電感、第一箝位二極管以及第二箝位二極管，該電路還包括一緩沖電感、第一輔助箝位元件以及第二輔助箝位元件；其中，輔助電感的箝位繞組其一端與諧振繞組一端共同連接于移相全橋軟開關電路的一個開關橋臂的中點，該箝位繞組的另一端與緩沖電感連接，通過該緩沖電感的另一端連接于第一輔助箝位元件和第二輔助箝位元件的中點；諧振繞組的另一端連接于第一箝位二極管和第二箝位二極管的中點；諧振繞阻與箝位繞阻的匝比值略小于1。本實用新型消除了箝位二極管反向恢復帶來的影響，且保證了對輸出二極管的箝位效果和效率。
文檔編號H02M3/24GK201328083SQ20082014036
公開日2009年10月14日 申請日期2008年11月14日 優先權日2008年11月14日
發明者赟 張 申請人:中興通訊股份有限公司