專利名稱：一種全橋組合軟開關(guān)直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通常，功率變換器是一種將輸入電壓源或電流源變換成指定輸出電壓或電流的功率處理電路。功率變換器的一種類型，即基于全橋拓?fù)涞腄C/DC功率變換器，是大、中功率DC/DC變換器的理想電路，得到廣泛的應(yīng)用和研究。全橋變換器主要包括全橋逆變電路、高頻變壓器和輸出整流濾波電路組成，具有功率開關(guān)器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優(yōu)點(diǎn)。大電流快速IGBT和大電流快速恢復(fù)二極管技術(shù)的發(fā)展使得大、中功率變換器得以實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)的PWM全橋變換器，由于開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲大，因而影響了效率和開關(guān)頻率的提高，從而制約了功率變換器的功率密度的提高和單位輸出功率的體積和重量的減小。因此，人們提出了軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)分為零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。目前，軟開關(guān)技術(shù)主要有兩種發(fā)展方向一個(gè)方向是附加開關(guān)或改變主電路拓?fù)涞刃问?，一般是在變換器電路中設(shè)置某種形式的LC諧振電路，這使得輸入濾波器和輸出濾波器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，并影響系統(tǒng)的噪聲。另一個(gè)發(fā)展方向是無損(低損)緩沖吸收電路，其基本思路是設(shè)計(jì)一容性支路與開關(guān)管并聯(lián)，一感性支路與開關(guān)管串聯(lián)，處理吸收儲(chǔ)存元件中的能量，將其回饋至電源或大幅消減其數(shù)值，從而消除(消弱)損耗問題，達(dá)到軟化開關(guān)的目的。如今軟開關(guān)變換器都應(yīng)用了諧振原理，在電路中并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，勢(shì)必產(chǎn)生諧振損耗，并使電路受到固有問題的影響。為此，人們?cè)谥C振技術(shù)和無損耗緩沖電路的基礎(chǔ)上提出了組合軟開關(guān)功率變換器的理論。組合軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合了無損耗吸收技術(shù)與諧振式零電壓技術(shù)、零電流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。電路中既可以存在零電壓開通，也可以存在零電流關(guān)斷，同時(shí)既可以包含零電流開通，也可以包含零電壓關(guān)斷，是這四種狀態(tài)的任意組合。由此可見，由無損耗緩沖技術(shù)和諧振技術(shù)組合而成的新型軟開關(guān)技術(shù)將成為新的發(fā)展趨勢(shì)。到現(xiàn)在，對(duì)軟開關(guān)的研究取得了很大的進(jìn)展，然而還未實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)用化。全橋變換器中，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通時(shí)間不相同、開關(guān)管的導(dǎo)通壓降存在略微的差異、每個(gè)導(dǎo)通管的儲(chǔ)存時(shí)間不同等都會(huì)造成初級(jí)置位伏秒數(shù)與復(fù)位伏秒數(shù)不相等。只要伏秒數(shù)稍有不等，磁芯就不能回到起點(diǎn)，并且若干周期后，磁芯將偏離磁滯回線進(jìn)入飽和區(qū)。磁芯飽和時(shí)，變壓器不能承受電壓，當(dāng)下一周期開關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管將承受很大的電壓和電流，導(dǎo)致開關(guān)管損壞。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種全橋組合軟開關(guān)直流變換器。本發(fā)明采取的技術(shù)方案一種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，包括逆變電路、串聯(lián)諧振電路、高頻變壓器、輸出整流電路、輸出濾波電路；所述逆變電路包括4個(gè)IGBT管Ql、Q2、Q3和Q4，4個(gè)IGBT管的寄生二極管D11、D22、D33 和 D44 ；Ql和Q3的公共端與高頻變壓器的初級(jí)繞組的一端之間有串聯(lián)諧振電路，Q2和Q4的公共端與高頻變壓器初級(jí)繞組的另一端連接，Ql兩端并聯(lián)RCD緩沖電路I，Q2兩端并聯(lián)RCD緩沖電路II，Q3兩端并聯(lián)RCD緩沖電路III，Q4兩端并聯(lián)RCD緩沖電路IV ;高頻變壓器輸出端連接輸出整流電路，輸出整流電路連接輸出濾波電路。RCD緩沖電路I由Cl、Dl和Rl組成，Cl與Dl串聯(lián)后與Ql并聯(lián)，所述Dl上并聯(lián)有Rl ；RCD緩沖電路II由C2、D2和R2組成，C2與D2串聯(lián)后與Q2并聯(lián)，所述D2上并聯(lián)有R2 ;RCD緩沖電路III由C3、D3和R3組成，C3與D3串聯(lián)后與Q3并聯(lián)，所述D3上并聯(lián)有R3 ；RCD緩沖電路IV由C4、D4和R4組成，C4與D4串聯(lián)后與Q4并聯(lián)，所述D4上并聯(lián)有R4。串聯(lián)諧振電路由諧振電感Lg和諧振電容Cg串聯(lián)構(gòu)成。高頻變壓器的次級(jí)繞組的一端與整流二極管D5和D7的公共端連接，另一端與整流二極管D6和D8的公共端連接。所述輸出整流電路包括4個(gè)快恢復(fù)二極管D5、D6、D7和D8，D5兩端并聯(lián)RC緩沖電路I，D6兩端并聯(lián)RC緩沖電路II，D7兩端并聯(lián)RC緩沖電路III，D8兩端并聯(lián)RC緩沖電路IV ;所述RC緩沖電路I由R5及C5串聯(lián)構(gòu)成，RC緩沖電路II由R6及C6串聯(lián)構(gòu)成，RC緩沖電路III由R7及C7串聯(lián)構(gòu)成，RC緩沖電路IV由R8及C8串聯(lián)構(gòu)成。所述輸出濾波電路包括電感L和電解電容Col和Co2，Col與Co2的電容值相等，電阻Rol和Ro2分別與Col和Co2并聯(lián)，電阻Rol和Ro2的阻值相等，所述的Col和Co2的工作電壓相等；Co3和Co4為無極性電容，Co3和Co4分別與Col和Co2并聯(lián)。所述為輸入端的直流電壓經(jīng)過所述逆變電路逆變成高頻的交流方波電壓，所述Ql和Q4為一對(duì)導(dǎo)通管，Ql和Q4同時(shí)導(dǎo)通或Ql和Q4同時(shí)關(guān)斷；Q2和Q3為另一對(duì)導(dǎo)通管，Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通或Q2和Q3同時(shí)關(guān)斷；同一橋臂的兩個(gè)IGBT管不能同時(shí)導(dǎo)通，每一對(duì)導(dǎo)通管的占空比在輸入電壓最低時(shí)不大于95%。本發(fā)明的原理一種全橋拓?fù)浣M合軟開關(guān)直流變換器，輸入的直流電源經(jīng)過輸入濾波電路供給全橋逆變電路，由Ql、Q2、Q3和Q4四個(gè)開關(guān)管組成的橋式逆變電路將直流電逆變成高頻的交流方波電壓，再經(jīng)過高頻變壓器變壓后整流濾波，最后輸出穩(wěn)定的直流電壓；設(shè)計(jì)開關(guān)管緩沖電路，使得開關(guān)管關(guān)斷時(shí)集電極電壓緩慢上升，減少開關(guān)損耗；能抑制了漏感尖峰，防止二次擊穿，可以選擇較低耐壓值的開關(guān)管，降低了成本，提高了變換器的可靠性；串聯(lián)諧振電路的諧振頻率等于開關(guān)頻率，使得逆變之后的電壓為準(zhǔn)正弦波交流電壓。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明全橋組合軟開關(guān)直流變換器采用RCD緩沖電路和串聯(lián)諧振電路的組合軟開關(guān)技術(shù)，真正減小了開關(guān)損耗，且能有效解決全橋直流變換器的偏磁問題，占空比丟失低。該實(shí)施方案不需外加輔助開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。開關(guān)管的工作頻率恒定，因?yàn)槭呛泐l方式控制，所以軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件不依耐輸入電壓和輸出電流等外部條件，有利于高頻變壓器實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率。簡(jiǎn)化了功率變壓器、輸入和輸出濾波器的設(shè)計(jì)。


圖1是本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的IGBT (Ql)兩端無RCD緩沖電路時(shí)集電極和發(fā)射極之間的電壓和流過Ql的電流波形示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的IGBT (Ql)兩端并聯(lián)RCD緩沖電路時(shí)集電極和發(fā)射極之間的電壓波形示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例的全橋組合軟開關(guān)直流變換器的主要波形示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例的全橋組合軟開關(guān)直流變換器各開關(guān)模態(tài)I [t' ct' J等效電路結(jié)構(gòu)不意圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的全橋組合軟開關(guān)直流變換器各開關(guān)模態(tài)2 [t' 1;t' 2]等效電路結(jié)構(gòu)不意圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例的全橋組合軟開關(guān)直流變換器各開關(guān)模態(tài)3 [t' 2，t' 3]等效電路結(jié)構(gòu)不意圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例的全橋組合軟開關(guān)直流變換器各開關(guān)模態(tài)4[t' 3，t' 4]等效電路結(jié)構(gòu)不意圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例的全橋組合軟開關(guān)直流變換器的不同開關(guān)模態(tài)的統(tǒng)一等效電路圖。圖中1逆變電路，2串聯(lián)諧振電路，3高頻變壓器，4輸出整流電路，5輸出濾波電路。
具體實(shí)施例方式如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。本發(fā)明包括逆變電路(I)、串聯(lián)諧振電路(2)、高頻變壓器(3)、輸出整流電路(4)、輸出濾波電路(5)。如圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例的IGBT (Ql)兩端無RCD緩沖電路I時(shí)集電極和發(fā)射極之間的電壓和流過Ql的電流波形示意圖。當(dāng)Ql開通期間，Q4開通，Q2和Q3關(guān)斷，Ql兩端的電壓為OV山時(shí)刻，Ql和Q4關(guān)斷，此時(shí)儲(chǔ)存在所述高頻變壓器勵(lì)磁電感中的能量釋放，電感兩端電壓極性反向，使Ql的集電極電壓迅速上升到所述輸入電壓Vin，由于所述高頻變壓器存在漏感，漏感中的能量也釋放，所以Ql集電極產(chǎn)生漏感尖峰電壓'，所述漏感尖峰電
壓'大于所述電壓Vin，然后電壓又在關(guān)斷時(shí)間tf結(jié)束時(shí)下降到，在Ql關(guān)斷瞬間到關(guān)斷
結(jié)束的tf時(shí)間內(nèi)，流過Ql的電流從最初峰值電流Ip下降到OA山 t2 Q1和Q4關(guān)斷，Q2
和Q3仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，Ql兩端的電壓為，流過Ql的電流為OA ；t2時(shí)刻，Q2和Q3開
通，Ql兩端的電壓上升到Vin ；t2 t3 Q1和Q4保持關(guān)斷，Q2和Q3保持開通，Ql兩端的電壓為Vin，流過Ql的電流為OA ；t3時(shí)刻，Q2和Q3關(guān)斷，在Q2和Q3上產(chǎn)生漏感尖峰'，Ql兩端的電壓為V17V1 = Vin-VL (<0);t3 t4 Q1和Q4保持關(guān)斷，Q2和Q3處于關(guān)斷狀態(tài)，Ql兩
端的電壓為，流過Ql的電流仍為OA ；t4時(shí)刻，Ql和Q4開通，Ql兩端的電壓為0V，由于
所述高頻變壓器電感和諧振電感的存在，使得流過Ql的電流緩慢上升到Iin ；t4 t5 Q1和Q4保持開通，Ql兩端的電壓為0V，流過Ql的電流從Iin上升到Ip。
為了抑制漏感尖峰電壓 '，減小所述開關(guān)管IGBT關(guān)斷時(shí)的重疊損耗，防止所述開關(guān)管IGBT關(guān)斷瞬間在其集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生很高的電壓尖峰，在開關(guān)管IGBT兩端設(shè)計(jì)所述RCD緩沖電路。如圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例IGBT (Ql)兩端并聯(lián)RCD緩沖電路I時(shí)集電極和發(fā)射極之間的電壓波形示意圖。在h時(shí)刻，Ql關(guān)斷(即Ql和Q4關(guān)斷)，由于一部分電流通過二極管Dl給Cl充電，使得在Ql的關(guān)斷時(shí)間tf內(nèi)，Ql兩端的電壓不會(huì)瞬間上升到'，而是緩慢上升到小于\的電壓Vp，當(dāng)Ql完全關(guān)斷后，Cl兩端的電壓通過電阻Rl放電到t2時(shí)刻；在t2時(shí)刻，Ql兩端的電壓緩慢上升到Vin ；t3時(shí)刻，Q2和Q3關(guān)斷，Ql兩端的電壓緩慢下降，當(dāng)Q2和Q3完全關(guān)斷后，Ql兩端的電壓又緩慢上升；t4時(shí)刻，Ql和Q4開通，Ql兩端的緩慢下降到OV。假設(shè)最初的峰值電流Ip流過Cl的電流為Ip/2，流過逐漸關(guān)斷的Ql的電流為Ip/2。設(shè)計(jì)合適的電容Cl，使得兩端的電壓在Ql的關(guān)斷時(shí)間tf內(nèi)上升到2Vd。。則Cl和Rl的表達(dá)式推導(dǎo)如下(I)輸入功率為Pin，輸出額定功率P。，變換器的效率為Π ;(2) Vin的最小電壓為Vin(min),開關(guān)管的占空比為D,開關(guān)周期為T ； 如圖2所示，流過Ql的電流脈沖是一個(gè)寬度為I一的梯形斜波，將梯形斜波的電
流等效為同樣脈寬的平頂電流，其電流平均值為
權(quán)利要求
1.ー種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，包括逆變電路(I)、串聯(lián)諧振電路(2)、高頻變壓器(3)、輸出整流電路(4)、輸出濾波電路(5);所述逆變電路(I)包括4個(gè)IGBT管Ql、Q2、Q3和Q4，4個(gè)IGBT管的寄生ニ極管D11、D22、D33和D44 ； 其特征在于Q1和Q3的公共端與高頻變壓器的初級(jí)繞組的一端之間有串聯(lián)諧振電路(2)，Q2和Q4的公共端與高頻變壓器初級(jí)繞組的另一端連接，Ql兩端并聯(lián)RCD緩沖電路I，Q2兩端并聯(lián)RCD緩沖電路II，Q3兩端并聯(lián)RCD緩沖電路III，Q4兩端并聯(lián)RCD緩沖電路IV ；高頻變壓器(3 )輸出端連接輸出整流電路(4 )，輸出整流電路(4 )連接輸出濾波電路(5 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，其特征在于RCD緩沖電路I由Cl、Dl和Rl組成，Cl與Dl串聯(lián)后與Ql并聯(lián)，所述Dl上并聯(lián)有Rl ;RCD緩沖電路II由C2、D2和R2組成，C2與D2串聯(lián)后與Q2并聯(lián)，所述D2上并聯(lián)有R2 ；RCD緩沖電路III由C3、D3和R3組成，C3與D3串聯(lián)后與Q3并聯(lián)，所述D3上并聯(lián)有R3 ；RCD緩沖電路IV由C4、D4和R4組成，C4與D4串聯(lián)后與Q4并聯(lián)，所述D4上并聯(lián)有R4。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，其特征在干串聯(lián)諧振電路(2)由諧振電感Lg和諧振電容Cg串聯(lián)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，其特征在于高頻變壓器(3)的次級(jí)繞組的一端與整流ニ極管D5和D7的公共端連接，另一端與整流ニ極管D6和D8的公共端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，其特征在于所述輸出整流電路(4)包括4個(gè)快恢復(fù)ニ極管D5、D6、D7和D8，D5兩端并聯(lián)RC緩沖電路I，D6兩端并聯(lián)RC緩沖電路II，D7兩端并聯(lián)RC緩沖電路III，D8兩端并聯(lián)RC緩沖電路IV ;所述RC緩沖電路I由R5及C5串聯(lián)構(gòu)成，RC緩沖電路II由R6及C6串聯(lián)構(gòu)成，RC緩沖電路III由R7及C7串聯(lián)構(gòu)成，RC緩沖電路IV由R8及C8串聯(lián)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，其特征在于所述輸出濾波電路(5)包括電感L和電解電容Col和Co2，Col與Co2的電容值相等，電阻Rol和Ro2分別與Col和Co2并聯(lián)，電阻Rol和Ro2的阻值相等，所述的Col和Co2的工作電壓相等；Co3和Co4為無極性電容，Co3和Co4分別與Col和Co2并聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，其特征在于所述為輸入端的直流電壓經(jīng)過所述逆變電路(I)逆變成高頻的交流方波電壓，所述Ql和Q4為ー對(duì)導(dǎo)通管，Ql和Q4同時(shí)導(dǎo)通或Ql和Q4同時(shí)關(guān)斷；Q2和Q3為另ー對(duì)導(dǎo)通管，Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通或Q2和Q3同時(shí)關(guān)斷；同一橋臂的兩個(gè)IGBT管不能同時(shí)導(dǎo)通，每ー對(duì)導(dǎo)通管的占空比在輸入電壓最低時(shí)不大于95%
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全橋組合軟開關(guān)直流變換器，屬于電力電子技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域。采用本發(fā)明不僅大大降低了開關(guān)損耗而且提高了大、中功率變換器的開關(guān)頻率、效率和功率密度，本發(fā)明的諧振電容解決了全橋變換器的直通和偏磁問題，這樣使得全橋變換器真正的成為大功率直流變換器的理想電路。
文檔編號(hào)H02M3/28GK102983747SQ20121051423
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者劉彥呈, 張潔喜, 李霄燕, 李烔, 杜文杰, 王川, 郭昊昊, 艾莉莉 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)