本發(fā)明屬于電力電子學(xué)分支領(lǐng)域，尤其涉及適用于固定頻率的無源軟開關(guān)全橋式變換電路及方法。

背景技術(shù)：

影響開關(guān)電源效率的一個主要因素，是功率開關(guān)管的開關(guān)損耗。功率損耗可用下式表述：P＝U×I。

從圖1可以看出，在t0～t1、t3～t5期間，由于流過功率開關(guān)管的電流為零(忽略功率開關(guān)管漏電流)，功率開關(guān)管的損耗為零，；在t2～t3、t6～t7期間，由于施加在功率開關(guān)管的電壓為零(忽略功率開關(guān)管導(dǎo)通電阻)，功率開關(guān)管的損耗為零；而在t1～t2、t3～t4、t5～t6、t7～t8功率開關(guān)管開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，施加在功率開關(guān)管上的電壓、電流均不為零，由此而產(chǎn)生功率開關(guān)管開關(guān)損耗，在電壓、電流交匯處，產(chǎn)生瞬態(tài)最大功耗。

為了克服硬開關(guān)變換器的缺陷，提出了許多軟開關(guān)方法。這些軟開關(guān)方法可以分為兩大類。一類為有源軟開關(guān)技術(shù)，典型的如PWM零電壓或零電流過渡軟開關(guān)技術(shù)，它們是以附加的輔助有源開關(guān)及LC諧振元件，使功率開關(guān)管在零電壓下或零電流下完成過渡狀態(tài)期間的換流；其本質(zhì)是利用了LC諧振電路存在電壓或電流過零狀態(tài)與有源開關(guān)的實時可控性，來實現(xiàn)軟開關(guān)。但是，這里的諧振能量必須足夠大以創(chuàng)造零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)的條件，此外有源諧振電路應(yīng)當(dāng)在軟開關(guān)控制器的控制信號下工作。實際上輔助電路的自身功耗，以及有源器件與控制的復(fù)雜度也帶來了成本的提高與可靠性的降低，故許多軟開關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用受到了很大的限制。另一種則是無源軟開關(guān)技術(shù)，它利用主電路功率開關(guān)管PWM狀態(tài)的變化來代替受給定時序控制的輔助有源開關(guān)，只用無源無損元器件而設(shè)法在硬開關(guān)變換器上構(gòu)成無源緩沖型軟開關(guān)電路，由于不用額外的有源開關(guān)和相應(yīng)的控制、檢測、驅(qū)動電路，就有較低的成本、較高的可靠性、較好的性價比，而且還可能獲得接近于有源軟開關(guān)技術(shù)的效果而日益得到人們的重視。

然而，目前除了特殊的移相PWM控制的全橋無源軟開關(guān)變換器外，對大多數(shù)的以傳統(tǒng)PWM為控制方法的全橋式變換器，無源軟開關(guān)技術(shù)仍未能實用化而成為缺陷。移相PWM控制也有控制電路復(fù)雜、四個功率開關(guān)器件工作狀態(tài)與所受電應(yīng)力不同等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種適用于固定頻率的無源軟開關(guān)全橋式變換電路及方法，以簡潔的拓撲、較低的成本，即可達到較少的能量交換和傳遞回路、較低的損耗、較強的緩沖效果。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

適用于固定頻率的無源軟開關(guān)全橋式變換電路，包括硬開關(guān)全橋式變換電路，所述硬開關(guān)全橋式變換電路包括輸出變壓器、左橋臂支路和右橋臂支路；所述左橋臂支路和右橋臂支路均包括上功率開關(guān)管、下功率開關(guān)管；所述輸出變壓器連接在兩個下功率開關(guān)管的漏極之間；其特殊之處是：還包括緩沖單元、吸收單元、補償單元；所述緩沖單元包括分別串接在上功率開關(guān)管和下功率開關(guān)管之間的左緩沖電感和右緩沖電感；所述吸收單元包括左吸收支路和右吸收支路，所述左吸收支路和右吸收支路均包括吸收二極管、吸收電感和吸收電容；所述吸收二極管的正極與下功率開關(guān)管的漏極相連，其負極與吸收電感的一端相連；所述吸收電感的另一端與吸收電容的一端相連；所述吸收電容的另一端與下功率開關(guān)管的源極相連；所述補償單元包括左補償二極管和右補償二極管；所述左補償二極管的正極與吸收電容的一端連接，其負極與上功率開關(guān)管的源極相連；所述右補償二極管的正極與吸收電容的一端連接，其負極與上功率開關(guān)管的源極相連。

上述吸收二極管是高速快恢復(fù)二極管。

上述吸收電容是高頻無感吸收電容器。

適用于固定頻率的無源軟開關(guān)全橋式變換方法，采用PWM控制硬開關(guān)全橋式變換電路的導(dǎo)通；包括以下步驟：

1)當(dāng)PWM控制的相應(yīng)功率開關(guān)管開通時，使主橋臂的電流通過一個緩沖電感，實現(xiàn)零電流開通；

2)該功率開關(guān)管開通后，硬開關(guān)全橋式變換電路工作；

3)該功率開關(guān)管關(guān)閉時，用并聯(lián)在下橋臂功率開關(guān)管的吸收電容，實現(xiàn)零電壓關(guān)閉；

4)該功率開關(guān)管關(guān)閉后至下次開通前，將吸收電容的電能通過補償二極管饋入電源中，實現(xiàn)吸收電容的無損耗復(fù)位。

為了抑制浪涌電流，還可在步驟1中將吸收電容的充電電流通過一個緩沖電感。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明利用兩個串接在兩側(cè)主橋臂的上、下功率開關(guān)管中間的緩沖電感，達到功率開關(guān)管零電流開通的目的。

2、本發(fā)明利用并接在下橋臂的兩個吸收電容，達到功率開關(guān)管零電壓關(guān)閉的目的。

3、本發(fā)明利用連接在每個吸收電容上的兩個快速二極管，一只限流電感，完成吸收電容的復(fù)位，并實現(xiàn)抑制浪涌電流的效果。

4、本發(fā)明以簡潔的拓撲、較低的成本，即可達到較少的能量交換和傳遞回路、較低的損耗、較強的緩沖效果。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有硬開關(guān)變換器的電路原理圖；

圖2是現(xiàn)有硬開關(guān)變換器驅(qū)動波形、電壓波形、電流波形的示意圖；

圖3是本發(fā)明的電路原理圖；

圖4是本發(fā)明驅(qū)動波形、電壓波形、電流波形的示意圖。

具體實施方式

一種適用于固定頻率的無源軟開關(guān)全橋式變換電路，包括硬開關(guān)全橋式變換電路以及串接在兩側(cè)主橋臂的上、下功率開關(guān)管中間的兩個緩沖電感，輸出變壓器連接在兩個下橋臂功率開關(guān)管的漏極，吸收支路二極管也連接在兩個下橋臂功率開關(guān)管的漏極，吸收電容通過緩沖電感和相應(yīng)二極管相連，吸收電容同時通過兩個補償二極管同兩個上橋臂功率開關(guān)管的源極相連。吸收二極管是納米級高速快恢復(fù)二極管。吸收電容是高頻無感吸收電容器。

適用于固定頻率的無源軟開關(guān)全橋式變換方法，采用PWM控制硬開關(guān)全橋式變換電路的導(dǎo)通；該導(dǎo)通過程包括以下步驟：

1)當(dāng)PWM控制的相應(yīng)功率開關(guān)管開通時，使主橋臂的電流通過一個緩沖電感，實現(xiàn)零電流開通；同時將吸收電容的充電電流通過一個緩沖電感，實現(xiàn)浪涌電流的抑制；

2)該功率開關(guān)管開通后，硬開關(guān)全橋式變換電路工作；

3)該功率開關(guān)管關(guān)閉時，用并聯(lián)在下橋臂功率開關(guān)管的吸收電容，實現(xiàn)零電壓關(guān)閉；

4)該功率開關(guān)管關(guān)閉后至下次開通前，利用連接在每個吸收電容上的兩個快速二極管，一只限流電感，完成吸收電容的復(fù)位。具體來說，D2保證放電電流只能流向D1，D1保證充電電流流向電源VP，LS3用于抑制浪涌電流。

本發(fā)明原理：

本發(fā)明是在傳統(tǒng)的硬開關(guān)全橋式變換器基礎(chǔ)上，附加兩套由兩個高速快恢復(fù)二極管、一個高頻無感吸收電容器、兩個緩沖電感構(gòu)成的獨特的無源軟開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

無源網(wǎng)絡(luò)中的兩個緩沖電感串接在兩側(cè)主橋臂的上、下功率開關(guān)管中間，輸出變壓器連接在兩個下橋臂功率開關(guān)管的漏極，吸收支路二極管也連接在兩個下橋臂功率開關(guān)管的漏極，吸收電容通過緩沖電感和相應(yīng)二極管相連，該吸收電容同時通過兩個補償二極管同兩個上橋臂功率開關(guān)管的源極相連。因此該網(wǎng)絡(luò)可以使硬開關(guān)半橋式變換器獲得無源軟開關(guān)效果。

發(fā)明與其它軟開關(guān)技術(shù)不同的是，這種無源軟開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，是以利用儲能電感和電容的形式，錯開功率開關(guān)管電壓、電流出現(xiàn)的時間而達到實現(xiàn)功率開關(guān)管軟開關(guān)的目標(biāo)。在較低的成本、較少的能量傳遞回路、較低的損耗、較強的緩沖效果下，使硬開關(guān)全橋式變換器獲得無源軟開關(guān)的效果。該新方法可以直接應(yīng)用在固定頻率的全橋式變換器。

本發(fā)明工作過程：

從圖3可以看出，當(dāng)控制信號P1、P4為高電平，P2、P3為低電平時，功率開關(guān)管V1、V4導(dǎo)通，V2、V3處于關(guān)斷狀態(tài)，電流經(jīng)V1、左緩沖電感LS1、變壓器T1初級線圈、V4回到電源負極。由于流過LS1的電流不能突變，流過V1、V4的電流是從零開始增加，所以V1、V4是零電流導(dǎo)通；與此同時，電源VP通過V1、LS1、D2、LS3向吸收電容CS1充電，直到CS1上電壓和VP相等為止。當(dāng)P1、P4變?yōu)榈碗娖綍r，由于CS1上的電壓和VP電壓相等，V1是零電壓關(guān)斷，CS2上是零電壓，V4也是零電壓關(guān)斷。當(dāng)V1、V4關(guān)斷時，LS1的儲能通過D2、吸收電感LS3向CS1充電；通過T1初級線圈、D4、LS4向CS2充電，避免了V3、V4上電壓尖峰的出現(xiàn)。

同樣道理，當(dāng)P2、P3為高電平，P1、P4為低電平時，V2、V3導(dǎo)通，V1、V4處于關(guān)斷狀態(tài)，電流經(jīng)V2、LS2、T1初級線圈、V3回到電源負極。由于流過右緩沖電感LS2的電流不能突變，流過V2、V3的電流是從零開始增加，所以V2、V3是零電流導(dǎo)通；與此同時，電源VP通過V2、LS2、D4、LS4向CS2充電，直到CS2上電壓和VP相等為止。當(dāng)P2、P3變?yōu)榈碗娖綍r，由于CS2上的電壓和VP電壓相等，V2是零電壓關(guān)斷，CS1上是零電壓，V3也是零電壓關(guān)斷。當(dāng)V2、V3關(guān)斷時，電感的儲能通過D4、LS4向CS2充電；通過T1初級線圈、D2、LS3向CS1充電，避免了V3、V4上電壓尖峰的出現(xiàn)。

從圖4軟開關(guān)變換器開關(guān)損耗產(chǎn)生示意圖可以看出，采用本發(fā)明的橋式變換器功率開關(guān)管在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間電流和電壓的交點明顯下移，即功率開關(guān)管的開關(guān)損耗明顯降低。