專利名稱：軟開關(guān)pwm交錯并聯(lián)雙管正激變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器，屬電能變換裝置的直流變換器。
背景技術(shù)：
適用于高壓輸入大功率場合的DC/DC變換器有全橋變換器和雙管正激變換器。全橋變換器易于實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，但是存在橋臂直通的危險，降低了變換器的可靠性。而可靠性是所有電力電子裝置的生命線，對航空電源尤有重要意義。雙管正激變換器具有內(nèi)在抗橋臂直通的能力，可靠性高，然而雙管正激變換器的占空比只能小于0.5，變壓器磁芯工作在磁化曲線的第一象限，而且不易實現(xiàn)軟開關(guān)，難以提高變換器的轉(zhuǎn)換效率和功率密度。1997年美國學(xué)者Kutkut提出了一種雙橋變換器，由兩路雙管正激變換器交錯并聯(lián)構(gòu)成，共用一個高頻變壓器，利用移相控制實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，但是存在較大的環(huán)流，影響了變換器的效率。2003年南航嚴(yán)仰光教授提出了一種新型雙路雙管正激變換器，兩路雙管正激變換器共用一個高頻變壓器，并且共用原邊箝位二極管，利用變壓器漏感能量實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。該變換器輸出不含濾波電感，應(yīng)用在直流變壓器場合，不能實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，不利于后級逆變器的優(yōu)化設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述變換器的缺陷，研制一種軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器，以克服現(xiàn)有變換器存在的缺陷，在實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)和保留雙管正激變換器電壓應(yīng)力低、可靠性高等優(yōu)點的同時，使變換器不存在環(huán)流狀態(tài)，減小通態(tài)損耗，提高變換效率和變換器功率密度。實現(xiàn)上述目的的軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器，由兩路雙管正激變換器交錯并聯(lián)組成，一路由電源正極連于第一功率開關(guān)管漏極，功率開關(guān)管源極連于與高頻隔離變壓器原邊第一繞組同名端相連的第一變壓器漏感，高頻隔離變壓器原邊第一繞組異名端連于第二功率開關(guān)管漏極，其源極連于電源負(fù)極構(gòu)成回路，在第一變壓器漏感輸入端與電源負(fù)極之間連接一個箝位二極管，在高頻隔離變壓器原邊第一繞組異名端與電源正極之間同樣連接一個箝位二極管組成一路雙管正激變換器；另一路由電源正極連于第三功率開關(guān)管漏極，其源極連于與高頻隔離變壓器原邊第二繞組異名端相連的第二變壓器漏感，高頻隔離變壓器原邊第二繞組同名端連于第四功率開關(guān)管漏極，其源極連于電源負(fù)極構(gòu)成回路，在第二變壓器漏感輸入端與電源負(fù)端之間連接一個箝位二極管，在高頻隔離變壓器原邊第二繞組同名端與電源正極之間同樣連接一個箝位二極管組成第二路雙管正激變換器，高頻隔離變壓器副邊第一繞組的同名端連于第一輸出整流二極管正極，高頻隔離變壓器副邊第二繞組的異名端連于第二輸出整流二極管正極，兩個輸出整流二極管的負(fù)極同時串聯(lián)濾波電感，再串聯(lián)濾波電容，濾波電容另一端連于高頻隔離變壓器副邊第一繞組異名端與副邊第二繞組同名端的連接點組成整流濾波回路。
本發(fā)明的控制方法，采用改進的PWM控制，兩路雙管正激變換器交錯互補工作，同一路雙管正激變換器的兩個開關(guān)管同時關(guān)斷，但不同時開通。本發(fā)明不需附加任何有源或無源電路實現(xiàn)了功率開關(guān)管的軟開關(guān)，變換器不存在環(huán)流，減小通態(tài)損耗，提高變換效率和變換器功率密度。
四

附圖1是本發(fā)明的軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是軟開關(guān)PWM交錯串聯(lián)雙管正激變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3是軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器主要波形示意圖。
附圖4-8是各開關(guān)模態(tài)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖上述附圖中的主要符號名稱Vin——電源電壓。Q1～Q4——功率開關(guān)管。C1～C4——功率開關(guān)管的寄生電容。D1～D4——功率開關(guān)管的體二極管。DC1～DC1——箝位二極管。Cd1～Cd2——輸入分壓電容。Tr——高頻變壓器；變壓器原副邊變比為K。Lr1、Lr2——變壓器漏感。NP1、NP2——高頻隔離變壓器原邊繞組；NS1、NS2——高頻隔離變壓器副邊繞組。DR1、DR2——輸出整流二極管。Lf——濾波電感。Cf——濾波電容。RLd——負(fù)載。Vo出電壓。Io——輸出電流。
五具體實施例方式
附圖1是軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是軟開關(guān)PWM交錯串聯(lián)雙管正激變換器結(jié)構(gòu)示意圖。以附圖1的軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器為例，由兩路雙管正激變換器交錯并聯(lián)組成。一路由電源Vin正極連于第一功率開關(guān)管Q1漏極，功率開關(guān)管Q1源極連于與高頻隔離變壓器Tr原邊第一繞組NP1同名端相連的第一變壓器漏感Lr1，高頻隔離變壓器Tr原邊第一繞組NP1異名端連于第二功率開關(guān)管Q2漏極，其源極連于電源Vin負(fù)極構(gòu)成回路，在第一變壓器漏感Lr1輸入端與電源Vin負(fù)極之間連接箝位二極管DC1，在高頻隔離變壓器Tr原邊第一繞組NP1異名端與電源正極之間連接箝位二極管DC2組成一路雙管正激變換器；另一路由電源Vin正極連于第三功率開關(guān)管Q3漏極，其源極連于與高頻隔離變壓器Tr原邊第二繞組NP2異名端相連的第二變壓器漏感Lr2，高頻隔離變壓器Tr原邊第二繞組NP2同名端連于第四功率開關(guān)管Q4漏極，其源極連于電源Vin負(fù)極構(gòu)成回路，在第二變壓器漏感Lr2輸入端與電源Vin負(fù)極之間連接箝位二極管DC3，在高頻隔離變壓器Tr原邊第二繞組NP2同名端與電源Vin正極之間同樣連接箝位二極管DC4組成第二路雙管正激變換器，高頻隔離變壓器Tr副邊第一繞組NS1的同名端連于第一輸出整流二極管DR1正極，高頻隔離變壓器副邊第二繞組NS2的異名端連于第二輸出整流二極管DR2正極，兩個輸出整流二極管的負(fù)極同時串聯(lián)濾波電感Lf，再串聯(lián)濾波電容Cf，濾波電容Cf另一端連于高頻隔離變壓器Tr副邊第一繞組NS1異名端與副邊第二繞組NS2同名端的連接點組成整流濾波回路。
控制方法如下兩路雙管正激變換器180°互補工作。開關(guān)管Q1和Q3為180°互補導(dǎo)通，開關(guān)管Q1和Q2同時關(guān)斷，開關(guān)管Q2相對于開關(guān)管Q1滯后一個相位開通；開關(guān)管Q3和Q4同時關(guān)斷，開關(guān)管Q4相對于開關(guān)管Q2滯后一個相位開通。故定義開關(guān)管Q1和Q3為超前管，開關(guān)管Q2和Q4為滯后管。開關(guān)管Q2和Q4PWM工作，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管Q2和Q4的脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓?？刂菩酒捎?片3895。超前管Q1、Q3實現(xiàn)零電壓開通和關(guān)斷，滯后管Q2和Q4實現(xiàn)零電流開通、零電壓關(guān)斷，從而減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高變換效率。下面以附圖1為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖3～8敘述本發(fā)明的具體工作原理。由附圖3可知整個變換器在一個開關(guān)周期有10種開關(guān)模態(tài)，分別是[t0，t1]、[t1，t2]、[t1，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10](見附圖2)，其中，[t0，t5]為前半周期，[t5，t10]為后半周期。下面對各開關(guān)模態(tài)的工作情況進行具體分析。
在分析之前，作如下假設(shè)①所有開關(guān)管和二極管均為理想器件；②所有電感、電容和變壓器均為理想元件；③濾波電感Lf足夠大，可等效為輸出電流Io的電流源。
1.開關(guān)模態(tài)1[t0，t1][對應(yīng)于附圖4]開關(guān)管Q1、Q2導(dǎo)通，副邊整流管DR1導(dǎo)通，整流管DR2截止，變換器通過變壓器繞組NP1向負(fù)載傳遞能量。
2.開關(guān)模態(tài)2[t1，t2][對應(yīng)于附圖5]t1時刻關(guān)斷開關(guān)管Q1、Q2，原邊電流iNp1給電容C1、C2充電，原邊電流iNp2給電容C3、C4放電，iNp1＝iNp2＝Io/2K。開關(guān)管Q1、Q2兩端電壓線性上升，為零電壓關(guān)斷。到t2時刻，開關(guān)管Q1、Q2兩端電壓上升到Vin/2，開關(guān)管Q3、Q4兩端電壓下降到零，此時可以零電壓開通開關(guān)管Q3。
3.開關(guān)模態(tài)3[t2，t3][對應(yīng)于附圖6]在t2時刻，二極管DC1、DC2導(dǎo)通，此時副邊整流管DR1、DR2同時導(dǎo)通，變壓器原副邊電壓被箝位在零。原邊電流iNp1在輸入電壓的作用下線性減小。
4.開關(guān)模態(tài)4[t3，t4][對應(yīng)于附圖7]t3時刻原邊電流iNp1減小為零，二極管DC1、DC2自然截止，開關(guān)管Q1、Q2兩端電壓箝位在Vin/2。
5.開關(guān)模態(tài)5[t4，t5][對應(yīng)于附圖8]t4時刻，開關(guān)管Q4開通，由于漏感Lr2的作用，原邊電流iNp2緩慢上升，開關(guān)管Q4為零電流開通。開關(guān)管Q3已在t4時刻開通，原邊電流iNp2在輸入電壓的作用下線性上升。漏感Lr1與電容C1、C2諧振工作，開關(guān)管Q1、Q2兩端電壓線性上升。t5時刻，開關(guān)管Q1、Q2兩端電壓上升到Vin，iNp2＝Io/K副邊整流二極管DR1截止。此后，變換器通過繞組NP2向負(fù)載傳遞能量。變換器開始另一半周期工作，其工作情況類似于上述的半個周期。
由以上描述可知，本發(fā)明提出的軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器具有如下優(yōu)點該變換器保留了雙管正激變換器開關(guān)管電壓應(yīng)力低、不存在橋臂直通、可靠性高等優(yōu)點。
采用變壓器的磁集成技術(shù)，兩路雙管正激變換器共用一個高頻變壓器，提高了磁芯利用率。
采用改進的PWM控制策略，超前管實現(xiàn)零電壓開通和關(guān)斷，滯后管實現(xiàn)零電流開通、零電壓關(guān)斷，通過調(diào)節(jié)滯后管的脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓，大大減小了開關(guān)損耗，有利于實現(xiàn)變換器的高頻化。
不需附加任何有源或無源電路實現(xiàn)了原邊電流的復(fù)位，不存在環(huán)流狀態(tài)，大大減小了通態(tài)損耗，提高了變換效率。
權(quán)利要求
1.一種軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器，由兩路雙管正激變換器交錯并聯(lián)組成，其特征在于，由電源(Vin)正極連于第一功率開關(guān)管(Q1)漏極，功率開關(guān)管(Q1)源極連于與高頻隔離變壓器(Tr)原邊第一繞組(NP1)同名端相連的第一變壓器漏感(Lr1)，高頻隔離變壓器(Tr)原邊第一繞組(NP1)異名端連于第二功率開關(guān)管(Q2)漏極，其源極連于電源(Vin)負(fù)極構(gòu)成回路，在第一變壓器漏感(Lr1)輸入端與電源(Vin)負(fù)極之間連接箝位二極管(DC1)，在高頻隔離變壓器(Tr)原邊第一繞組(NP1)異名端與電源正極之間連接箝位二極管(DC2)組成一路雙管正激變換器；另一路由電源(Vin)正極連于第三功率開關(guān)管(Q3)漏極，其源極連于與高頻隔離變壓器(Tr)原邊第二繞組(NP2)異名端相連的第二變壓器漏感(Lr2)，高頻隔離變壓器(Tr)原邊第二繞組(NP2)同名端連于第四功率開關(guān)管(Q4)漏極，其源極連于電源(Vin)負(fù)極構(gòu)成回路，在第二變壓器漏感(Lr2)輸入端與電源(Vin)負(fù)極之間連接箝位二極管(DC3)，在高頻隔離變壓器(Tr)原邊第二繞組(NP2)同名端與電源(Vin)正極之間同樣連接箝位二極管(DC4)組成第二路雙管正激變換器，高頻隔離變壓器(Tr)副邊第一繞組(NS1)的同名端連于第一輸出整流二極管(DR1)正極，高頻隔離變壓器副邊第二繞組(NS2)的異名端連于第二輸出整流二極管(DR2)正極，兩個輸出整流二極管的負(fù)極同時串聯(lián)濾波電感(Lf)，再串聯(lián)濾波電容(Cf)，濾波電容(Cf)另一端連于高頻隔離變壓器(Tr)副邊第一繞組(NS1)異名端與副邊第二繞組(NS2)同名端的連接點組成整流濾波回路。
2.一種交錯串聯(lián)軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器，其特征在于，將權(quán)利要求1所述的兩路雙管正激變換器交錯串聯(lián)組成。
全文摘要
一種軟開關(guān)PWM交錯并聯(lián)雙管正激變換器，屬電能變換裝置的直流變換器。由兩路雙管正激變換器交錯并聯(lián)組成，電源(V
文檔編號H02M3/04GK1734905SQ200510041129
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者毛賽君, 王慧貞, 冀春英, 嚴(yán)仰光 申請人:南京航空航天大學(xué)