一種零電壓開關反激變換器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種零電壓開關反激變換器及其控制方法，所述變換器連接直流輸入電源和負載，包括開關管、保護二極管、諧振單元、整流二極管、隔離變壓器以及濾波電容，所述諧振單元由諧振電容和隔離變壓器的激磁電感組成。本發(fā)明可實現(xiàn)開關管的零電壓導通和近似零電壓關斷，可大幅降低損耗，可用于DC/DC升降壓功率變換場合。
【專利說明】-種零電壓開關反激變換器及其控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及直流變換器領域，特別涉及一種可應用于DC/DC升降壓功率變換場合 的，可實現(xiàn)反激變換器零電壓開關的電路及其控制方法。

【背景技術】
[0002] 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，汽車已經(jīng)成為人們出行和運輸必不可少的交通工 具。然而，隨著汽車數(shù)量的不斷增加，一些問題也逐漸顯現(xiàn)出來。首先，石油危機問題引起 了人們的擔憂。截止到2011年年底，全世界已探明石油儲量為2314. 2億噸，目前全世界每 年石油消耗量為40. 88億噸，其中超過H分之一的石油都被汽車所消耗。W該個速度計算， 54年后我們將面臨無油可用的危機。另外，環(huán)境污染問題也逐漸被人們所關注。隨著汽車 數(shù)量的逐漸增多，汽車尾氣造成的空氣污染問題也愈發(fā)嚴重。經(jīng)環(huán)境保護組織檢測，目前城 市空氣中60% W上的污染物來自汽車尾氣。出于應對石油危機、緩解空氣污染、搶占電動汽 車市場等目的，自上世紀90年代W來，各國政府和各大汽車廠商紛紛投入大量人力物力來 推動電動汽車的推廣和研發(fā)。
[0003] 目前，制約電動汽車發(fā)展的瓶頸在于電動汽車動力蓄電池技術。電動汽車不僅節(jié) 能、環(huán)保而且使用成本低、噪聲小，市場前景廣闊。但是，由于受到續(xù)航里程短、充電不方便、 電池使用壽命短等因素的制約，影響了電動汽車推廣普及的速度。在目前電動汽車動力蓄 電池技術沒有獲得突破性進展的情況下，我們只能努力改善電動汽車電氣系統(tǒng)的控制策略 和性能，提高電動汽車電源變換器的效率，研發(fā)新型便捷的充電裝置，使電動汽車能夠方便 地進行充電，提高電能使用效率，減少充電次數(shù)，延長蓄電池的使用壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種零電壓開關反激變換器及其控制方法，該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)開關管 的零電壓導通和近似零電壓關斷，軟開關減小開關損耗，提升變換器的效率，適合應用于電 動汽車領域。
[0005] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0006] -種零電壓開關反激變換器，連接直流輸入電源和負載，包括開關管、保護二極 管、諧振單元、整流二極管、隔離變壓器W及濾波電容；所述諧振單元由諧振電容和隔離變 壓器的激磁電感組成，諧振電容并聯(lián)在隔離變壓器的原邊，諧振單元與開關管串聯(lián)，保護二 極管反相并聯(lián)在開關管的集電極和發(fā)射極之間；所述直流輸入電源一端接在諧振單元一 偵另一端接在開關管一側；所述隔離變壓器的副邊接整流二極管和濾波電容，構成一個回 路。
[0007] -種零電壓開關反激變換器的控制方法，包括W下步驟：
[000引 1)開關管開通，諧振電容兩端電壓Va = Vw此時隔離變壓器副邊的整流二極管承 受反壓，能量不會傳到副邊，輸入電壓加在激磁電感兩端，向激磁電感儲能，ib從0線性增 力口，負載電流由濾波電容提供；
[000引。開關管關斷，此后激磁電感與諧振電容發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧振電容向激磁電感 放電，V&從Vh開始下降，ib諧振增加，當V&下降為零時，ib諧振增加到其最大值；此后 激磁電感對諧振電容反向充電，Va從零負向增加，ib開始諧振下降；整個模態(tài)持續(xù)到心 =-vyn，且整個模態(tài)中負載電流依然由濾波電容提供；能量在激磁電感與諧振電容之間進 行傳遞，但激磁電感與諧振電容上的總能量是不變的；
[0010] 扣當心=-vyn，隔離變壓器副邊的整流二極管導通，隔離變壓器副邊電流流過 整流二極管給濾波電容充電，并提供負載電流，在此過程中Va保持不變，ib線性下降，直到 ib = 0,此開關模態(tài)結束；
[0011] 4)當ib下降到零，整流二極管自然關斷，此后激磁電感與諧振電容發(fā)生并聯(lián)諧 振，即諧振電容向激磁電感放電，V&從-vyn開始正向上升，ib從零開始負向諧振增加；當 諧振電容電壓諧振到0, ib達到反向最大值，此后激磁電感向諧振電容放電，ib和Vet都正 向上升追到心=Vh此開關模態(tài)結束；在該段時間內(nèi)，激磁電感和諧振電容上的總能量保 持不變；
[001引 W當V& = Vwib = -12,此后隔離變壓器原邊的保護二極管自然導通，ib流過保 護二極管將能量回饋給輸入端，在整個過程中激磁電感和諧振電容上的電壓始終等于輸入 電壓，ib正向線性增加，直到ib增加到0此工作模態(tài)結束。
[0013] 本發(fā)明的有益技術效果是：
[0014] 本發(fā)明的零電壓開關反激變換器在實現(xiàn)升降壓功能的同時，使開關管實現(xiàn)了軟開 關，有效減小了損耗，具有很高的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是所舉實施例的零電壓開關反激變換器拓撲結構圖。
[0016] 圖2是圖1所示電路相關元件工作波形示意圖。
[0017] 圖3是圖1所示電路第一階段工作模態(tài)示意圖。
[0018] 圖4是圖1所示電路第二階段工作模態(tài)示意圖。
[0019] 圖5是圖1所示電路第H階段工作模態(tài)示意圖。
[0020] 圖6是圖1所示電路第四階段工作模態(tài)示意圖。
[0021] 圖7是圖1所示電路第五階段工作模態(tài)示意圖。
[0022] 圖8是圖1所示電路主要仿真波形圖。
[0023] 圖9是圖1所示電路開關管電壓電流仿真波形圖。

【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步說明。
[0025] 本發(fā)明涉及一種零電壓開關反激變換器，圖1為本發(fā)明的一個實施例電路拓撲結 構圖。如圖1所示，本發(fā)明的零電壓開關反激變換器連接直流輸入電源Vh和負載咕，包括 開關管Q、保護二極管〇1、諧振單元、整流二極管化、隔離變壓器T W及濾波電容C。。諧振單 元由諧振電容Cf和隔離變壓器的激磁電感Lf并聯(lián)組成，諧振電容Cf并聯(lián)在隔離變壓器T的 原邊。諧振單元與開關管Q串聯(lián)，保護二極管Di反相并聯(lián)在開關管Q的集電極和發(fā)射極之 間。直流輸入電源Vh-端接在諧振單元一側，另一端接在開關管Q-側。隔離變壓器T的 副邊接包括整流二極管〇2和濾波電容C。在內(nèi)的整流濾波元件，構成一個回路。
[0026] 下面對本發(fā)明的零電壓開關反激變換器的控制方法進行詳細說明。
[0027] 如圖2、圖3所示，第一階段；;
[002引 t。時刻隔離變壓器T的激磁電感Lf上的電流為0,在t。時刻開通開關管Q，諧振電 容Cf兩端電壓V& = Vw此時隔離變壓器T副邊的整流二極管承受反壓，能量不會傳到 副邊，輸入電壓Vh加在激磁電感Lf兩端，向激磁電感Lf儲能，ib從0線性增加，負載電流 由濾波電容C。提供，ti時刻ib增加到I。。
[0029] 如圖2、圖4所示，第二階段；;
[0030] ti時刻關斷開關管Q，此后激磁電感Lf與諧振電容Cf發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧振電容Cf 向激磁電感Lf放電，V&從Vh開始下降，ib從I。諧振增加，由于開關器件的輸出電容C。,,（在 圖中沒有畫出）相于對諧振電容Cf很小，在開關管Q關斷時間內(nèi)，其兩端電壓（對MOSFET 而言，即漏極與源極間電壓）上升很小，可W近似看為零電壓關斷。
[003。 到t,時刻，V&下降為零，ib諧振增加到其最大值。此后激磁電感Lf對諧振電容 Cf反向充電，V&從零負向增加，ib開始諧振下降。直到時亥!]，V& = -vyn，ib減小到Ii, 整個模態(tài)中負載電流依然由濾波電容C。提供。
[0032] 可見，在ti?t3該段時間內(nèi)，只是激磁電感Lf和諧振電容Cf之間進行能量交換， 但激磁電感Lf和諧振電容Cf上的總能量不變。
[003引如圖2、圖5所不，第H階段；t3<t<t4 ;
[0034] t3時刻，V& = -Vyn，隔離變壓器T副邊的整流二極管導通，導通時整流二極管 化的電流iD2始終等于ib/n，隔離變壓器副邊電流流過整流二極管化給濾波電容C。充電， 并提供負載電流，在此過程中Va保持不變，ib線性下降，直到t4時刻，ib = 0,此開關模態(tài) 結束。
[00巧]如圖2、圖6所示，第四階段；t4<t<te ;
[003引在t4時刻，ib下降到零，整流二極管自然關斷，此后激磁電感Lf與諧振電容Cf 發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧振電容Cf向激磁電感Lf放電，V&從-Vyn開始正向上升，ib從零開始 負向諧振增加。在tg時刻諧振電容Cf電壓諧振到0, ib達到反向最大值，此后激磁電感Lf 向諧振電容Cf放電，ib和心都正向上升。直到te時刻，Va = Vw ib = -12,此開關模態(tài) 結束。在該段時間內(nèi)，激磁電感Lf和諧振電容Cf上的總能量保持不變。
[0037] 如圖2、圖7所示，第五階段；te<t<t7;
[003引 te時刻V。，= Vf。, 二-I2,此后隔貿(mào)變壓盎T原邊的保護_極營自然導通， 流過保護二極管Di將能量回饋給輸入端，在整個過程中激磁電感Lf和諧振電容Cf上的電 壓始終等于輸入電壓，ib正向線性增加，直到t,時刻ib增加到0此工作模態(tài)結束。
[0039] 下面通過一個具體的例子來闡述本發(fā)明技術方案：
[0040] 本發(fā)明給出了該零電壓開關反激變換器的仿真實例，具體仿真參數(shù)如下：
[0041]

【權利要求】
1. 一種零電壓開關反激變換器，其特征在于：所述變換器連接直流輸入電源（vin)和負 載（RJ，包括開關管（Q)、保護二極管仇）、諧振單元、整流二極管（D2)、隔離變壓器⑴以 及濾波電容（C。）；所述諧振單元由諧振電容（(；）和隔離變壓器⑴的激磁電感（LJ組成， 諧振電容（(；）并聯(lián)在隔離變壓器⑴的原邊，諧振單元與開關管（Q)串聯(lián)，保護二極管（DJ 反相并聯(lián)在開關管（Q)的集電極和發(fā)射極之間；所述直流輸入電源（Vin) -端接在諧振單元 一側，另一端接在開關管（Q) -側；所述隔離變壓器（T)的副邊接整流二極管（D2)和濾波 電容（C。)，構成一個回路。
2. -種權利要求1所述零電壓開關反激變換器的控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 開關管（Q)開通，諧振電容（(；）兩端電壓= Vin，此時隔離變壓器⑴副邊的整 流二極管（?)承受反壓，能量不會傳到副邊，輸入電壓（Vin)加在激磁電感（LJ兩端，向激 磁電感（LJ儲能，U從0線性增加，負載電流由濾波電容（C。）提供； 2) 開關管（Q)關斷，此后激磁電感（LJ與諧振電容（(；）發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧振電容 (Q向激磁電感（LJ放電，從Vin開始下降，U諧振增加，當下降為零時，U諧振增 加到其最大值；此后激磁電感（LJ對諧振電容（(；）反向充電，￥&從零負向增加，U開始諧 振下降；整個模態(tài)持續(xù)到^ = -V。/!!，且整個模態(tài)中負載電流依然由濾波電容（C。）提供；能 量在激磁電感（LJ與諧振電容（(；）之間進行傳遞，但激磁電感（LJ與諧振電容（(；）上的 總能量是不變的； 3) 當= -V。/!!，隔離變壓器⑴副邊的整流二極管（D2)導通，隔離變壓器⑴副邊 電流流過整流二極管（D2)給濾波電容（C。）充電，并提供負載電流，在此過程中保持不 變，線性下降，直到L = 〇,此開關模態(tài)結束； 4) 當k下降到零，整流二極管（D2)自然關斷，此后激磁電感（LJ與諧振電容（(；）發(fā) 生并聯(lián)諧振，即諧振電容（(；）向激磁電感（LJ放電，從-V/n開始正向上升，U從零開 始負向諧振增加；當諧振電容（(；）電壓諧振到0，U達到反向最大值，此后激磁電感（LJ向 諧振電容（(；）放電，1&和都正向上升；直到= Vin此開關模態(tài)結束；在這段時間內(nèi)， 激磁電感（LJ和諧振電容（(；）上的總能量保持不變； 5. iv& = Vin，U = -I2，此后隔離變壓器⑴原邊的保護二極管（DD自然導通，U流 過保護二極管（DJ將能量回饋給輸入端，在整個過程中激磁電感（LJ和諧振電容（(；）上 的電壓始終等于輸入電壓，正向線性增加，直到L增加到〇此工作模態(tài)結束。
【文檔編號】H02M3/335GK104362856SQ201410617738
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權日:2014年11月5日
【發(fā)明者】陳武, 吳小剛, 劉斌, 吳鴻亮 申請人:無錫中匯汽車電子科技有限公司