一种辅助管电压箝位型软开关推挽直流变换器的制造方法
【专利摘要】一种辅助管电压箝位型软开关推挽直流变换器，包括高频变压器Tr原边电路和副边电路。原边电路包括高频变压器原边第一绕组NP1，原边第二绕组NP2，带结电容和反并联二极管的第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3，直流电压源Vin和箝位二极管Dc。副边电路包括高频变压器副边绕组Ns，全桥不控整流电路（D4~D7），滤波电感Lf，滤波电容Cf和负载Ro。箝位二极管Dc可以将辅助管两端电压进行箝位，有效抑制了辅助管在开关过程中因漏感能量释放导致高的电压尖峰，使得辅助管上的电压箝位于输入电压，有利于辅助管的器件选型，提高系统工作的可靠性及稳定性。
【专利说明】
-种辅助管电压箱位型软开关推挽直流变换器
技术领域
[0001] 本发明设及DC-DC变换器技术领域，具体设及一种辅助管电压巧位的软开关推挽 直流变换器，一种电力电子变换器。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术和社会经济的快速发展，能源消耗与环境保护的问题日益突出；能 源需求增长与化石燃料资源日趋枯竭的矛盾与日俱增;化石燃料的大量使用对环境的污染 和引起的雾靈、溫室效应越来越严重等。大规模开发利用新能源和可再生能源(太阳能、风 能、生物质能、燃料电池)发电是解决运些问题的有效途径。在新能源发电与储能系统中，由 于光伏电池、燃料电池及系统储能装置的电压很低，需要通过DC/DC直流变换器将低电压升 至较高的直流母线电压W满足后级逆变器的要求。推挽直流变换器由于结构简单，变压器 利用率高，隔离效果好等优点而广泛应用于此类低电压输入电能变换的场合。然而，传统的
[0003] 推挽直流变换器功率管工作在硬开关状态、损耗大、效率低，不利于电能的高效率 传输。另外，由于变压器漏感、线路杂散电感、变压器寄生电容及功率管结电容的作用，在功 率管开关过程中会导致很高的电压电流应力，不利于功率管的选型及系统的稳定性。针对 此问题，中国电机工程学报2012年第32卷第33期第23至30页提出了一种新型的Ξ管推挽直 流变换器，该变换器通过在输入电压源及变压器中间绕组间串接一个辅助管W实现变压器 原边所有功率管的零电压开通，提高了变换器的效率。然而，辅助管在轻载下难于实现软开 关，为此，中国电机工程学报2013年第33卷第24期第42至51页提出了一种并联LC网络的软 开关Ξ管推挽式直流变换器，解决了辅助管轻载下软开关难实现的问题，进一步提高了轻 载下变换器的效率。但是，W上两类变换器虽然均实现了软开关，但是功率管的电压应力仍 然较高，尤其是辅助管在关断时刻，变压器漏感上的能量将转移至辅助管结电容Cds两端，会 产生一个很高的电压尖峰，影响系统性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的旨在针对背景所述技术的不足，提出了一种辅助管电压巧位的软开 关推挽直流变换器，有效的抑制了辅助管上的电压尖峰，有利于辅助管选型及系统的稳定 性及可靠性。
[0005] 本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案。
[0006] 本发明的一种辅助管电压巧位型软开关推挽直流变换器，包括高频变压器Tr原边 电路和副边电路。
[0007] 原边电路包括高频变压器原边第一绕组Npi，原边第二绕组Np2,带结电容和反并联 二极管的第一功率管Si、第二功率管S2和第Ξ功率管S3,直流电压源Vin和巧位二极管Dc。原 边电路连接关系为:第Ξ功率管S3的漏极接直流电压源Vin的正极，第Ξ功率管S3的源极与 原边第一绕组NPI的异名端和第二绕组Np2的同名端及巧位二极管Dc的阴极相连接;原边第一 绕组NPI的同名端和第二绕组Np2的异名端分别接第一功率管Si和第二功率管S2的漏极;第一 功率管Si与第二功率管S2的源极和巧位二极管D。的阳极共同与直流电压源Vin的负极相连。 [000引副边电路包括高频变压器化副边绕组化，由二极管04、二极管化、二极管化和二极 管化组成的全桥不控整流电路，滤波电感Lf，滤波电容Cf和负载R。。副边电路连接关系为:畐山 边绕组化的同名端接二极管04的阳极和二极管化的阴极，副边绕组化的异名端接二极管化的 阳极和二极管化的阴极，二极管04和二极管化的阴极共同与滤波电感Lf左端相连，滤波电感 Lf的右端与滤波电容Cf的正极与负载电阻R。的上端相连，二极管化和二极管化的阳极共同接 滤波电容Cf的负极与负载电阻R。的下端。
[0009] 本发明辅助管电压巧位型软开关推挽直流变换器的PWM信号采用【背景技术】中Ξ管 推挽直流变换器的开关时序，即为:①功率管Si与S3共同导通Td/2时间后关断功率管S3;② 经过一定的死区时间后开通功率管S2,功率管Si与功率管S2共同导通T(l-d)/2后，关断功率 管Si;③经过一定的死区时间后开通功率管S3,功率管S3与功率管S2共同导通Td/2时间后，关 断功率管S3;④经过一定的死区时间后开通功率管Si，功率管S2与功率管Si共同导通Τ(1- d)/2后，关断功率管S2;⑤经过一定的死区时间后开通功率管S3,功率管Si与S3同时导通，回 到第①个过程;如此循坏工作。
[0010] 本发明所述的第一功率管Si、第二功率管S2和第Ξ功率管S3均采用功率场效应管 M0S阳 T。
[0011] 本发明所述高频变压器的漏感，第一功率管&、第二功率管S2和第Ξ功率管S3的结 电容参与软开关过程，提高了高频变压器与功率管的利用率。
[0012] 本发明与原有技术相比主要的技术特点是:在已有的Ξ管推挽直流变换器高频变 压器原边电路增加了一个巧位二极管D。，在保证原有变换器优点基础上，巧位二极管可W 将辅助管两端电压进行巧位，有效抑制了辅助管在开关过程中因漏感能量释放导致高的电 压尖峰，使得辅助管上的电压巧位于输入电压，有利于辅助管的器件选型，提高系统工作的 可靠性及稳定性。
[0013] 本发明的辅助管电压巧位型软开关型推挽直流变换器结构相对简单，实现了推挽 变换器功率管的软开关工作及辅助管两端电压巧位的功能，提高了变换器的电能传输效率 与系统可靠性，有利于变换器的高频化工作和装置体积的减小。
【附图说明】
[0014] 图1为【背景技术】中的Ξ管推挽直流变换器电路图；
[0015] 图2为本发明的辅助管电压巧位型软开关推挽直流变换器电路图；
[0016] 图3为本发明的辅助管电压巧位型软开关推挽直流变换器的PWM开关时序图；
[0017] 图4为本发明的辅助管电压巧位型软开关推挽直流变换器实施电路主要波形示意 图；
[0018] 图5~图10为本发明的电压巧位软开关型推挽直流变换器实施例的各个开关模态 示意图。
[0019] W上附图中的主要符号名称:Vin:直流电源电压；Si~S3:功率开关管;Cl~C3:功率 管Si~S3的结电容;Di~化:功率管Si~S3的体二极管;Dc:巧位二极管;Tr:高频变压器;〇4~ 〇6 :整流二极管;Lf:滤波电感;Cf :滤波电容;R。:负载电阻;Vgsl~Vgs3 :功率管Si~S3的驱动信 号；Lleak-1、Lleak-2 :高频变压器原边绕组NPI、Np2的漏感；Vdsl~Vds3 :功率管Si~S3两端承受的 电压；ii~i3:流过功率管Si~S3的电流；iD。:流过巧位二极管的电流；Ip:原边流过最大电 流;Vs:高频变压器副边绕组电压；is:流过高频变压器副边绕组电流；iL:流过滤波电感电 流;V。:输出电压。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
[0021] 图1为技术背景中所述的Ξ管推换直流变换器电路图。
[0022] 图2、图3为本发明提出的辅助管电压巧位型软开关推挽直流变换器电路图与其所 对应的开关时序图。
[0023] 如图2所示，本发明实施例一种辅助管电压巧位型软开关推挽直流变换器由1个直 流电压源、3个功率管、1个巧位二极管、1个高频变压器、1个不可控全桥整流电路、1个LC输 出滤波电路和负载组成。其中，Si~53是；只功率管，Cl是Si的结电容，C2是S2的结电容，C3是 S3的结电容;Dl为功率管Si的体二极管，〇2为功率管S2的体二极管，〇3为功率管S3的体二极 管;D。是巧位二极管;Tr为高频变压器;Lleak-1、Lleak-2为化原边绕组的漏感;二极管〇4、二极管 〇5、二极管化和二极管化组成不可控全桥整流电路;Lf是滤波电感，Cf是滤波电容，R。为输出 负载。
[0024] 本巧位型软开关推挽直流变换器采用图3所示的开关时序：
[0025] 1)功率管Si与功率管S3共同导通Td/2时间后关断功率管S3;
[0026] 2)经过一定的死区时间后开通功率管S2,功率管Si与功率管S2共同导通T(l-d)/2 后，关断功率管Si;
[0027] 3)经过一定的死区时间后开通功率管S3,功率管S3与功率管S2共同导通Td/2时间 后关断功率管S3;
[00%] 4)经过一定的死区时间后开通功率管Si，功率管S2与功率管Si共同导通T(l-d)/2 后，关断功率管S2;
[0029] 5)经过一定的死区时间后开通功率管S3,功率管Si与功率管S3同时导通，回到第1) 个过程;如此循坏下去。
[0030] 下面W本发明的图2电压巧位软开关型推挽直流变换器为基础，结合图4采用的开 关时序，用图5~图11来阐述本发明直流变换器的具体工作原理。
[0031] 由图4可知，在一个开关周期内，所发明的变换器工作过程可分为12个模态，分别 是[to~tl]、[tl~t2]、[t2~t3]、[t3~t4]、[t4~ts]、[ts~t6]、[t6~t7]、[t7~ts]、[ts~t9]、 山~1：1()]、[1：1()~1：11]、[1：11~1：12]，其中[1：()~16]为前半周期工作状态，[17~1：12]为后半周期 工作状态。下面对各个模态的工作原理具体分析。
[0032] 为了分析方便，先做W下常规假设:①功率管Si~S3和二极管〇4~化及巧位二极管 Dc均为理想器件，通态压降为零;②Ξ个功率管结电容Ci，C2和C3的值相等，都等于C;③高频 变压器化的励磁电感足够大，励磁电流忽略不计，副边、原边绕组的应比为n =化/Npi =化/ Np2,漏感Lleak-l = Lleak-2 = Lleak;④滤波电感Lf足够大，流过其电流在开关瞬态时等效为一个 恒流源;⑤输出电压稳定，V。保持不变。
[0033] 1、模态l[to~ti]，如图5所示。
[0034] 功率管Si与功率管S3共同导通，副边二极管化，二极管化导通续流。高频变压器原 边电流流经功率管S3、原边绕组Npi、漏感Lleak-1、功率管Si;高频变压器副边电流流经副边绕 组化2、二极管〇5、二极管〇6,最后经LC滤波电路后输出。设ti时刻原边电流i3线性上升至Ip， 此阶段电能由输入侧向输出侧传输。
[0035] 2、模态2[ti~t2]，如图6所示。
[0036] ti时刻，关断功率管S3,由于结电容C3的作用，功率管S3为零电压关断，高频变压器 副边侧滤波电感Lf折射到原边并与结电容C2、结电容C3、原边漏感一起谐振，由于滤波电感 Lf上的能量足够大，功率管S3的电压从零迅速上升到Vin时，功率管S2上的电压则从2Vin迅速 下降到零，巧位二极管D。导通并将功率管S3两端电压巧位在Vin。为了维持高频变压器的磁 能不变，il、i3下降，i2反向增加。随后，反并联二极管化与巧位二极管Dc共同导通续流。二极 管化的导通为功率管S2的零电压开通创造了条件。t2时刻，原边电流i3下降到零，高频变压 器原边电压也下降到零。此模态高频变压器副边的电流路径与模态1 一致。
[0037] 此阶段滤波电感Lf折射到高频变压器原边与漏感共同的能量使功率管S3两端的电 压从零充电到Vin，功率管S2两端的电压从2Vin放电至零。因此，功率管S2实现零电压开通需 要满足的能量条件为：
[0041] 3、模态3[*2~13]，如图7所示。
[0042] t2时刻，开通功率管S2,若变换器工作状态满足式（3)(4)，S2的反并联二极管化已 导通，则功率管S2即为零电压开通。随后高频变压器原边处于环流阶段，巧位二极管D。与功 率管S2的反并联二极管化共同导通环流。若巧位二极管Dc上的电流为iDc，则在运段时间里， 电流ii，i2与iDc满足：
[0043] ii(t)+i2(t)+iDc(t) =niL(t) (3)
[0044] 4、模态4[t3~t4]，如图8所示。
[0045] t3时刻，关断功率管Si，由于结电容Cl的作用，Si为零电压关断，高频变压器原边漏 感与结电容Cl，结电容C3发生谐振，功率管Si的端电压逐渐上升，功率管S3的端电压逐渐下 降，如果漏感能量足够，此阶段Si两端电压上升到Vin时S3的电压则下降到零。功率管S3电压 的下降主要取决于回路中漏感的能量，因此功率管S3实现零电压开通需满足的能量条件 为：
[0046]
抖)
[0047] 功率管S3实现零电压开通需要满足的死区时间近似为：
[004引
（S)
[0049]在此模态中，原边电流ii的减小使得副边电流is也跟着减小，为了维持滤波电感电 流不变，副边二极管〇4~化开始换流，其中流过化与化的电流减小，流过〇4与化的电流增加， 滤波电感电流?由四个二极管导通共同提供。
[0化0] 5、模态5[t4~t日]，如图9所示。
[0051] t4时刻，开通功率管S3,若漏感能量满足式(4)~（5)，功率管S3的反并联二极管化 已导通，即功率管S3可实现零电压开通，此后功率管S2和功率管S3共同导通，Vin作用在漏感 Lleak-2上，高频变压器原、副边电流迅速上升且换向，高频变压器副边迅速换流，流过二极管 化与二极管化的电流迅速减小，流过二极管〇4与二极管化的电流迅速增加。到t5时刻，流过二 极管化与二极管化的电流达到最大反向峰值电流，同样该峰值也感应到原边侧增大了 i2与 13的开通电流尖峰。此阶段，高频变压器电压仍然为零，功率管Si的电压上升至Vin。
[0052] 6、模态6[t日~t6]，如图10所示。
[0053] 在t5时刻，二极管化与二极管化从反向峰值电流处开始恢复并迅速承受反压。高频 变压器副边电压瞬间反向，原边电压也跟着从零反向迅速升高到输入电压Vin。电压Vdsl也随 之从Vin上升到2Vin。二极管化与二极管化的反向恢复带动原边电流i2与i3下降。至Ijt6时刻， 二极管化与二极管化反向恢复到零，二极管换流结束，随后副边电流只流过二极管〇4与二极 管化。
[0054] t6时刻之后，变换器开始后半周期的工作，其工作状况与前半周期类似，因此不再 寶述。
[0055] 综上所述可W得知，本发明的辅助管电压巧位型软开关推挽直流变换器具有W下 几方面优点：
[0056] 1)变换器拓扑与开关时序简单，容易实现。
[0057] 2)高频变压器原边所有功率开关管可W实现零电压开关，减小了开关损耗，提高 了变换效率。
[0058] 3)巧位二极管可将辅助功率管两端电压巧位在输入电压值Vin上，有效的抑制了关 断过程的电压尖峰，减小了电压应力，有利于其功率管的选型及时变换器工作的稳定性和 可靠性。
【主权项】
1. 一种辅助管电压箝位型软开关推挽直流变换器，其特征在于，所述变换器包括高频 变压器Tr原边电路和副边电路； 所述原边电路包括高频变压器原边第一绕组NP1，原边第二绕组NP2，带结电容和反并联 二极管的第一功率管Si、第二功率管S2和第三功率管S3,直流电压源Vin和箝位二极管D。;第 三功率管S 3的漏极接直流电压源Vin的正极，第三功率管S3的源极与原边第一绕组N P1的异名 端和第二绕组NP2的同名端及箝位二极管Dc的阴极相连接;原边第一绕组1^的同名端和第二 绕组N P2的异名端分别接第一功率管Si和第二功率管32的漏极;第一功率管Si与第二功率管 &的源极和箝位二极管D。的阳极共同与直流电压源V in的负极相连； 所述副边电路包括高频变压器Tr副边绕组Ns，由二极管D4、二极管D5、二极管D 6和二极管 D7组成的全桥不控整流电路，滤波电感Lf，滤波电容Cf和负载R。;副边绕组Ns的同名端接二极 管D 4的阳极和二极管D6的阴极，副边绕组Ns的异名端接二极管05的阳极和二极管D?的阴极， 二极管D4和二极管0 5的阴极共同与滤波电感Lf左端相连，滤波电感Lf的右端与滤波电容Cf的 正极与负载电阻R。的上端相连，二极管D 6和二极管D?的阳极共同接滤波电容Cf的负极与负 载电阻R。的下端。2. 根据权利要求1所述一种辅助管电压箝位型软开关推挽直流变换器，其特征在于，所 述箝位二极管D。可以将辅助管S3两端电压进行箝位，有效抑制了辅助管S 3在开关过程中因 漏感能量释放导致高的电压尖峰，使得辅助管S3上的电压箝位于输入电压，有利于辅助管 的器件选型，提高系统工作的可靠性及稳定性。3. 根据权利要求1所述的一种辅助管电压箝位型软开关推挽直流变换器，其特征在于， 所述高频变压器的漏感，第一功率管Si、第二功率管S 2和第三功率管&的结电容参与软开关 过程，提高高频变压器与功率管的利用率。4. 根据权利要求1所述的一种辅助管电压箝位型软开关推挽直流变换器，其特征在于， 所述第一功率管31、第二功率管&和第三功率管S 3是功率场效应管MOSFET。
【文档编号】H02M3/337GK105871219SQ201610326179
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】常凯旋, 舒骁骁, 宁涛, 喻集文, 郭铁, 伍群芳, 周宁, 刘帆
【申请人】国网江西省电力科学研究院, 国家电网公司