軟開關pwm交錯並聯雙管正激變換器的製作方法

2023-05-26 22:48:26 4

專利名稱：軟開關pwm交錯並聯雙管正激變換器的製作方法
技術領域：
本發明的軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器，屬電能變換裝置的直流變換器。
背景技術：
適用於高壓輸入大功率場合的DC/DC變換器有全橋變換器和雙管正激變換器。全橋變換器易於實現開關管的軟開關，但是存在橋臂直通的危險，降低了變換器的可靠性。而可靠性是所有電力電子裝置的生命線，對航空電源尤有重要意義。雙管正激變換器具有內在抗橋臂直通的能力，可靠性高，然而雙管正激變換器的佔空比只能小於0.5，變壓器磁芯工作在磁化曲線的第一象限，而且不易實現軟開關，難以提高變換器的轉換效率和功率密度。1997年美國學者Kutkut提出了一種雙橋變換器，由兩路雙管正激變換器交錯並聯構成，共用一個高頻變壓器，利用移相控制實現開關管的零電壓開關，但是存在較大的環流，影響了變換器的效率。2003年南航嚴仰光教授提出了一種新型雙路雙管正激變換器，兩路雙管正激變換器共用一個高頻變壓器，並且共用原邊箝位二極體，利用變壓器漏感能量實現開關管的零電壓開關。該變換器輸出不含濾波電感，應用在直流變壓器場合，不能實現輸出穩壓，不利於後級逆變器的優化設計。

發明內容
本發明的目的在於針對上述變換器的缺陷，研製一種軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器，以克服現有變換器存在的缺陷，在實現開關管的軟開關和保留雙管正激變換器電壓應力低、可靠性高等優點的同時，使變換器不存在環流狀態，減小通態損耗，提高變換效率和變換器功率密度。實現上述目的的軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器，由兩路雙管正激變換器交錯並聯組成，一路由電源正極連於第一功率開關管漏極，功率開關管源極連於與高頻隔離變壓器原邊第一繞組同名端相連的第一變壓器漏感，高頻隔離變壓器原邊第一繞組異名端連於第二功率開關管漏極，其源極連於電源負極構成迴路，在第一變壓器漏感輸入端與電源負極之間連接一個箝位二極體，在高頻隔離變壓器原邊第一繞組異名端與電源正極之間同樣連接一個箝位二極體組成一路雙管正激變換器；另一路由電源正極連於第三功率開關管漏極，其源極連於與高頻隔離變壓器原邊第二繞組異名端相連的第二變壓器漏感，高頻隔離變壓器原邊第二繞組同名端連於第四功率開關管漏極，其源極連於電源負極構成迴路，在第二變壓器漏感輸入端與電源負端之間連接一個箝位二極體，在高頻隔離變壓器原邊第二繞組同名端與電源正極之間同樣連接一個箝位二極體組成第二路雙管正激變換器，高頻隔離變壓器副邊第一繞組的同名端連於第一輸出整流二極體正極，高頻隔離變壓器副邊第二繞組的異名端連於第二輸出整流二極體正極，兩個輸出整流二極體的負極同時串聯濾波電感，再串聯濾波電容，濾波電容另一端連於高頻隔離變壓器副邊第一繞組異名端與副邊第二繞組同名端的連接點組成整流濾波迴路。
本發明的控制方法，採用改進的PWM控制，兩路雙管正激變換器交錯互補工作，同一路雙管正激變換器的兩個開關管同時關斷，但不同時開通。本發明不需附加任何有源或無源電路實現了功率開關管的軟開關，變換器不存在環流，減小通態損耗，提高變換效率和變換器功率密度。
四

附圖1是本發明的軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器電路結構示意圖。
附圖2是軟開關PWM交錯串聯雙管正激變換器電路結構示意圖。
附圖3是軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器主要波形示意圖。
附圖4-8是各開關模態的等效電路結構示意圖上述附圖中的主要符號名稱Vin——電源電壓。Q1～Q4——功率開關管。C1～C4——功率開關管的寄生電容。D1～D4——功率開關管的體二極體。DC1～DC1——箝位二極體。Cd1～Cd2——輸入分壓電容。Tr——高頻變壓器；變壓器原副邊變比為K。Lr1、Lr2——變壓器漏感。NP1、NP2——高頻隔離變壓器原邊繞組；NS1、NS2——高頻隔離變壓器副邊繞組。DR1、DR2——輸出整流二極體。Lf——濾波電感。Cf——濾波電容。RLd——負載。Vo出電壓。Io——輸出電流。
五具體實施例方式
附圖1是軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器結構示意圖。附圖2是軟開關PWM交錯串聯雙管正激變換器結構示意圖。以附圖1的軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器為例，由兩路雙管正激變換器交錯並聯組成。一路由電源Vin正極連於第一功率開關管Q1漏極，功率開關管Q1源極連於與高頻隔離變壓器Tr原邊第一繞組NP1同名端相連的第一變壓器漏感Lr1，高頻隔離變壓器Tr原邊第一繞組NP1異名端連於第二功率開關管Q2漏極，其源極連於電源Vin負極構成迴路，在第一變壓器漏感Lr1輸入端與電源Vin負極之間連接箝位二極體DC1，在高頻隔離變壓器Tr原邊第一繞組NP1異名端與電源正極之間連接箝位二極體DC2組成一路雙管正激變換器；另一路由電源Vin正極連於第三功率開關管Q3漏極，其源極連於與高頻隔離變壓器Tr原邊第二繞組NP2異名端相連的第二變壓器漏感Lr2，高頻隔離變壓器Tr原邊第二繞組NP2同名端連於第四功率開關管Q4漏極，其源極連於電源Vin負極構成迴路，在第二變壓器漏感Lr2輸入端與電源Vin負極之間連接箝位二極體DC3，在高頻隔離變壓器Tr原邊第二繞組NP2同名端與電源Vin正極之間同樣連接箝位二極體DC4組成第二路雙管正激變換器，高頻隔離變壓器Tr副邊第一繞組NS1的同名端連於第一輸出整流二極體DR1正極，高頻隔離變壓器副邊第二繞組NS2的異名端連於第二輸出整流二極體DR2正極，兩個輸出整流二極體的負極同時串聯濾波電感Lf，再串聯濾波電容Cf，濾波電容Cf另一端連於高頻隔離變壓器Tr副邊第一繞組NS1異名端與副邊第二繞組NS2同名端的連接點組成整流濾波迴路。
控制方法如下兩路雙管正激變換器180°互補工作。開關管Q1和Q3為180°互補導通，開關管Q1和Q2同時關斷，開關管Q2相對於開關管Q1滯後一個相位開通；開關管Q3和Q4同時關斷，開關管Q4相對於開關管Q2滯後一個相位開通。故定義開關管Q1和Q3為超前管，開關管Q2和Q4為滯後管。開關管Q2和Q4PWM工作，通過調節開關管Q2和Q4的脈衝寬度來調節輸出電壓。控制晶片採用1片3895。超前管Q1、Q3實現零電壓開通和關斷，滯後管Q2和Q4實現零電流開通、零電壓關斷，從而減小開關管的開關損耗，提高變換效率。下面以附圖1為主電路結構，結合附圖3～8敘述本發明的具體工作原理。由附圖3可知整個變換器在一個開關周期有10種開關模態，分別是[t0，t1]、[t1，t2]、[t1，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10](見附圖2)，其中，[t0，t5]為前半周期，[t5，t10]為後半周期。下面對各開關模態的工作情況進行具體分析。
在分析之前，作如下假設①所有開關管和二極體均為理想器件；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件；③濾波電感Lf足夠大，可等效為輸出電流Io的電流源。
1.開關模態1[t0，t1][對應於附圖4]開關管Q1、Q2導通，副邊整流管DR1導通，整流管DR2截止，變換器通過變壓器繞組NP1向負載傳遞能量。
2.開關模態2[t1，t2][對應於附圖5]t1時刻關斷開關管Q1、Q2，原邊電流iNp1給電容C1、C2充電，原邊電流iNp2給電容C3、C4放電，iNp1＝iNp2＝Io/2K。開關管Q1、Q2兩端電壓線性上升，為零電壓關斷。到t2時刻，開關管Q1、Q2兩端電壓上升到Vin/2，開關管Q3、Q4兩端電壓下降到零，此時可以零電壓開通開關管Q3。
3.開關模態3[t2，t3][對應於附圖6]在t2時刻，二極體DC1、DC2導通，此時副邊整流管DR1、DR2同時導通，變壓器原副邊電壓被箝位在零。原邊電流iNp1在輸入電壓的作用下線性減小。
4.開關模態4[t3，t4][對應於附圖7]t3時刻原邊電流iNp1減小為零，二極體DC1、DC2自然截止，開關管Q1、Q2兩端電壓箝位在Vin/2。
5.開關模態5[t4，t5][對應於附圖8]t4時刻，開關管Q4開通，由於漏感Lr2的作用，原邊電流iNp2緩慢上升，開關管Q4為零電流開通。開關管Q3已在t4時刻開通，原邊電流iNp2在輸入電壓的作用下線性上升。漏感Lr1與電容C1、C2諧振工作，開關管Q1、Q2兩端電壓線性上升。t5時刻，開關管Q1、Q2兩端電壓上升到Vin，iNp2＝Io/K副邊整流二極體DR1截止。此後，變換器通過繞組NP2向負載傳遞能量。變換器開始另一半周期工作，其工作情況類似於上述的半個周期。
由以上描述可知，本發明提出的軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器具有如下優點該變換器保留了雙管正激變換器開關管電壓應力低、不存在橋臂直通、可靠性高等優點。
採用變壓器的磁集成技術，兩路雙管正激變換器共用一個高頻變壓器，提高了磁芯利用率。
採用改進的PWM控制策略，超前管實現零電壓開通和關斷，滯後管實現零電流開通、零電壓關斷，通過調節滯後管的脈衝寬度來調節輸出電壓，大大減小了開關損耗，有利於實現變換器的高頻化。
不需附加任何有源或無源電路實現了原邊電流的復位，不存在環流狀態，大大減小了通態損耗，提高了變換效率。
權利要求
1.一種軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器，由兩路雙管正激變換器交錯並聯組成，其特徵在於，由電源(Vin)正極連於第一功率開關管(Q1)漏極，功率開關管(Q1)源極連於與高頻隔離變壓器(Tr)原邊第一繞組(NP1)同名端相連的第一變壓器漏感(Lr1)，高頻隔離變壓器(Tr)原邊第一繞組(NP1)異名端連於第二功率開關管(Q2)漏極，其源極連於電源(Vin)負極構成迴路，在第一變壓器漏感(Lr1)輸入端與電源(Vin)負極之間連接箝位二極體(DC1)，在高頻隔離變壓器(Tr)原邊第一繞組(NP1)異名端與電源正極之間連接箝位二極體(DC2)組成一路雙管正激變換器；另一路由電源(Vin)正極連於第三功率開關管(Q3)漏極，其源極連於與高頻隔離變壓器(Tr)原邊第二繞組(NP2)異名端相連的第二變壓器漏感(Lr2)，高頻隔離變壓器(Tr)原邊第二繞組(NP2)同名端連於第四功率開關管(Q4)漏極，其源極連於電源(Vin)負極構成迴路，在第二變壓器漏感(Lr2)輸入端與電源(Vin)負極之間連接箝位二極體(DC3)，在高頻隔離變壓器(Tr)原邊第二繞組(NP2)同名端與電源(Vin)正極之間同樣連接箝位二極體(DC4)組成第二路雙管正激變換器，高頻隔離變壓器(Tr)副邊第一繞組(NS1)的同名端連於第一輸出整流二極體(DR1)正極，高頻隔離變壓器副邊第二繞組(NS2)的異名端連於第二輸出整流二極體(DR2)正極，兩個輸出整流二極體的負極同時串聯濾波電感(Lf)，再串聯濾波電容(Cf)，濾波電容(Cf)另一端連於高頻隔離變壓器(Tr)副邊第一繞組(NS1)異名端與副邊第二繞組(NS2)同名端的連接點組成整流濾波迴路。
2.一種交錯串聯軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器，其特徵在於，將權利要求1所述的兩路雙管正激變換器交錯串聯組成。
全文摘要
一種軟開關PWM交錯並聯雙管正激變換器，屬電能變換裝置的直流變換器。由兩路雙管正激變換器交錯並聯組成，電源(V
文檔編號H02M3/04GK1734905SQ200510041129
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月21日 優先權日2005年7月21日
發明者毛賽君, 王慧貞, 冀春英, 嚴仰光 申請人:南京航空航天大學