專利名稱：半橋磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源領(lǐng)域，具體是指一種在半橋電路中采用磁能延緩釋放以實(shí)現(xiàn)脈沖邊沿諧振過零的軟開關(guān)技術(shù)。
半橋式開關(guān)電源的拓?fù)湫问?，由于其抗不平衡能力?qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整容易等優(yōu)點(diǎn)，在中、低功率容量的開關(guān)電源中普遍被采用。但在半橋式開關(guān)電源中軟開關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，其進(jìn)展遠(yuǎn)不如全橋軟開關(guān)成熟。
近年來，各種論文、書刊、雜志對半橋式軟開關(guān)電路的研究、討論，比較傾向在諧振型或準(zhǔn)諧振型領(lǐng)域?qū)で蟀l(fā)展，雖然取得了一些成果，但目前對諧振型或準(zhǔn)諧振型的電路拓?fù)?，其零電壓或零電流狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，所需的控制電路還比較復(fù)雜，調(diào)整不易，一致性、均勻性還較差，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；可a(chǎn)的難度較大，此外在諧振型或準(zhǔn)諧振型中，開關(guān)器件的輸出潛力不能充分發(fā)揮，器件利用率低，目前還只在小體積、小功率場合使用，在稍大功率以及中等功率情況下，使用還不普遍。
從商品生產(chǎn)角度考慮，脈沖調(diào)寬方式加邊沿諧振軟開關(guān)技術(shù)是目前效果既顯著，調(diào)整又容易，又便于實(shí)施規(guī)?；a(chǎn)的實(shí)用化軟開關(guān)技術(shù)，在全橋電路中已卓有成效，但在半橋式電路中，此項(xiàng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，迄今仍未能突破。
本發(fā)明利用“磁能延緩釋放”技術(shù)，目的是使之能在半橋電路中將脈沖調(diào)寬(PWM)技術(shù)與邊沿諧振技術(shù)結(jié)合起來，從而創(chuàng)立半橋式電路的一項(xiàng)新的拓?fù)湫问?，以便于?guī)?；瘜?shí)施半橋電路式軟開關(guān)技術(shù)。
半橋的基本電路如圖一(a)所示，這是一個(gè)典型的常用電路，多數(shù)開關(guān)電源教材都有說明，這里不作解釋，但為了在這個(gè)電路中實(shí)現(xiàn)磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)的目的，需要先對這個(gè)電路的開通和關(guān)斷過程作一分析，才便于對上述軟開關(guān)技術(shù)能有深入的了解。以下按時(shí)序分析主變壓器工作時(shí)的電壓、電流波形。
1、0～t1時(shí)段參看圖一(b)及圖二此區(qū)間Q1在導(dǎo)通狀態(tài)，主變壓器端壓UMN＝Uin/2，UC1＝0，UC2＝Uin，變壓器中之電流為I0。
2、t1～t2時(shí)段t1時(shí)刻Q1管關(guān)斷，由于主變壓器漏感之存在，電流I0維持不變，此電流從t1時(shí)刻開始對C1充電，見圖一(c)，若C1之值愈大，則UC1上升愈緩慢，Q1的關(guān)斷損耗愈小，反之，關(guān)斷損耗將增加。到t2時(shí)刻，Uc1被充電至Uin/2值，變壓器端壓UMN則下降至零伏。在此時(shí)段中C2中之電荷將通過R2放電，放電速率由R2、C2時(shí)間常數(shù)決定。
3、t2～t3時(shí)段從t2時(shí)刻起，主變壓器將反極性，其電壓方向由UMN轉(zhuǎn)變?yōu)閁NM，見圖一(d)，從而進(jìn)入升壓續(xù)流狀態(tài)，并繼續(xù)對C1充電。此時(shí)漏感的儲能開始泄放，I0的數(shù)值也開始下降，如圖二中的i0(t)。此時(shí)漏感中的儲能中的一部分將轉(zhuǎn)變?yōu)镃1中的電能，到t3時(shí)刻UNM上升到Uin/2，UC1則上升到Uin，UC2則下降到零伏，如圖一(d)及圖二所示。
4、t3～t4時(shí)段到t3時(shí)刻，UNM已上升到Uin/2，但漏感中的儲能尚未耗盡，故此時(shí)漏感剩余能量將通過Q2管的內(nèi)置二極管向電源反饋能量，同時(shí)還要向負(fù)載側(cè)輸出能量，如圖一(e)所示(此等效電源以C02為代表，設(shè)C02容量相對甚大，故可認(rèn)為UC02相對為恒定電壓Uin/2不變)。由于UC02具有最高電壓值，故此時(shí)漏感中的儲能將在高電壓下泄放，很快就耗盡，即在t4時(shí)刻，漏感的儲能已不能再維持Uin/2的高續(xù)流電壓，而開始迅速下降，同時(shí)i0(t)也將迅速下降如圖二所示。
5、t4～t5時(shí)段從t4時(shí)刻起，UNM急劇下降，漏感所殘余的磁能將與回路中之分布電容以及器件的極間電容等構(gòu)成一個(gè)短時(shí)間的自由振蕩時(shí)區(qū)，并很快在t5時(shí)刻衰減至零。
6、t5～t6時(shí)段此時(shí)段內(nèi)，由于UMN＝UNM＝0，故UC1及UC2很快都將進(jìn)入到Uin/2之靜止電壓狀態(tài)，如圖一(f)所示。直到t6時(shí)刻半橋中之另一管開通時(shí)為止。
7、t6～t7時(shí)段t6時(shí)刻開通Q2管，由于Q2管開通時(shí)，UC1＝UC2＝Uin/2，因電容電壓不能突變，故Q2管在開通時(shí)將有一個(gè)大的浪涌電流對C1充電，如圖一(g)所示，至t7時(shí)刻，C1由Uin/2充滿至Uin值，Q2管的Uce才由Uin/2下降到零伏，顯然Q2的開通是有損耗的，此外在C1的電壓由Uin/2開始上升時(shí)，UNM也由零伏開始上升，在t7時(shí)刻UC1上升至Uin時(shí)，UNM也就上升至Uin/2最大值上。
在此時(shí)段中，C2中的電荷將通過Q2和R2放電，最終UC2將趨于零伏(這將為以后關(guān)斷Q2時(shí)創(chuàng)造一個(gè)電壓緩升的條件)。
8、進(jìn)入下半周后工作過程與上半周的情況相同。
由以上的分析可以看出半橋電路的開關(guān)損耗的大小，主要決定于主控器件上并聯(lián)電容C的大小(C1＝C2)。
從關(guān)斷損耗來看，并聯(lián)電容應(yīng)盡可能選大，則關(guān)斷損耗可減小。
然而C加大之后，C中之儲能CU2/2增大，而這一項(xiàng)儲能最終將消耗在電阻R1及R2上，故加大C值最終開關(guān)損耗不一定能夠減小，此外C值加大，在上述t6～t7時(shí)段中所描述的主控管開通時(shí)的浪涌電流也增大，開通損耗也要增加。綜上所述，半橋電路的開通、關(guān)斷都有一定的損耗，而軟開關(guān)的目的，就是將這一損耗盡可能的減小，直至趨近于零，但目前半橋電路的軟開關(guān)技術(shù)的研究，離實(shí)用化要求還有一定的差距，迫切需要有所突破。
本專利發(fā)明獨(dú)創(chuàng)了一種“磁緩釋”技術(shù)，使半橋開關(guān)電路在保持原脈沖調(diào)寬方式的調(diào)節(jié)方便、容易的優(yōu)點(diǎn)之外，同時(shí)又能方便的施加零電壓邊緣諧振技術(shù)，達(dá)到理想的軟開關(guān)模式，這種新的半橋式軟開關(guān)的拓?fù)淙鐖D三所示，與圖一相比，取消了二極管D1、D2以及兩只功率電阻R1、R2，增加了兩只低壓MOS管M1及M2，此兩管對接，并用同一信號觸發(fā)。M1和M2實(shí)質(zhì)是組成為一個(gè)雙向功率電子開關(guān)，在上半周，M1、M2的觸發(fā)脈沖起始點(diǎn)為t2，終止點(diǎn)在tA，tA點(diǎn)超前于t6點(diǎn)一個(gè)固定時(shí)間Δt(Δt一般可安排為幾十納秒到1微秒內(nèi)，這要視電源工作頻率的高低而定)，在下半周，M1M2的觸發(fā)脈沖起始點(diǎn)為t2′，終止點(diǎn)在tB，同樣tB點(diǎn)超前于t6′一個(gè)Δt時(shí)間。t2，tA， t2′，tB各點(diǎn)位置見圖二。
所述半橋式磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)技術(shù)，由主控器件Q1及Q2以及主變壓器T構(gòu)成的半橋高頻開關(guān)電源的主電路，其在分壓電容C01與C02連接節(jié)點(diǎn)M與由主控器件Q1、Q2的連接節(jié)點(diǎn)N之間接有一主變壓器T，還接有兩只對接的低壓輔助開關(guān)管M1及M2，整個(gè)電路由外接的邏輯控制電路實(shí)施控制以完成電源變換，本發(fā)明的特征是在Q1及Q2的截止區(qū)給主變壓器(含漏感)設(shè)置一個(gè)零電壓續(xù)流時(shí)段，強(qiáng)迫主變壓器進(jìn)入磁通保持狀態(tài)，具體而言零電壓續(xù)流時(shí)段從端點(diǎn)M與端點(diǎn)N等電位時(shí)開始，在Q1及Q2開通前Δt時(shí)間處停止，Δt在幾十納秒到1微秒數(shù)量級間。在所述主變壓器T上設(shè)置了兩只對接的低壓功率開關(guān)器件M1及M2，該器件在上述的時(shí)段內(nèi)導(dǎo)通，以保證主變壓器(含漏感)能進(jìn)入磁通保持狀態(tài)。其主控器件Q1及Q2的集電極與發(fā)射極之間(或漏極與源極之間)，分別并有電容C1及C2(C1＝C2)，其特征是C1與C2的電容量較該主電路的通常用法為大，具體而言，其容量一般增大5-10倍。
綜合以上敘述，可得出以下結(jié)論1、“半橋式磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)”主控器件關(guān)斷損耗的減小，是依靠增大并聯(lián)電容C1及C2之值，可比常規(guī)增大5至10倍以上，則基本上很接近零電壓關(guān)斷。
2、開通損耗的減小是由于本專利發(fā)明創(chuàng)造性的設(shè)置了一個(gè)零電壓續(xù)流時(shí)段，將漏感中的磁能存儲一段時(shí)間，在主控管需要導(dǎo)通前的某一瞬間再行釋放。從而給開通管創(chuàng)造了一個(gè)零電壓，零電流的開通條件，使開通損耗趨于零值。
如果由于C1、C2的值增加過多，以致漏感釋放的能量不足以使開通管獲得理想的零電壓條件，也可在主變壓器之外額外增加一個(gè)小的磁飽和電感以彌補(bǔ)續(xù)流能量的不足。
3、上述兩條說明本方案既能完全保留脈寬調(diào)節(jié)簡單方便的優(yōu)點(diǎn)，又能比較理想的實(shí)現(xiàn)了沿的過零切換，從而首先在半橋電路中將脈寬調(diào)節(jié)、技術(shù)與邊沿諧振技術(shù)巧妙的結(jié)合起來，使半橋軟開關(guān)走向?qū)嵱没〉昧酥匾倪M(jìn)展。
本專利技術(shù)經(jīng)過發(fā)明人嚴(yán)格的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在2.5KW電力操作電源的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上取得了95％的高效率，主控器件的dv/dt值下降至每微秒500伏以下，di/dt值下降到每微秒20A以下，使該電源模塊的穩(wěn)定性、可靠性同時(shí)得到大幅度提高。
為現(xiàn)實(shí)半橋磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)所需要的邏輯控制電路，可以有多種多樣的方法，凡熟悉邏輯電路的本專業(yè)技術(shù)人員都能方便的設(shè)計(jì)出一套符合本專利技術(shù)所需要的組合邏輯，但這僅僅是在本發(fā)明專利創(chuàng)造性構(gòu)思指引下完成的一項(xiàng)具體工作，不能獨(dú)立的視為是一項(xiàng)創(chuàng)造性的專利技術(shù)而存在。本說明書對邏輯控制電路未加敘述，只是因?yàn)樗趾唵纹胀ǎ瑹o須在專利文獻(xiàn)上進(jìn)行闡述。
本說明書


如下圖一(a)是半橋高頻開關(guān)電源主電路電原理一(b)是半橋下管Q1導(dǎo)通時(shí)的工作回路圖一(c)是半橋下管Q1關(guān)斷時(shí)，C1電容被充電之工作回路圖一(d)是半橋下管Q1關(guān)斷后，主變壓器漏感進(jìn)入升壓續(xù)流時(shí)的工作回路圖一(e)是C1充電達(dá)到最高值Uin后，漏感之儲能向等效電源UC02反饋能量之工作回路圖一(f)是Q1關(guān)斷過程結(jié)束，半橋電路進(jìn)入靜止工作狀態(tài)的電路一(g)是半橋上管Q2導(dǎo)通瞬間的工作回路圖二是半橋主電路在各個(gè)不同的工作時(shí)段主變壓器端點(diǎn)電壓UMN(t)及通過主變壓器之電流i0(t)之波形示意三是本專利特有的“半橋磁緩釋邊沿諧振”軟開關(guān)時(shí)的主電路四是半橋磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)時(shí)主變壓器端點(diǎn)電壓UMN(t)及通過主變壓器之電流i0(t)之波形示意圖。
圖三所示為新的半橋電路，其開關(guān)過程及開通、關(guān)斷損耗的分析可結(jié)合圖四加以說明
1、0～t1時(shí)段參看圖三及圖四此時(shí)Q1在導(dǎo)通狀態(tài)，M1、M2在阻斷狀態(tài)，主變壓器端壓UMN＝Uin/2，UC1＝0，UC2＝Uin，變壓器原邊電流為I0。
2、t1～t2時(shí)段t1時(shí)刻Q1關(guān)斷，因漏感之存在，I0維持不變，并對C1充電，隨著UC1由零伏上升，UMN將由Uin/2下降，在t2時(shí)刻，UC1上升至Uin/2，UNM下降至零伏，與此同時(shí)，C2中的電荷向電源C02放電，在t2時(shí)刻UC2已由最大值Uin下降到Uin/2。
Q1之關(guān)斷損耗決定于C1的大小，C1的值越大，UC1上升愈緩慢，Q1的關(guān)斷損耗即可減小，現(xiàn)將C1的值比圖一(a)中所用的值增加5～10倍，則主控管的關(guān)斷損耗將降至非常小的數(shù)值內(nèi)，可以近似視之為零電壓關(guān)斷。
3、t2～tA時(shí)段在t2時(shí)刻，M端點(diǎn)與N端點(diǎn)等電位，此時(shí)導(dǎo)通M1及M2管，屬于零電壓開通，M1、M2的導(dǎo)通強(qiáng)迫主變壓器進(jìn)入磁通保持的零電壓續(xù)流狀態(tài)，I0在主變壓器及M1、M2管形成的短路回路中近似于無衰減流通(設(shè)變壓器次邊有較大的濾波電感，故次邊的電流亦可視為在恒流狀態(tài)，故在此時(shí)段中，變壓器原邊、次邊的電流均為恒定值，其di/dt均為零，因而變壓器初次級在此時(shí)段中無磁的耦合)，此短路電流一直保持到tA時(shí)刻，I0之值可視為無變化。
4、tA～t6時(shí)段在tA時(shí)刻M1及M2關(guān)斷，主變壓器MN兩端點(diǎn)不再被箝位于零電壓，而是進(jìn)入升壓續(xù)流時(shí)期，續(xù)流電流不再是一個(gè)常量，此時(shí)續(xù)流電流i0(t)將由兩部分連續(xù)，其一是C1的充電電流iC1，其二是C2的放電電流iC2，即i0(t)＝iC1(t)+iC2(t)，這一狀態(tài)維持到圖四中的a點(diǎn)，此時(shí)，UC1已上升到Uin，UC2已下降到零伏，之后，漏感剩余能量將通過Q2之內(nèi)置二極管，向等效電源UC02充電，同時(shí)還要向負(fù)載側(cè)輸出能量，由于UC02具有最高電壓Uin/2值，故此時(shí)漏感中的儲能是在最高電壓下泄放，很快就被耗盡，在到達(dá)圖四中之b點(diǎn)時(shí)，漏感之續(xù)流電壓已不能維持在Uin/2之高電壓值上，開始迅速下降，與此同時(shí)i0(t)也將急速下降。
一個(gè)極其重要的結(jié)論是，如果我們安排Q2管在ab之間這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，則因此時(shí)UC2＝0，故Q2管一定是零電壓開通，同時(shí)還因?yàn)镼2中之內(nèi)置二極管還有i0(t)在流通，故Q2管也一定是零電流開通，這正是本項(xiàng)專利技術(shù)的重點(diǎn)成果。Q2管開通時(shí)間t6已在圖四中標(biāo)明，在t6時(shí)刻之后，即進(jìn)入下半周期。
5、進(jìn)入下半周之后的工作過程與上半周工作過程相同本電路中M1、M2管觸發(fā)脈沖的起始值在t2(以及t2′)時(shí)刻，它可在主變壓器兩端點(diǎn)M、N的電位相等時(shí)采樣取得。M1、M2管觸發(fā)脈沖的終止點(diǎn)可安排在主控管Q1、Q2觸發(fā)前Δt處。主控管Q1及Q2之觸發(fā)脈沖寬度決定于主回路的脈寬調(diào)節(jié)，由于M1M2觸發(fā)的終止點(diǎn)恒在Q1及Q2觸發(fā)前Δt時(shí)間上，故M1、M2的觸發(fā)寬度也隨主回路的脈寬調(diào)節(jié)而變。
權(quán)利要求
1.一種半橋式磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)技術(shù)，由主控器件Q1及Q2以及主變壓器T構(gòu)成的半橋高頻開關(guān)電源的主電路，其在分壓電容C01與C02連接節(jié)點(diǎn)M與由主控器件Q1、Q2的連接節(jié)點(diǎn)N之間接有一主變壓器T，還接有兩只對接的低壓輔助開關(guān)管M1及M2，整個(gè)電路由外接的邏輯控制電路實(shí)施控制以完成電源變換，本發(fā)明的特征是在Q1及Q2的截止區(qū)給主變壓器(含漏感)設(shè)置一個(gè)零電壓續(xù)流時(shí)段，強(qiáng)迫主變壓器進(jìn)入磁通保持狀態(tài)，具體而言零電壓續(xù)流時(shí)段從端點(diǎn)M與端點(diǎn)N等電位時(shí)開始，在Q1及Q2開通前ΔtΔ時(shí)間處停止，Δt在幾十納秒到1微秒數(shù)量級間。
2.如權(quán)利要求1磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)技術(shù)，其特征是在所述主變壓器T上設(shè)置了兩只對接的低壓功率開關(guān)器件M1及M2，該器件在上述的時(shí)段內(nèi)導(dǎo)通，以保證主變壓器(含漏感)能進(jìn)入磁通保持狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)技術(shù)，其主控器件Q1及Q2的集電極與發(fā)射極之間(或漏極與源極之間)，分別并有電容C1及C2(C1＝C2)，其特征是C1與C2的電容量較該主電路的通常用法為大，具體而言，其容量一般增大5-10倍。
全文摘要
半橋磁緩釋邊沿諧振軟開關(guān)技術(shù),在半橋主控管Q1Q2之截止區(qū),使主變壓器(含漏感)獲得一個(gè)零電壓續(xù)流時(shí)段,強(qiáng)迫主變壓器(含漏感)進(jìn)入磁通保持狀態(tài)。這主要是依靠主變壓器端點(diǎn)M及N之間接入兩只對接的低壓功率開關(guān)管器件完成,在Q1或Q2導(dǎo)通前解除磁通保持狀態(tài),從而獲得零電壓的開通條件。本發(fā)明使半橋電路方便的進(jìn)入邊沿諧振零電壓脈寬調(diào)制工作狀態(tài),不僅提高了開關(guān)電源的效率,而且有效的抑制了浪涌電壓電流,大大提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號H02M7/537GK1360393SQ0012813
公開日2002年7月24日 申請日期2000年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月22日
發(fā)明者張承志 申請人:張承志