專利名稱：一種半橋式軟開關直流變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種軟開關半橋式直流變換器，屬于電能變換領域。
背景技術：
半橋式直流變換器具有電壓變比大、易于實現大功率化等優點，在個人電腦用開關電源以及通信領域的低壓大功率開關電源中得到了廣泛應用。但是傳統電路采用的硬開關工作方式，在功率開關器件以及功率二極管的導通和關斷過程中，由于開關頻率很高，產生較大的開關損耗，造成系統效率下降，也制約了開關頻率的提升，不利于降低損耗、體積和成本。針對上述問題的一種解決方案是采用軟開關技術。現有軟開關方案中，有一種是采用上下兩個開關器件的占空比移相的控制方案，將上管的控制信號通過延遲一定相角后作用到下管上去，并在兩個開關器件的導通信號之間設置死區時間，利用在死區時間的區間內，變壓器的漏感和開關器件的結電容諧振，使下管承受的電壓出現等于零的時刻，若在此時開通開關器件，則可實現零電壓開通(ZVS)。這種方案無需外加輔助諧振器件，結構簡單，但是諧振條件受變壓器漏感的大小和負載條件的限制，軟開關范圍有限，而且上管仍然是硬開關，其損耗仍然可觀。另一種方案是外加輔助諧振電路，如圖1所示，在半橋式直流變換器的基礎上，將開關器件&和二極管D3串聯，再并聯到變壓器兩端。開關器件&和二極管D3起到了電流箝位的作用。該方案在&導通期間，變壓器通過開關器件&和二極管 1)3短路，避免漏感繼續與結電容諧振。當下管關斷時，變壓器漏感中的能量可以用來幫助實現上管的零電壓開通。但是開關器件&和二極管D3的引入增加了變壓器原邊的環流損耗， 另外，會在變壓器副邊的開關器件上產生電壓振蕩，產生高頻電磁噪聲和濾波電感、變壓器的高頻損耗，反而降低了系統效率，同時需要提高變壓器副邊連接的開關器件的耐壓等級， 間接提高了系統成本，也降低了可靠性。
實用新型內容鑒于上述現有技術存在的缺陷，本實用新型的目的是提出一種半橋式軟開關直流變換器，解決半橋式直流-直流變換器存在的開關損耗大以及整流電路的電壓振蕩大的問題。本實用新型上述目的，一種半橋式軟開關直流變換器，其特征在于所述變換器的結構組成包括開關器件S” Sa、S2, Ski、Sk2，電感Ladd, L0, 二極管D1, D2,變壓器Tks，諧振電容 Cb，C0 ；其連接結構為=S1的功率輸入端與輸入電源的正極以及D1的負極相連，S1的功率輸出端與Sa的功率輸入端、Ladd的一端相連，\的功率輸出端與&的功率輸入端、D2的正極相連，S2的功率輸出端與輸入電源的負極、Cb的一端相連；Ladd的另一端與D1的正極、D2的負極以及Tks原邊繞組的一端相連，Tes原邊繞組的另一端與Cb的另一端相連；Tks的第一副邊繞組的一端與第二副邊繞組的一端、Ltj的一端相連，Tks的第一副邊繞組的另一端與Sk2的功率輸入端相連，Tes的第二副邊繞組的另一端與^的功率輸入端相連，Sei的功率輸出端與Sk2的功率輸出端以及Q的一端相連，并作為變換器輸出端的負極，L0的另一端與Q的另一端相連，并作為變換器輸出端的正極。進一步地，上述開關器件S” SA、S2、Sei, Se2均為全控性開關器件MOSFET或IGBT。本實用新型軟開關升壓型DC-DC變換器的應用實施，其突出效果為采用較少的器件和簡單的控制方法，即可實現主功率開關器件的寬范圍軟開關工作，同時通過在開關過程將外加的電感短路，降低了諧振回路的諧振參數，進而有效抑制了變壓器副邊的整流電路的電壓振蕩，降低了系統損耗和高頻噪聲，有利于提高系統的轉換效率，易于實現高頻化和高集成度、高功率密度。
圖1是現有技術一種變換器的原理圖；圖2是本實用新型變換器的電路結構示意圖；圖3是本實用新型變換器的工作波形示意圖；圖4是本實用新型變換器的等效電路示意圖；圖5是本實用新型變換器在S1導通時的簡化等效電路示意圖；圖6是本實用新型變換器在S2、Sa導通時的簡化等效電路示意圖。
具體實施方式
下面結合圖2至圖6所示的本實用新型變換器原理圖、等效電路圖及工作波形示意圖等，進一步說明本實用新型一種半橋式軟開關直流變換器及其控制方法的實質特征及顯著效果。圖2是本實用新型實施例的電路結構示意圖，其組成包括開關器件S1、\、S2、Ski、 Sk2，均采用全控性開關器件MOSFET或IGBT，電感Ladd、L。，二極管DpD2,變壓器Tks，諧振電容 Cb, C。。開關器件S” SA、S2、Sei, Se2均采用全控性開關器件MOSFET或IGBT。S1的功率輸入端與輸入電源的正極、D1的負極相連，S1的功率輸出端與Sa的功率輸入端、Ladd的一端相連，Sa的功率輸出端與&的功率輸入端、D2的正極相連，S2的功率輸出端與輸入電源的負極、Cb的一端相連；Ladd的另一端與D1的正極、D2的負極以及Tks原邊繞組的一端相連，Tes原邊繞組的另一端與Cb的另一端相連；Tks的第一副邊繞組的一端與第二副邊繞組的一端、L0的一端相連，Tes的第一副邊繞組的另一端與Sk2的功率輸入端相連， Tes的第二副邊繞組的另一端與^的功率輸入端相連，Sei的功率輸出端與^i2的功率輸出端以及Q的一端相連，并作為變換器輸出端的負極，L0的另一端與Ctj的另一端相連，并作為變換器輸出端的正極。其中開關器件SA、電感Ladd、二極管Dp D2是在常規半橋式直流變換器的基礎上外加的輔助軟開關器件，通過合理的控制，使主功率開關器件Si、S2實現零電壓開通和關斷， 以降低其開關損耗。開關器件 5κ1、Se2連接到變壓器兩個副邊繞組上，由于兩個副邊繞組的同名端不同，因此通過合理控制Si、Sk2，可以實現變壓器的副邊繞組始終為輸出電容Q的同一端充電，即Ski、、起到了整流作用。以及所述的半橋式軟開關直流變換器的控制方法，工作過程及工作波形如圖3所示。設定采樣周期Ts，在每個采樣周期的開始時刻，采用如下控制步驟I、令Sp Sei的控制信號、Gsw為高電平，此時Sl、Sei導通，并設定導通時間為 t。n，在導通時間等于t。n時，執行步驟2 ；II、令S1Aki的控制信號<^、低電平，此時Si、Sri關斷，并設定第一死區時間為tdl，經過時間td，執行步驟3 ；111、令s2、sr2；sa的控制信號gs2、GSr2, GSA為高電平，此時&、&2、\導通，并令所述的三個開關器件導通時間同樣為t。n，在導通時間等于t。n時，執行步驟4 ；IV、令S2、Se2的控制信號G2、<^2為低電平，此時S2、Se2關斷，執行步驟5 ；V、設定第2死區時間為td2，在時間等于Ts_td2時，令\的控制信為低電平， 此時所有開關器件均關斷，直到此采樣周期結束。。在后續的每個采樣周期到來時，重復步驟I至步驟V。下面結合圖4所示的本實用新型的等效電路示意圖闡述其工作原理。圖中的電容 C” CA、C2、Cei, Ce2分別是開關器件S” SA、S2、Sei, Se2的內部結電容，并認為C1 = Ca = C2 = CK1 = CK2。變壓器Tks等效為 想變壓器和激磁電感Lm并聯，再和漏感Lutg串聯的形式。SA、 Ladd構成了輔助軟開關電路，通過上述開關控制流程，使主功率開關器件Sp S2實現零電壓開通和關斷，以降低其開關損耗。軟開關的實現原理為，對于S1，在死區時間里，D1, Ladd, C1 構成諧振通路，S1兩端的電壓呈現正弦變化，有等于零的時刻，若在電壓零點附近開通S1, 則可以實現S1的零電壓開通。在S1關斷時，D1, Ladd通過D1為結電容C1供電，實現緩沖電路的功能，降低S1的關斷損耗。對于&，在死區時間里，D2、Ladd、CA構成諧振通路, 兩端的電壓有等于零的時刻，若在電壓零點附近開通S2，則可以實現&的零電壓開通。在&關斷時，結電容Q、Ca為串聯關系，LaddS Q、Ca充電，實現緩沖電路的功能，降低&的關斷損耗。下面分析本實施方式降低 κ1、Se2兩端電壓振蕩的原因。圖5給出了 S1導通時的簡化等效電路示意圖，圖中Ct是結電容Ck2(Cki)考慮變壓匝比后歸算到變壓器原邊的電容值。根據變換器的控制原理可知，S1導通瞬間，SpLadd和D1構成通路，即將Ladd與諧振回路 (C0Llkg)分離，參與諧振的電感只有變壓器的漏感Llkg，由于Ct兩端的諧振電壓(即^1Ak2 兩端的諧振電壓)的幅值和諧振回路的電感量成正比，電感量的減小有效降低了諧振電壓的幅值。圖6給出了 S2Aa導通時的簡化等效電路示意圖，SA、D2*Ladd構成通路，即將Ladd 與諧振回路(Ct、Llkg)分離，參與諧振的電感只有變壓器的漏感Llkg，即同樣降低了 Ct兩端的諧振電壓的幅值。而根據圖3中變壓器原邊電流ipH(用于原邊和副邊的能量傳遞)和外加電感的電流iadd波形的差異能夠看到在主功率開關器件Si、S2動作過程中，S1, Ladd和D1通路以及 SA、D2和Ladd通路對電感Ladd的分離效果。根據上述分析可知，本實用新型在實現主功率開關器件零電壓軟開關的同時，有效降低了整流器件Si、Se2的振蕩電壓幅值，進而提高了變換器的效率和可靠性。
權利要求1.一種半橋式軟開關直流變換器，其特征在于所述變換器的結構組成包括開關器件 Si、SA、S2、SE1, Sk2，電感 Ladd、L0, 二極管 D1、D2,變壓器 Tks，諧振電容 CB，C。；其連接結構為=S1的功率輸入端與輸入電源的正極以及D1的負極相連，S1的功率輸出端與Sa的功率輸入端、Ladd的一端相連，Sa的功率輸出端與&的功率輸入端、D2的正極相連，S2的功率輸出端與輸入電源的負極、Cb的一端相連；Ladd的另一端與D1的正極、D2的負極以及Tks原邊繞組的一端相連，Tes原邊繞組的另一端與Cb的另一端相連；Tks的第一副邊繞組的一端與第二副邊繞組的一端、Ltj的一端相連，Tks的第一副邊繞組的另一端與Sk2的功率輸入端相連，Tes的第二副邊繞組的另一端與^的功率輸入端相連，Sei的功率輸出端與 Se2的功率輸出端以及Q的一端相連，并作為變換器輸出端的負極，L0的另一端與Q的另一端相連，并作為變換器輸出端的正極。
2.根據權利要求1所述的一種半橋式軟開關直流變換器，其特征在于所述開關器件 S1^ SA、S2、SE1, Se2均為全控性開關器件MOSFET或IGBT。
專利摘要本實用新型揭示了一種改進的半橋式軟開關直流-直流變換器，其組成包括開關器件S1、SA、S2、SR1、SR2，電感Ladd、LO，二極管D1、D2，變壓器TRS，諧振電容CB，CO。在常規半橋式直流變換器的基礎上外加SA、Ladd、D1、D2構成輔助軟開關器件，通過合理控制，使主功率開關器件S1、S2實現寬范圍零電壓開通和關斷，同時有效抑制了變壓器副邊的整流電路的電壓振蕩。本實用新型有效提高了變換器的工作效率，降低了系統損耗和高頻噪聲，易于實現高頻化和高集成度、高功率密度。
文檔編號H02M3/338GK202034905SQ20112011660
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月19日 優先權日2011年4月19日
發明者卜樹坡, 曹建東, 章雯, 趙展, 錢濤 申請人:蘇州工業職業技術學院