新型軟開關整流系統的製作方法

2023-06-03 05:12:06

本發明涉及整流系統，特別是新型軟開關整流系統。

背景技術：

隨著計算機與通信技術的飛速發展，作為配套設備的開關電源也獲得了長足的進步。對於大功率開關電源，現有的全橋驅動技術通常採用移相全橋方法，其通過採用專用集成電路及外配移相變壓器及諧振網絡來實現。但是，由於移相全橋技術在使用過程中參數的調整較為複雜，要求較高，通常只能實現上半橋的ZVS，這在電源設計領域是一個難點。此外，由於增加了移相變壓器，會使得其損耗增加，從而使電源整機的效率降低，在高密度大功率電源設計中受到一定的限制。再者，現有能提供移相全橋驅動IC的廠家屈指可數，因此用戶可選擇性較窄，且成本較高。

技術實現要素：

為了克服現有技術的缺點，本發明提供了同時操作在連續電流導通模式與不連續電流導通模式的新型軟開關整流系統。

本發明所採用的技術方案是：

新型軟開關整流系統，包括全橋變換電路、輸出整流濾波電路、及PID調節電路，還包括PWM控制電路，所述全橋變換電路內包括有功率管Q8、Q9、Q10、及Q11；所述PWM控制電路內包括一相位相差180°的雙向輸入的方波發生器、死區時間調整電路、三角波發生器觸發電路、ZCS及PWM調整電路、全橋驅動器、及三角波發生器，該方波發生器分別與死區時間調整電路、三角波發生器觸發電路、ZCS及PWM調整電路、及全橋驅動器相連接，三角波發生器觸發電路與三角波發生器相連接，ZCS及PWM調整電路與全橋驅動器的輸入端相連接，該全橋驅動器的輸出端分別驅動功率管Q8、Q10上半橋、及Q9、Q11下半橋，該全橋驅動器在負載變化範圍內以軟開關方式工作。

所述雙輸出的方波發生器的頻率為150KHz，該方波發生器採用數字電路構成，死區時間調整電路採用積分電路構成，三角波發生器觸發電路採用邏輯門電路構成，ZCS及PWM調整電路採用邏輯門電路及積分電路構成。

所述全橋驅動器與全橋變換電路之間設有一變壓器T3，所述方波發生器產生的3B、4B兩條波形送至全橋驅動器的第6、10管腳輸入端，經全橋驅動器的Y3、Y4管腳輸出上半橋驅動波形3Y、4Y，然後通過變壓器T3隔離驅動全橋變換電路內的功率管Q8、Q10上半橋。

所述死區時間調整電路與三角波發生器觸發器電路之間分別連接有一電容C76、及C77，三角波發生器與ZCS及PWM調整電路之間連接有一反相器IC2E，通過調整該電容C76、C77的大小得到一個固定死區時間作為下半橋開啟控制；來自方波發生器的3B、4B兩條波形送至三角波發生器觸發電路後生成輸出波形C，三角波發生器輸出一個近似三角波D，通過反相器IC2E後得到一個方波。

所述PID調節電路與三角波發生器之間設有一光耦三極體，該光耦三極體的發射極接於三角波發生器的輸出端；反相器IC2E產生的方波在ZCS及PWM調整電路中與3B、4B兩條波形合成後，在其第10與11管腳分別得到輸出波形E、F，將該波形E、F送至全橋驅動器的第2、4管腳輸入端，最後經全橋驅動器輸出1Y、2Y波形，以驅動全橋變換電路內的功率管Q9、Q10下半橋。

所述全橋驅動器的軟開關工作方式為：在開關元件並聯結電容的作用下，即將關斷的開關元件上的電壓不能發生突變，開關元件在零電壓的情況下關斷，由於同一橋臂上下管的兩個門極驅動信號的間隔很小，電感和結電容發生諧振，即將導通的開關元件的結電容放電，當結電容兩端的電壓為零時，反並聯二極體承受正向電壓而導通，從而為開關元件的零電壓導通創造了條件。

本發明的有益效果：

1、本發明採用了一種簡單的零電壓零電流開關（ZVZCS）的全橋PWM變換電路拓撲，與其他ZVZCS全橋PWM變換電路相比，這種變換器的電路拓撲結構很簡單，通過適當的控制方式及合適的參數選擇，這種變換器可以在很寬的負載變化範圍內以軟開關方式高效率地工作。

2、本發明的實現全橋零電壓開關、零電流開關驅動的方法及其電路，其電源設計簡化、不需要外接諧振網絡，調試簡便可靠，技術難度較低 ；其採用通用的數字邏輯電路，成本較低，工作頻率可達 500KHz，可極大的減小電源體積；此外，其電源整機效率較高，平均效率不低於 92％，對高密度大功率電源的設計帶來極大的方便 ；再者，由於採用通用元件， 在一定條件下可實現集成電路話，最終的驅動電路就可以由現在的模塊便成為單片集成電路，安裝使用較為方便。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步的說明。

圖1為本發明新型軟開關整流系統一種具體實施例的模塊示意圖；

圖2為圖1中各模塊之間的電路連接示意圖；

圖3為本發明新型軟開關整流系統工作過程中驅動波形的時序圖。

具體實施方式

如圖1、2所示，本發明還提供一種新型軟開關整流系統，包括全橋變換電路10、輸出整流濾波電路20、及比例積分微分(PID：ProportionIntegrationDifferentiation)調節電路30，其還包括脈衝寬度調製(PWM：PulseWidthModulation)控制電路40，所述全橋變換電路10內包括有功率管Q8、Q9、Q10、及Q11；所述PWM控制電路40內包括一相位相差180°的雙向輸入的方波發生器41、死區時間調整電路42、三角波發生器觸發電路43、ZCS及PWM調整電路44、全橋驅動器45、及三角波發生器46，該方波發生器41分別與死區時間調整電路42、三角波發生器觸發電路43、ZCS及PWM調整電路44、及全橋驅動器45相連接，三角波發生器觸發電路43與三角波發生器46相連接，ZCS及PWM調整電路44與全橋驅動器45的輸入端相連接，該全橋驅動器45的輸出端分別驅動功率管Q8、Q10上半橋、及Q9、Q11下半橋。

作為本發明的一種具體實施例，所述雙輸出的方波發生器41的頻率為150KHz，該方波發生器41採用數字電路構成。作為本發明的一種選擇性實施例，該全橋驅動器45可以採用一晶片IC5實現其功能。在該全橋驅動器45與全橋變換電路10之間還設有一變壓器T3，方波發生器41產生的3B、4B兩條波形送至全橋驅動器45的第6、10管腳輸入端，經全橋驅動器45的Y3、Y4管腳輸出上半橋驅動波形3Y、4Y，然後通過變壓器T3隔離驅動全橋變換電路10內的功率管Q8、Q10上半橋。

本發明中，所述死區時間調整電路42可以採用積分電路構成，該死區時間調整電路42與三角波發生器觸發器電路43之間分別連接有一電容C76、及C77。方波發生器41產生的3B、4B兩條波形一路送入死區時間調整電路42後，通過調整該電容C76及C77的大小得到一個固定死區時間，用以防止上下半橋共態導通，同時作為下半橋開啟控制。

本發明的三角波發生器觸發電路43可以採用邏輯門電路構成，在三角波發生器46與ZCS及PWM調整電路44之間連接有一反相器IC2E。方波發生器41產生的3B、4B兩條波形送入該三角波發生器觸發電路43後生成輸出波形C，其負向觸發特性使三角波發生器46輸出一個近似三角波D，送至反相器IC2E後得到一方波。

在本發明具體實施例中，ZCS及PWM調整電路44可以採用邏輯門電路及積分電路構成。來自反相器IC2E的方波在ZCS及PWM調整電路44中與3B、4B兩條波形合成後，在其第10與11管腳分別得到輸出波形E、F，將該波形E、F送至全橋驅動器45的第2、4管腳輸入端，最後經全橋驅動器45輸出1Y、2Y波形，以驅動全橋變換電路10內的功率管Q9、Q10下半橋。

更進一步的，本發明的PID調節電路30與三角波發生器46之間設有一光耦三極體IC10，該光耦三極體IC10的發射極接於三角波發生器46的輸出端OUT1處。當負載變化時，檢測到的輸出端電流及電壓變化量送入PID調節電路30，經PID調節後，光耦三極體IC10的發射管得到與輸出電壓、電流變化量相一致的電流變化，從而使光耦三極體IC10的CE電壓發生相應的線性變化，由於光耦三極體IC10的發射極接於三角波發生器46的輸出端OUT1，這就使得三角波發生器46的直流基準電壓也就相應的產生高低變化，最後導致反相器IC2E輸出方波的脈寬發生對應變化，那麼，全橋驅動器45輸出的Y1、Y2方波的脈寬也相應變化，下半橋的導通時間也就得到改變，這就起到了PWM控制作用。

如圖3所示，圖中3Y、4Y分別對應全橋驅動器45的Y3、Y4腳，分別驅動上半橋的功率管Q8、Q10，1Y、2Y分別對應應全橋驅動器45的Y1、Y2腳，分別驅動下半橋的功率管Q11、Q9。由圖中可見，當功率管Q8導通時，功率管Q11還未導通，延時t1時間後再導通。同理，功率管Q9也延時t1相對於功率管Q10後導通，上半橋提前於下半橋導通，此時無電流通路，實現零電流開通。同時，上半橋延遲於下半橋關斷，此時同樣無電流通路，實現零電流關斷，可見上半橋實現了ZCS。此過程通過設置數字電路驅動時序完成，通過調節電容C78、C79，使下半橋驅動滯後上半橋50～150nS。下半橋延遲於上半橋導通，下橋臂VDS電壓由高變低，開關變壓器原邊迴路LC串聯諧振作用，電流超前，電壓滯後，VDS下降至1/2以下時下橋臂完全導通，使開通時損耗減小；下半橋關斷時，VDS電壓由低變高，由於VDS在LC諧振作用下，上升速率延遲，實現ZVS關斷。由此可見下半橋開關損耗僅存在於開通時1/2電壓以下，有效減少了開關損耗。

綜上所述，與其他ZVZCS全橋PWM變換電路相比，本發明的電路拓撲結構很簡單，通過適當的控制方式及合適的參數選擇，這種變換器可以在很寬的負載變化範圍內以軟開關方式高效率地工作。本發明的實現全橋零電壓開關、零電流開關驅動的方法及其電路，其電源設計簡化、不需要外接諧振網絡，調試簡便可靠，技術難度較低；其採用通用的數字邏輯電路，成本較低，工作頻率可達500KHz，可極大的減小電源體積；此外，其電源整機效率較高，平均效率不低於92％，對高密度大功率電源的設計帶來極大的方便；再者，由於採用通用元件，在一定條件下可實現集成電路話，最終的驅動電路就可以由現在的模塊便成為單片集成電路，安裝使用較為方便。

以上所述僅為本發明的優先實施方式，本發明並不限定於上述實施方式，只要以基本相同手段實現本發明目的的技術方案都屬於本發明的保護範圍之內。