不对称全桥相移式零压零流软开关电路及方法技术

本发明专利技术是不对称全桥相移式零压零流软开关电路及方法，涉及中大功率高频直流电源的直／直变换器。本发明专利技术采用了隔直电容防止变压器直流偏磁，将不对称全桥电路的概念运用在移相式控制方案上，合理运用了绝缘栅双极性晶体管倒置运用的特性，提出限制隔直电容上脉动电压幅值的原则。本发明专利技术为整机的高频化、轻量化和小型化创造了条件，可以在通信电源、电力操作电源、直流焊机电源等需要中大功率输出的开关电源系统中大力推广。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是，涉及高频开关电源里直/直变换器中以全桥相移式控制的软开关PWM(脉宽调制)变换器，尤其是在中、大功率的应用场合。目前全桥移相控制软开关PWM变换器的研究热点已由单纯地实现ZVS(零电压开关)软开关转向同时实现ZVZCS(零电压零电流开关)软开关。全桥移相控制ZVS方案至少有四点缺陷1、全桥电路内有自循环能量，影响变换效率。2、副边存在占空度丢失，最大占空度利用不充分。3、在副边整流管换流时，存在谐振电感与整流管的寄生电容的强烈振荡，导致整流管的电压应力较高，吸收电路的损耗较大，且有较大的开关噪音。4、滞后臂实现零电压软开关的范围受负载和电源电压的影响。另外，在IGBT(绝缘栅双极性晶体管)已普遍实用化的今天，ZCS(零电流开关)软开关技术更加适用于IGBT等少数载流子器件。因而，针对全桥移相控制ZVS方案存在的问题，各种全桥ZVZCS软开关的方案应运而生。目前，正在研究或已产品化的全桥ZVZCS软开关技术主要有以下3种1、变压器原边串联饱和电感和适当容量的隔直阻断电容。2、变压器原边串联适当容量的隔直阻断电容，同时滞后臂的开关管串联二极管。3、用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位的方法实现ZCS软开关。除方案3为有限双极性控制方式以外，其它几种方案的控制方式全为相移PWM方式。参见E.C.Nho and G.H.Cho，“A new zero-voltage zero-current mixedmode switching dc/dc converter with low device stresses”IECON’89，PP.15-20；或K.Chen and T.A.Stuart，“A 1.6kw 110kHz dc/dc converters optimized forIGBT’s”IEEE Trans.PE.Vol.8，No.1，1993，pp18-25；或J.A.Sabate，V.Vlatkovic，R.B.Ridley，F.C.Lee，“High-voltage，figh power.zvs，full bridge pwm converteremploying an active snubber”Proceedings of VPEC，1991，PP.125-130；或J.G.Cho，J.A.Sabate，G.C.Hua and F.C.Lee，“zero-voltage and zero-current swiching full-bridge pwm converter for high power applications”IEEE PESC，1994，pp102-108。上述几种方案都能解决全桥相移ZVS的固有缺陷，如大幅度地降低电路内部的自循环能量，提高变换效率；减少副边的占空度丢失，提高最大占空度的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。为提高电路的开关频率准备了条件，使整机的轻量化，小型化成为可能，可进一步提高整机的功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。但是经过仔细分析这几种方案，还是有如下不足之处1、这三种方案都是在变压器的原边采取措施实现ZVZCS软开关，为了使原边电流复位，它们都付出了使原边损耗加大的代价。饱和电感是有损耗器件，且在开关频率较高时，损耗会加大，对饱和电感磁芯材料的要求也很高，不易产品化。滞后臂的开关管串联二极管会增加功率传输时的损耗，二极管的发热量不小，需要散热器固定。利用IGBT的反向雪崩击穿电压使原边电流复位则是使变压器原边漏感能量消耗在IGBT上，且受IGBT反向雪崩击穿能量的限制，影响IGBT的可靠运用。2、这三种方案由于在副边都没有采取措施，则为了防止在副边整流管换流时，变压器漏感与整流管寄生电容的强烈振荡和由于二极管反向恢复电流引起的整流管电压应力过高，势必要在整流管上加RC吸收，以降低反向尖峰电压，此时RC吸收电路会带来损耗，且反向尖峰电压的抑制作用达不到最佳效果，同时易引起较大的开关噪音。在选择整流管的耐压定额时，要考虑此反向尖峰电压的影响。有人提出了如图1所示的全桥相移式零压零流软开关电路，参见J.G.Cho，G.H.Rim and F.C.Lee，“zero voltage and zero current swiching full bridge pwmconverter using secondary active clamp”IEEE PESC，1996，pp657-663。此电路在原理上是能够实现的，但是它忽略了全桥式拓扑的一大技术缺陷，即此电路不考虑全桥电路中主变压器的偏磁问题，然而在实际应用中主变压器是不可能没有偏磁的。此电路没有说明怎样解决偏磁问题，但从电路上看很显然不是采取隔直电容这一最简单有效而且可靠的办法来解决。本专利技术的目的旨在提供一个简单有效且实用的技术方案，真正实现全桥相移式零压零流软开关，同时降低损耗，提高变换效率，提高可靠性。本专利技术所述的的目的是这样实现的，电路由四个主功率管S1-S4、主变压器TR、由MOSFET(功率场效应管)管SC和电容CC组成的副边有源钳位电路、由滤波电感LO和滤波电容CO组成的直流滤波电路、负载RO组成；其中主功率管S1的集电极与主功率管S2的集电极相连，主功率管S3的发射极与主功率管S4的发射极相连，主功率管S1的发射极与主功率管S3的集电极相连，主功率管S2的发射极与主功率管S4的集电极相连，主功率管S1和主功率管S3组成超前臂，主功率管S2和主功率管S4组成滞后臂，四个主功率管S1-S4组成全桥拓扑方式；主变压器TR的原边连在桥臂的两个中点之间在主变压器TR副边的回路中，输出经过二极管整流、由MOSFET管SC和电容CC组成的有源钳位电路、以及由电感LO和电容CO组成的直流滤波电路后，最后输出到负载RO。电路还包括一个隔直电容C3，该电容与主变压器TR的原边串联后连在桥臂的两个中点之间。超前臂与滞后臂保持不对称，超前臂中的主功率管S1和主功率管S3分别与一个二极管反向并联，并分别并联电容C1和电容C2。所述四个主功率管S1-S4采用IGBT。应使所述隔直电容C3上的脉动电压幅值低于IGBT倒置运用时发生雪崩击穿的门坎值，使IGBT不发生反向雪崩击穿。为了使隔直电容C3上的脉动电压幅值低于IGBT倒置运用时发生雪崩击穿的门坎值，可以通过以下方法实现提高隔直电容C3容量，或提高变换器的开关频率，或提高输入电压VI，或综合运用以上三种方法。本专利技术提出了，与现有技术方案相比有如下优点1、主变压器原边电路无有损器件，原边损耗降至最低，整个电路也无外加有损吸收器件，大大提高整机的变换效率。2、由于在变压器副边采取了有源钳位的措施，RC吸收电路可以取消，降低损耗，且二极管反向尖峰电压的抑制效果最佳，在选择整流管的耐压定额时，可以取低一级耐压的二极管，利于进一步提高效率和可靠性，同时由整流管寄生参数引起的振荡也大大减弱。3、在使原边电流复位的时间上，此方案与前述几种方案相比，时间是最短的，而且此方案基本不存在副边占空度的丢失问题，在最大占空度的利用率上，此方案最佳。4、在防止全桥主变压器的直流磁偏的问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不对称全桥相移式零压零流软开关电路，由四个主功率管（Ｓ１－Ｓ４）、主变压器（ＴＲ）、由ＭＯＳＦＥＴ（功率场效应管）管（ＳＣ）和电容（ＣＣ）组成的副边有源钳位电路、由滤波电感（ＬＯ）和滤波电容（ＣＯ）组成的直流滤波电路、负载（ＲＯ）组成；其中主功率管（Ｓ１）的集电极与主功率管（Ｓ２）的集电极相连，主功率管（Ｓ３）的发射极与主功率管（Ｓ４）的发射极相连，主功率管（Ｓ１）的发射极与主功率管（Ｓ３）的集电极相连，主功率管（Ｓ２）的发射极与主功率管（Ｓ４）的集电极相连，主功率管（Ｓ１）和主功率管（Ｓ３）组成超前臂，主功率管（Ｓ２）和主功率管（Ｓ４）组成滞后臂，四个主功率管（Ｓ１－Ｓ４）组成全桥拓扑方式；主变压器（ＴＲ）的原边连在桥臂的两个中点之间；在主变压器（ＴＲ）副边的回路中，输出经过二极管整流、由ＭＯＳＦＥＴ管（ＳＣ）和电容（ＣＣ）组成的有源钳位电路、以及由电感（ＬＯ）和电容（ＣＯ）组成的直流滤波电路后，最后输出到负载（ＲＯ），其特征是： （１）所述电路还包括一个隔直电容（Ｃ３），该电容与主变压器（ＴＲ）的原边串联后连在桥臂的两个中点之间； （２）超前臂与滞后臂保持不对称，超前臂中的主功率管（Ｓ１）和主功率管（Ｓ３）分别与一个二极管反向并联，并分别并联电容（Ｃ１）和电容（Ｃ２）； （３）所述四个主功率管（Ｓ１－Ｓ４）采用ＩＧＢＴ（绝缘栅双极性晶体管）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周建平，陈卫昀，赵燕军，李祥忠，
申请(专利权)人：深圳市中兴通讯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：44[中国|广东]