一种输入交错串联正激直流变换器

摘要

本发明公开了一种输入交错串联正激直流变换器，属于直流变换器领域。其结构包括原边电路、第一高频隔离变压器、第二高频隔离变压器和输出整流及滤波电路，其中原边电路由直流电源、两个分压电容、四个功率开关管和两个磁复位二极管构成，所述第一和第二高频隔离变压器均由原边绕组和副边绕组构成，输出整流及滤波电路由滤波电感、滤波电容、输出负载和三个二极管构成。本发明中两个交错串联的正激变换器，不仅实现了变压器的磁复位，且开关管的电压应力仅为输入电压的一半；本发明提高了变换器等效占空比，滤波器体积小，可靠性高，适合中、高压输入及大电流输出场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流变换器，尤其涉及一种输入交错串联正激直流变换器，属于直流变换器领域。

背景技术

正激变换器近年来得到了广泛的研究与应用。传统的正激变换器需要额外的磁复位绕组，这不仅增加了变压器的体积重量，而且增加了开关管的电压应力，开关管的电压应力一般在最大输入电压的两倍以上；RCD复位型正激变换器不需要额外的磁复位绕组，但开关管的电压应力仍为输入电压的两倍，而且复位电路中电阻需要消耗功率，降低了变换器的效率；有源箝位正激变换器降低了开关管的电压应力，但是它需要一个辅助开关管增加了成本，而且该变换器导致开关管的导通损耗增加，降低了变换器的效率；双管正激变换器开关管电压应力等于输入电压，使用二极管完成变压器的磁复位，但其最大占空比只能为0.5。

发明内容

本发明针对背景技术中提到的现有正激变换器的缺陷而提出一种输入交错串联正激直流变换器。

本发明的输入交错串联正激直流变换器，其结构包括：原边电路、第一高频隔离变压器、第二高频隔离变压器和输出整流及滤波电路，其中：原边电路包括直流电源、第一分压电容、第二分压电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一磁复位二极管和第二磁复位二极管，直流电源的正极分别连接第一分压电容的一端和第一功率开关管的漏极，第一功率开关管的源极分别连接第二磁复位二极管的阴极和第二功率开关管的漏极，直流电源的负极分别连接第二分压电容的一端和第四功率开关管的源极，第四功率开关管的漏极分别连接第一磁复位二极管的阳极和第三功率开关管的源极；第一高频隔离变压器包括第一原边绕组和第一副边绕组，第二高频隔离变压器包括第二原边绕组和第二副边绕组，第一原边绕组的同名端分别连接第二功率开关管的源极和第一磁复位二极管的阴极，第一原边绕组的非同名端分别连接第一分压电容的另一端、第二分压电容的另一端和第二原边绕组的非同名端，第二原边绕组的同名端分别连接第三功率开关管的漏极和第二磁复位二极管的阳极；输出整流及滤波电路包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感、滤波电容和输出负载，第三二极管的阳极连接第一副边绕组的同名端，第一副边绕组的非同名端分别连接第二副边绕组的同名端、第五二极管的阳极、滤波电容的一端和输出负载的一端，第二副边绕组的非同名端连接第四二极管的阳极，第四二极管的阴极分别连接第三二极管的阴极、第五二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容的另一端和输出负载的另一端。

本发明的输入交错串联正激直流变换器拥有如下有益效果：1、开关管电压应力为输入电压的一半，适用于高压输入场合；2、高频隔离变压器通过二极管完成磁复位，不需要额外的磁复位绕组或磁复位电路，电路结构简单；3、实现了第一功率开关管和第四功率开关管的零电压开通，变换效率高；4、副边并联输出，提高了等效占空比及电感电流脉动频率，有利于减小输出滤波器体积，提高功率密度，降低成本；5、不存在桥臂直通，变换器可靠性高。

附图说明

图1是本发明输入交错串联正激直流变换器的电路原理图。

图2是本发明输入交错串联正激直流变换器的主要波形图，图中：D_S1～D_S4分别是第一、第二、第三和第四功率开关管的驱动信号，ON表示开关管开通，OFF表示开关管关断；i_D1、i_D2分别是第一和第二磁复位二极管的电流；i_S1、i_S2、i_S3、i_S4分别是第一、第二、第三、第四功率开关管的源极电流，流出为正值；v_NP1、v_NP2分别是第一和第二原边绕组的电压，其中：第一原边绕组的同名端为正，非同名端为负，第二原边绕组的同名端为负，非同名端为正；v_S1、v_S2、v_S3、v_S4分别是第一、第二、第三、第四功率开关管的漏极与源极间的电压；t₀～t₆表示时间。

图3～图8分别为本发明交错串联正激直流变换器在开关模态1～开关模态6的等效电路原理图。

在图1及图3～图8中的标号名称：10-原边电路；20-输出整流及滤波电路；V_in为直流电源(输入电压)；S₁～S₄分别为第一、第二、第三、第四功率开关管；D₁、D₂分别为第一、第二磁复位二极管；T₁、T₂分别为第一、第二高频隔离变压器；N_P1、N_S1分别为第一原边绕组、第一副边绕组；N_P2、N_S2分别为第二原边绕组、第二副边绕组；C₁、C₂分别为第一、第二分压电容；D₃～D₅分别为第三、第四、第五二极管；L_o-滤波电感；C_o-滤波电容；R_o-输出负载。

具体实施方式

如图1所示，本发明输入交错串联正激直流变换器的电路原理图，其电路结构包括：原边电路10、第一高频隔离变压器T₁、第二高频隔离变压器T₂和输出整流及滤波电路20，其中：原边电路10包括直流电源V_in、第一分压电容C₁、第二分压电容C₂、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第一磁复位二极管D₁和第二磁复位二极管D₂，直流电源V_in的正极分别连接第一分压电容C₁的一端和第一功率开关管S₁的漏极，第一功率开关管S₁的源极分别连接第二磁复位二极管D₂的阴极和第二功率开关管S₂的漏极，直流电源V_in的负极分别连接第二分压电容C₂的一端和第四功率开关管S₄的源极，第四功率开关管S₄的漏极分别连接第一磁复位二极管D₁的阳极和第三功率开关管S₃的源极；第一高频隔离变压器T₁包括第一原边绕组N_P1和第一副边绕组N_S1，第二高频隔离变压器T₂包括第二原边绕组N_P2和第二副边绕组N_S2，第一原边绕组N_P1的同名端分别连接第二功率开关管S₂的源极和第一磁复位二极管D₁的阴极，第一原边绕组N_P1的非同名端分别连接第一分压电容C₁的另一端、第二分压电容C₂的另一端和第二原边绕组N_P2的非同名端，第二原边绕组N_P2的同名端分别连接第三功率开关管S₃的漏极和第二磁复位二极管D₂的阳极；输出整流及滤波电路20包括第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、滤波电感L_o、滤波电容C_o和输出负载R_o，第三二极管D₃的阳极连接第一副边绕组N_S1的同名端，第一副边绕组N_S1的非同名端分别连接第二副边绕组N_S2的同名端、第五二极管D₅的阳极、滤波电容C_o的一端和输出负载R_o的一端，第二副边绕组N_S2的非同名端连接第四二极管D₄的阳极，第四二极管D₄的阴极分别连接第三二极管D₃的阴极、第五二极管D₅的阴极和滤波电感L_o的一端，滤波电感L_o的另一端分别连接滤波电容C_o的另一端和输出负载R_o的另一端。

本发明输入交错串联正激直流变换器的控制方式如下：功率开关管S₁与S₂的驱动信号相同，功率开关管S₃与S₄的驱动信号相同，功率开关管S₁(或S₂)的驱动信号与功率开关管S₃(或S₄)的驱动信号相位相差180°。

下面结合图2～图8说明本发明的具体工作原理及工作过程。在分析前先作如下假设：(1)所有开关管及二极管均为理想器件；(2)分压电容C₁和C₂足够大且相等，可以将它们看作V_in/2的电压源；(3)滤波电感L_o足够大，电感电流I_L为平滑的直流。

1.开关模态1(对应于[t₀，t₁]，其等效电路如附图3所示)

t₀时刻，S₁、S₂开通，其中S₁为零电压开通，S₃、S₄关断，D₁截止，D₂导通，变换器通过T₁向副边传递能量，T₁的磁化电流从0开始变大，T₂的磁化电流流经D₂、S₁、C₁进行去磁，磁化电流不断减小，D₃导通，D₄、D₅截止。在该模态，T₁原边绕组电压为V_in/2，S₃、S₄共同承受输入电压，S₃、S₄的电压应力均为V_in/2。

2.开关模态2(对应于[t₁，t₂]，其等效电路如附图4所示)

t₁时刻，T₂的磁化电流降为0，T₂磁化过程结束，S₁、S₂仍开通，S₃、S₄均关断，D₁、D₂均截止，变换器通过T₁向副边传递能量，T₁的磁化电流继续增大，D₃导通，D₄、D₅截止。在该模态，S₃、S₄共同承受V_in/2电压，S₃、S₄的电压应力均为V_in/4。

3.开关模态3(对应于[t₂，t₃]，其等效电路如附图5所示)

t₂时刻，S₁、S₂关断，S₃仍关断，D₂截止，T₁的磁化电流流经C₂、S₄的体二极管、D₁进行去磁，T₁的磁化电流不断减小，D₃、D₄截止，D₅导通，L_o通过D₅进行续流。在该模态，S₁、S₂、S₃的电压应力均为V_in/2。

4.开关模态4(对应于[t₃，t₄]，其等效电路如附图6所示)

t₃时刻，S₃、S₄导通，其中S₄为零电压开通，D₂截止，D₁导通，变换器通过T₂向副边传递能量，T₂的磁化电流从0开始变大，T₁的磁化电流流经C₂、S₄的体二极管、D₁进行去磁，磁化电流小断减小，D₄导通，D₃、D₅截止。在该模态，T₂原边绕组电压为V_in/2，S₁、S₂共同承受输入电压，S₁、S₂的电压应力均为V_in/2。

5.开关模态5(对应于[t₄，t₅]，其等效电路如附图7所示)

t₄时刻，T₁的磁化电流降为0，T₁磁化过程结束，S₃、S₄仍开通，S₁、S₂均关断，D₁、D₂均截止，变换器通过T₂向副边传递能量，T₂的磁化电流继续增大，D₄导通，D₃、D₅截止。在该模态，S₁、S₂共同承受V_in/2电压，S₁、S₂的电压应力均为V_in/4。

6.开关模态6(对应于[t₅，t₆]，其等效电路如附图8所示)

t₅时刻，S₃、S₄关断，S₂仍关断，D₁截止，T₂的磁化电流流经C₁、S₁的体二极管、D₂进行去磁，T₂的磁化电流不断减小，D₃、D₄截止，D₅导通，L_o通过D₅进行续流。在该模态，S₂、S₃、S₄的电压应力均为V_in/2。

从以上分析可以看出，两个交错串联的正激变换器，不仅实现了变压器的磁复位，而且开关管的电压应力仅为输入电压的一半，因此可以适用于中、高压场合，副边采用交错并联连接，提高了等效占空比及输出电感电流脉动频率，有利于减小输出滤波器的体积，特别适合输出大电流的场合。