绕组箝位单管正激谐振软开关dc/dc变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力电子电能变换电路，尤其涉及一种隔离型软开关单管正激谐振DC/DC电路。
【背景技术】
[0002]正激式拓扑因电路结构简洁、输入输出电气隔离、电压升降范围宽、易于多路输出、适用于中小功率电源变换场合等特点，而得到了广泛的采用。单管正激DC/DC变换器电路一般采用如图1所示的结构来实现:开关管S1、起隔离输入输出且进行电压升降作用的变压器Tl、限制电流流向的二极管D1、续流二极管D2以及起滤波作用的电感Lo和电容Co组成。该单管正激DC/DC变换电路存在不足:因为电力电子器件并非理想的开关，存在开通延时和关断延时，从而引起开关管SI两端电压和通过它的电流出现重叠时间，造成严重的开关损耗(电流和电压波形如图2所示)；而且副边两个整流二极管之间的换流造成严重的反向恢复损耗。图3中的谐振正激变流器实现了原边开关管的零电压开通和准零电流关断，开关管SI的开关损耗极小，而且副边二极管的也实现软换流，消除了反向恢复损耗，SI的电流和电压波形如图4所示。但是，图1和图3中拓扑存在一个共同的缺点:开关管关断时的电压应力过高，这是由于其关断时电路通过谐振方式对变压器进行复位的原理造成的。
[0003]图5中采用变压器的原边复位绕组，对开关管的电压进行箝位，能够有效限制开关管SI电压应力。但是对于降压型DC/DC，变压器原边绕组较多，为了能够限制原边应力的同时不影响最大占空比，因此原边复位绕组匝数与原边主绕组匝数差不多，导致变压器结构复杂，尤其当主变压器Tl采用PCB设计绕组时，使得变压器中PCB绕组的利用率下降，影响效率的提高。而如果箝位绕组连接到副边直流输出，则会存在着匝数与主副边绕组匝数的匹配问题，尤其是占空比较小时，导致箝位效果完全丧失。
[0004]图6中采用的有源箝位的方法虽然提高了平面变压器中PCB绕组的利用率，能够有效箝位开关电压，但是增加了一个辅助开关管Sa，增加了成本，驱动也复杂。
[0005]图5和图6中的箝位方法可以适用于图1中带输出滤波电感的硬开关PWM单管正激拓扑。对于图3中的软开关单管谐振正激拓扑，由于其输出侧无滤波电感Lo，因此可以采用与图1拓扑不同的箝位方法。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种绕组箝位单管正激谐振软开关DC/DC变换器。采用该变换器电路不仅能减少开关管在开通和关断瞬间，加在开关管两端的电压和通过该开关管的电流的重叠时间，从而减小开关器件的开关损耗，同时抑制电压或者电流过冲的发生。
[0007]为解决技术问题，本发明的解决方案是:
[0008]提供一种绕组箝位单管正激谐振软开关DC/DC变换器，包括隔离变压器(Tl)，其原边侧接有开关管(SI);在隔离变压器(Tl)的原边侧，设有输入侧电感(Lin)、谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr);输入侧电感(Lin)与电源(Vin)组成恒流输出，谐振电感(Lr)与谐振电容(Cr)组成谐振电路；开关管(SI)与隔离变压器(Tl)的原边绕组(Wl)组成单管正激变换器；在隔离变压器(Tl)的副边侧，设置由输出整流元件(Dl)和输出滤波电容(Co)组成的输出整流滤波电路。(图7、8、9)
[0009]本发明中，所述电源(Vin)正极连接于输入侧电感(Lin)输入端，输入侧电感(Lin)输出端连于谐振电容(Cr) 一端；谐振电容(Cr)的另一端连接于电源(Vin)负极构成回路；输入侧电感(Lin)的输出端还接至与隔离变压器(Tl)原边绕组(Wl)同名端相连的谐振电感(Lr)，隔离变压器(Tl)原边绕组(Wl)异名端连于开关管(SI) —端，开关管(SI)另一端则连于电源(Vin)负极构成回路。
[0010]本发明中，所述隔离变压器(Tl)的原边侧设置箝位绕组(W3)，箝位绕组(W3)与一个箝位二极管串联构成箝位元件网络(Neti)，箝位元件网络(Neti)并联在输入电源(Vin)两端；箝位绕组(W3)以异名端连接到输入电源(Vin)的正端，或者以同名端连接到输入电源(Vin)的负端。(图8)
[0011]本发明中，所述隔离变压器(Tl)的原边侧设置箝位绕组(W3)，箝位绕组(W3)与一个箝位二极管串联构成箝位元件网络(Neti)，箝位元件网络(Neti)并联在谐振电容(Cr)两端；箝位绕组(W3)以异名端连接到谐振电容(Cr)的正端，或者以同名端连接到谐振电容(Cr)的负端。(图9)
[0012]本发明中，所述隔离变压器(Tl)副边第一绕组(W2)的同名端连于输出整流元件(Dl) —端，输出整流元件(Dl)另一端连接于输出滤波电容(Co)的一端，输出滤波电容(Co)另一端连于高频隔离变压器副边绕组(W2)的异名端，构成回路；负载(RJ并联在输出滤波电容(Co)两端。
[0013]本发明中，所述输出整流元件(Dl)是二极管，或是同步整流的MOSFET。
[0014]本发明中，所述谐振电感(Lr)是外加独立谐振电感，或是隔离变压器(Tl)的漏感。
[0015]本发明中，所述隔离变压器(Tl)副边设置箝位绕组(W3)，其同名端连接于输出滤波电容(Co)的一端，箝位绕组(W3)的异名端连接于另一个输出整流元件(D2)的一端，该输出整流元件(D2)的另一端则连接到输出滤波电容(Co)的正端。
[0016]本发明中，所述另一个输出整流元件(D2)是二极管，或是同步整流的MOSFET。
[0017]发明原理描述:
[0018]本发明属于一种新的隔离型软开关单管正激谐振DC/DC电路，该电路中包含单管正激谐振软开关变换电路和输出滤波电路对输入的直流电压进行转换，不仅通过谐振电路使加在功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间减小，从而达到减小开关损耗的目的；而且还能够通过箝位绕组将开关管的电压应力降低，同时将变压器的励磁电感中的能量输出到副边，提高磁心利用率和转换效率。
[0019]采用软开关技术，在输入级利用谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)产生谐振，使功率开关管工作在零电压开通以及准零电流关断状态，减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，从而减小了功率开关管的开关损耗。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果包括:[0021 ] 1、由于在输入端采用软开关谐振技术，使功率开关管工作在零电压开通以及准零电流关断状态，减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，减小了功率开关管的开关损耗。
[0022]2、回收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率。
[0023]3、回收励磁电感能量传递到输出，提高效率。
[0024]4、利用箝位绕组降低主开关管电压应力，提高可靠性。
[0025]5、减小功率开关器件的热能产生，提高电路的工作稳定性，提高器件和电路的使用寿命。
【附图说明】
[0026]图1谐振复位单管正激变换器的主电路拓扑；
[0027]图2谐振复位单管正激变换器的开关周期开关SI的关键波形；
[0028]图3谐振软开关单管正激变换器的主电路拓扑；
[0029]图4谐振软开关单管正激变换器的开关管SI的关键波形；
[0030]图5传统绕组复位的单管正激变换器；
[0031]图6传统有源箝位正激变换器；
[0032]图7本发明的副边绕组箝位谐振单管正激变换器；
[0033]图8箝位绕组箝位到输入直流侧；
[0034]图9箝位绕组箝位到输入谐振电容侧；
[0035]图10是本发明整流元件Dl和D2均为二极管的采用副边绕组箝位谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0036]图11是本发明整流元件Dl为MOSFET，整流元件D2为二极管的采用副边绕组箝位谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0037]图12是本发明整流元件Dl为二极管，整流元件D2为MOSFET的采用副边绕组箝位谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0038]图13是本发明整流元件Dl和D2均为MOSFET的采用副边绕组箝位谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0039]图14是本发明钳位绕组(W3)的异名端接到输入电压源(Vin)的正端，整流元件Dl为二极管的箝位绕组箝位到输入直流侧谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0040]图15是本发明钳位绕组(W3)的同名端接到输入电压源(Vin)的负端，整流元件Dl为二极管的箝位绕组箝位到输入直流侧谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0041]图16是本发明钳位绕组(W3)的异名端接到输入电压源(Vin)的正端，整流元件Dl为MOSFET的箝位绕组箝位到输入直流侧谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0042]图17是本发明钳位绕组(W3)的同名端接到输入电压源(Vin)的负端，整流元件Dl为MOSFET的箝位绕组箝位到输入直流侧谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0043]图18是本发明钳位绕组(W3)的异名端接到输入电感(Lin)和谐振电容(Cr)的连接处，整流元件Dl为二极管的箝位绕组箝位到输入谐振电容侧谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0044]图19是本发明钳位绕组(W3)的同名端接到输入电压源(Vin)的负端，整流元件Dl为二极管的箝位绕组箝位到输入谐振电容侧谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0045]图20是本发明钳位绕组(W3)的异名端接到输入电感(Lin)和谐振电容(Cr)的连接处，整流元件Dl为MOSFET的箝位绕组箝位到输入谐振电容侧谐振单管正激变换器的结构示意图；
[0046]图21是本发明钳位绕组(W3)的同名端接到输入电压源(Vin)的负端，整流元件Dl为MOSFET的箝位绕组箝位到输入谐振电容侧谐振单管正激变换器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0048]实施例1:一种副边绕组箝位谐振单管正激变换器，整流元件Dl和D2可以是二极管，也可以是替代二极管的MOSFET (同步整流)，其电路结构分别如图10、图11、图12和图13所示。
[0049]具体连接方式为:输入电压源(Vin)的正端接到输入电感(Lin)的一端；谐振电容(Cr)跨接在输入电压的负端和电感(Lin)的另一端；谐振电感(