專(zhuān)利名稱(chēng):新型雙管雙端式軟開(kāi)關(guān)dc/dc隔離變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種新型雙管雙端式軟開(kāi)關(guān)DC/DC隔離變換器。
目前,電信行業(yè)把48V作為標(biāo)準(zhǔn)輸入直流母線電壓,一些工作站、服務(wù)器已經(jīng)把12V作為直流母線電壓,筆記本電腦也將16~24V再變換到1.5V輸出。不久將來(lái),計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也將輸入母線電壓提高到48V。未來(lái)處理器和其他各種IC芯片對(duì)電壓調(diào)節(jié)模塊的供電性能提出了挑戰(zhàn)性的要求①輸出電壓越來(lái)越低;新的0.1μm技術(shù)的采用將會(huì)使未來(lái)IC芯片的工作電壓降低到1.2V,甚至更低。②負(fù)載電流越來(lái)越大;系統(tǒng)處理容量的增加使得IC所需總電流成倍增加。③負(fù)載變化率越來(lái)越高;IC供電將需要提供電源管理功能,這使得處理器等IC成為一個(gè)非常動(dòng)態(tài)的負(fù)載(電流變化率會(huì)高達(dá)150A/μs)。因此,電壓調(diào)節(jié)模塊的發(fā)展要求是隔離式變換、體積小、效率高(大于80%)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高、紋波電壓低。
現(xiàn)有的隔離變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單端式和雙端式兩類(lèi)。單端式包括正激和反激兩種;雙端式有推挽、半橋、全橋三種。次級(jí)整流電路有半波、全波、橋式、倍流四種。正激變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但需要加復(fù)位手段,且其變壓器在復(fù)位期間不能向負(fù)載提供能量,故動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較低。推挽變換器初級(jí)開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力較高,且有很高的電壓尖峰;半橋變換器初級(jí)電流應(yīng)力較大;推挽和半橋變換器都難以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。全橋變換器兼有初級(jí)開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力和半橋式一樣,初級(jí)電流應(yīng)力和推挽式一樣的優(yōu)點(diǎn),且便于采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù),但采用功率器件較多,控制復(fù)雜且成本高。還有一種問(wèn)題是雖然雙管的推挽式、半橋式拓?fù)浜退墓艿娜珮蚴酵負(fù)?,與正激單端式變換器相比動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有所提高,但仍然存在輸出電感完全靠自身儲(chǔ)能續(xù)流的狀態(tài),這一固有的缺陷限制了動(dòng)態(tài)性能的進(jìn)一步提高,同時(shí)使得輸出電壓紋波較大,不利于濾波器體積的減小。
本發(fā)明的目的是,針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種新型雙管雙端式軟開(kāi)關(guān)DC/DC隔離變換器,它采用兩只開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通方式,實(shí)現(xiàn)雙端式零電壓(ZVS)軟開(kāi)關(guān)隔離變換,若采用同步整流管,則可方便實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng),有利于提高變換效率和功率密度;輸出電感不存在只靠自身儲(chǔ)能續(xù)流的狀態(tài),提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,減小紋波電壓。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種新型雙管雙端式軟開(kāi)關(guān)DC/DC隔離變換器,其主電路由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VQ1、VQ2,兩個(gè)儲(chǔ)能電容C1、C2,緩沖電容Cr,升壓電感L,隔離變壓器T和輸出整流濾波電路構(gòu)成;升壓電感L與隔離變壓器T采用磁集成技術(shù)繞在同一磁芯上,滿(mǎn)足零紋波條件,即耦合系數(shù)k=Lp/L·]]>如
圖1所示??梢砸唤M或多組電壓輸出,輸出整流濾波電路可采用橋式、全波或倍流,并且可以使用同步整流管;圖1中示例為一組電壓輸出全波整流,Lo、Co為輸出濾波網(wǎng)絡(luò)。
1、主電路初級(jí)拓?fù)溥B接關(guān)系升壓電感L的一端接電源Vi的正極,L的另一端接開(kāi)關(guān)管VQ1的漏極和VQ2的源極,并且連接隔離變壓器T的初級(jí)繞組Np的同名端;T的初級(jí)繞組Np的另一端接儲(chǔ)能電容C1的正極,C1的負(fù)極接電源Vi的負(fù)極和開(kāi)關(guān)管VQ1的源極;VQ2的漏極接電源Vi的正板和儲(chǔ)能電容C2的正極,C2的負(fù)極接C1的正極或電源Vi的負(fù)極;緩沖電容Cr的一端接VQ1的漏極和VQ2的源極,Cr的另一端接開(kāi)關(guān)管VQ1的源極或VQ2的漏極。
2、該變換器的基本工作原理該變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可分為4個(gè)工作模態(tài),其主要電量波形時(shí)序如圖2所示。設(shè)t0時(shí)刻之前開(kāi)關(guān)管VQ1導(dǎo)通VQ2截止,則該變換器的工作原理分析如下。
1)、工作模態(tài)1[t0,t3]t0時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管VQ1關(guān)斷。變壓器初級(jí)電流ip與升壓電感電流iL之和給緩沖電容Cr充電,橋臂中點(diǎn)d的電壓Vd(即VCr)近似線性上升,故VQ1為ZVS軟關(guān)斷。到t1時(shí)刻,Vd上升到V1值,次級(jí)整流輸出電壓VSec也由n1V1降為零(n1為次級(jí)繞組Ns1與初級(jí)繞組Np的匝比);到t2時(shí)刻,Vd上升至(V1+V2),VQ2的體二極管導(dǎo)通,為VQ2的ZVS軟開(kāi)通創(chuàng)造條件;之后,升壓電感L給儲(chǔ)能電容C1、C2充電。t3時(shí)刻,VQ1切換到VQ2的死區(qū)時(shí)間結(jié)束,該模態(tài)結(jié)束。
2)、工作模態(tài)2[t3,t4]t3時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管VQ2開(kāi)通。次級(jí)整流輸出電壓VSec由零迅速上升為n2V2(n2為次級(jí)繞組Ns2與初級(jí)繞組Np的匝比),能量由變壓器的次級(jí)繞組Ns2輸出;電路狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為升壓電感L和儲(chǔ)能電容C2共同給變壓器初級(jí)供電。t4時(shí)刻,該模態(tài)結(jié)束,持續(xù)時(shí)間由PWM控制為(1-D)Ts。
3)、工作模態(tài)3[t4,t7]t4時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管VQ2關(guān)斷。變壓器初級(jí)電流ip與升壓電感電流iL之差給Cr充電,變壓器勵(lì)磁電感Lm和輸出電感Lo均參與換流諧振過(guò)程,Vd(即VCr)近似線性下降,故VQ2為ZVS軟關(guān)斷。到t5時(shí)刻,Vd由(V1+V2)下降到V1值,次級(jí)整流輸出電壓VSec也由n2V2降為零。之后,變壓器勵(lì)磁電感Lm和輸出電感Lo退出換流諧振過(guò)程,只有變壓器漏感L1k和升壓電感L繼續(xù)與Cr諧振;到t6時(shí)刻,Vd下降到零,VQ1的體二極管導(dǎo)通,為VQ1的ZVS軟開(kāi)通創(chuàng)造條件。t7時(shí)刻,VQ2切換到VQ1的死區(qū)時(shí)間結(jié)束,該模態(tài)結(jié)束。
4)、工作模態(tài)4[t7,t8]t7時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管VQ1開(kāi)通。次級(jí)整流輸出電壓VSec由零迅速上升為n1V1,能量由變壓器的次級(jí)繞組Ns1輸出;升壓電感L的電流iL線性上升,儲(chǔ)能電容C1給變壓器初級(jí)供電。t8時(shí)刻,該模態(tài)結(jié)束,持續(xù)時(shí)間由PWM控制為DTs。
t8時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管VQ1關(guān)斷,電路進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。
3、該變換器的各電量關(guān)系式假設(shè)①C1、C2的電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)基本不變;②VQ1、VQ2互補(bǔ)導(dǎo)通,死區(qū)時(shí)間可以忽略;③升壓電感L足夠大,工作在電流連續(xù)模式。
下面的推導(dǎo)參照?qǐng)D1,根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)加在L兩端的正負(fù)伏秒積相等得V1+V2=11-DVi···(1)]]>式中V1、V2——儲(chǔ)能電容C1、C2的電壓;Vi——電源電壓;D——開(kāi)關(guān)管VQ1的導(dǎo)通占空比。
根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)加在變壓器T的初級(jí)繞組Np兩端的正負(fù)伏秒積相等得V1·D=V2·(1-D) (2)由式(1)、(2)解得V1=ViV2=D1-D·Vi···(3)]]>若次級(jí)輸出采用全波整流,Ns1、Ns2為變壓器T的兩個(gè)次級(jí)繞組。則VQ1導(dǎo)通VQ2截止時(shí),由Ns1輸出能量,次級(jí)整流輸出電壓Von為Von=n1·V1(4)式中n1、n2——變壓器T的次級(jí)/初級(jí)匝數(shù)比,
n1=Ns1/Np,n2=Ns2/NpVQ2導(dǎo)通VQ1截止時(shí),由Ns2輸出能量,次級(jí)整流輸出電壓Voff為Voff=n2·V2(5)由式(3)~(5)解得輸出電壓Vo與輸入電壓Vi、占空比D的關(guān)系為Vo=Von·D+Voff·(1-D) (6)=(n1+n2)·D·Vi式(6)表明該變換器輸入輸出關(guān)系具有Buck型派生雙端隔離變換器的特征,即輸出電壓Vo與輸入電壓Vi、占空比D成正比。
由式(1)~(6)解得開(kāi)關(guān)管(VQ1、VQ2)的電壓應(yīng)力VVQ、輸出整流管的最大電壓應(yīng)力VVD(MAX)、輸出濾波電感的正負(fù)伏秒積的絕對(duì)值ETM分別為VVQ=V1+V2]]>=Vo(n1+n2)·D·(1-D)···(7)]]>VVD(MAX)=MAX[VoD,Vo1-D]···(8)]]>式中MAX[...,...]——表示取其最大值ETM=|n1n1+n2-D|·Vo·Ts···(9)]]>式中Ts——開(kāi)關(guān)周期由式(7)~(9)可知當(dāng)D=0.5時(shí),開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為最小值4Vo/(n1+n2);整流管的最大電壓應(yīng)力為最小值2Vo;輸出濾波電感的正負(fù)伏秒積的絕對(duì)值為|n1-n2|2(n1+n2)·Vo·Ts·]]>而當(dāng)D=n1n1+n2]]>時(shí),輸出濾波電感的正負(fù)伏秒積為零,輸出電流、電壓紋波(理論上)為零;開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力VVQ=Vo·(n1+n2)n1·n2;]]>整流管的最大電壓應(yīng)力VVD(MAX)=Vo·(n1+n2)Min[n1,n2],]]>Min[...,...]表示取其最小值。故可取n1=n2,以使上述三項(xiàng)同時(shí)取最小值。
4、該變換器的ZVS軟開(kāi)關(guān)條件由主電路工作原理可知,VQ1關(guān)斷時(shí)流過(guò)Cr的緩沖電流較大(為ip與iL之和),而VQ2關(guān)斷時(shí)流過(guò)Cr的緩沖電流較小(為ip與iL之差),故VQ1的ZVS軟開(kāi)通與VQ2相比較難實(shí)現(xiàn)。因此,應(yīng)針對(duì)VQ1的ZVS條件進(jìn)行分析。
當(dāng)VQ2關(guān)斷時(shí)刻t4,流出Cr的緩沖電流iCr-2為iCr-2(t4)=n2·iLo(t4)+im(p)-iL(min)(10)iLo(t4)=Io+ETM2Lo······D≥n1n1+n2Io-ETM2Lo······D≤n1n1+n2···(11)]]>im(p)=Vi·D·Ts2Lm···(12)]]>iL(min)=Ii-Vi·D·Ts2L···(13)]]>Io=Po/Vo(14)Ii=Po/Vi·η (15)式中iLo——輸出濾波電感電流;im(p)——?jiǎng)?lì)磁電流峰值;iL(min)——一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)升壓電感L的電流最小值;Io——負(fù)載電流;Ii——電源電流的直流分量;Lm——變壓器T的勵(lì)磁電感;Po—輸出功率;η——變換器效率。
由式(3)、(6)、(10)~(15)解得iCr-2(t4)=Vo·Ts2(n1+n2)·(1L+1Lm)+Po·(n2-D·n1+n2η)Vo+Vo·Ts·n2·(D-n1n1+n2)2Lo···(16)]]>橋臂中點(diǎn)電壓Vd由(V1+V2)下降到V1過(guò)程中[t4,t5],輸出濾波電感Lo和勵(lì)磁電感Lm都參與緩沖,Vd近似線性下降,變壓器初級(jí)電流ip及緩沖電流iCr-2基本不變。此過(guò)程持續(xù)時(shí)間τ1為τ1=t5-t4=V2·CriCr-2(t4)=Vo·Cr(1-D)·(n1+n2)·iCr-2(t4)···(17)]]>在t5時(shí)刻,Vd=V1,VSec=O,Lo和Lm都不再參與緩沖,只有變壓器漏感與緩沖電容諧振,其諧振方程為Cr·L1k·d2VCrdt2+VCr=V1···(18)]]>式中L1k——變壓器初級(jí)漏感。
初始條件VCr(t5)=V1VCr′(t5)≈-iCr-2(t4)/Cr···(19)]]>解得VCr(t)=V1-iCr-2(t4)ω0·Cr·sin[ω0(t-t5)]···(20)]]>ω0=1Cr·L1k···(21)]]>可見(jiàn),要保證VCr諧振到零,必須有iCr-2(t4)ω0·Cr≥V1···(22)]]>即iCr-2(t4)≥Vo·ωo·CrD·(n1+n2)···(23)]]>根據(jù)式(20)得VCr諧振到零所需時(shí)間τ2為τ2=1ω0·arcsinV1·ω0·CriCr-2(t4)≈Vo·CrD·(n1+n2)·iCr-2(t4)---(24)]]>由式(17)、(24)得Vd由(V1+V2)值下降到零的時(shí)間τ為τ=τ1+τ2≈Vo·CrD·(1-D)·(n1+n2)·iCr-2(t4)···(25)]]>若要VQ1實(shí)現(xiàn)ZVS軟開(kāi)通,則應(yīng)滿(mǎn)足τ≤tZ2,tZ2為VQ2關(guān)斷VQ1開(kāi)通的死區(qū)時(shí)間。故該變換器實(shí)現(xiàn)ZVS軟開(kāi)關(guān)的條件為iCr-2(t4)≥Vo·Cr(n1+n2)·MAX[ω0D,1D·(1-D)·tZ2]···(26)]]>由式(16)、(21)、(26)可見(jiàn)減小升壓電感L和變壓器勵(lì)磁電感Lm,增大變壓器漏感Lr,有利于ZVS軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)。但增大Lr會(huì)減小有效占空比,故首先應(yīng)考慮減小升壓電感L和變壓器勵(lì)磁電感Lm。實(shí)際中并聯(lián)的電容值應(yīng)為(Cr-Css1-Css2),其中Css1、Css2分別為VQ1、VQ2的寄生電容。
5、該變換器采用的零紋波技術(shù)若加在L和Lp兩端的電壓相等,那么紋波電壓也滿(mǎn)足Ve1=Ve2。電感L和Lp的電流紋波等效電路如圖3(a)所示,T型去耦等效電路如圖3(b)所示。設(shè)升壓電感L與變壓器初級(jí)繞組Lp的互感為M,Lr、Lrp分別為L(zhǎng)與Lp耦合的漏感,折算關(guān)系為L(zhǎng)r=L-M Lrp=Lp-M。則有
Ve1=(Lr+M)·di1dt+M·di2dtVe2=M·di1dt+(Lrp+M)·di2dt···(27)]]>di1dt=Ve1L·1-k21-kn=Ve1Ledi2dt=Ve2Lp·1-k21-k/n=Ve2Lep···(28)]]>k=ML·Lp,n=LLp=NNp···(29)]]>式中Le、Lep——分別稱(chēng)為升壓電感L和初級(jí)繞組電感Lp的等效值;k——耦合系數(shù);n——電感L與Lp的匝比;N——升壓電感L的匝數(shù);i1、i2——分別為L(zhǎng)和Lp的紋波電流。
由式(28)可見(jiàn),當(dāng)k=1/n=Lp/L<1]]>時(shí),Le→∞,Lep=Lp。結(jié)果流過(guò)L的紋波電流為零,流過(guò)Lp的紋波電流不變(也就是說(shuō)紋波電流只從Lp流過(guò))。即k≈Lp/L]]>時(shí),可實(shí)現(xiàn)零紋波耦合。一般可取k=(0.95~1.05)Lp/L·]]>本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)越性①兩只開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通,可在寬電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)軟開(kāi)關(guān),并且便于同步整流管的自驅(qū)動(dòng),有利于提高變換效率和功率密度;②濾波電感不存在只靠自身儲(chǔ)能續(xù)流的狀態(tài),變壓器雙端輸出能量,提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度,減小了輸出電壓紋波和濾波器體積;③采用零紋波磁集成技術(shù)將升壓電感和隔離變壓器繞制在同一磁芯上,不但使輸入電流紋波大大減少,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小、重量輕。
下面結(jié)合附圖以最佳實(shí)施例詳述本發(fā)明。
圖1為新型雙管雙端式軟開(kāi)關(guān)DC/DC隔離變換器的主電路圖;圖2為新型雙管雙端式軟開(kāi)關(guān)DC/DC隔離變換器的主要電量波形時(shí)序圖;圖3(a)、(b)分別為升壓電感與隔離變壓器初級(jí)繞組零紋波耦合的電流紋波等效電路及T型去耦等效電路圖。
圖中iLo——輸出濾波電感電流;im——變壓器T的勵(lì)磁電流;iL——升壓電感L的電流;ip——變壓器T的初級(jí)電流;Vgs1、Vgs2——VQ1、VQ2的驅(qū)動(dòng)脈沖電壓;Vd——VQ1、VQ2橋臂中點(diǎn)d的電壓;VRec——次級(jí)整流輸出電壓。
如圖1所示,該新型雙管雙端式軟開(kāi)關(guān)DC/DC隔離變換器,其主電路由兩個(gè)MOSFET管(VQ1、VQ2),兩個(gè)儲(chǔ)能電容(C1、C2),緩沖電容(Cr),升壓電感(L),隔離變壓器(T)和輸出整流濾波電路構(gòu)成;升壓電感(L)與隔離變壓器(T)采用磁集成技術(shù)繞在同一磁芯上,零紋波耦合系數(shù)k=Lp/L·]]>一組輸出電壓,整流濾波電路采用二極管全波整流、LC濾波;Lo、Co為輸出濾波電感電容。
主電路初級(jí)拓?fù)溥B接關(guān)系為升壓電感(L)的一端接電源(Vi)的正極,(L)的另一端接開(kāi)關(guān)管(VQ1)的漏極和(VQ2)的源極,并且連接隔離變壓器(T)的初級(jí)繞組(Np)的同名端;(Np)的另一端接儲(chǔ)能電容(C1)的正極,(C1)的負(fù)極接電源(Vi)的負(fù)極和開(kāi)關(guān)管(VQ1)的源極;(VQ2)的漏極接電源(Vi)的正極和儲(chǔ)能電容(C2)的正極,(C2)的負(fù)極接(C1)的正極;緩沖電容(Cr)的一端接(VQ1)的漏極和(VQ2)的源極,(Cr)的另一端接開(kāi)關(guān)管(VQ1)的源極。
主電路元器件選擇為電源電壓Vi=48V(變化范圍24V~72V),輸出電壓Vo=5V,輸出功率Po=100W,開(kāi)關(guān)頻率fs=200kHz;升壓電感L=0.24mH,變壓器T初級(jí)繞組Lp=0.18mH(變比n1=n2=0.197),L與Lp的耦合系數(shù)k=0.86;額定占空比De=0.5。開(kāi)關(guān)管最大電壓應(yīng)力約120V,整流管最大電壓應(yīng)力約28V,濾波電感最大伏秒積約20VμS;開(kāi)關(guān)管MOSFET(VQ1、VQ2)IRF640(200V/18A/TO-220);儲(chǔ)能電容C1、C21μF/100V;緩沖電容Cr0.82nF/250V;濾波電感Lo3μH,濾波電容Co1000μF/10V。
權(quán)利要求
1.一種新型雙管雙端式軟開(kāi)關(guān)DC/DC隔離變換器,主電路的次級(jí)部分為一組或多組電壓輸出,輸出整流濾波電路可采用全波或倍流方式,并可使用同步整流管;其特征是主電路的初級(jí)部分由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管(VQ1、VQ2)、兩個(gè)儲(chǔ)能電容(C1、C2)、緩沖電容(Cr)、升壓電感(L)和隔離變壓器(T)構(gòu)成,升壓電感(L)與隔離變壓器(T)采用磁集成技術(shù)繞在同一磁芯上,滿(mǎn)足零紋波條件,即耦合系數(shù)k=(0.95~1.05)Lp/L]]>(L、Lp分別為升壓電感和隔離變壓器初級(jí)繞組的電感量);其拓?fù)溥B接關(guān)系為升壓電感(L)的一端接電源(Vi)的正極,升壓電感(L)的另一端接開(kāi)關(guān)管(VQ1)的漏極和開(kāi)關(guān)管(VQ2)的源極,并且連接隔離變壓器(T)的初級(jí)繞組(Np)的同名端;隔離變壓器(T)的初級(jí)繞組(Np)的另一端接儲(chǔ)能電容(C1)的正極,儲(chǔ)能電容(C1)的負(fù)極接電源(Vi)的負(fù)極和開(kāi)關(guān)管(VQ1)的源極;開(kāi)關(guān)管(VQ2)的漏極接電源(Vi)的正極和儲(chǔ)能電容(C2)的正極,儲(chǔ)能電容(C2)的負(fù)極接儲(chǔ)能電容(C1)的正極或電源(Vi)的負(fù)極;緩沖電容(Cr)的一端接開(kāi)關(guān)管(VQ1)的漏極和開(kāi)關(guān)管(VQ2)的源極,緩沖電容(Cr)的另一端接開(kāi)關(guān)管(VQ1)的源極或開(kāi)關(guān)管(VQ2)的漏極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型雙管雙端式零電壓(ZVS)軟開(kāi)關(guān)DC/DC隔離變換器,其主電路由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VQ
文檔編號(hào)H02M3/337GK1960149SQ20051011974
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者張焱植 申請(qǐng)人:周春香