一种移相全桥开关变换器制造技术

一种移相全桥开关变换器，基于包括输入整流滤波电路、超前桥臂及其隔离驱动电路、滞后桥臂及其隔离驱动电路、高频变压器、输出续流电路、输出滤波电路、输出电压采样电路和相移控制器的基本移相全桥开关变换器结构，其特征是在超前桥臂及其隔离驱动电路与高频变压器之间增设代替谐振电感的谐振变压器电路及采用功率半导体开关器件的谐振变压器控制器，并由相移控制电路进行控制。在输出滤波电路输出地端与相移控制器之间增设输出电流采样电路，大大提高了移相全桥开关变换器的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种移相全桥开关变换器
本专利技术涉及开关变换器，尤其涉及一种移相全桥开关变换器，能够提高功率半导体开关器件的可靠性。
技术介绍
目前，在大功率开关变换器的应用场合，隔离式全桥变换器最为常见，这是因为隔离式全桥变换器的主要优点有：1、作为Buck变换器的变种，全桥变换器的效率很高；2、高频变压器初级侧上的电压为正负对称，没有偏磁的问题；3、功率MOSFET的漏源电压最高时与母线电压相等，全桥变换器的功率MOSFET上电压应力低；全桥变换器的主流控制方式分为硬开关模式与软开关模式，其中硬开关模式是超前桥臂的上管与滞后桥臂的下管同时导通，超前桥臂的下管与滞后桥臂的上管同时导通，在每个开关管同时导通的时段中，高频变压器将初级的能量变换至副边，在开关管全部截止的时段中，由于初级侧电感中残留一定的能量，电感与功率MOSFET的电容将发生谐振，功率MOSFET的漏极-源极之间出现振铃，导致变换器的效率较低。而软开关模式控制功率MOSFET在漏极-源极之间电压为0时导通，在漏极-源极之间电压为母线电压时截止，通过这种方法消除了振铃，提高了变换器的效率。移相控制技术是软开关全桥结构中最常见的控制方法。超前桥臂与滞后桥臂的上下管的栅驱动电压为栅极-源极之间的互补脉冲，当栅驱动电压为高电平时功率MOSFET导通，当栅驱动电压为低电平时功率MOSFET截止，互补脉冲之间存在死区时间以防同一桥臂的功率MOSFET同时导通，引起短路故障。移相全桥技术通过调节超前桥臂上管栅驱动电压脉冲与滞后桥臂下管栅驱动电压脉冲的交叠时间tδ来控制每个周期从高频变压器的初级传递多少能量到次级，超前桥臂下管栅驱动电压脉冲与滞后桥臂上管栅驱动电压脉冲的交叠时间同样为tδ以保证高频变压器中不会发生偏磁。在移相全桥软开关全桥变换器中，一般采用零电压开关(ZeroVoltageSwitch,ZVS)的软开关方式，这种方式给负载不同时的系统可靠性带来很多问题。超前桥臂的功率MOSFET截止瞬间，滞后桥臂与超前桥臂的下管漏极处电压存在电压差，其值为母线电压，高频变压器初级侧的能量可以耦合到次级为负载提供能量，所以超前桥臂没有软开关失效的风险。但是，超前桥臂的功率MOSFET栅级-源极的电压脉冲存在密勒平台。在相移控制电路输出的驱动波形发生跳变之后，功率MOSFET的栅极-源极电压本该立刻跟随变化，而密勒平台的存在导致功率MOSFET的栅极-源极电压存在一个台阶，此台阶容易导致超前桥臂的功率MOSFET发生上下管同时导通，引起短路的问题。并且，随着负载加重，密勒平台持续时间也会变得更长，增加超前桥臂的功率MOSFET发生上下管同时导通的可能性，对系统的可靠性是一个非常大的威胁。所以，在移相全桥开关变换器的较大负载范围以内，提高系统的可靠性是必须的。目前针对可靠性的设计主要针对轻负载情况下滞后桥臂的软开关失效的问题，而忽视了重载情况下超前桥臂密勒平台延长的问题。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种能够提高功率半导体开关器件可靠性的移相全桥开关变换器。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案：一种移相全桥开关变换器，包括输入整流滤波电路、超前桥臂及其隔离驱动电路、滞后桥臂及其隔离驱动电路、高频变压器、输出续流电路、输出滤波电路、输出电压采样电路和相移控制电路，其中超前桥臂及其隔离驱动电路包括上NMOS管M1和下NMOS管M2构成的超前桥臂以及分别连接NMOS管M1栅极及NMOS管M2栅极的隔离驱动电路A及隔离驱动电路B；滞后桥臂及其隔离驱动电路包括上NMOS管M4和下NMOS管M3构成的滞后桥臂以及分别连接NMOS管M3栅极及NMOS管M4栅极的隔离驱动电路C及隔离驱动电路D；输入整流滤波电路的输出正端连接NMOS管M1的漏极和NMOS管M4的漏极，输入整流滤波电路的输出负端连接NMOS管M2的源极和NMOS管M3的源极并接输入端地，超前桥臂的输出连接高频变压器初级的同名端，高频变压器初级线圈的非同名端连接滞后桥臂的输入端，高频变压器的次级输出连接至输出续流电路，输出续流电路的输出连接至输出滤波电路，输出滤波电路的输出连接至输出电压采样电路，输出电压采样电路的输出连接至相移控制电路，相移控制电路产生的相移信号Driver1、Driver2、Driver3、Driver4分别连接至隔离驱动电路A、B、C、D的输入端；其特征在于：在超前桥臂及其隔离驱动电路与高频变压器之间增设谐振变压器电路及谐振变压器控制器，在输出滤波电路输出地端与相移控制电路之间增设输出电流采样电路，其中：谐振变压器电路包括变压器TR和电阻RR，变压器TR初级的同名端连接超前桥臂中NMOS管M1的源极与NMOS管M2的漏极的连接端，变压器TR次级的非同名端通过电阻RR连接隔离地端；谐振变压器控制器包括NMOS管M5、PMOS管M6和隔离驱动电路E，PMOS管M6的源极连接谐振变压器电路中变压器TR初级的非同名端，PMOS管M6的栅极连接隔离驱动电路E的一个输出端，隔离驱动电路E的另一个输出端连接NMOS管M5的栅极，NMOS管M5的漏极连接谐振变压器电路中变压器TR次级的同名端，NMOS管M5的源极连接隔离地端，隔离驱动电路E的输入端连接相移控制电路产生的相移信号Driver5；输出电流采样电路包括电阻RCS，电阻RCS的一端与高频变压器次级的中心抽头和输出滤波电路中滤波电容COUT的负端连接并接输出端地，电阻RCS的一端连接相移控制电路的一个输入端，相移控制电路的另一个输入端连接输出电压采样电路的分压输出。本专利技术具有如下优点及显着效果：1、在负载较重的情况下，大大缩短超前桥臂的密勒平台时间，降低超前臂上下管之间发生直通的可能性，提高功率半导体开关器件的可靠性。2、采用谐振变压器代替谐振电感，对电路可靠性能提升明显。3、输出电流采样电路只需要一个外部电阻RCS，采样信号在相移控制电路内部进行放大并直接参与控制，其精度较高、成本和功耗很低。4、相移控制电路采用微控制器，无需专用集成电路的复杂控制，成本低，可靠性好。5、采用功率半导体开关器件作为谐振变压器控制器，并由相移控制电路进行控制，这种做法可以在负载不同时产生不同的动作，简单可靠。附图说明图1是现有电路方框图；图2是本专利技术电路方框图；图3是本专利技术电路原理图；图4是四个桥臂的功率MOSFET栅极-源极驱动波形以及传输能量占空比示意图；图5是本专利技术实例电路原理图；图6是输出电流与谐振变压器控制器驱动波形图；图7是未采取本专利技术情况下高频变压器初级电感电流波形对比图；图8是采取本专利技术情况下高频变压器初级电感电流波形对比图；图9、10是实际系统对比测试结果。具体实施方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明：图1是现有技术包括输入整流滤波电路1、超前桥臂及其隔离驱动电路2、滞后桥臂及其隔离驱动电路5、高频变压器6、输出续流电路7、输出滤波电路8、输出电压采样电路9和相移控制电路11构成的基本的移相全桥开关变换器。本专利技术在图1现有技术的基础上增加了谐振变压器电路3、谐振变压器控制器4和输出电流采样电路10，如图2。图1和图2中所示的双向箭头表示电流会在不同时刻向不同方向流动。如图3，输入整流滤波电路1由四个二极管构成全波整流电路，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种移相全桥开关变换器，包括输入整流滤波电路、超前桥臂及其隔离驱动电路、滞后桥臂及其隔离驱动电路、高频变压器、输出续流电路、输出滤波电路、输出电压采样电路和相移控制电路，其中超前桥臂及其隔离驱动电路包括上NMOS管M1和下NMOS管M2构成的超前桥臂以及分别连接NMOS管M1栅极及NMOS管M2栅极的隔离驱动电路A及隔离驱动电路B；滞后桥臂及其隔离驱动电路包括上NMOS管M4和下NMOS管M3构成的滞后桥臂以及分别连接NMOS管M3栅极及NMOS管M4栅极的隔离驱动电路C及隔离驱动电路D；输入整流滤波电路的输出正端连接NMOS管M1的漏极和NMOS管M4的漏极，输入整流滤波电路的输出负端连接NMOS管M2的源极和NMOS管M3的源极并接输入端地，超前桥臂的输出连接高频变压器初级的同名端，高频变压器初级线圈的非同名端连接滞后桥臂的输入端，高频变压器的次级输出连接至输出续流电路，输出续流电路的输出连接至输出滤波电路，输出滤波电路的输出连接至输出电压采样电路，输出电压采样电路的输出连接至相移控制电路，相移控制电路产生的相移信号Driver1、Driver2、Driver3、Driver4分别连接至隔离驱动电路A、B、C、D的输入端；其特征在于：在超前桥臂及其隔离驱动电路与高频变压器之间增设谐振变压器电路及谐振变压器控制器，在输出滤波电路输出地端与相移控制电路之间增设输出电流采样电路，其中：谐振变压器电路包括变压器TR和电阻RR，变压器TR初级的同名端连接超前桥臂中NMOS管M1的源极与NMOS管M2的漏极的连接端，变压器TR次级的非同名端通过电阻RR连接隔离地端；谐振变压器控制器包括NMOS管M5、PMOS管M6和隔离驱动电路E，PMOS管M6的源极连接谐振变压器电路中变压器TR初级的非同名端，PMOS管M6的栅极连接隔离驱动电路E的一个输出端，隔离驱动电路E的另一个输出端连接NMOS管M5的栅极，NMOS管M5的漏极连接谐振变压器电路中变压器TR次级的同名端，NMOS管M5的源极连接隔离地端，隔离驱动电路E的输入端连接相移控制电路产生的相移信号Driver5；输出电流采样电路包括电阻RCS，电阻RCS的一端与高频变压器次级的中心抽头和输出滤波电路中滤波电容COUT的负端连接并接输出端地，电阻RCS的一端连接相移控制电路的一个输入端，相移控制电路的另一个输入端连接输出电压采样电路的分压输出。...

【技术特征摘要】
1.一种移相全桥开关变换器，包括输入整流滤波电路、超前桥臂及其隔离驱动电路、滞后桥臂及其隔离驱动电路、高频变压器、输出续流电路、输出滤波电路、输出电压采样电路和相移控制电路，其中超前桥臂及其隔离驱动电路包括上NMOS管M1和下NMOS管M2构成的超前桥臂以及分别连接NMOS管M1栅极及NMOS管M2栅极的隔离驱动电路A及隔离驱动电路B；滞后桥臂及其隔离驱动电路包括上NMOS管M4和下NMOS管M3构成的滞后桥臂以及分别连接NMOS管M3栅极及NMOS管M4栅极的隔离驱动电路C及隔离驱动电路D；输入整流滤波电路的输出正端连接NMOS管M1的漏极和NMOS管M4的漏极，输入整流滤波电路的输出负端连接NMOS管M2的源极和NMOS管M3的源极并接输入端地，超前桥臂中NMOS管M1的源极与NMOS管M2的漏极的连接端连接至高频变压器初级的同名端，高频变压器初级线圈的非同名端连接至滞后桥臂中NMOS管M4的源极与NMOS管M3的漏极的连接端，高频变压器的次级输出连接至输出续流电路，输出续流电路的输出连接至输出滤波电路，输出滤波电路的输出连接至输出电压采样电路，输出电压采样电路的输出连接至相移控制电路，相移控制电路产生的相移信号Driver1、Driver2、Driver3、Driver4分别连接至隔离驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱钦松，俞居正，朱俊杰，郭小强，孙伟锋，陆生礼，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32