專利名稱：寬負載范圍零壓零流開關電源變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子技術中的功率變換裝置，更具體地涉及一種相移諧振式零壓零流脈寬調制(PS-ZVZCS-PWM)開關電源功率變換器。
相移諧振零壓零流脈寬調制開關電源變換器一種比較先進的開關電源變換器，在現有技術中普遍采用。其采用相移諧振的方式，使全橋開關電源變換器中一個橋臂工作在零電壓開通方式，另一個橋臂工作在零電流關斷方式，整個電源變換器工作在軟開關的方式下。因此，這種電源變換器可以獲得較高的變換效率和較小的尖峰干擾，同時能有效改善開關器件的工作應力，但這種電源變換器也存在如下所述問題，
以下結合
圖1是這種PS-ZVZCS-PWM開關電源變換器原理電路，開關管S1、S2組成的橋臂為超前橋臂，S3、S4組成的橋臂為滯后橋臂，DS1、DS2為阻斷二極管，CB為隔直電容，同時為滯后橋臂實現ZCS提供阻斷電壓源，C1、C2為外接電容器，L1k為變壓器原邊漏感，Lo為副邊輸出濾波電感，圖2為各開關管驅動波形(u1，u2，u3，u4)、A、B兩點電壓(uAB)與原邊電流波形(iP)。
其工作過程如下在0時刻，S1、S4導通，UAB為電源電壓，原邊電流ip正向流動，iP給電容CB正向充電。
在1時刻，S1關斷，S4繼續導通，由于S1并聯電容C1的存在，S1上的電壓不可能立即上升，S1為零電壓關斷，此時電容CB上的電壓為正電壓，原邊電流iP給C1充電、C2放電，當C2上的電壓為零時，S2反并二極管開始導通，此時電流回路為A→B→F→E→A，由于此時CB上的正電壓形成一個阻斷電壓源，使得原邊電流很快減小，而uC繼續增大。
在2時刻，S2開通，此時iP仍然為正，S2反并二極管處于續流狀態，S2為零電壓開通。原邊電流iP繼續減小，當iP=0時，uC達到最大，iP開始反向流動，但由于D2的存在，阻止了原邊電流反向增加，使原邊電流維持為0，uC全部加在阻斷二極管D2上。
在3時刻，S4關斷，由于此時原邊電流iP仍維持為0，S4為零電流關斷。
在4時刻，S3開通，原邊電流開始反向增大(iP的初始值為此時副邊輸出濾波電感中的電流折算至原邊的等效電流值，而不是從零開始增大)。隨著iP的反向增大，uC也逐步由正電壓變為負電壓。
在5時刻，S2關斷，S3繼續導通，由于S2并聯電容C2的存在，S2上的電壓不可能立即上升，S2為零電壓關斷，此時電容CB上的電壓為負電壓，原邊電流iP給C2充電、C1放電，當C1上的電壓為零時，S1反并二極管D1開始導通，此時電流回路為B→A→C→D→B，由于此時CB上的負電壓形成一個阻斷電壓源，使得原邊電流絕對值很快減小，而uC的絕對值繼續增大。
在6時刻，S1開通，此時iP仍然為負，S1反并二極管D1處于續流狀態，S1為零電壓開通。原邊電流iP絕對值繼續減小，當iP=0時，uC絕對值達到最大，iP開始正向流動，但由于阻斷二極管DS1的存在，阻止了原邊電流正向增加，使原邊電流維持為0，uC全部加在二極管DS1上。
在7時刻，S3關斷，由于此時原邊電流iP仍維持為0，S3為零電流關斷。
在8時刻，S4開通，此時S1、S4同時導通，變換器進入下一個周期。
由上述工作過程可知，只要選擇合適的隔直電容及移相角最大值(滯后橋臂相對超前橋臂的最小延遲時間)，就可實現滯后橋臂在全負載范圍的零電流關斷；但對于超前橋臂，為了實現零電壓關斷，需要原邊電流將開關管并聯電容C1、C2中一只電容充電至電源電壓，而另一只電容放電至零，這就要求C1、C2越小越好。這是因為在輕載時副邊折算至原邊的電流小，如果C1、C2過大，就會使C1、C2上的電壓中一只電容充電時充不到電源電壓，而另一只電容放電時放不到零而實現不了零電壓開通。但如果C1、C2過小，則在重載情況下S1、S2關斷時會由于原邊電流很大使開關管上的電壓上升太快而加大關斷損耗。
因此，這種開關變換器通常是折衷考慮重載時的關斷損耗和輕載時的開通損耗，一般只能在40％以上負載實現零電壓開關，40％負載以下工作在硬開關方式。而一般開關電源(特別是通信電源)大部分時間都工作在20％-50％負載。顯然，現有技術不能做到寬負載范圍內特別是輕載時的零電壓開關。
為了解決上述問題，在有些文獻中介紹了采用輔助電感電容網絡的方法來提高ZVS的范圍，這種方法需要較大的電感電容，且成本高，體積大，仍不能令人滿意地解決輕載時零電壓開通問題。
本實用新型的目的是提供一種結構簡單、可有效實現寬負載范圍內零壓零流開關或零壓開關的開關電源變換器，提高開關電源變換器的寬負載范圍內特別是輕載范圍內的效率。
為達此目的，本實用新型的技術方案之一是設計一種寬負載范圍零壓零流開關變換器，包括由四個開關管構成全橋電路，其中第一開關管和第二開關管為超前橋臂，第三開關管和第四開關管為滯后橋臂，四個開關管分別與四個二極管反向并聯，第一、第二開關管還分別并聯第一電容和第二電容，在超前橋臂與滯后橋臂的上端正向串接一個阻斷二極管，下端反向串接另一個阻斷二極管；隔直電容與變壓器的原邊相串聯后接入在全橋電路的兩個橋臂的中點之間，變壓器的副邊接一個全波整流電感電容濾波電路，輸入電源接入超前橋臂上；其特征在于它還包括補償電容組，所述補償電容組由兩個補償電容串聯后并聯在全橋電路的超前橋臂上，在兩補償電容的連接點與超前橋臂的中點之間接入了一個控制開關。
本實用新型的技術方案之二是設計一種寬負載范圍零電壓開關變換器，包括由四個開關管構成全橋變換電路，其中第一開關管和第二開關管為超前橋臂，第三開關管和第四開關管為滯后橋臂，四個開關管分別與四個二極管反向并聯，每個開關管還分別并聯一只電容器(如果開關管寄生電容較大時可直接利用開關管的寄生電容)；隔直電容與變壓器的原邊相串聯后接入在全橋電路兩個橋臂的中點之間，變壓器的副邊接一個全波整流電感電容濾波電路；其特征在于它還包括兩組補償電容組，其中一補償電容組由兩補償電容串聯后并聯在全橋電路的超前橋臂上，另一補償電容組由兩補償電容串聯后并聯在全橋電路的滯后橋臂上；在兩補償電容的連接點與超前橋臂的中點之間接入了一個控制開關；在兩補償電容的連接點與滯后橋臂的中點之間接入了另一個控制開關。
以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明。
圖1是現有技術PS-ZVZCS-PWM電路原理圖；圖2是圖1的工作波形圖圖3是本實用新型的實施例之一；圖4是本實用新型的實施例之二；前面已結合圖1和圖2論述了PS-ZVZCS-PWM電路的原理，在此不再重復。
圖3是本實用新型的一個應用例子，它是一臺相移諧振零壓零流脈寬調制(PS-ZVZCS-PWM)開關電源變換器。圖3是在圖1所示的變換器基礎上加以了改進，即在原有的電路基礎上新增了一個補償電容組31，即開關(繼電器或其它有源開關)和兩只相串聯的電容器CS1、CS2。
圖3中，在輕載狀況下，斷開K，使CS1、CS2切離所并聯的開關管S1、S2，這樣輕載時并聯在開關管S1、S2上的電容C1、C2可取較小的電容值，且C1=C2，就很容易實現零電壓開通；在重載時，閉合K，將CS1、CS2并聯到開關管上，加大開關管S1、S2的并聯電容，這樣可以很容易實現零電壓開通而具有較小的關斷損耗。因此，根據負載的變化通斷開關K，可以兼顧重載時小的關斷損耗而不影響輕載時零電壓開通，使得在寬負載范圍內一直有較高的變換效率。
本實施例采用的功率開關管類型可以是場效應管MOSFET或絕緣柵晶體管IGBT，該應用中功率開關管選為IGBT，因為對于IGBT來說，由于關斷時電流拖尾的存在，滯后臂采用ZCS方式更為有利，在實施例中選擇CS1=CS2≈(5-10)C1，且C1=C2；開關K可采用繼電器控制。
電容的實際容量需要根據變換器變換功率的大小以及開關管的類型來決定。
圖4是應用本實用新型的的另一個應用例。它是根據本實用新型的原理設計的一臺相移諧振零電壓脈寬調制(PS-ZVS-PWM)開關電源變換器。與圖3所示的實施例不同的是，在本例中超前橋臂和滯后橋臂均工作在ZVS狀態，因此在ZVS狀態下不需要阻斷二極管DS1、DS2，這樣需要兩組補償電容組41、42，開關K1、K2分別用來解決超前橋臂和滯后橋臂輕載時難以實現ZVS的問題。
本例中開關管為功率MOSFET，確定電容具體容量的原則與上述相同。但由于超前橋臂與滯后橋臂的不對稱性，電容的取值也不對稱。超前橋臂的電容取得大一些，而滯后橋臂的電容要取的小一些，即CK1=CK2＞CK3=CK4。
綜上所述，與現有技術相比，本實用新型的主要優點有1)本實用新型可以有效減小重載時的關斷損耗和輕載時的開通損耗；2)能有效提升ZVZCS或ZVS開關電源變換器在輕載狀況下的效率；因而可使得本實用新型在寬負載范圍內(可做到10％～100％額定負載范圍)得到較高的效率。
3)電路簡單，成本低廉。本實用新型的開關電源變換器采用一個開關控制兩個電容的通斷，不僅使控制電路簡單，而且開關閉合時最大電壓僅為電源電壓的一半。提高了開關通斷的可靠性。
權利要求1 一種寬負載范圍零壓零流開關變換器，包括由四個開關管S1-S4構成全橋電路，其中第一開關管S1和第二開關管S2組成超前橋臂，第三開關管S3和第四開關管S4組成滯后橋臂，四個開關管S1-S4分別與四個二極管D1-D4反向并聯；第一、第二開關管S1、S2還分別并聯第一電容C1和第二電容C2，在超前橋臂與滯后橋臂之間上端正向串接一個阻斷二極管DS1，下端反向串接一個阻斷二板管DS2；隔直電容CB與變壓器TR的原邊相串聯后接入在全橋電路超前橋臂和滯后橋臂的兩個中點之間，變壓器TR的副邊接一個全波(或全橋)整流電感電容濾波電路，輸入電源接在超前橋臂上；其特征在于它還包括補償電容組(31)，所述補償電容組(31)由兩個補償電容CS1、CS2串聯后并聯在橋式結構的超前橋臂上，在兩補償電容CS1、CS2的連接點與超前橋臂的中點之間，接入了一個控制開關K。
2 如權利要求1所述的寬負載范圍零壓零流開關變換器，其特征在于所述補償電容CS1、CS2的電容值為CS1=CS2≈(5-10)C1，且C1=C2。
3 如權利要求2所述的寬負載范圍零壓零流開關變換器，其特征在于所述控制開關K是繼電器。
4 如權利要求1所述的寬負載范圍零壓零流開關變換器，其特征在于所述四個開關管S1-S4均為絕緣柵晶體管IGBT。
5 一種寬負載范圍零電壓開關變換器，包括由四個開關管S1-S4構成全橋電路，其中第一開關管S1和第二開關管S2組成超前橋臂，第三開關管S3和第四開關管S4組成滯后橋臂，四個二極管D1-D4分別與四個開關管S1-S4反向并聯，第一、第二開關管S1、S2還分別并聯第一電容C1和第二電容C2；隔直電容CB與變壓器TR的原邊相串聯后接入在超前橋臂的中點與滯后橋臂的中點之間，變壓器TR的副邊接一個全波(或全橋)整流電感電容濾波電路；其特征在于它還包括兩組補償電容組(41)、(42)，其中一補償電容組(41)由兩補償電容CK1、CK2串聯后并聯在橋式結構的超前橋臂上，在兩補償電容的CK1、CK2連接點與超前橋臂的中點之間，接入了一個控制開關K1；另一補償電容組(42)由另兩個補償電容CK3、CK4串聯后并聯在橋式結構的滯后橋臂上；在該兩補償電容CK3、CK4的連接點與滯后橋臂的中點之間，接入了另一個控制開關K2。
6 如權利要求5所述的寬負載范圍零電壓開關變換器，其特征在于所述補償電容CK1-CK4的電容值為CK1=CK2=(5-10)C1，C1=C2；CK3=CK4≈(5-10)C3，C3=C4；且CK1＞CK3。
7 如權利要求6所述的寬負載范圍零電壓開關變換器，其特征在于所述控制開關K1和K2是繼電器。
8 如權利要求5所述的寬負載范圍零電壓開關變換器，其特征在于所述四個開關管S1-S4均為功率MOSFET。
專利摘要寬范圍零壓零流開關變換器,由四開關管S1—S4構成全橋電路,S1、S2為超前橋臂,S3、S4為滯后橋臂;隔直電容CB與變壓器TR原邊相串后接在全橋兩橋臂中點,變壓器TR副邊接一全波整流電路;還包括補償電容組31,其兩補償電容CS1、CS2串聯后并聯在全橋超前橋臂上,在CS1、CS2接點與S1、S2接點間,接控制開關K;本實用新型電路可靠,能有效減小重載關斷和輕載開通損耗,提升開關電源變換器在輕載狀況的效率。
文檔編號H02M7/521GK2431675SQ9923577
公開日2001年5月23日 申請日期1999年4月9日 優先權日1999年4月9日
發明者胡先紅 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司