一種全橋組合軟開關直流變換器的製作方法
2024-03-11 07:30:15
專利名稱：一種全橋組合軟開關直流變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種全橋組合軟開關直流變換器，屬於電力電子技術領域。
背景技術：
通常，功率變換器是一種將輸入電壓源或電流源變換成指定輸出電壓或電流的功率處理電路。功率變換器的一種類型，即基於全橋拓撲的DC/DC功率變換器，是大、中功率DC/DC變換器的理想電路，得到廣泛的應用和研究。全橋變換器主要包括全橋逆變電路、高頻變壓器和輸出整流濾波電路組成，具有功率開關器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優點。大電流快速IGBT和大電流快速恢復二極體技術的發展使得大、中功率變換器得以實現。而傳統的PWM全橋變換器，由於開關管工作在硬開關狀態，開關損耗和開關噪聲大，因而影響了效率和開關頻率的提高，從而制約了功率變換器的功率密度的提高和單位輸出功率的體積和重量的減小。因此，人們提出了軟開關技術。軟開關分為零電壓開關和零電流開關。目前，軟開關技術主要有兩種發展方向一個方向是附加開關或改變主電路拓撲等形式，一般是在變換器電路中設置某種形式的LC諧振電路，這使得輸入濾波器和輸出濾波器的設計複雜化，並影響系統的噪聲。另一個發展方向是無損(低損)緩衝吸收電路，其基本思路是設計一容性支路與開關管並聯，一感性支路與開關管串聯，處理吸收儲存元件中的能量，將其回饋至電源或大幅消減其數值，從而消除(消弱)損耗問題，達到軟化開關的目的。如今軟開關變換器都應用了諧振原理，在電路中並聯或串聯諧振網絡，勢必產生諧振損耗，並使電路受到固有問題的影響。為此，人們在諧振技術和無損耗緩衝電路的基礎上提出了組合軟開關功率變換器的理論。組合軟開關技術結合了無損耗吸收技術與諧振式零電壓技術、零電流技術的優點。電路中既可以存在零電壓開通，也可以存在零電流關斷，同時既可以包含零電流開通，也可以包含零電壓關斷，是這四種狀態的任意組合。由此可見，由無損耗緩衝技術和諧振技術組合而成的新型軟開關技術將成為新的發展趨勢。到現在，對軟開關的研究取得了很大的進展，然而還未實現軟開關技術的實用化。全橋變換器中，兩個橋臂的導通時間不相同、開關管的導通壓降存在略微的差異、每個導通管的儲存時間不同等都會造成初級置位伏秒數與復位伏秒數不相等。只要伏秒數稍有不等，磁芯就不能回到起點，並且若干周期後，磁芯將偏離磁滯回線進入飽和區。磁芯飽和時，變壓器不能承受電壓，當下一周期開關管再次導通時，開關管將承受很大的電壓和電流，導致開關管損壞。
發明內容
為了克服上述的不足，本發明的目的在於提供一種全橋組合軟開關直流變換器。本發明採取的技術方案一種全橋組合軟開關直流變換器，包括逆變電路、串聯諧振電路、高頻變壓器、輸出整流電路、輸出濾波電路；所述逆變電路包括4個IGBT管Ql、Q2、Q3和Q4，4個IGBT管的寄生二極體D11、D22、D33 和 D44 ；Ql和Q3的公共端與高頻變壓器的初級繞組的一端之間有串聯諧振電路，Q2和Q4的公共端與高頻變壓器初級繞組的另一端連接，Ql兩端並聯RCD緩衝電路I，Q2兩端並聯RCD緩衝電路II，Q3兩端並聯RCD緩衝電路III，Q4兩端並聯RCD緩衝電路IV ;高頻變壓器輸出端連接輸出整流電路，輸出整流電路連接輸出濾波電路。RCD緩衝電路I由Cl、Dl和Rl組成，Cl與Dl串聯後與Ql並聯，所述Dl上並聯有Rl ；RCD緩衝電路II由C2、D2和R2組成，C2與D2串聯後與Q2並聯，所述D2上並聯有R2 ;RCD緩衝電路III由C3、D3和R3組成，C3與D3串聯後與Q3並聯，所述D3上並聯有R3 ；RCD緩衝電路IV由C4、D4和R4組成，C4與D4串聯後與Q4並聯，所述D4上並聯有R4。串聯諧振電路由諧振電感Lg和諧振電容Cg串聯構成。高頻變壓器的次級繞組的一端與整流二極體D5和D7的公共端連接，另一端與整流二極體D6和D8的公共端連接。所述輸出整流電路包括4個快恢復二極體D5、D6、D7和D8，D5兩端並聯RC緩衝電路I，D6兩端並聯RC緩衝電路II，D7兩端並聯RC緩衝電路III，D8兩端並聯RC緩衝電路IV ;所述RC緩衝電路I由R5及C5串聯構成，RC緩衝電路II由R6及C6串聯構成，RC緩衝電路III由R7及C7串聯構成，RC緩衝電路IV由R8及C8串聯構成。所述輸出濾波電路包括電感L和電解電容Col和Co2，Col與Co2的電容值相等，電阻Rol和Ro2分別與Col和Co2並聯，電阻Rol和Ro2的阻值相等，所述的Col和Co2的工作電壓相等；Co3和Co4為無極性電容，Co3和Co4分別與Col和Co2並聯。所述為輸入端的直流電壓經過所述逆變電路逆變成高頻的交流方波電壓，所述Ql和Q4為一對導通管，Ql和Q4同時導通或Ql和Q4同時關斷；Q2和Q3為另一對導通管，Q2和Q3同時導通或Q2和Q3同時關斷；同一橋臂的兩個IGBT管不能同時導通，每一對導通管的佔空比在輸入電壓最低時不大於95%。本發明的原理一種全橋拓撲組合軟開關直流變換器，輸入的直流電源經過輸入濾波電路供給全橋逆變電路，由Ql、Q2、Q3和Q4四個開關管組成的橋式逆變電路將直流電逆變成高頻的交流方波電壓，再經過高頻變壓器變壓後整流濾波，最後輸出穩定的直流電壓；設計開關管緩衝電路，使得開關管關斷時集電極電壓緩慢上升，減少開關損耗；能抑制了漏感尖峰，防止二次擊穿，可以選擇較低耐壓值的開關管，降低了成本，提高了變換器的可靠性；串聯諧振電路的諧振頻率等於開關頻率，使得逆變之後的電壓為準正弦波交流電壓。本發明的有益效果本發明全橋組合軟開關直流變換器採用RCD緩衝電路和串聯諧振電路的組合軟開關技術，真正減小了開關損耗，且能有效解決全橋直流變換器的偏磁問題，佔空比丟失低。該實施方案不需外加輔助開關，電路結構簡單，實現簡單。開關管的工作頻率恆定，因為是恆頻方式控制，所以軟開關的實現條件不依耐輸入電壓和輸出電流等外部條件，有利於高頻變壓器實現高功率密度和高效率。簡化了功率變壓器、輸入和輸出濾波器的設計。
圖1是本發明電路結構簡圖。圖2是本發明實施例的IGBT (Ql)兩端無RCD緩衝電路時集電極和發射極之間的電壓和流過Ql的電流波形示意圖。圖3是本發明實施例的IGBT (Ql)兩端並聯RCD緩衝電路時集電極和發射極之間的電壓波形示意圖。圖4是本發明實施例的全橋組合軟開關直流變換器的主要波形示意圖。圖5是本發明實施例的全橋組合軟開關直流變換器各開關模態I [t' ct' J等效電路結構不意圖。圖6是本發明實施例的全橋組合軟開關直流變換器各開關模態2 [t' 1;t' 2]等效電路結構不意圖。圖7是本發明實施例的全橋組合軟開關直流變換器各開關模態3 [t' 2，t' 3]等效電路結構不意圖。圖8是本發明實施例的全橋組合軟開關直流變換器各開關模態4[t' 3，t' 4]等效電路結構不意圖。圖9是本發明實施例的全橋組合軟開關直流變換器的不同開關模態的統一等效電路圖。圖中1逆變電路，2串聯諧振電路，3高頻變壓器，4輸出整流電路，5輸出濾波電路。
具體實施例方式如圖1所示為本發明實施例的電路結構簡圖。本發明包括逆變電路(I)、串聯諧振電路(2)、高頻變壓器(3)、輸出整流電路(4)、輸出濾波電路(5)。如圖2所示為本發明實施例的IGBT (Ql)兩端無RCD緩衝電路I時集電極和發射極之間的電壓和流過Ql的電流波形示意圖。當Ql開通期間，Q4開通，Q2和Q3關斷，Ql兩端的電壓為OV山時刻，Ql和Q4關斷，此時儲存在所述高頻變壓器勵磁電感中的能量釋放，電感兩端電壓極性反向，使Ql的集電極電壓迅速上升到所述輸入電壓Vin，由於所述高頻變壓器存在漏感，漏感中的能量也釋放，所以Ql集電極產生漏感尖峰電壓'，所述漏感尖峰電
壓'大於所述電壓Vin，然後電壓又在關斷時間tf結束時下降到，在Ql關斷瞬間到關斷
結束的tf時間內，流過Ql的電流從最初峰值電流Ip下降到OA山 t2 Q1和Q4關斷，Q2
和Q3仍然處於關斷狀態，Ql兩端的電壓為，流過Ql的電流為OA ；t2時刻，Q2和Q3開
通，Ql兩端的電壓上升到Vin ；t2 t3 Q1和Q4保持關斷，Q2和Q3保持開通，Ql兩端的電壓為Vin，流過Ql的電流為OA ；t3時刻，Q2和Q3關斷，在Q2和Q3上產生漏感尖峰'，Ql兩端的電壓為V17V1 = Vin-VL (<0);t3 t4 Q1和Q4保持關斷，Q2和Q3處於關斷狀態，Ql兩
端的電壓為，流過Ql的電流仍為OA ；t4時刻，Ql和Q4開通，Ql兩端的電壓為0V，由於
所述高頻變壓器電感和諧振電感的存在，使得流過Ql的電流緩慢上升到Iin ；t4 t5 Q1和Q4保持開通，Ql兩端的電壓為0V，流過Ql的電流從Iin上升到Ip。
為了抑制漏感尖峰電壓 '，減小所述開關管IGBT關斷時的重疊損耗，防止所述開關管IGBT關斷瞬間在其集電極和發射極之間產生很高的電壓尖峰，在開關管IGBT兩端設計所述RCD緩衝電路。如圖3所示為本發明實施例IGBT (Ql)兩端並聯RCD緩衝電路I時集電極和發射極之間的電壓波形示意圖。在h時刻，Ql關斷(即Ql和Q4關斷)，由於一部分電流通過二極體Dl給Cl充電，使得在Ql的關斷時間tf內，Ql兩端的電壓不會瞬間上升到'，而是緩慢上升到小於\的電壓Vp，當Ql完全關斷後，Cl兩端的電壓通過電阻Rl放電到t2時刻；在t2時刻，Ql兩端的電壓緩慢上升到Vin ；t3時刻，Q2和Q3關斷，Ql兩端的電壓緩慢下降，當Q2和Q3完全關斷後，Ql兩端的電壓又緩慢上升；t4時刻，Ql和Q4開通，Ql兩端的緩慢下降到OV。假設最初的峰值電流Ip流過Cl的電流為Ip/2，流過逐漸關斷的Ql的電流為Ip/2。設計合適的電容Cl，使得兩端的電壓在Ql的關斷時間tf內上升到2Vd。。則Cl和Rl的表達式推導如下(I)輸入功率為Pin，輸出額定功率P。，變換器的效率為Π ;(2) Vin的最小電壓為Vin(min),開關管的佔空比為D,開關周期為T ； 如圖2所示，流過Ql的電流脈衝是一個寬度為I一的梯形斜波，將梯形斜波的電
流等效為同樣脈寬的平頂電流，其電流平均值為
權利要求
1.ー種全橋組合軟開關直流變換器，包括逆變電路(I)、串聯諧振電路(2)、高頻變壓器(3)、輸出整流電路(4)、輸出濾波電路(5);所述逆變電路(I)包括4個IGBT管Ql、Q2、Q3和Q4，4個IGBT管的寄生ニ極管D11、D22、D33和D44 ； 其特徵在於Q1和Q3的公共端與高頻變壓器的初級繞組的一端之間有串聯諧振電路(2)，Q2和Q4的公共端與高頻變壓器初級繞組的另一端連接，Ql兩端並聯RCD緩衝電路I，Q2兩端並聯RCD緩衝電路II，Q3兩端並聯RCD緩衝電路III，Q4兩端並聯RCD緩衝電路IV ；高頻變壓器(3 )輸出端連接輸出整流電路(4 )，輸出整流電路(4 )連接輸出濾波電路(5 )。
2.根據權利要求I所述的ー種全橋組合軟開關直流變換器，其特徵在於RCD緩衝電路I由Cl、Dl和Rl組成，Cl與Dl串聯後與Ql並聯，所述Dl上並聯有Rl ;RCD緩衝電路II由C2、D2和R2組成，C2與D2串聯後與Q2並聯，所述D2上並聯有R2 ；RCD緩衝電路III由C3、D3和R3組成，C3與D3串聯後與Q3並聯，所述D3上並聯有R3 ；RCD緩衝電路IV由C4、D4和R4組成，C4與D4串聯後與Q4並聯，所述D4上並聯有R4。
3.根據權利要求I所述的ー種全橋組合軟開關直流變換器，其特徵在幹串聯諧振電路(2)由諧振電感Lg和諧振電容Cg串聯構成。
4.根據權利要求I所述的ー種全橋組合軟開關直流變換器，其特徵在於高頻變壓器(3)的次級繞組的一端與整流ニ極管D5和D7的公共端連接，另一端與整流ニ極管D6和D8的公共端連接。
5.根據權利要求I所述的ー種全橋組合軟開關直流變換器，其特徵在於所述輸出整流電路(4)包括4個快恢復ニ極管D5、D6、D7和D8，D5兩端並聯RC緩衝電路I，D6兩端並聯RC緩衝電路II，D7兩端並聯RC緩衝電路III，D8兩端並聯RC緩衝電路IV ;所述RC緩衝電路I由R5及C5串聯構成，RC緩衝電路II由R6及C6串聯構成，RC緩衝電路III由R7及C7串聯構成，RC緩衝電路IV由R8及C8串聯構成。
6.根據權利要求I所述的ー種全橋組合軟開關直流變換器，其特徵在於所述輸出濾波電路(5)包括電感L和電解電容Col和Co2，Col與Co2的電容值相等，電阻Rol和Ro2分別與Col和Co2並聯，電阻Rol和Ro2的阻值相等，所述的Col和Co2的工作電壓相等；Co3和Co4為無極性電容，Co3和Co4分別與Col和Co2並聯。
7.根據權利要求I所述的ー種全橋組合軟開關直流變換器，其特徵在於所述為輸入端的直流電壓經過所述逆變電路(I)逆變成高頻的交流方波電壓，所述Ql和Q4為ー對導通管，Ql和Q4同時導通或Ql和Q4同時關斷；Q2和Q3為另ー對導通管，Q2和Q3同時導通或Q2和Q3同時關斷；同一橋臂的兩個IGBT管不能同時導通，每ー對導通管的佔空比在輸入電壓最低時不大於95%
全文摘要
本發明公開了一種全橋組合軟開關直流變換器，屬於電力電子技術技術領域。採用本發明不僅大大降低了開關損耗而且提高了大、中功率變換器的開關頻率、效率和功率密度，本發明的諧振電容解決了全橋變換器的直通和偏磁問題，這樣使得全橋變換器真正的成為大功率直流變換器的理想電路。
文檔編號H02M3/28GK102983747SQ20121051423
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者劉彥呈, 張潔喜, 李霄燕, 李烔, 杜文杰, 王川, 郭昊昊, 艾莉莉 申請人:大連海事大學