採用中心抽頭電感濾波的zvzcs交錯並聯雙管正激電路的製作方法

2023-05-09 17:06:31

採用中心抽頭電感濾波的zvzcs交錯並聯雙管正激電路的製作方法
【專利摘要】採用中心抽頭電感濾波的ZVZCS交錯並聯雙管正激電路，涉及ZVZCS交錯並聯雙管正激電路。它為解決現有交錯並聯雙管正激變換器由於多採用兩個開關管同時導通同時關斷，較難實現理想的軟開關，以及在變壓器原邊電流下降時，副邊的兩組整流二極體會同時導通續流，將變壓器副邊短路，造成佔空比丟失的現象，降低了變壓器功率傳輸的效率的問題。它包括第一至第四開關管模組、第一至第九二極體、第一、第二原邊繞組、副邊繞組、第一、第二漏感、第一、第二緩衝電容、第一、第二緩衝電感、第一電容、具有中心抽頭的濾波電感和第一至第四整流二極體；第一開關管模組至第四開關管模組的組成及連接方式均相同；它適用於中高功率場合中的DC-DC變換器。
【專利說明】採用中心抽頭電感濾波的zvzcs交錯並聯雙管正激電路

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種zvzcs交錯並聯雙管正激電路。

【背景技術】
[0002] 交錯並聯正激電路是較常用的DC-DC變換電路，該電路沒有直通的危險，安全可 靠性高，功率等級高，在中高功率場合應用廣泛。現有傳統結構的具有LCD無源緩衝網絡的 交錯並聯雙管正激變換器結構及其開關管信號示意圖，如圖1和圖2所示。傳統結構的交 錯並聯雙管正激變換器可以有效抑制變換器在進行磁復位時由於二極體反向恢復造成的 變壓器原邊電壓震蕩與過衝，同時該網絡可輔助開關管實現軟開關。但是傳統電路在開關 管的控制策略上多採用兩個開關管同時導通同時關斷。這種控制方法較難實現理想的軟開 關。同時在變壓器原邊電流下降時，副邊的兩組整流二極體會同時導通續流，將變壓器副邊 短路，造成佔空比丟失的現象，降低了變壓器功率傳輸的效率。


【發明內容】

[0003] 本發明為了解決現有交錯並聯雙管正激變換器由於多採用兩個開關管同時導通 同時關斷，較難實現理想的軟開關，以及在變壓器原邊電流下降時，副邊的兩組整流二極體 會同時導通續流，將變壓器副邊短路，造成佔空比丟失的現象，降低了變壓器功率傳輸的效 率的問題，而提出的採用中心抽頭電感濾波的ZVZCS交錯並聯雙管正激電路。
[0004] 採用中心抽頭電感濾波的zvzcs交錯並聯雙管正激電路，它包括第一開關管模組 至第四開關管模組、第一二極體Di至第九二極體D 9、第一原邊繞組U、第二原邊繞組L2、副 邊繞組L3、第一漏感L lkl、第二漏感Llk2、第一緩衝電容、第二緩衝電容(；2、第一緩衝電感 Lri、第二緩衝電感Lrt、第一電容Cf、具有中心抽頭的濾波電感和第一整流二極體D K1至第四 整流二極體DK4 ;所述第一開關管模組至第四開關管模組的組成及連接方式均相同，所述第 一開關管模組由第一三極體％、第一模組二極體和第一結電容C dsl組成；所述第一三極體％ 的集電極同時與第一模組二極體的陰極和第一結電容Cdsl的一端相連；所述第一三極體％ 的發射極同時與第一模組二極體的陽極和第一結電容C dsl的另一端相連；所述第一三極體 Qi的集電極即為第一開關管模組的正向連接端，所述第一三極體％的發射極即為第一開關 管模組的負向連接端；具有中心抽頭的濾波電感由第一濾波電感L fl和第二濾波電感Lf2組 成，所述第一濾波電感Lfl的同名端與第二濾波電感L f2的非同名端相連；第一開關管模組 的正向連接端同時與供電電源正極、第三開關管模組的正向連接端、第五二極體〇 5的陰極、 第二二極體D2的陰極、第七二極體D7的陰極和第四二極體D 4的陰極連接；第一開關管模組 的負向連接端同時與第一緩衝電容(^的一端、第一漏感Llkl的一端和第一二極體Di的陰極 相連；第五二極體D 5的陽極與第一緩衝電感的一端相連，第一緩衝電感的另一端同 時與第一緩衝電容的另一端和第六二極體D6的陰極相連，第六二極體D 6的陽極同時與 第二二極體D2的陽極、第二開關管模組的正向連接端和第一原邊繞組U的非同名端相連； 第一漏感L lkl的另一端與第一原邊繞組Q的同名端相連；第一二極體Di的陽極同時與供電 電源負極、第三二極體D3的陽極、第四開關管模組的負向連接端和第二開關管模組的負向 連接端相連；第三開關管模組的負向連接端同時與第二緩衝電容(；2的一端、第二漏感Llk2 的一端和第三二極體D3的陰極相連；第七二極體D7的陽極同時與第二緩衝電感的另一 端和第八二極體D 8的陰極相連，第八二極體D8的陽極同時與第四二極體D4的陽極、第四開 關管模組的正向連接端和第二原邊繞組L 2的同名端相連；第二漏感Llk2的另一端和第二原 邊繞組L2的非同名端相連；副邊繞組L 3的同名端同時與第一整流二極體DK1的陽極和第二 整流二極體DK2的陰極相連，第一整流二極體D K1的陰極同時與第四整流二極體DK4的陰極、 第一濾波電感Lfl的同名端、第二濾波電感L f2的非同名端相連，第一濾波電感Lfl的非同名 端與第一電容cf的一端相連，第一電容C f的另一端同時與第九二極體D9的陽極、第二整流 二極體DK2的陽極和第三整流二極體D K3的陽極相連，第三整流二極體DK3的陰極同時與第四 整流二極體DK4的陽極和副邊繞組L 3的非同名端相連；第一電容cf的兩端即為採用中心抽 頭電感濾波的ZVZCS交錯並聯雙管正激電路的負載正向端和負載負向端。
[0005] 本發明的出發點正是保留了傳統交錯並聯正激變換器的優點，同時針對它的缺點 進行發明創新的。在不改變變壓器原邊拓撲結構的基礎上，通過採用適當的移相控制方法 實現了變換器開關器件的軟開關。將變壓器副邊的濾波電感改為帶有中心抽頭的濾波電 感。該電感的加入，可以有效防止兩組整流二極體同時導通造成的佔空比丟失問題，也可以 軟化整流二極體的關斷過程，從而抑制因二極體反向恢復帶來的電壓震蕩和過衝。通過本 次發明，使交錯並聯結構的雙管正激電路性能更優越。變壓器原邊採用兩路結構完全相同 的雙管正激子電路進行並聯，每個子電路工作半個周期。變壓器原邊的LCD網絡用以抑制 原邊電壓過衝和震蕩並輔助實現軟開關。變壓器副邊整流濾波部分採用帶有中心抽頭的濾 波電感，在原邊電流下降時，負載電流一部分通過變壓器副邊另一部分通過第二濾波電感 Lf2進行續流。這樣可以有效防止兩組整流二極體同時導通，從而抑制佔空比丟失。同時， 由於經過電感的電流只能較緩慢的變化因此通過二極體的電流變化率下降，可抑制由於二 極管反向恢復帶來的震蕩問題。移相控制的開關管信號如圖4所示，同一子電路的兩個開 關管既不同時導通也不同時關斷。這樣使得兩個開關管的通斷過程相互獨立，利用電路中 的諧振分別為兩隻開關管創造軟開通和軟關斷的條件，可以更好地實現軟開關。
[0006] 本申請所述變換器的升壓比根據變壓器的匝數比確定。功率等級要根據器件的耐 壓耐流值，可以達到幾千瓦。本發明的變換器所達到的主要參數指標為：
[0007] 電壓調整率：〈1 %;
[0008] 負載調整率：〈1 %;
[0009]紋波係數：〈0.5%;
[0010] 變換器的效率：>90%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為現有採用IXD無源網絡的交錯並聯正激電路圖；圖2為現有採用IXD無源 網絡的交錯並聯正激電路的開關管信號圖；圖3為本申請所述採用中心抽頭電感濾波的 ZVZCS交錯並聯雙管正激電路圖；圖4為本申請所述採用中心抽頭電感濾波的ZVZCS交錯 並聯雙管正激電路的開關管信號圖；圖5為本申請所述採用中心抽頭電感濾波的ZVZCS交 錯並聯雙管正激電路的控制信號和電路工作波形圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0012] 一：結合圖3說明本實施方式，本實施方式所述採用中心抽頭電感 濾波的ZVZCS交錯並聯雙管正激電路，它包括第一開關管模組至第四開關管模組、第一二 極管Di至第九二極體D 9、第一原邊繞組Li、第二原邊繞組L2、副邊繞組L3、第一漏感Llkl、第 二漏感L lk2、第一緩衝電容、第二緩衝電容(；2、第一緩衝電感Lrt、第二緩衝電感L rt、第一 電容Cf、具有中心抽頭的濾波電感和第一整流二極體DK1至第四整流二極體D K4 ;所述第一 開關管模組至第四開關管模組的組成及連接方式均相同，所述第一開關管模組由第一三極 管％、第一模組二極體和第一結電容C dsl組成；所述第一三極體％的集電極同時與第一模 組二極體的陰極和第一結電容Cdsl的一端相連；所述第一三極體％的發射極同時與第一模 組二極體的陽極和第一結電容C dsl的另一端相連；所述第一三極體％的集電極即為第一開 關管模組的正向連接端，所述第一三極體％的發射極即為第一開關管模組的負向連接端； 具有中心抽頭的濾波電感由第一濾波電感L fl和第二濾波電感Lf2組成，所述第一濾波電感 Lfl的同名端與第二濾波電感Lf2的非同名端相連；第一開關管模組的正向連接端同時與供 電電源正極、第三開關管模組的正向連接端、第五二極體D 5的陰極、第二二極體D2的陰極、 第七二極體D7的陰極和第四二極體D 4的陰極連接；第一開關管模組的負向連接端同時與 第一緩衝電容的一端、第一漏感Llkl的一端和第一二極體Di的陰極相連；第五二極體D 5 的陽極與第一緩衝電感的一端相連，第一緩衝電感1^的另一端同時與第一緩衝電容(^ 的另一端和第六二極體D6的陰極相連，第六二極體D 6的陽極同時與第二二極體D2的陽極、 第二開關管模組的正向連接端和第一原邊繞組U的非同名端相連；第一漏感L lkl的另一端 與第一原邊繞組U的同名端相連；第一二極體Di的陽極同時與供電電源負極、第三二極體 D3的陽極、第四開關管模組的負向連接端和第二開關管模組的負向連接端相連；第三開關 管模組的負向連接端同時與第二緩衝電容(； 2的一端、第二漏感Llk2的一端和第三二極體D3 的陰極相連；第七二極體D7的陽極同時與第二緩衝電感的另一端和第八二極體D8的陰 極相連，第八二極體D 8的陽極同時與第四二極體D4的陽極、第四開關管模組的正向連接端 和第二原邊繞組L2的同名端相連；第二漏感L lk2的另一端和第二原邊繞組L2的非同名端相 連；副邊繞組1^3的同名端同時與第一整流二極體D K1的陽極和第二整流二極體DK2的陰極相 連，第一整流二極體DK1的陰極同時與第四整流二極體D K4的陰極、第一濾波電感Lfl的同名 端、第二濾波電感Lf2的非同名端相連，第一濾波電感L fl的非同名端與第一電容Cf的一端 相連，第一電容Cf的另一端同時與第九二極體D 9的陽極、第二整流二極體DK2的陽極和第三 整流二極體DK3的陽極相連，第三整流二極體D K3的陰極同時與第四整流二極體DK4的陽極和 副邊繞組1^3的非同名端相連；第一電容(^的兩端即為採用中心抽頭電感濾波的ZVZCS交錯 並聯雙管正激電路的負載正向端和負載負向端。
[0013] 本發明的工作原理：
[0014] 結合圖4、圖5說明分析改進後的變換器的工作原理，在半個周期內分為12個模 態，其主要理論分析波形圖如圖5所示；
[0015] 模態UtftJ，tQ時刻之前，第一開關管模組中的第一三級管Qi與第二開關管模 組中的第二三級管Q 2已經開通。變壓器第一原邊繞組Li在輸入電壓Vin作用下充電，變壓 器第一原邊繞組U的電流i u線性增長。電流上升至I。，iu上升至I/k+Im，並在心時 刻到來之前保持穩定。
[0016] 模態2 [t「t2]，ti時刻，第二開關管模組中的第二三級管Q2關斷。由於漏源結電容 的作用，第二三級管Q 2兩端電壓Vds2緩慢的上升，第二三級管Q2近似零電壓關斷。第六二 極管D 6與第一緩衝電容組成的支路在時刻導通，變壓器原邊電流I/K+Im給第二三級 管Q2及結電容c ds2充電，給第一緩衝電容放電。同時，變換器2中，第三結電容Cds3、第 四結電容c ds4、第二原邊繞組L2、第二漏感Llk2、第二緩衝電容(；2、第二緩衝電感Lu通過V in 發生諧振，第三結電容Cds3、第四結電容Cds4、第二原邊繞組L2、第二漏感L lk2放電，第二緩衝 電容(；2、第二緩衝電感充電。
[0017] 模態3[t2-t3]，t2時刻，第六二極體D 6關斷，第二二極體D2開通，第一原邊繞組Q 通過第一三極體％與第二二極體D2續流，原邊繞組電壓被箝位在Vuh = -Vut2 = 0,變換 器2中，第三結電容Cds3、第四結電容Cds4、第二原邊繞組1^ 2、第二漏感Llk2、第二緩衝電容(；2、 第二緩衝電感繼續通過V in發生諧振。
[0018] 模態4[t3_t4]，t3時刻，第一原邊繞組Q的電流下降到I m，即勵磁電流，副邊繞組 L3電流下降到零，第二緩衝電感Lf2上的電流緩慢上升到最大值I。。由於中心抽頭濾波電感 的作用，第一整流二極體D K1、第三整流二極體DK3流過的電流在下降到零後自然關斷。關斷 過程被軟化，因此反向恢復導致的變壓器二次側電壓過衝被明顯抑制。
[0019] 模態5[t4-t5]，t4時刻，第一三極體Qi關斷，原邊變換器1緩衝電路中的第六二極 管D 6與第一緩衝電容支路導通，並聯於第一原邊繞組Li兩端，抑制原邊繞組電壓過衝。 第一三極體％關斷前，流過第一三極體％的電流已經提前降到勵磁電流I m，相比於變壓器 正常工作電流是一個小數值，並且在第一三極體％關斷瞬間由於第六二極體D6導通，使第 一緩衝電容並聯於第一三極體％兩端，第一三極體％兩端電壓不能瞬變，完成ZVZCS關 斷。變壓器副邊繞組L 3上產生不斷增加的反壓使第二整流二極體DK2、第四整流二極體Dk4 導通，副邊電流反向增加，電流降低。
[0020] 模態6 [t5-t6]，t5時刻，第二原邊繞組L2電壓被箝位在V in。第一原邊繞組Li通過 續流二極體放電，勵磁電流減小，變壓器繼續進行磁復位，副邊繞組L3電流反向增大，當原 邊勵磁電流降為0時，此模態結束。
[0021] 模態7 [t6-t7]，t6時刻，第一原邊繞組U勵磁電流降為零，第一續流二極體Di與第 二續流二極體D 2續流結束從而關斷，原邊兩路變換器均發生諧振。
[0022] 模態8[t7, t8]，t7時刻，變壓器副邊續流工作，各元器件上的電壓電流值均保持不 變，則原邊繞組電壓、開關管漏源電壓在諧振結束後均被箝位在穩定不變的電壓值上，且原 邊兩路繞組電流也都將保持為零。t 8時刻，變換器2中的第四三極體Q4導通，此模態結束。
[0023] 模態9[t8，t9]，t9時刻，第四結電容C ds4、第三結電容Cds3充放電過程完成。工作模 態9完成了第四三極體Q4的驅動作用，但第四三極體Q 4並沒有真正開通，只是已經完全滿 足了提供電流通路的條件，並且開關管兩端電壓已經降為〇。
[0024] 模態10 [t9，t1(l]，模態10與模態8相同。t1(l時刻，第三三極體Q 3開通，此工作模 態結束。
[0025] 模態11[?1(Γ?η]α?(ι時刻，第三三極體Q 3導通。變換器2,第三結電容Cds3、第二原 邊繞組L2、第二漏感L lk2、第二緩衝電容(；2、第二緩衝電感L通過Vin發生諧振，第二原邊繞 組L 2電壓升高，第三結電容Cds3放電電壓降低。變換器1中，第一結電容Cdsl、第二結電容 CdS2、第一原邊繞組U、第一漏感Llkl，也通過Vin發生諧振，第二結電容C ds2、第二結電容Cds2 電壓升高。副邊電流反向增加，為保持輸出恆流，電流iW2將會隨之降低。
[0026] 模態12[tn_t12]，tn時刻之後，第二原邊繞組。繼續充電，副邊繞組電流 在_V in/K電壓作用下繼續反向上升，第二濾波電感Lf2電流繼續降低。t12時刻，第二原邊繞 組L 2電流上升至I/K+Im，副邊繞組L3電流上升至I。，第二濾波電感Lf2上的電流降為0並 且第九二極體D 9關斷，此模態結束。由於中心抽頭濾波電感漏感相當於和第二濾波電感Lf2 串聯的電感，所以第九二極體D9的關斷過程將被軟化，其關斷引起的電壓過衝也被削弱。
[0027] 中心抽頭濾波電感的除了可以濾波，還起到了抑制佔空比丟失的作用。但是該電 感要想起到了良好的效果需要對它兩個繞組的電感值進行合理的設計。根據電感兩端電壓 與電流變化的關係式

【權利要求】
1.採用中心抽頭電感濾波的ZVZCS交錯並聯雙管正激電路，其特徵在於它包括第一開 關管模組至第四開關管模組、第一二極體（Di)至第九二極體（D9)、第一原邊繞組（U)、第二 原邊繞組（L 2)、副邊繞組（L3)、第一漏感（Llkl)、第二漏感（Llk2)、第一緩衝電容（C rt)、第二緩 衝電容（(；2)、第一緩衝電感（Lrt)、第二緩衝電感（L rf)、第一電容（Cf)、具有中心抽頭的濾波 電感和第一整流二極體（DK1)至第四整流二極體（D K4); 所述第一開關管模組至第四開關管模組的組成及連接方式均相同，所述第一開關管模 組由第一三極體汍）、第一模組二極體和第一結電容（Cdsl)組成； 所述第一三極體（QD的集電極同時與第一模組二極體的陰極和第一結電容（Cdsl)的一 端相連； 所述第一三極體（QD的發射極同時與第一模組二極體的陽極和第一結電容（Cdsl)的另 一端相連； 所述第一三極體（QD的集電極即為第一開關管模組的正向連接端，所述第一三極體 (QJ的發射極即為第一開關管模組的負向連接端； 具有中心抽頭的濾波電感由第一濾波電感（Lfl)和第二濾波電感（Lf2)組成，所述第一 濾波電感（Lfl)的同名端與第二濾波電感（Lf2)的非同名端相連； 第一開關管模組的正向連接端同時與供電電源正極、第三開關管模組的正向連接端、 第五二極體（D5)的陰極、第二二極體（D2)的陰極、第七二極體（D7)的陰極和第四二極體 (D 4)的陰極連接； 第一開關管模組的負向連接端同時與第一緩衝電容（Crt)的一端、第一漏感（Llkl)的一 端和第一二極體（DD的陰極相連； 第五二極體Φ5)的陽極與第一緩衝電感（Lrt)的一端相連，第一緩衝電感（Lrt)的另一 端同時與第一緩衝電容（CJ的另一端和第六二極體（D6)的陰極相連，第六二極體（D6)的 陽極同時與第二二極體（D 2)的陽極、第二開關管模組的正向連接端和第一原邊繞組（LJ的 非同名端相連；第一漏感（Llkl)的另一端與第一原邊繞組（LJ的同名端相連； 第一二極體（DJ的陽極同時與供電電源負極、第三二極體（D3)的陽極、第四開關管模 組的負向連接端和第二開關管模組的負向連接端相連； 第三開關管模組的負向連接端同時與第二緩衝電容（Crt)的一端、第二漏感（Llk2)的一 端和第三二極體（D3)的陰極相連； 第七二極體（D7)的陽極同時與第二緩衝電感（LJ的另一端和第八二極體（D8)的陰極 相連，第八二極體（D8)的陽極同時與第四二極體（D4)的陽極、第四開關管模組的正向連接 端和第二原邊繞組（L 2)的同名端相連；第二漏感（Llk2)的另一端和第二原邊繞組（L2)的非 同名端相連； 副邊繞組（L3)的同名端同時與第一整流二極體（DK1)的陽極和第二整流二極體（DK2) 的陰極相連，第一整流二極體（DK1)的陰極同時與第四整流二極體（Dk4)的陰極、第一濾波電 感（L fl)的同名端、第二濾波電感（Lf2)的非同名端相連，第一濾波電感（Lfl)的非同名端與 第一電容（c f)的一端相連，第一電容（Cf)的另一端同時與第九二極體（D9)的陽極、第二整 流二極體（D K2)的陽極和第三整流二極體（DK3)的陽極相連，第三整流二極體（DK3)的陰極同 時與第四整流二極體（D K4)的陽極和副邊繞組（L3)的非同名端相連； 第一電容（cf)的兩端即為採用中心抽頭電感濾波的ZVZCS交錯並聯雙管正激電路的 負載正向端和負載負向端。
【文檔編號】H02M3/335GK104242665SQ201410542016
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月14日 優先權日:2014年10月14日
【發明者】孫鐵成, 郭超, 申宏偉, 孫航, 娜仁圖亞, 劉璐, 王鈺 申請人:哈爾濱工業大學