專利名稱：軟開關(guān)單端隔離直流/直流正激變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)，涉及電能變換裝置，尤其是直流變換器。
單端隔離直流/直流正激變換器是一種常用的中小功率電源，其基本結(jié)構(gòu)是將功率開關(guān)(如金屬氧化物半導(dǎo)體MOS管、三極管、絕緣柵型雙極型三極管IGBT等可控開關(guān)器件)及變壓器與待變換的直流電源(來自交流電整流、太陽能電源或其他電源)串聯(lián)而成；變壓器副邊接可整流、濾波的輸出回路，然后接負(fù)載；功率開關(guān)上連接相應(yīng)的控制回路；整個變換器置于適當(dāng)?shù)臍んw內(nèi)，便于攜帶。它廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸工具、通訊及電磁鐵勵磁、計算機(jī)、電視等方面。
為提高這類變換器的效率，減小其體積和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使控制更靈活，許多方案已被提出。例如楊旭和王兆安提出的一種“輔助開關(guān)零電流關(guān)斷的零電壓過渡PWM正激電路”(見電力電子技術(shù)，vol.3，pp20-22，1999，6.)雖然能實現(xiàn)功率開關(guān)及輔助開關(guān)的無損開關(guān)，使效率提高；但其變壓器繞制工藝復(fù)雜，且需附加復(fù)位繞組使變壓器復(fù)位，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增加。
本發(fā)明的目的就是提供一種既能提高效率，又能減小體積、便于控制的軟開關(guān)單端隔離直流/直流正激變換器。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下以單端隔離直流/直流正激變換器的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在主功率開關(guān)M1的漏極(或稱集電極、陽極等，以下同)與源極(或稱發(fā)射極、陰極等，以下同)之間設(shè)置一個由輔助功率開關(guān)M2及二極管、電容、電感等組成的緩沖及復(fù)位回路，即整個變換器中包含變壓器、主功率開關(guān)、輸出回路、控制回路及殼體等；在變壓器TX與主功率開關(guān)M1之間增加一個二極管D1，D1的正極與變壓器TX相連、D1的負(fù)極與M1的漏極相連；M1上有并聯(lián)電容C1，該電容可以是M1本身的寄生電容，也可是另外附加的；M1的源極與輔助功率開關(guān)M2的源極相連并且接控制地，M2起輔助開關(guān)的作用以使電容C1放電；在M2的漏極和M1的漏極之間連接二極管D2和電感L1，D2和L1兩者無連接順序的差別，D2的負(fù)極或L1的一端連接M2的漏極、L1的另一端或D2的正極連接M1的漏極；M2的漏極上再接一個電容C2，C2的另一端連接到D1的正極。這樣就組成一個完整的、能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明目的的變換器。功率開關(guān)M1、M2可采用如金屬氧化物半導(dǎo)體MOS管、三極管、絕緣柵型雙極型三極管IGBT等可控開關(guān)器件。
在上述方案中，當(dāng)M1上的并聯(lián)電容C1為另外附加時，還可在M1的漏極與其附加并聯(lián)電容C1之間連接一個二極管D3，即D3的正極接M1的漏極，負(fù)極接C1的一端，C1的另一端接M1的源極。此時D2的正極或L1的一端連接D3的負(fù)極。
本發(fā)明的工作原理及過程如下(以附

圖1所示的電路結(jié)構(gòu)為例)工作進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電源的工作可分為如下幾個階段(1)0-t1時段M2開通，M1關(guān)斷在0時刻，M2開通，C1和L1構(gòu)成一諧振放電回路；C2、Vi、Lr(變壓器漏感)及負(fù)載亦構(gòu)成一諧振放電回路。C2的電能一部分轉(zhuǎn)移到負(fù)載，一部分返回待變換的直流電源Vi。由于D1被VC2反偏截止，M1及其本身所帶有的反并聯(lián)二極管DM1(在圖中未畫出)中無電流，亦即0時刻M2的電流從零開始上升(此前系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，無電流)，所以M2的開通是無損的。Vi向變壓器副邊釋放能量。C2略遲于C1放電結(jié)束。在此時段內(nèi)M1是關(guān)斷的。
(2)t1-t2時段M1、M2都開通此時C2放電結(jié)束。由于DM1已導(dǎo)通，所以M1是零電壓開通的。電流經(jīng)過M1，漏感電流Ir線性增加。C1放電完畢后，L1的電流IL1即維持不變。
(3)t2-t3時段M1開通，M2關(guān)斷因IL1維持不變，此時可關(guān)斷M2。由于C2的電壓VC2為零，M2實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。L1的磁能諧振轉(zhuǎn)化為C2的電能。
(4)t3-t4時段M1、M2都關(guān)斷由于C1放電完畢，M1也可實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。這樣兩功率管都實現(xiàn)了軟過渡狀態(tài)的開關(guān)。當(dāng)M1關(guān)斷后，Lr、LO通過D1與C1諧振續(xù)流直到Do1截止。
(5)t4-t5時段M1、M2都關(guān)斷此時Do1截止，變壓器TX表現(xiàn)為激磁電感Lm，并被加上負(fù)壓，變壓器被部分復(fù)位。
(6)t5-t6時段M1、M2都關(guān)斷當(dāng)Lm的電流ILm為零時，由于VC1≥VVi+VC2時，C1和L1、D2、C2、Lm構(gòu)成諧振放電回路。ILm反向，進(jìn)一步使變壓器去磁復(fù)位。直到下一個重復(fù)周期的開始。
當(dāng)M1的漏極與其附加并聯(lián)電容C1之間連接一個二極管D3時，其工作原理及過程與上述相同，此處不再多敘。
本發(fā)明實現(xiàn)了功率開關(guān)M1、M2的軟開關(guān)，效率高；同時，外加的輔助元器件少，體積小巧；軟開關(guān)范圍大，控制靈活；而且變壓器能夠進(jìn)行自復(fù)位。具體體現(xiàn)在以下方面①巧妙利用電容對電壓的緩沖、電感對電流的緩沖特性，能實現(xiàn)主功率開關(guān)M1和輔助功率開關(guān)M2的無損切換，有效地降低了熱損耗，從而能延長各元器件的使用壽命，提高電能效率；②主功率開關(guān)和輔助功率開關(guān)共有一個地電位，因而可共用一個工作電源，減小變換器體積及復(fù)雜性；③由于熱損耗小，開關(guān)能在很高頻率下工作，從而減小了變壓器的體積，這也有利于降低成本；④變壓器能由本變換器進(jìn)行自復(fù)位，不需外加輔助手段或設(shè)施，對降低成本、減小結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及變換器體積非常有利。
⑤M2導(dǎo)通后，由于C1通過L1很快放電，故即使控制脈寬變化很大都能保證M1的零電流開通，從而使控制變得很靈活。
這樣，在實際使用中，就能有效節(jié)約能源，且占用較小空間，降低成本，易于操作維護(hù)。兼顧了高效、小巧、簡易、靈活等各項優(yōu)勢。
附圖1～5為變換器的幾種電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖6為各工作時段的等效電路圖。
附圖7為實測的工作狀態(tài)曲線。(自上而下的五條曲線為M1、M2的控制波形，VC2，VM1、VM2)本發(fā)明的實施方式舉例如下附圖中待變換電源Vi可以是航空器的太陽能電池，也可以是其他電源如市電整流電源。例如設(shè)VVi＝100V，適當(dāng)改變M1及M2的占空比，可得輸出電壓為24V或48V的通用直流電源。取C1＝C2＝0.001uf，L＝70uH，變壓器為150W，二極管D1、D2、D3為可通電流不低于4A的快恢復(fù)二極管，功率開關(guān)M1、M2可采用K479型的MOS管。緩沖及復(fù)位回路和輸出回路之間的連接位置可以互換，不影響整個結(jié)構(gòu)的功能。功率開關(guān)M1、M2所用的控制回路(為簡化電路起見，在圖中未畫出)及工作電源均采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)；殼體的大小只要將變壓器、緩沖及復(fù)位回路、輸出回路、控制回路及工作電源等裝入即可，殼體上設(shè)置與待變換的直流電源和負(fù)載相連的接口。
權(quán)利要求
1.一種軟開關(guān)單端隔離直流/直流正激變換器，含有變壓器、主功率開關(guān)、輸出回路、控制回路及殼體等，其特征為在變壓器TX與主功率開關(guān)M1之間增加一個二極管D1，D1的正極與變壓器TX相連、D1的負(fù)極與M1的漏極相連；M1上有并聯(lián)電容C1；M1的源極與功率開關(guān)M2的源極相連并且接控制地；在M2的漏極和M1的漏極之間連接二極管D2和電感L1，D2的負(fù)極或L1的一端連接M2的漏極、L1的另一端或D2的正極連接M1的漏極；M2的漏極上再接電容C2，C2的另一端連接到D1的正極。
2.如權(quán)利要求1所述的軟開關(guān)單端隔離直流/直流正激變換器，其特征為在M1的漏極與其附加并聯(lián)電容C1之間連接一個二極管D3，D3的正極接M1的漏極，負(fù)極接C1的一端，C1的另一端接M1的源極。
全文摘要
本發(fā)明涉及電能變換裝置,尤其是直流變換器。它包含變壓器TX、主功率開關(guān)M1及相應(yīng)的輸出回路、控制回路等,其特征為在主功率開關(guān)M1的漏極與源極之間增加一個由輔助功率開關(guān)M2及二極管、電容、電感等組成的緩沖及復(fù)位回路,能實現(xiàn)主功率開關(guān)和輔助功率開關(guān)的無損切換,并且,變壓器能由本變換器進(jìn)行自復(fù)位。不僅可以提高電能效率,而且,外加的輔助元器件少,體積小巧;軟開關(guān)范圍大,控制靈活。
文檔編號H02M3/335GK1355594SQ0013329
公開日2002年6月26日 申請日期2000年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月28日
發(fā)明者趙濤, 王相綦, 尚雷, 董曉莉, 金正方, 張海燕 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)