一种零电流软开关PWM全桥变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种零电流软开关PWM全桥变换器，包括全桥开关电路、第一软开关辅助电路、第二软开关辅助电路、变压器和整流滤波电路，第一软开关辅助电路和第二软开关辅助电路均包括辅助开关管、辅助谐振电感与辅助谐振电容串联组成的辅助串联支路和辅助二极管，辅助二极管用于将辅助串联支路与全桥开关电路连接，使得变压器原边的全桥开关网络实现了包括辅助开关管在内的所有开关管的零电流开通与关断，以及包括副边整流网络的二极管在内的所有二极管的自然关断，进而使得零电流软开关PWM全桥变换器损耗进一步降低，工作效率进一步提高，特别适用于大功率工况。

A Zero Current Soft Switching PWM Full Bridge Converter

【技术实现步骤摘要】
一种零电流软开关PWM全桥变换器
本申请涉及电气
，尤其涉及一种零电流软开关PWM全桥变换器。
技术介绍
为了推动电动汽车产业的快速发展，各国政府和企业不断加大电动汽车充电设施的投资、建设力度。直流充电桩是充电站和换电站的主要充电装置，其一般采用三相整流电路+充电接口全桥变换器的两级式结构。为了实现系统小型化与轻型化，需要提高充电接口变换器的开关频率，然而开关损耗会随之急剧增加，从而对电源的散热要求也更高。为此，充电接口全桥变换器需要实现软开关，以提高系统变换效率。软开关包括零电压开关(ZeroVoltageSwitch，ZVS)和零电流开关(ZeroCurrentSwitch，ZCS)。零电压开关技术是指在开关开通或关断之前将开关的电压降为零的技术，零电流开关技术是指在开关开通或关断之前将开关的电流降为零的技术。传统的零电压软开关PWM移相全桥变换器存在内部环流阶段，致使系统损耗较大，且轻载时滞后桥臂难以实现ZVS。此外，ZVS功率电路更适合于采用金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET)作开关管，但由于MOSFET的导通电阻与电压定额成正比，不太适合具有高压、大电流特点的电动汽车直流充电场合。与之相比，具有更大能量密度和更低通态损耗的绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)更适合作为全桥充电接口变换器的开关管。然而，IGBT关断时存在电流拖尾现象，会导致较大的关断损耗。解决该问题的有效措施是实现IGBT的零电流软开关。因此，需要一种能够保证在整个输入、输出电压和负载变化范围内可以实现所有开关管的零电流软开关与二极管的自然关断的方法。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供了一种零电流软开关PWM全桥变换器，该变换器的所有开关管均可实现零电流软开关，所有二极管均可自然关断，提高了系统效率。为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供了一种零电流软开关PWM全桥变换器，包括全桥开关电路、变压器和整流滤波电路，所述全桥开关电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由第一开关管和第三开关管串联构成，所述第二桥臂由第二开关管和第四开关管串联构成，所述第一开关管和所述第二开关管的集电极分别连接输入电源的正极，所述变压器的原边与所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点连接，所述整流滤波电路包括由四个二极管组成的桥式整流电路和有滤波电容与滤波电感组成的滤波电路，所述变压器的副边与所述桥式整流电路连接，所述零电流软开关PWM全桥变换器还包括：第一软开关辅助电路，所述第一软开关辅助电路包括第一辅助开关管、第一辅助谐振支路和第一辅助二极管，所述第一辅助开关管与所述第一辅助谐振支路串联，其中，所述第一辅助开关管的集电极连接输入电源的正极，所述第一辅助开关管的发射极连接所述第一辅助谐振支路的第一端，所述第一辅助谐振支路的第二端连接输入电源的负极，所述第一辅助谐振支路由第一辅助谐振电感和第一辅助谐振电容串联构成，所述第一辅助二极管的阴极分别与所述第一开关管的发射极、所述第三开关管的集电极连接，所述第一辅助二极管的阳极分别与所述第一辅助开关管的发射极、所述第一辅助谐振支路的第一端连接；第二软开关辅助电路，所述第二软开关辅助电路包括第二辅助开关管、第二辅助谐振支路和第二辅助二极管，所述第二辅助开关管与所述第二辅助谐振支路串联，其中，所述第二辅助开关管的集电极连接输入电源的正极，所述第二辅助开关管的发射极连接所述第二辅助谐振支路的第一端，所述第二辅助谐振支路的第二端连接输入电源的负极，所述第二辅助谐振支路由第二辅助谐振电感和第二辅助谐振电容串联构成，所述第二辅助二极管的阴极分别与所述第二开关管的发射极、所述第四开关管的集电极连接，所述第二辅助二极管的阳极分别与所述第二辅助开关管的发射极、所述第二辅助谐振支路的第一端连接；根据电路的对称设计，第二辅助谐振电感的电感量与第一辅助谐振电感的电感量相等，第二辅助谐振电容的电容量与第一辅助谐振电容的电容量相等。所述零电流软开关PWM全桥变换器还包括：第一二极管、第二二极管，所述第一二极管与所述第一开关管反向并联连接，所述第二二极管与所述第二开关管反向并联连接。进一步的，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第一辅助开关管、所述第二辅助开关管均为IGBT。第二方面，本申请还提供了一种保护开关的方法，应用于第一方面的零电流软开关PWM全桥变换器，该方法包括：在所述第一开关管和所述第四开关管开通后，开通第一辅助开关管；在所述第二开关管和所述第三开关管开通后，开通所述第二辅助开关管。依此实施，在第一开关管和第四开关管开通状态下，在第一辅助开关管开通时间内，第一辅助开关单元进行半个周期谐振，第一辅助开关管可看作零电流开通与零电流关断。在第一辅助开关管关断后，通过第一开关管的电流逐步下降，当电流降低至零时可实现第一开关管的零电流关断，从而降低第一开关管的损耗。关断第一开关管后，通过第四开关管的电流也逐步下降，当电流降低至零时可实现第四开关管的零电流关断，从而降低第四开关管的损耗。同理，在第二开关管和第三开关管开通状态下，在第二辅助开关管开通时间内，第二辅助开关单元进行半个周期谐振，第二辅助开关管可看作零电流开通与零电流关断。在第二辅助开关管关断后，通过第二开关管的电流逐步下降，当电流降低至零时可实现第二开关管的零电流关断，从而降低第二开关管的损耗。关断第二开关管后，通过第三开关管的电流也逐步下降，当电流降低至零时可实现第三开关管的零电流关断，从而降低第三开关管的损耗。进一步的，第一辅助开关管开通时长的计算公式为第二辅助开关管开通时长的计算公式为根据电路的对称设计，Ton,Sa＝Ton,Sb。Ton,Sa为所述第一辅助开关管开通时长，Ton,Sb为所述第二辅助开关管开通时长；La为第一辅助谐振电感的电感量，Lb为第二辅助谐振电感的电感量，有La＝Lb；Ca为第一辅助谐振电容的电容量，Cb为第二辅助谐振电容的电容量，同样有Ca＝Cb。依次实施，可以设置第一辅助开关管和第二辅助开关管的开通时长，以实现变换器中所有开关管的零电流开通与关断。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优点：本专利技术提供的零电流软开关PWM全桥变换器，通过在全桥开关基本电路中添加包含谐振电感、谐振电容、辅助开关管和辅助二极管的软开关辅助支路，使得变压器原边的全桥开关网络实现了包括辅助开关管在内的所有开关管的零电流开通与关断，以及包括副边整流网络的二极管在内的所有二极管的自然关断，进而使得零电流软开关PWM全桥变换器损耗进一步降低，工作效率进一步提高，特别适用于大功率工况。附图说明图1为本申请实施例的一种零电流软开关PWM全桥变换器的电路结构示意图；图2(a)到(n)为图1在一个开关周期内的14种工作模态等效图；图2(o)为图1在一个开关周期内的主要工作波形图。具体实施方式下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种零电流软开关PWM全桥变换器，包括全桥开关电路、变压器、整流滤波电路，所述全桥开关电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由第一开关管和第三开关管串联构成，所述第二桥臂由第二开关管和第四开关管串联构成，所述变压器的原边与所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点连接，所述变压器的副边与所述整流滤波电路连接，其特征在于，所述零电流软开关PWM全桥变换器还包括：第一软开关辅助电路，所述第一软开关辅助电路包括第一辅助开关管、第一辅助谐振支路和第一辅助二极管，所述第一辅助开关管与所述第一辅助谐振支路串联，其中，所述第一辅助开关管的集电极连接输入电源的正极，所述第一辅助开关管的发射极连接所述第一辅助谐振支路的第一端，所述第一辅助谐振支路的第二端连接输入电源的负极，所述第一辅助谐振支路由第一辅助谐振电感和第一辅助谐振电容串联构成，所述第一辅助二极管的阴极分别与所述第一开关管的发射极、所述第三开关管的集电极连接，所述第一辅助二极管的阳极分别与所述第一辅助开关管的发射极、所述第一辅助谐振支路的第一端连接；第二软开关辅助电路，所述第二软开关辅助电路包括第二辅助开关管、第二辅助谐振支路和第二辅助二极管，所述第二辅助开关管与所述第二辅助谐振支路串联，其中，所述第二辅助开关管的集电极连接输入电源的正极，所述第二辅助开关管的发射极连接所述第二辅助谐振支路的第一端，所述第二辅助谐振支路的第二端连接输入电源的负极，所述第二辅助谐振支路由第二辅助谐振电感和第二辅助谐振电容串联构成，所述第二辅助二极管的阴极分别与所述第二开关管的发射极、所述第四开关管的集电极连接，所述第二辅助二极管的阳极分别与所述第二辅助开关管的发射极、所述第二辅助谐振支路的第一端连接，其中，所述第二辅助谐振电感的电感量与所述第一辅助谐振电感的电感量相等，所述第二辅助谐振电容的电容量与所述第一辅助谐振电容的电容量相等；所述零电流软开关PWM全桥变换器还包括：第一二极管、第二二极管，所述第一二极管与所述第一开关管反向并联连接，所述第二二极管与所述第二开关管反向并联连接。...

【技术特征摘要】
1.一种零电流软开关PWM全桥变换器，包括全桥开关电路、变压器、整流滤波电路，所述全桥开关电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由第一开关管和第三开关管串联构成，所述第二桥臂由第二开关管和第四开关管串联构成，所述变压器的原边与所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点连接，所述变压器的副边与所述整流滤波电路连接，其特征在于，所述零电流软开关PWM全桥变换器还包括：第一软开关辅助电路，所述第一软开关辅助电路包括第一辅助开关管、第一辅助谐振支路和第一辅助二极管，所述第一辅助开关管与所述第一辅助谐振支路串联，其中，所述第一辅助开关管的集电极连接输入电源的正极，所述第一辅助开关管的发射极连接所述第一辅助谐振支路的第一端，所述第一辅助谐振支路的第二端连接输入电源的负极，所述第一辅助谐振支路由第一辅助谐振电感和第一辅助谐振电容串联构成，所述第一辅助二极管的阴极分别与所述第一开关管的发射极、所述第三开关管的集电极连接，所述第一辅助二极管的阳极分别与所述第一辅助开关管的发射极、所述第一辅助谐振支路的第一端连接；第二软开关辅助电路，所述第二软开关辅助电路包括第二辅助开关管、第二辅助谐振支路和第二辅助二极管，所述第二辅助开关管与所述第二辅助谐振支路串联，其中，所述第二辅助开关管的集电极连接输入电源的正极，所述第二辅助开关管的发射极连接所述第二辅助谐振支路的第一端，所述第二辅助谐振支路的第二端连接输入电源的负极，所述第二辅助谐振支路由第二辅助谐振电感和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岭，周磊，段冰莹，田民，沈家鹏，高娟，尹铭，韩启萌，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32