一种软开关高功率的维也纳整流器拓扑结构

摘要

本发明涉及一种软开关高功率的维也纳整流器拓扑结构，该拓扑结构由维也纳整流器以及两个辅助电路组成，所述的维也纳整流器由两个整流二级管、两个直流环节电容器以及两个主开关构成，每个辅助电路分别与维也纳整流器中两个整流二级管所在支路连接，用以分别为维也纳整流器的主开关和整流二级管创造软开关条件，两个辅助电路结构相同，均由一个谐振电感、一个变压器、一个辅助开关和两个阻塞二极管组成与现有技术相比，本发明具有软开关、大功率、零电压开关导通等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电路拓扑技术领域，尤其是涉及一种软开关高功率的维也纳整流器拓扑结构。

背景技术

在现有的技术中，存在很多电路拓扑采用有源和无源缓冲电路来产生半导体器件和整流二极管的软开关条件，这些缓冲电路是用于限制二极管电流的变化率，并为电路的半导体元件创造软开关条件，现有文献R.Streit and D.Tollik,"High efficiencytelecom rectifier using a novel soft-switched boost-based input currentshaper,"[Proceedings]Thirteenth International Telecommunications EnergyConference-INTELEC 91,Kyoto,Japan,1991,pp.720-726,doi:10.1109/INTLEC.1991.172474.中提出了采用有源缓冲电路的变换器电路，除了开关导通和整流器关断的软开关外，还具有减小的电流和电压应力，然而，有源缓冲电路的辅助开关具有较高的电流应力，并且在硬开关条件下工作。

在文献C.M.C.Duarte and I.Barbi,“An improved family of ZVS-PWM active-clamping dc-to-dc converters,”in Conf.Rec.IEEE PESC’98,May 1998,pp.669–675.描述的boost拓扑结构中，主开关和辅助开关都在软开关条件下工作，但是，主开关的电压应力要高很多，这需要通过适当选择缓冲电感值和开关频率来控制，此外，门极驱动电路要求复杂、价格昂贵不易控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种软开关高功率的维也纳整流器拓扑结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种软开关高功率的维也纳整流器拓扑结构，该拓扑结构由维也纳整流器以及两个辅助电路组成，所述的维也纳整流器由两个整流二级管、两个直流环节电容器以及两个主开关构成，每个辅助电路分别与维也纳整流器中两个整流二级管所在支路连接，用以分别为维也纳整流器的主开关和整流二级管创造软开关条件，两个辅助电路结构相同，均由一个谐振电感、一个变压器、一个辅助开关和两个阻塞二极管组成。

在维也纳整流器中，电源依次经过线路电感、第一主开关和第二主开关后接地，并且通过两个直流环节电容器后与负载的正负两端连接，电源分别通过第一整流二级管和第二整流二级管连接到负载两端。

对于连接第一整流二级管与第一直流环节电容器的第一辅助电路，该辅助电路由第一谐振电感、第一变压器、第一阻塞二极管、第二阻塞二极管以及第一辅助开关构成，所述的第一谐振电感一端与第一整流二级管正极连接，另一端与第一变压器的一次绕组连接，第一变压器的一次绕组通过第二阻塞二极管与负载正极连接，并且第一变压器的一次绕组还与第一辅助开关的漏极连接，所述的第一辅助开关的源极连接到第二主开关和地之间，并且依次通过第一变压器的二次绕组和第一阻塞二极管后与负载正极连接。

所述的第二阻塞二极管为快速恢复二极管，用以避免在第一辅助开关打开时的反向恢复损耗。

所述的第一辅助开关以及第二阻塞二极管采用低功率半导体器件。

当第一主开关和第一辅助开关均被关闭时，电源通过第一整流二极管传输到负载，施加在第一主开关上的电压为V

第一整流二极管的电流i

其中，n为一变压器一次绕组与二次绕组的匝数比。

通过选择变压器一次绕组与二次绕组的匝数比n以及第一谐振电感的值，控制通过第一整流二极管电流的关断率。

当通过第一整流二极管的电流为零时，通过第一谐振电感的电流达到最终值Ii，当第一谐振电感的电流达到Iin电平后，第一谐振电感与第一主开关的输出电容Coss发生谐振，使得第一谐振电感的电流上升超过Ii，直至n V

则流过第一辅助开关的峰值电流为电源输入电流Ii与流经第一谐振电感的峰值谐振电流之和。

第一主开关的输出电容继续放电，当n<1/2时达到零后，第一主开关的反并联二极管开始导通，此时，第一主开关的漏极电压为零，使得在零电压开关下开启，则对于第一主开关的零电压开关导通，需要满足的条件为：

n<0.5

所需时间t为：

t＝[cos

其中，w为中间参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明为一种基于改进简单拓扑结构的新颖设计，所提出的维也纳整流器拓扑结构能够通过辅助电路实现软开关的无损开关，该变换器拓扑结构在连续和非连续工作模式下均能提高效率和性能，辅助电路以低压和高频工作，从而可以使用小尺寸的转换器，因此，该拓扑结构具有功率密度高、性能好等优点，尤其在高直流链输出电压应用中更具吸引力。

二、在本发明提出的电路技术中，辅助开关的缓冲电感通过控制整流二极管的I

三、缓冲电感中储存的能量被用来在主开关打开前将输出电容放电至零，从而产生零电容导通开关损耗，当主开关断开时，有源缓冲电路的辅助开关和电容器为缓冲电感中存储的剩余能量提供放电路径，有效地解决了整流二极管结电容与缓冲电感相互作用引起的振铃问题。

附图说明

图1为软开关大功率维也纳整流器拓扑结构的电路结构示意图。

图2为本发明在正半线周期的等效拓扑电路图，其中，图(2a)为第一阶段，图(2b)为第二阶段，图(2c)为第三阶段，图(2d)为第四阶段，图(2e)为第五阶段，图(2f)为第六阶段，图(2g)为第七阶段，图(2h)为第八阶段。

图3为本发明的主要工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种软开关高功率的维也纳整流器拓扑结构，如图1所示，该拓扑结构采用了两个辅助电路，每个辅助电路的目的是为电路中的半导体元件创造软开关条件。每个辅助电路均由一个谐振电感、一个变压器、一个辅助开关和两个二极管组成。一个辅助电路用以为主开关S1和整流二级管D1创造软开关条件，另一个用于为主开关S2和整流二级管D2创造软开关条件。

由于在一个周期的半个开关周期内工作相同，因此只考虑在正半周期内工作的电路，阻塞二极管Ds1和Ds3用于传输单向功率，Ds2和Ds4将谐振电感Ls1/Ls2中的剩余能量释放给负载R

辅助开关Ss1/Ss2和Ds2/Ds4采用低功率半导体器件，而主开关S1和S2以及整流二极管D1和D2为维也纳整流器的主要元件。

在对本发明提出的软开关大功率维也纳整流器拓扑结构进行分析时考虑以下假设：

(1)线路电感L足够大，通过的电流在开关间隔期间不会改变，因此可以用恒流源代替。

(2)直流环节电容器C01和C02由直流电压源V01/V02代替。

(3)忽略半导体导通电阻。

本发明的工作原理如下：

最初，主开关S1和辅助开关Ss1都被关闭，电源的电力通过整流二极管D1传输到负载，如图(2h)所示。施加在主开关S1上的电压等于V01，当栅极信号被施加到辅助开关Ss1时，输入电流除了流经整流二极管D1外，还继续流过谐振电感Ls1、变压器、辅助开关Ss1，并返回到输入源。流过变压器一次绕组的电流在变压器的二次绕组中产生电流。变压器二次绕组上施加的电压为V01，这会导致变压器一次绕组上的反射电压等于nV01。通过谐振电感Ls1的电流从零线性增加到其最终值Ii的速率与电流从Ii通过整流二极管D1从Ii线性减小到零的速率相同，因为Ii＝iD1+iLs1。因此，二极管电流iD1减小的速率由公式(1)给出，如下所示：

通过适当选择n和谐振电感Ls1的值，实现控制通过二极管D1电流的关断率。

当通过整流二极管D1的电流为零时，通过谐振电感Ls1的电流达到Ii。当谐振电感电流达到Iin电平后，谐振电感Ls1与主开关S1的输出电容Coss发生谐振，使谐振电感电流上升到Ii以上，直至nV01

流过辅助开关Ss1的峰值电流是电源电流Ii与流经谐振电感Ls1的峰值谐振电流之和。

主开关S1的输出电容继续放电，当n<1/2时达到零，然后，主开关S1的反并联二极管开始导通，主开关S1的漏极电压为零，可以在零电压开关(ZVS)下开启。对于主开关S1的ZVS导通，需要满足的条件是：n<1/2，所需时间t＝[cos

因此，辅助开关Ss1中的电流也以公式(3)给定的速率减小，当谐振电感Ls1中的电流降至其最小值并几乎为零时，辅助开关Ss1被硬关断，残余电流很小，流过阻塞二极管Ds2，在实际变压器中，剩余电流等于变压器的励磁电流，为了将此电流减小到最小值，磁化电感应保持足够大。因此，可以认为辅助开关Ss1可以被关断，电流接近于零，等于磁化电流值。

此时，输入电流Ii流过主开关S1，直到施加栅极信号。当栅极信号被移除时，其输出电容开始充电，导致主S1的ZVS关断，同时，整流二极管D1自然导通，跨过主开关S1的输出电容Coss的电压等于输入电压，并以此循环重复。