一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关功率变换器制造技术

本发明专利技术提供一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关功率变换器，具体为一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关半桥功率变换器或者一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关全桥功率变换器，在功率变换器上增加了电压泄放电路，能够有效释放谐振电容上的电压，避免变压器饱和，解决目前串联谐振软开关功率变换器适应性差的问题，能够适用低阻抗负载和高阻抗负载，能够适应变化的负载阻抗，负载适用性强，变压器铁芯损耗和铁芯的应力小，变压器容易设计，大大扩展了电流断续工作模式下串联谐振软开关功率变换器的使用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关功率变换器
本专利技术涉及一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关功率变换器，具体为一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关半桥功率变换器或者一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关全桥功率变换器。
技术介绍
功率变换器的功率密度要求越来越高，体积要求越来越小，促使功率变换器领域逐渐由工频向高频过度，并且频率越来越高，这样磁性元件(变压器和电感)和滤波元件的体积可以做的很小。随着频率的提高，功率开关管的损耗越来越大，为了减少功率开关管的损耗，引入了谐振软开关技术，其中串联谐振和并联谐振是应用最广泛的两种电路。串联谐振由于具有电路拓扑简单、电路实现容易、可以利用变压器的分布参数、具有较小的开关损耗和较高的效率，尤其是具有抗负载短路的优点，在软开关功率变换器领域使用越来越多。图1描述的是现有的串联谐振软开关全桥变换器电路，Vin是直流输入电压，C1是直流母线支撑电容，Q1为第一功率开关管，Q2为第二功率开关管，Q3为第三功率开关管，Q4为第四功率开关管，Q1、Q2、Q3、Q4组成全桥逆变器，C2为谐振电容，L1为谐振电感，C2和L1组成串联谐振腔电路，TR1是高频变压器，L3是高频变压器的等效励磁电感，BR1为整流桥，高频变压器TR1副边连接整流桥BR1，C3是滤波电容，R1是负载的等效阻抗，L3实际是隐含在TR1内部，为了讨论的方便，在电路上把它显示出来。根据流过谐振电路的谐振电流连续与否，串联谐振全桥变换器有两种工作方式，一种是谐振电流连续的工作方式，另一种是谐振电流断续的工作方式。当谐振电路工作在电流断续模式，再控制功率开关管的开关频率小于谐振频率的一半，会使逆变桥的四个功率开关管处于完全软开关状态，即开通时是零电流开通，关断时是零电流零电压关断，开关损耗非常小，而且提高主回路工作效率和可靠性，此工作方式下的谐振电流波形如图2所示。图2中的第一个正弦波是第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4开通时的谐振电流波形，谐振结束后，有一段谐振电流为零的区间，也即电流断续区，随后第二功率开关管Q2、第二功率开关管Q3打开，造成图2中的第二个正弦波谐振电流波形，当变换器的运行频率很低时，两个谐振电流波形之间的断续区时间很长。当第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4开关管导通时，输入电压Vin施加到串联谐振电路上，利用等效电路图3来分析电路行为，其中Vdout是变压器副边折射过来的等效电压源，Vdout＝Vout/n，n是变压器变比。因为输出滤波电容足够大，在一个谐振周期内输出电压基本不变，故可以等效为一个电压源。图3中，在输入电压Vin-Vdout的作用下，C2和L1组成的串联谐振腔开始谐振，谐振电流是正弦波，谐振电流开始给谐振电容C2充电，当谐振电流过零点时，谐振电容C2上的电压最大，随后谐振电流改变方向，反方向流动，由于原边谐振电流的方向的改变，造成变压器副边整流桥BR1电流方向的改变，结果使变压器副边等效到原边的电压源方向改变。串联谐振全桥变换器的等效电路由图3变成图4，谐振电流过零后以正弦波的形状变化，实质上是谐振电容C2在放电，即谐振的上半个周期是谐振电容C2在充电，下半个周期谐振电容C2在放电，此时谐振电流流过的是第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4里面的反并联二极管，而不是第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4的管芯，因此此时关闭第一功率开关管Q1和第四功率开关管Q4就是零电流零电压软开关，大大降低了开关管的开关损耗。当负半周的谐振结束，谐振电流为零时，由于第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4已经关断，C2和L1组成的串联谐振腔与输入电压Vin被阻断，谐振电流为零，进入断续区间，直到另一对开关管即第二功率开关管Q2和第二功率开关管Q3被触发，谐振电路再次开始工作，分析过程与第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4导通相似，只是谐振电流的方向反过来。在一个完整正弦波谐振电流中，第一个半波大于第二个半波，从图2中也可以看到这一点，即谐振电容C2的充电电流大于放电电流，因此进入到电流断续区，谐振电容C2上是保存有电压的。串联谐振全桥变换器工作在这种电流断续模式下，是典型的恒流源，即输出电流与负载阻抗无关，输出电流的计算公式是：Io＝8fC2Vin/n，其中Io是输出电流，f是开关频率，C2是谐振电容，Vin是输入直流电压，n是变压器变比；输出电压Vout＝Io*R1，由公式可以看出，通过调节开关频率f，就可以调节输出电流Io，进而调节输出电压Vout，由公式还可以看出，当负载阻抗R1很大时，很小的输出电流就可以造成较大的输出电压，即开关频率很低时，输出电流很小，但是输出电压已经很高。由变换器等效电路图3和图4联合起来分析可知，当一个谐振周期的谐振电流结束，进入电流断续区，谐振电容上保存的电压值是：Vc＝2Vdout，当负载阻抗很高时，即使运行的开关频率很低，输出电压Vdout＝Vout/n＝IoR1/n也很高，则在电流断续区谐振电容上的保存电压Vc也很高，Vc很容易超过输入电压，即Vc>Vin,Vc最高可达Vin的2倍，即Vcmax＝2Vin。由于运行频率较低，电流断续区的时间较长，在电流的断续区，由于变压器副边整流桥BR1的四个二极管关闭，变压器副边开路，变压器就等效为一个励磁电感，当谐振电容C2上的电压Vc大于输入电压Vin时，Vc-Vin形成的激励源就会促使第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4的反并联二极管导通，断续区串联谐振全桥变换器的等效电路就变成如图5所示，可以看出，在整个电流断续区内励磁电感L3(代表变压器的原边)一直承受电压Vc-Vin，励磁电流会一直增加，图6就反映出这种状况，图6中的上面的曲线是励磁电流，下面的曲线是谐振电流，可以看出，在谐振电流存在的时候，励磁电流在变化，在谐振电流结束之后，即在电流断续区，励磁电流也一直在变化，尤其是当变换器在低频运行时，断续区很长，励磁电流增加的很大。在谐振电流存在的区间，励磁电流变化是合理的，因为此时变压器在传递能量，但在谐振电流断续区，变压器没有在传递能量，励磁电流却一直在变化，而且往反方向大的趋势变化，这是不可接受的，是在做无用功。励磁电流的大小决定了铁芯的磁感应强度的大小，因为L3I＝NsBA，I表示励磁电流，Ns是变压器原边扎数，B是铁芯的磁感应强度，A是铁芯的横截面积，励磁电流的峰值决定了变压器铁芯受到应力的大小，损耗的大小，也决定了变压器是否饱和。这样变换器在低频运行时电流断续区很长，励磁电流会很大，变压器很容易饱和，这是以前文献和技术资料中所没有分析到的情况，以前只是着重分析串联谐振电流断续工作方式的软开关优点，而没有注意到负载高阻抗时，对变压器铁芯应力的增加，同样在串联谐振软开关半桥变换器上也存在这样的问题。为了不使变压器饱和，必须按低频工作状态来设计变压器，铁芯的横截面积要增大好几倍，这样铁芯的体积、损耗、成本也要增加好几倍，这在经济上和变换器功率密度上都是不可接受的，因此串联谐振全桥变换器的电流断续工作方式只适合阻抗固定的负载，针对固定的负载阻抗设计变压器的变比以便和负载的阻抗相匹配。一旦变换器设计好之后，如果负载阻抗变高了，变换器就不能正常工作，即变换器对负载阻抗的适应性很差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关全桥功率变换器，其特征在于：包括直流输入电压Vin、与直流输入电压Vin相连的直流母线支撑电容C1、与直流母线支撑电容C1相连的全桥逆变器、与全桥逆变器相连的串联谐振电路、与串联谐振电路相连的变压器TR1、连接在变压器TR1副边的整流桥BR1、连接在整流桥BR1上的滤波电容C3、连接在滤波电容C3上的等效负载阻抗R1、连接在等效负载阻抗R1上的输出电压Vout，所述变压器TR1内部设有等效励磁电感L3，所述全桥逆变器由第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4组成，所述串联谐振电路由谐振电感L1和谐振电容C2组成，所述谐振电容C2的一端连接在第一功率开关管Q1与第二功率开关管Q2之间的桥臂的中点上，谐振电容C2的另一端连接有电压泄放电路，所述电压泄放电路的另外两端分别连接到直流输入电压Vin的两端。

【技术特征摘要】
1.一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关全桥功率变换器，其特征在于：包括直流输入电压Vin、与直流输入电压Vin相连的直流母线支撑电容C1、与直流母线支撑电容C1相连的全桥逆变器、与全桥逆变器相连的串联谐振电路、与串联谐振电路相连的变压器TR1、连接在变压器TR1副边的整流桥BR1、连接在整流桥BR1上的滤波电容C3、连接在滤波电容C3上的等效负载阻抗R1、连接在等效负载阻抗R1上的输出电压Vout，所述变压器TR1内部设有等效励磁电感L3，所述全桥逆变器由第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4组成，所述串联谐振电路由谐振电感L1和谐振电容C2组成，所述谐振电容C2的一端连接在第一功率开关管Q1与第二功率开关管Q2之间的桥臂的中点上，谐振电容C2的另一端连接有电压泄放电路，所述电压泄放电路的另外两端分别连接到直流输入电压Vin的两端。2.根据权利要求1所述的一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关全桥功率变换器，其特征在于：所述电压泄放电路由泄压电感L2、第一二极管D1和第二二极管D2组成，所述第一二极管D1和第二二极管D2串联在直流输入电压Vin的两端，所述泄压电感L2的一端连接在所述第一二极管D1和第二二极管D2的中间，所述泄压电感L2的另一端连接在谐振电容C2上，谐振电容C2上的电压为Vc，该电压泄放电路在Vc>Vin或Vc<-Vin时才启动工作，在-Vin<Vc<Vin时不启动工作，泄压电感L2的取值以谐振电感L1和励磁电感L3做参考，为10L1<L2<0.5L3。3.根据权利要求1所述的一种负载阻抗适应性强的串联谐振软开关全桥功率变换器，其特征在于：所述电压泄放电路由泄压电阻R2、第一二极管D1和第二二极管D2组成，所述第一二极管D1和第二二极管D2串联在直流输入电压Vin的两端，所述泄压电阻R2的一端连接在所述第一二极管D1和第二二极管D2的中间，所述泄压电阻R2的另一端连接在谐振电容C2上，谐振电容C2上的电压为Vc，该电压泄放电路在Vc>Vin或Vc<-Vin时才启动工作，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩然，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33