專利名稱：高效率的零電壓、零電流全橋變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高效率的零電壓、零電流全橋變換器，屬于電力開關電源。

背景技術：
如今開關電源廣泛應用于各個行業(yè)、各個領域，用戶對開關電源也提出了越來越嚴格的要求高功率密度、高可靠性、高效率、很好的電磁兼容性能。在大功率開關電源中，全橋電路使用最為廣泛。為了滿足用戶的上述要求，出現(xiàn)了很多的零電壓(ZVS)、零電流(ZCS)軟開關全橋電路拓撲?？偨Y起來有如下幾種1、最為簡單的方法是在基本全橋電路變壓器的原邊串聯(lián)飽和電感，利用飽和電感飽和后反向阻抗無窮大的特點，阻止原邊電流反向諧振，實現(xiàn)滯后臂的零電流開關。如圖1它在變壓器Tr的原邊串聯(lián)了一個飽和電感Ls，通過電容Cb與電感Ls適當配合，能使滯后橋臂Q2、Q4實現(xiàn)零電流開關。在原邊電壓過零階段，飽和電感工作在線性狀態(tài)，阻止原邊電流反向流動。當原邊電壓為Vin或-Vin時，它工作在飽和狀態(tài)。這種電路最大的優(yōu)點是簡單，但也有不足之處，這種方法的缺點是飽和電感會導致副邊占空比的丟失、飽和電感損耗大、只能在很窄的輸入電壓和負載范圍實現(xiàn)軟開關。2、另一種使橋臂開關管實現(xiàn)零電壓、零電流的方法，是在副邊加有源箝位。如IEEE論論文JunGoo Cho，Changyang Jeong，F(xiàn) red C Y L ee.《Zero-Voltage and Zero-Current-Switching Full-Bridge PWM Converter UsingSecondary Active Clamp》.IEEE TRANSACTIONS ON POWERELECTRONICS，VOL.13，NO.4，JULY 1998.原理框圖如圖2相對于上種方法，這種電路沒有使用耗能元件。副邊外加的電路為有源箝位開關Qb和箝位電容Cb串聯(lián)后，連接在輸出儲能電感Lf左端和輸出地之間。Q1、Q3為超前臂，Q2、Q4為滯后臂。在超前臂關斷后，通過控制有源箝位開關管Qb的導通與關斷，使變壓器Tr原邊電流回零，為滯后橋臂創(chuàng)造零電流開關條件。超前橋臂在零電壓導通與關斷的過程中，輸出濾波電感Lf參與了諧振過程，而輸出濾波電感通常具有很大的值，超前橋臂開關管可以在很大的范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關。這種方法的缺點是副邊箝位管工作于硬開關、電壓高、電流大、損耗大，副邊箝位管驅(qū)動困難。3、第三種實現(xiàn)全橋零電壓、零電流方法，是在副邊采用無源、無損吸收。副邊無損吸收的電路有多種，但其基本原理都是一樣的即利用副邊所加的箝位電容上的電壓，在原邊滯后臂關斷和開通前使原邊電流回到零，實現(xiàn)原邊的軟開關。很典型的一種副邊無源無損吸收電路如IEEE論文Jung-Goo Cho，Ju-Won Baek，Chang-Yong Jeong，andGeun-Hie Rim，《Novel Zero-Voltage and Zero-Current-Switching Full-BridgePWM Converter Using a Simple Auxiliary Circuit》.IEEE TRANSACTIONSON INDUSTRY APPLICATIONS，VOL.35，NO.1，JANUARY/FEBRUARY1999。原理框圖如圖3Cb1，Db1，Db2為外加電路，構成副邊箝位電路，連接關系如圖3所示。在超前臂Q1(或者Q3)關斷后，箝位電容Cb1上的電壓比例到原邊，使原邊電流復位回零，實現(xiàn)原邊的零電流開關。這種電路的缺點是原邊開關管開通時，副邊要給箝位電容Cb1充電，導致原邊開關管有很大的瞬態(tài)電流尖峰；箝位電容Cb1箝位時，輸出電感Lf的電流由Cb1提供，不反饋到原邊，導致超前臂Q1、Q3失去零電壓開關條件。
現(xiàn)有各種類型的零電壓、零電流全橋電路，存在的缺點外加輔助元器件的損耗大、效率低；輔助元器件控制復雜；原副邊占空比差別大導致變壓器匝比計算困難；實現(xiàn)零電壓、零電流的范圍有限，受輸入電壓和輸出負載影響。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種高效率的零電壓、零電流全橋變換器，解決已有電路的缺點，能夠在全范圍內(nèi)實現(xiàn)原邊橋臂的零電壓、零電流開關。
本發(fā)明的技術方案是采用了一種高效率的零電壓、零電流全橋變換器，由以下幾部分組成1、基本的全橋電路由四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4和變壓器T1組成，其中Q1、Q2為全橋電路的超前橋臂，Q3、Q4為全橋電路的滯后橋臂；Llk為變壓器T1的原邊漏感；2、隔直電容Cb，串聯(lián)在變壓器T1的原邊，在超前臂Q1(或者Q2)關斷后，隔直電容Cb上的電壓可以使變壓器T1原邊電流Ip回零；3、低壓、低導通內(nèi)阻的MOS管Q5，與滯后臂Q3串聯(lián)，Q5的開通與Q2的開通同步，Q5的關斷與Q1的開通同步，Q5的加入可以避免在全橋電路的諧振期間，滯后臂開關管Q3的電流反向，Q5為低壓MOS管，其導通內(nèi)阻為毫歐級，其導通損耗可以忽略不計；4、低壓、低導通內(nèi)阻的MOS管Q6，與滯后臂Q4串聯(lián)，Q6的驅(qū)動與Q5互補即Q6的開通與Q1的開通同步，Q6的關斷與Q2的開通同步，Q6的加入可以避免在全橋電路的諧振期間，滯后臂開關管Q4的電流反向，Q6為低壓MOS管，其導通內(nèi)阻為毫歐級，其導通損耗可以忽略不計。
Q1、Q2、Q3、Q4可以是MOS管，也可以是IGBT。
D1、D2、D3、D4分別是Q1、Q2、Q3、Q4的體二極管或者外并二極管。
C1、C2、C3、C4分別是Q1、Q2、Q3、Q4的寄生電容或者外并電容。
Q5可以連接在Q3的上端，也可以連接在Q3的下端。
D5為Q5的體二極管或者外并二極管。
Q6可以連接在Q4的下端，也可以連接在Q4的上端。
D6為Q6的體二極管或者外并二極管。
本發(fā)明在基本的移相全橋變換器的滯后臂串聯(lián)低壓、低導通內(nèi)阻的MOS管，既能實現(xiàn)超前臂的零電壓開關、又能實現(xiàn)滯后臂的零電流開關。本發(fā)明克服了以往全橋軟開關電路外加元器件多、損耗大、控制困難、只能在某些條件下實現(xiàn)軟開關的缺點。滯后臂串聯(lián)的MOS管既不會影響超前臂實現(xiàn)零電壓、又能使滯后臂實現(xiàn)零電流；對輸出端的占空比沒有任何影響；滯后臂串聯(lián)MOS管的驅(qū)動與超前臂同步，驅(qū)動很簡單；實現(xiàn)軟開關的條件不受輸入電壓和輸出負載的影響，實現(xiàn)了全范圍內(nèi)的軟開關；滯后臂串聯(lián)的很小導通內(nèi)阻的MOS管，也工作于軟開關，所帶來的額外損耗很小。與已有的全橋軟開關電路相比，本發(fā)明具有更高的效率、更簡單的電路、更小的開關噪聲、更好的EMC性能。



圖1為已有的一種零電壓(ZVS)、零電流(ZCS)軟開關全橋電路； 圖2為已有的第二種零電壓(ZVS)、零電流(ZCS)軟開關全橋電路； 圖3為已有的第三種零電壓(ZVS)、零電流(ZCS)軟開關全橋電路； 圖4為本發(fā)明的高效率的零電壓、零電流全橋變換器電路； 圖5為圖4的波形圖； 圖6-1為圖4第一個半周期的第0階段的簡化圖； 圖6-2為圖4第一個半周期的第1階段的簡化圖； 圖6-3為圖4第一個半周期的第2階段的簡化圖； 圖6-4為圖4第一個半周期的第3階段的簡化圖； 圖6-5為圖4第一個半周期的第4階段的簡化圖； 圖6-6為圖4第一個半周期的第5階段的簡化圖。

具體實施例方式 本發(fā)明所述的變換器由以下幾部分組成，參考圖4中虛線框內(nèi)所示 1、基本的全橋電路由四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4和變壓器T1組成。Q1、Q2、Q3、Q4可以是MOS管，也可以是IGBT；其中Q1、Q2為全橋電路的超前橋臂，Q3、Q4為全橋電路的滯后橋臂；D1、D2、D3、D4分別是Q1、Q2、Q3、Q4的體二極管或者外并二極管；C1、C2、C3、C4分別是Q1、Q2、Q3、Q4的寄生電容或者外并電容；Llk為變壓器T1的原邊漏感。
2、隔直電容Cb，串聯(lián)在變壓器T1的原邊。在超前臂Q1(或者Q2)關斷后，隔直電容Cb上的電壓可以使變壓器T1原邊電流Ip回零。
3、低壓、低導通內(nèi)阻的MOS管Q5，與滯后臂Q3串聯(lián)，圖4中是連接在Q3的上端，實際也可以連接在Q3的下端。D5為Q5的體二極管或者外并二極管。Q5的開通與Q2的開通同步，Q5的關斷與Q1的開通同步。Q5的加入可以避免在全橋電路的諧振期間，滯后臂開關管Q3的電流反向。Q5為低壓MOS管，其導通內(nèi)阻為毫歐級，其導通損耗可以忽略不計。
4、低壓、低導通內(nèi)阻的MOS管Q6，與滯后臂Q4串聯(lián)，圖4中是連接在Q4的下端，實際也可以連接在Q4的上端。D6為Q6的體二極管或者外并二極管。Q6的驅(qū)動與Q5互補即Q6的開通與Q1的開通同步，Q6的關斷與Q2的開通同步。Q6的加入可以避免在全橋電路的諧振期間，滯后臂開關管Q4的電流反向。Q6為低壓MOS管，其導通內(nèi)阻為毫歐級，其導通損耗可以忽略不計。
本發(fā)明所述變換器，電路工作原理原理如下(參考原理圖4、波形圖5、簡化圖6-1至圖6-6) 基本的全橋電路，原邊橋臂四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4的驅(qū)動，如圖5的第一、第二行波形。本發(fā)明電路所外加MOS管Q5、Q6的驅(qū)動如圖5中的第三行波形，Q5的開通與Q2的開通同步、Q5的關斷與Q1的開通同步，Q6的驅(qū)動與Q5完全互補，所以驅(qū)動波形的產(chǎn)生和驅(qū)動電路都很簡單。
實際電路中，輸出電流Io近似于常數(shù)；電容C1＝C2＝Cr。將本發(fā)明電路的每個工作周期分為10個階段，每個階段的等效電路如圖6所示(圖中只有虛線、沒有實線連接的元器件，表示在這個階段沒有電流通過)。10個階段分為兩個半個周期。
第一個半周期分為5個階段 1)階段0(在時間t0前)，等效電路如圖6-1開關管Q1、Q4、MOS管Q6導通，開關管Q2、Q3、MOS管Q5關斷。變壓器T1原邊的能量傳遞到副邊，輸入向輸出傳遞能量。變壓器原邊電壓Vlp(t0)等于輸入電壓Vin(其上有微小波動為隔直電容引起，相對于Vin很小)；原邊電流Ip大小為Io為輸出電流，K為變壓器原副邊匝比。原邊電流Ip給隔直電容Cb充電，隔直電容Cb上的電壓Vcb從負變?yōu)檎４穗A段MOS管Q5、Q6上承受的電壓Vq5、Vq6均為零。
2)階段1(時間t0到t1間)，等效電路如圖6-2在t0時刻Q1關斷，由于電容C1、C2的存在限制了Q1的電壓上升率，所以Q1是零電壓關斷。在這個階段輸出整流管D7、D10繼續(xù)整流，D8、D9繼續(xù)截止，輸出電流比例到原邊仍然為原邊電流繼續(xù)對隔直電容Cb充電，其上電壓為 在此階段原邊電流Ip對電容C1充電、C2放電，C1上電壓上升、C2上電壓下降 B點間電壓Vab不斷降低，變壓器原邊電壓也不斷降低。在t1時刻，Vc2降為零，Vab降為零，變壓器原邊電壓Vlp也降為零。Q2的體二極管D2自然導通，階段1結束。在t1時刻，隔直電容Cb上電壓達到最大 這個階段持續(xù)時間為 t01＝2CrVin/Ip0(5) 3)階段2(時間t1到t2間)，等效電路如圖6-3因為D2導通了，在此階段開關管Q2可以零電壓開通。Q2開通時刻，MOS管Q6關斷，二極管D6導通將Q6兩端電壓箝位為零，所以Q6的關斷是零電壓；Q2開通時刻，MOS管Q5開通，此時Q5上的電壓電流均為零，所以Q5為零電壓、零電流開通。二極管D2、開關管Q4、二極管D6導通，電壓Vab保持為零；Vcb加在變壓器原邊漏感Llk上，使原邊電流Ip不斷減小，不足以提供副邊輸出電流，因此副邊整流管D8、D9也導通，將變壓器原、副邊電壓箝位為零；由于此階段原邊電流很小、隔直電容Cb很大其上電壓基本不變保持為Vcbp。原邊電流Ip在Vcbp影響下線性減小 在時刻t2，Ip減小到零，此階段結束 4)階段3(時間t2到t3間)，等效電路如圖6-4在t2時刻，原邊電流Ip減小到零，隔直電容Cb上的電壓為Vcbp。如果沒有串聯(lián)MOS管Q6(二極管D6)，電壓Vcbp將加在漏感Llk上，使變壓器原邊電流反向諧振。由于Q6存在，電壓Vcbp加在Q6上，Q6在此階段是關斷的，所以原邊電流Ip就一直保持為零。為滯后臂Q3、Q4的開關創(chuàng)造了零電流條件。此階段Van(t)＝Vcbp，Vcb(t)＝Vcbp，Vlp(t)＝0，Vq5(t)＝0，Vq6(t)＝-Vcbp。
5)階段4(時間t3到t4間)，等效電路如圖6-5在t3時刻，Q4關斷，此時刻沒有電流流過Q4，所以Q4是零電流關斷。經(jīng)過很短的滯后臂死區(qū)時間，Q3零電流開通。變壓器原邊電流Ip反向，流經(jīng)MOS管Q5、開關管Q3、變壓器原邊Lp、隔直電容Cb、開關管Q2，從零開始增大，此階段原邊電流不足以提供副邊輸出電流，輸出整流管D7、D8、D9、D10都導通續(xù)流。
Q3開通后，Vab(t)＝-Vcbp，電壓-(Vin+Vcbp)加在漏感Llk上，原邊電流Ip Ip流經(jīng)隔直電容，電壓Vcb開始降低，Vq6變?yōu)榱?，Vq5保持為零。在t4時刻，原邊電流增加到Io/k，此階段結束 6)階段5(時間t4到t5間)，等效電路如圖6-6t4時刻以后，開關管Q2、Q3、MOS管Q5導通，開關管Q1、Q4、MOS管Q6關斷。變壓器T1原邊電流反向流動，原邊的能量傳遞到副邊，輸入向輸出傳遞能量。輸出整流管D7、D10反向截止，D8、D9繼續(xù)導通流過電流Io。Vab(t)＝-Vin；變壓器原邊電壓Vlp((t)＝-Vin(其上有微小波動為隔直電容引起，相對于Vin很小)；原邊電流Ip大小為原邊電流Ip給隔直電容Cb反向充電，隔直電容Cb上的電壓Vcb從正變?yōu)樨? 此階段MOS管Q5、Q6上承受的電壓Vq5、Vq6均為零。在t5時刻，Q2關斷，階段5結束。
從t5到t10，為第二個半周期。第二個半周期的工作方式相似于第一個半周期，只是電壓波形Vab、Vcb、Vlp反向，電流波形Ip反向。
本發(fā)明的電路，可以克服已有全橋軟開關變換器的上述缺點。本發(fā)明外加元器件少只是在滯后臂的上下開關管Q3、Q4各串聯(lián)一個MOS管Q5、Q6(D5、D6可以用Q5、Q6的體二極管)；外加元器件損耗小Q5、Q6為低壓MOS管，其導通內(nèi)阻只有毫歐級，其導通損耗可以忽略不計；外加元器件Q5、Q6本身的開通和關斷都是軟開關從上面本發(fā)明電路的基本工作原理階段2中可以看出，Q5、Q6均為零電壓、零電流開關；外加元器件Q5、Q6的開通、關斷控制簡單，驅(qū)動波形產(chǎn)生無需外加控制芯片，直接來源于基本全橋電路超前臂Q1、Q2的驅(qū)動，而且Q5、Q6的驅(qū)動完全互補；由于變壓器原邊沒有串聯(lián)諧振電感或飽和電感，變壓器副邊也沒有外加箝位電容，與基本全橋電路一樣，不存在原副邊占空比不一致的問題；超前臂開關管Q1、Q2實現(xiàn)零電壓開關的范圍寬，滯后臂開關管Q3、Q4實現(xiàn)零電流開關不受輸入電壓和輸出負載影響。
結合原理圖4虛線框，滯后臂上管Q3串聯(lián)的MOS管Q5，可以是N溝道MOS管，也可以是P溝道MOS管，可以串聯(lián)在Q3的上面，也可以串聯(lián)在Q3的下面；與Q5并聯(lián)的二極管D5，可以是Q5的寄生體二極管，也可以是外并聯(lián)二極管；滯后臂下管Q4串聯(lián)的MOS管Q6，可以是N溝道MOS管，也可以是P溝道MOS管，可以串聯(lián)在Q4的上面，也可以串聯(lián)在Q4的下面；與Q6并聯(lián)的二極管D6，可以是Q6的寄生體二極管，也可以是外并聯(lián)二極管。
前述基本全橋電路是一種經(jīng)典的功率電路拓撲，由兩個橋臂組成；超前臂和滯后臂。每個橋臂由上下兩個開關管串聯(lián)，變壓器原邊連接在兩個橋臂的中間點間。目前廣泛應用于中大功率電源上，詳細工作原理可以參考相關文檔。軟開關是指開關電源的功率開關管，開通或者關斷時，在零電壓或者零電流下進行。ZVS為零電壓開關，ZCS為零電流開關，MOS管為絕緣柵雙極型場效應管，本文中特別指的是功率型的。EMC為電磁兼容。
權利要求
1、一種高效率的零電壓、零電流全橋變換器，其特征在于，該全橋變換器由以下幾部分組成
(1)基本的全橋電路由四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4和變壓器T1組成，其中Q1、Q2為全橋電路的超前橋臂，Q3、Q4為全橋電路的滯后橋臂；Llk為變壓器T1的原邊漏感；
(2)隔直電容Cb，串聯(lián)在變壓器T1的原邊，在超前臂Q1(或者Q2)關斷后，隔直電容Cb上的電壓可以使變壓器T1原邊電流Ip回零；
(3)低壓、低導通內(nèi)阻的MOS管Q5和Q6，其中Q5與滯后臂Q3串聯(lián)，Q5的開通與Q2的開通同步，Q5的關斷與Q1的開通同步；Q6與滯后臂Q4串聯(lián)，Q6的驅(qū)動與Q5互補即Q6的開通與Q1的開通同步，Q6的關斷與Q2的開通同步。
2、根據(jù)權利要求1所述的全橋變換器，其特征在于，四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4可以是MOS管，也可以是IGBT。
3、根據(jù)權利要求1所述的全橋變換器，其特征在于，在四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4上分別并有對應的二極管D1、D2、D3、D4，二極管D1、D2、D3、D4分別是四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4的體二極管或者外并二極管。
4、根據(jù)權利要求1所述的全橋變換器，其特征在于，在四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4上分別并有對應的電容C1、C2、C3、C4，電容C1、C2、C3、C4分別是四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4的寄生電容或者外并電容。
5、根據(jù)權利要求1所述的全橋變換器，其特征在于，MOS管Q5可以連接在開關管Q3的上端，也可以連接在開關管Q3的下端。
6、根據(jù)權利要求5所述的全橋變換器，其特征在于，二極管D5為MOS管Q5的體二極管或者外并二極管。
7、根據(jù)權利要求1所述的全橋變換器，其特征在于，MOS管Q6可以連接在開關管Q4的下端，也可以連接在開關管Q4的上端。
8、根據(jù)權利要求7所述的全橋變換器，其特征在于，二極管D6為MOS管Q6的體二極管或者外并二極管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效率的零電壓、零電流全橋變換器，該全橋變換器由以下幾部分組成(1)基本的全橋電路由四個開關管Q1、Q2、Q3、Q4和變壓器T1組成，其中Q1、Q2為全橋電路的超前橋臂，Q3、Q4為全橋電路的滯后橋臂；Llk為變壓器T1的原邊漏感；(2)隔直電容Cb，串聯(lián)在變壓器T1的原邊，在超前臂Q1(或者Q2)關斷后，隔直電容Cb上的電壓可以使變壓器T1原邊電流Ip回零；(3)低壓、低導通內(nèi)阻的MOS管Q5和Q6，其中Q5與滯后臂Q3串聯(lián)，Q5的開通與Q2的開通同步，Q5的關斷與Q1的開通同步；Q6與滯后臂Q4串聯(lián)，Q6的驅(qū)動與Q5互補即Q6的開通與Q1的開通同步，Q6的關斷與Q2的開通同步。
文檔編號H02M3/28GK101494419SQ20081004912
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權日2008年1月21日
發(fā)明者李彩生 申請人:許繼集團有限公司, 許繼電源有限公司