CN104935174B - 一种含有可调电感网络的全桥dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种含有可调电感网络的全桥DC‑DC变换器，包括了一个由单相全桥逆变电路和可调电感网络组成的原边模块、高频变压器以及包含整流电路的副边模块。原边可调电感网络可根据输入功率调节电感值，使变换器一直处于软开关工作状态。同时通过原边全桥逆变电路将直流电转化成交流电，并通过耦合方式将交流电传输至副边模块，副边模块用于将收到的交流电转化成直流电，然后再施加于负载上。本发明中可调电感网络的运用没有改变全桥DC‑DC变换器基本的工作模态，能够保持原变换器控制简单的优点。

Description

一种含有可调电感网络的全桥DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种直流-直流变换器，具体说是一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器。

背景技术

全桥DC-DC变换器通过其高频变压器一方面可以实现输入输出的电气隔离，另一方面所有开关管在满足一定的条件下可以实现软开关工作状态，因此具有能力传输效率高、功率密度高、安全性好等优点。在较多的工业场合中得到了应用，如电动汽车充电机、航空航天领域。但全桥DC/DC变换器传输功率受限于变压器等效漏感的大小，在传输功率较大时需要电路中变压器的等效漏感值较小，但较小的漏感值在变换器轻载运行时会使得变换器中的功率开关管难以实现软开关工作状态，进而导致变换器传输效率低，发热严重，运行不稳定等问题。现有解决方案大多集中在增加辅助谐振电路增加功率开关的软开关的运行区间，该类方案存在无源器件体积大、成本高且控制策略复杂等问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，一方面解决了现有全桥DC-DC变换器软开关区间不大的问题，另一方面无需改变原变换器控制策略，不仅能够增加变换器软开关工作区间，同时变换器控制方式也简单易于实现。

本发明采取的技术方案为：

一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，包含一个由单相全桥逆变电路和可调电感网络组成的原边模块、高频变压器T以及包含整流电路的副边模块。其原边模块包括四个功率开关S₁、S₂、S₃、S₄，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄，四个电容C₁、C₂、C₃、C₄，一个可调电感网络,一个高频变压器等效漏感L_k。所述可调电感网络由n个辅助开关S_a1、S_a2…S_an和n个辅助电感L_a1、L_a2…L_an构成。原边模块具体电路连接形式如下：

输入电源的正极、功率开关S₁、S₃的漏极、二极管D₁、D₃的阴极及电容C₁、C₃的上端相连；输入电源的负极、功率开关S₂、S₄的源极、二极管D₂、D₄的阳极及电容C₂、C₄的下端相连；功率开关S₁的源极、二极管D₁的阳极、电容C₁的下端、功率开关S₂的漏极、二极管D₂的阴极、电容C₂的上端相连，其结点与可调电感网络中辅助开关S_an的漏极、辅助电感L_an的左端相连；可调电感网络中辅助电感L_an的右端与辅助电感L_an-1的左端及辅助开关S_an-1的漏极相连，辅助电感L_an-1的右端与辅助电感L_an-2的左端及辅助开关S_an-2的漏极相连，以此类推，直到辅助电感L_a1的右端与高频变压器等效漏感L_k的左端相连，该结点同时与辅助开关S_a1、S_a2…S_an的源极相连；

功率开关S₃的源极、二极管D₃的阳极、电容C₃的下端、功率开关S₄的漏极、二极管D₄的阴极、电容C₄的上端相连，其结点与高频变压器T输入侧下端相连；

高频变压器等效漏感L_k的右端与高频变压器T输入侧上端相连；

一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，其副边模块包括四个二极管D₅、D₆、D₇、D₈，一个输出滤波电容C_o，副边模块具体电路连接形式如下：

高频变压器T输出侧上端与二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极相连；高频变压器T输出侧下端与二极管D₇的阳极、二极管D₈的阴极相连；二极管D₅、D₇的阴极与输出滤波电容C_o的上端及负载的上端相连；二极管D₆、D₈的阳极与输出滤波电容C_o的下端及负载的下端相连；

所述的变换器可调电感网络的加入，没有改变变换器的工作模态，保持整个变换器原有的工作方式，使得变换器维持了其原有的简单高效的控制策略。

相比现有技术，本发明一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，有益效果如下：

1）、本发明的一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，在全桥DC-DC变换器逆变电路中加入了可调电感网络，其可以根据变换器传输功率的大小，调节接入辅助电感的大小，保证变换器始终工作于软开关状态，提高变换器的工作效率。

2）、本发明不改变原变换器控制方式及其实现形式，具有控制策略简单易实现等优点。

附图说明

图1为现有技术中的全桥DC-DC变换器电路结构示意图。

图2为本发明一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器电路结构示意图。

图3为本发明例举的一种含有三个辅助电感的全桥DC-DC变换器电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，包含一个由单相全桥逆变电路和可调电感网络组成的原边模块、高频变压器T以及包含整流电路的副边模块。其原边模块包括四个功率开关S₁、S₂、S₃、S₄，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄，四个电容C₁、C₂、C₃、C₄，一个可调电感网络,一个高频变压器等效漏感L_k。所述可调电感网络由n个辅助开关S_a1、S_a2…S_an和n个辅助电感L_a1、L_a2…L_an构成。原边模块具体电路连接形式如下：

输入电源的正极、功率开关S₁、S₃的漏极、二极管D₁、D₃的阴极及电容C₁、C₃的上端相连；输入电源的负极、功率开关S₂、S₄的源极、二极管D₂、D₄的阳极及电容C₂、C₄的下端相连；功率开关S₁的源极、二极管D₁的阳极、电容C₁的下端、功率开关S₂的漏极、二极管D₂的阴极、电容C₂的上端相连，其结点与可调电感网络中辅助开关S_an的漏极、辅助电感L_an的左端相连；可调电感网络中辅助电感L_an的右端与辅助电感L_an-1的左端及辅助开关S_an-1的漏极相连，辅助电感L_an-1的右端与辅助电感L_an-2的左端及辅助开关S_an-2的漏极相连，以此类推，直到辅助电感L_a1的右端与高频变压器等效漏感L_k的左端相连，该结点同时与辅助开关S_a1、S_a2…S_an的源极相连；

功率开关S₃的源极、二极管D₃的阳极、电容C₃的下端、功率开关S₄的漏极、二极管D₄的阴极、电容C₄的上端相连，其结点与高频变压器输入侧下端相连；

高频变压器等效漏感L_k的右端与高频变压器输入侧上端相连；

一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，其副边模块包括四个二极管D₅、D₆、D₇、D₈，一个输出滤波电容C_o，副边模块具体电路连接形式如下：

高频变压器输出侧上端与二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极相连；高频变压器输出侧下端与二极管D₇的阳极、二极管D₈的阴极相连；二极管D₅、D₇的阴极与输出滤波电容C_o的上端及负载的上端相连；二极管D₆、D₈的阳极与输出滤波电容C_o的下端及负载的下端相连。

原边模块的功率开关S₁、S₂、S₃、S₄是全控型器件，可以根据工作场合的需要选择不同类型的开关管，此处仅以MOS管为例说明。二极管D₁、D₂、D₃、D₄可以是功率开关S₁、S₂、S₃、S₄的寄生二极管，也可以根据工作场合的需要选择适合的二极管按照所述连接方式并联与开关管漏源极两端；电容C₁、C₂、C₃、C₄可以是功率开关S₁、S₂、S₃、S₄的寄生电容，也可以根据工作场合的需要选择适合的电容按照所述连接方式并联与开关管漏源极两端。

本发明一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，按照输入功率P_i与额定功率P_N之间的大小关系分为三种工作模式，结合图3对一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器具体工作模式分析如下：

当P_i>0.75P_N，辅助开关S_a2导通，原边模块的电感仅仅由变压器原边绕组的漏感提供，因为变换器传输功率较大，使得漏感上具有足够的能量来实现单相全桥逆变电路中功率开关管的零电压导通。

当0.3P_N<P_i<0.75P_N，高频变压器漏感上的能量不能够实现逆变电路中功率开关管零电压导通，此时可调电感网络中辅助开关S_a2关断，S_a1导通；辅助电感L_a2投入工作，由于工作电感瞬间增大，单相全桥逆变电路中的电流几乎不变，所以工作电感上的能量会增大，使得变换器具有更多的能量来实现功率开关管零电压导通，因此扩大了变换器的软开关的工作区间。

当P_i<0.3P_N，变压器漏感L_f和辅助电感L_a2共同工作仍不能实现变换器逆变电路中功率开关管的零电压导通。此时辅助开关S_a1，S_a2关断，辅助电感L_a1、L_a2和变压器漏感L_f共同工作。原边模块单相全桥逆变电路中的工作电感进一步增加，电感上的能量也进一步增加，进一步扩大了逆变电路功率开关管软开关工作区间。保证了变换器在轻载时也能实现功率开关管的软开关导通，减小了变换器导通损耗，提高了变换器的工作效率。

可调电感网络只是根据变换器传输功率的大小，相应地调节变换器原边模块单相全桥逆变电路中辅助电感大小。保证变换器在输入功率较大时，其工作电感较小，减小变换器功率回流的时间，提高变换器的工作频率；而变换器在输入功率较小时，增加其辅助电感，以此增大变换器逆变电路中功率开关管的软开关运行区间，提高变换器的工作效率。可调电感网络没有改变原变换器的控制策略；因此其不仅能够增加变换器软开关工作区间，同时也保留了变换器控制方式简单并易于实现的特点。

上述所列举的辅助开关功率切换点0.75P_N和0.3P_N只是为了方便叙述而选取的一个具体实例。本发明所提出的一种含有可调电感网络的全桥DC-DC变换器，在实际操作中辅助开关功率切换点会根据其应用场合和工作状态的不同发生相应的改变。这里无法对所有的实施方式予以穷举。

综上所述，本发明一方面解决了现有全桥DC-DC变换器软开关区间不大的问题，另一方面无需改变原变换器控制策略，不仅能够增加变换器软开关工作区间，同时变换器控制方式也简单易于实现。适用于一些输出功率范围变化较大的应用场合。

本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种含有可调电感网络的全桥DC/DC变换器，其特征在于：包含一个直流母线电压输入接口，一个单相全桥逆变电路和可调电感网络组成的原边模块，一个高频变压器T，一个整流滤波电路和一个输出直流电源组成的副边模块；

所述的原边模块用于将输入的直流母线电压转化为交流电，并通过高频变压器将所述的交流电传输至对应的副边模块，所述的副边模块用于将接收到的交流电转化成直流电，然后再将转换得到的直流电给输出电源充电；

所述原边模块包括四个功率开关S₁、S₂、S₃、S₄，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄，四个电容C₁、C₂、C₃、C₄，一个可调电感网络，一个高频变压器等效漏感L_k；所述可调电感网络由n个辅助开关S_a1、S_a2…S_an和n个辅助电感L_a1、L_a2…L_an构成；

原边模块具体电路连接形式如下：

输入直流母线电压的正极、功率开关S₁、S₃的漏极、二极管D₁、D₃的阴极及电容C₁、C₃的上端相连；输入直流母线电压的负极、功率开关S₂、S₄的源极、二极管D₂、D₄的阳极及电容C₂、C4的下端相连；功率开关S₁的源极、二极管D₁的阳极、电容C₁的下端、功率开关S₂的漏极、二极管D₂的阴极、电容C₂的上端相连，其结点与可调电感网络中辅助开关S_an的漏极、辅助电感L_an的左端相连；可调电感网络中辅助电感L_an的右端与辅助电感L_an-1的左端及辅助开关S_an-1的漏极相连，辅助电感L_an-1的右端与辅助电感L_an-2的左端及辅助开关S_an-2的漏极相连，以此类推，直到辅助电感L_a1的右端与高频变压器等效漏感L_k的左端相连，该结点同时与辅助开关S_a1、S_a2…S_an的源极相连；

功率开关S₃的源极、二极管D₃的阳极、电容C₃的下端、功率开关S₄的漏极、二极管D₄的阴极、电容C₄的上端相连，其结点与高频变压器输入侧下端相连；

高频变压器等效漏感L_k的右端与高频变压器输入侧上端相连；

所述副边模块包括四个整流二极管D₅、D₆、D₇、D₈，一个输出滤波电容C_o，一个直流电源V_o构成；副边模块具体电路连接形式如下：

高频变压器T的输出侧上端与二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极相连；高频变压器T的输出侧下端与二极管D₇的阳极、二极管D₈的阴极相连；二极管D₅、D₇的阴极与输出滤波电容C_o的上端及直流电源V_o的上端相连；二极管D₆、D₈的阳极与输出滤波电容C_o的下端及直流电源V_o的下端相连；

该全桥DC-DC变换器，按照输入功率P_i与额定功率P_N之间的大小关系分为三种工作模式：

当P_i>0.75P_N，辅助开关S_a2导通，原边模块的电感仅仅由变压器原边绕组的漏感提供，因为变换器传输功率较大，使得漏感上具有足够的能量来实现单相全桥逆变电路中功率开关管的零电压导通；

当0.3P_N<P_i<0.75P_N，高频变压器漏感上的能量不能够实现逆变电路中功率开关管零电压导通，此时可调电感网络中辅助开关S_a2关断，S_a1导通；辅助电感L_a2投入工作，由于工作电感瞬间增大，单相全桥逆变电路中的电流几乎不变，所以工作电感上的能量会增大，使得变换器具有更多的能量来实现功率开关管零电压导通；

当P_i<0.3P_N，变压器漏感L_f和辅助电感L_a2共同工作仍不能实现变换器逆变电路中功率开关管的零电压导通；

此时辅助开关S_a1，S_a2关断，辅助电感L_a1、L_a2和变压器漏感L_f共同工作；原边模块单相全桥逆变电路中的工作电感进一步增加，电感上的能量也进一步增加，进一步扩大了逆变电路功率开关管软开关工作区间。