多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器

摘要

本发明公开的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器包括一个直流电源，由三个开关管构成的直流-直流转换电路，一个隔离变压器，由四个二极管、两个多刀多掷开关、一个短路棒构成的整流电路和一个输出滤波电容。该电路在变压器原边为正反激变换电路的基础上，通过对多刀多掷开关和短路棒的控制可以实现副边两种不同整流电路的相互转换，从而根据输入电压范围的不同得到两种不同功能的直流变流器。该变流器特点在于根据输入电压高低的变化自动调整拓扑结构，以最优电路拓扑实现变流，使占空比相对不变，提高了变流器在全输入电压范围下的整体效率，并有效减少了系统的元件冗余，降低了成本。

权利要求

1.多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，其特征在于：它包括：

1)直流输入电源(Vin)，用于提供直流电压；

2)直流-直流转换电路(110)，用于将输入的直流恒压型电压转换成脉冲型直流电压，包括第一主开关管(S1)、第二主开关管(S2)和箝位二极管(D1)，第一主开关管(S1)的漏极与直流输入电源(Vin)的正极相连，源极与箝位二极管(D1)的阴极相连，第二主开关管(S2)的源极与直流输入电源(Vin)的负极及箝位二极管(D1)的阳极相连；

3)有源箝位电路(120)，包括辅开关管(S3)和箝位电容(Cc)，辅开关管(S3)的源极与箝位电容(Cc)的一端相连；

4)隔离变压器(TR)，用于将输入、输出部分隔离，给副边输送能量，同时辅助实现主开关管(S1、S2)的零电压开关，包括带有激磁电感的隔离变压器(TR)，隔离变压器(TR)原边的同名端(N1)与第一主开关管(S1)的源极及箝位电容(Cc)的一端相连，异名端(N2)与第二主开关管(S2)的漏极及辅开关管(S3)的源极相连；

5)整流电路(130)，用于将交流信号转换成直流信号，包括第一至第四整流二极管(DR1～DR4)、由第一和第二两个子开关(K1-a、K1-b)组成的多刀多掷联动开关(K1)和短路棒(K1-c)，隔离变压器(TR)副边同名端(N3)与第一子开关(K1-a)的转换点相连，副边异名端(N4)与第二子开关(K1-b)的转换点相连，第一整流二极管(DR1)的阴极与短路棒(K1-c)的第一个固定端子(1)及第一子开关(K1-b)的第二个端子(2)相连，第二整流二极管(DR2)的阴极与第一整流二极管(DR1)的阳极及第一子开关(K1-a)的第一端子(1)相连，第二整流二极管(DR2)的阳极与第三整流二极管(DR3)的阳极相连，第三整流二极管(DR3)的阴极与第四整流二极管(DR4)的阳极及第二子开关(K1-b)的第一个端子(1)相连，第四整流二极管(DR4)的阴极与第二子开关(K1-b)的第二个端子(2)及短路棒(K1-c)的第二固定端子(2)相连；

6)输出滤波网络(140)，用于将整流电路输出的脉冲信号滤成直流电压输出给负载，包括第一储能电感(LO1)、第二储能电感(LO2)和输出电容(Co)，第一储能电感(LO1)的一端与短路棒(K1-c)的第一个固定端子(1)相连，另一端与输出电容(Co)的一端及第二储能电感(LO2)的一端相连，第二储能电感(LO2)的另一端与短路棒(K1-c)的第二固定端子(2)相连。

2.根据权利要求1所述的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，其特征是整流电路(130)中的任意一个整流二极管(DR1或DR2或DR3或DR4)串联饱和电感(Ls)；或者在所说的隔离变压器(TR)的原边或者副边串联或并联电感器。

3.根据权利要求2所述的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，其特征在于饱和电感(Ls)为非饱和高磁导率磁芯构造成的电感器。

4.根据权利要求1或2所述的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，其特征在于整流电路(130)中的第一子开关管(K1-a)的转换点接至第一端子(1)，第二子开关管(K1-b)的转换点接至其第一端子(1)，短路棒(K1-c)闭合，形成具有变压器(TR)原边为有源箝位双管正反激结构，副边为全桥整流结构，两个储能电感(LO1、LO2)并联的用于低电压输入的多功能有源箝位全桥整流型双管正反激变流器。

5.根据权利要求1或2所述的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，其特征在于整流电路(130)中的第一子开关管(K1-a)的转换点接至第二端子(2)，第二子开关管(K1-b)的转换点接至其第二端子(2)，短路棒(K1-c)断开，形成具有变压器(TR)原边为有源箝位双管正反激结构，副边为倍流整流结构，两个储能电感(LO1、LO2)与副边串联的用于高电压输入的多功能有源箝位倍流整流型双管正反激变流器。

6.根据权利要求1或2所述的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，其特征在于所说的第一、第二主开关管(S1、S2)和辅开关管(S3)是包含外加或寄生反并二极管的MOSFET或IGBT或可控硅；或者是包含外加或内在寄生电容的MOSFET或IGBT或可控硅。

7.根据权利要求1或2所述的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，其特征在于所说的整流电路(130)中的多刀多掷联动开关(K1)是机械开关或继电器或电子开关，所说的短路棒是具有三端同时短路或断开功能的机械开关或继电器或电子开关。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流变流器，尤其是一种适用于宽范围输入场合的有源箝位变拓扑结构的双管正反激直流变流器。

背景技术

实际工业应用往往会要求电源设备具有宽范围电压输入的兼容工作能力。例如广泛存在于笔记本电脑适配器中的Universal line特性，即是要求适配器在110V/60Hz和220V/50Hz的两种输入范围下均能正常工作。但是由普通PWM型电源的输入输出特性可知，在如此宽范围(大于等于2倍)的电压输入环境下，其工作有效占空比也将随之变动如此宽的范围。而由于较窄占空比引起的大RMS电流值、高开关损耗以及带来的EMI特性恶化等种种弊端，均是影响宽范围输入条件下单一拓扑在高压输入下特性无法和低压输入时相比拟的主要掣肘，同时往往也给电路元器件参数的优化设计造成无法逾越的障碍。目前，有学者提出利用两种分别针对不同电压输入范围而分块设计的电源模块组成一套适合于宽范围电压输入的电源设备，提升全范围电压输入下的电源特性以满足需要。但是该方案在成本优势上有较大不足，因元器件部分/全部冗余将会造成电源性价比的极大下降和器件浪费，并且随着元器件的增多系统的稳定性也同时下降，并非最佳的宽范围电压输入电源设备的解决方案。因此，研究如何仅采用一套电路器件而又能有效实现针对分区域输入电压电路性能优化的拓扑或者拓扑集，即成为了宽范围电压输入电源的有效解决思路，是电力电子系统集成的一个重要组成方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有变拓扑功能的适用宽范围输入、高效率输出的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器。
本发明的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，它包括：
1)直流输入电源，用于提供直流电压；
2)直流-直流转换电路，用于将所述输入的直流恒压型电压转换成脉冲型直流电压，包括第一主开关管、第二主开关管和箝位二极管，第一主开关管的漏极与直流输入电源的正极相连，源极与箝位二极管的阴极相连，第二主开关管的源极与直流输入电源的负极及箝位二极管的阳极相连；
3)有源箝位电路，用于将变压器复位，包括辅开关管和箝位电容，辅开关管的源极与箝位电容的一端相连；
4)隔离变压器，用于将输入、输出部分隔离，给副边输送能量，同时辅助实现主开关管的零电压开关，包括带有激磁电感的隔离变压器，隔离变压器原边的同名端与第一主开关管的源极及箝位电容的一端相连，异名端与第二主开关管的漏极及辅开关管的源极相连；
5)整流电路，用于将交流信号转换成直流信号，包括整流二极管、由第一和第二两个子开关组成的多刀多掷联动开关和短路棒，隔离变压器副边同名端与第一子开关的转换点相连，副边异名端与第二子开关的转换点相连，第一整流二极管的阴极与短路棒的第一个固定端子及第一子开关的第二个端子相连，第二整流二极管的阴极与第一整流二极管的阳极及第一子开关的第一端子相连，第二整流二极管的阳极与第三整流二极管的阳极相连，第三整流二极管的阴极与第四整流二极管的阳极及第二子开关的第一个端子相连，第四整流二极管的阴极与第二子开关的第二个端子及短路棒的第二固定端子相连；
6)输出滤波网络，用于将整流电路输出的脉冲信号滤成直流电压输出给负载，包括第一储能电感、第二储能电感和输出电容，第一储能电感的一端与短路棒的第一个固定端子相连，另一端与输出电容的一端及第二储能电感的一端相连，第二储能电感的另一端与短路棒的第二固定端子相连。
为优化隔离变压器原边的两个有源主开关管实现零电压软开关环境，本发明的进一步特征是，在整流电路中的任意一个整流二极管串联饱和电感。或者在隔离变压器的原边或者副边串联或并联电感器。所说的饱和电感为非饱和高磁导率磁芯构造成的电感器。
本发明的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，通过多刀多掷开关和短路棒连接状态的不同组合，可以得到如下两种不同功能结构的直流变流器：
第一种，整流电路中的第一子开关管的转换点接至第一端子，第二子开关管的转换点接至第一端子，短路棒闭合，形成具有变压器原边为有源箝位双管正反激结构，副边为全桥整流结构，两个储能电感并联的用于低电压输入的多功能有源箝位全桥整流型双管正反激变流器。
第二种，整流电路中的第一子开关管的转换点接至第二端子，第二子开关管的转换点接至第二端子，短路棒断开，形成具有变压器原边为有源箝位双管正反激结构，副边为倍流整流结构，两个储能电感与副边串联的用于高电压输入的多功能有源箝位倍流整流型双管正反激变流器。
本发明中，所说的第一、第二主开关管和辅开关管可以是包含外加或寄生反并二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或可控硅；或者是包含外加或内在寄生电容的MOSFET或IGBT或可控硅。
本发明中，所说的整流电路(130)中的多刀多掷联动开关(K1)是机械开关或继电器或电子开关，所说的短路棒是具有两端同时短路或断开功能的机械开关或继电器或电子开关。
本发明的有益效果在于：
当直流变流器输入电压范围较宽时，可以通过变换拓扑结构来实现根据输入电压高低的不同以最优电路拓扑实现变流。在较低电压输入的情况下变流器可以转入第一种拓扑变换状态电路，此时的副边整流电路为全桥整流型，在同占空比情况下，该输出电压为独立正激电路输出电压的两倍(电压增益为$V_O=\frac{V_{\mathrm{in}}}{n}·2D$)，由此电压可以从较低的输入端经变比后抬升到输出端稳压；在较高电压输入的情况下变流器可以转入第二种拓扑变换状态电路，此时的副边整流电路为倍流整流型，在同在空比情况下，该输出电压为第一种拓扑变换状态电路的一半(电压增益为$V_O=\frac{V_{\mathrm{in}}}{n}·D$)。因为不同状态的占空比与输出电压关系不同，所以该变流器具有不同输入电压下通过拓扑变换实现占空比变化范围下、输出效率高的优点。由此利用一套参数通过不同的组合实现高、低输入电压下均为较优的稳压输出变流器，同时因为在该变流器中第一、第二主开关管，辅开关管，隔离变压器，箝位电容，第一、第二、第三、第四整流二极管和第一、第二储能电感等元件均得到了重复利用，从而减少了系统的元件冗余，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器的一种电路结构图；
图2为本发明的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器的又一种电路结构图；
图3为多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器的第一种拓扑实施电路结构图；
图4为图3所示拓扑的工作波形；
图5为多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器的第二种拓扑实施电路结构图；
图6为图5所示拓扑的工作波形。

具体实施方式

参照图1，本发明的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，它包括：
1)直流输入电源Vin，用于提供直流电压；
2)直流-直流转换电路110，用于将所述输入的直流恒压型电压转换成脉冲型直流电压，包括第一主开关管S1、第二主开关管S2和箝位二极管D1，第一主开关管S1的漏极与直流输入电源Vin的正极相连，源极与箝位二极管D1的阴极相连，第二主开关管S2的源极与直流输入电源Vin的负极及箝位二极管D1的阳极相连；
3)有源箝位电路120，用于将变压器复位，包括辅开关管S3和箝位电容Cc，辅开关管S3的源极与箝位电容Cc的一端相连；
4)隔离变压器TR，用于将输入、输出部分隔离，给副边输送能量，同时辅助实现主开关管S1、S2的零电压开关，包括带有激磁电感的隔离变压器TR，隔离变压器TR原边的同名端N1与第一主开关管S1的源极及箝位电容Cc的一端相连，异名端N2与第二主开关管S2的漏极及辅开关管S3的源极相连；
5)整流电路130，用于将交流信号转换成直流信号，包括整流二极管DR1～DR4、由第一和第二两个子开关K1-a、K1-b组成的多刀多掷联动开关K1和短路棒K1-c，隔离变压器TR副边同名端N3与第一子开关K1-a的转换点相连，副边异名端N4与第二子开关K1-b的转换点相连，第一整流二极管DR1的阴极与短路棒K1-c的第一个固定端子1及第一子开关K1-b的第二个端子2相连，第二整流二极管DR2的阴极与第一整流二极管DR1的阳极及第一子开关K1-a的第一端子1相连，第二整流二极管DR2的阳极与第三整流二极管DR3的阳极相连，第三整流二极管DR3的阴极与第四整流二极管DR4的阳极及第二子开关K1-b的第一个端子1相连，第四整流二极管DR4的阴极与第二子开关K1-b的第二个端子2及短路棒K1-c的第二固定端子2相连；
6)输出滤波网络140，用于将整流电路输出的脉冲信号滤成直流电压输出给负载，包括第一储能电感LO1、第二储能电感LO2和输出电容Co，第一储能电感LO1的一端与短路棒K1-c的第一个固定端子1相连，另一端与输出电容Co的一端及第二储能电感LO2的一端相连，第二储能电感LO2的另一端与短路棒K1-c的第二固定端子2相连。
图2所示的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，在整流二极管DR3串联了饱和电感Ls。这样，可以优化隔离变压器原边的两个有源主开关管实现零电压软开关环境。
本发明的多功能有源箝位变结构型双管正反激直流变流器，通过多刀多掷开关和短路棒连接状态的不同组合，可以得到如下两种不同功能结构的直流变流器：
第一种拓扑电路连接结构如图3所示，整流电路130中的第一子开关管K1-a的转换点接至第一端子1，第二子开关管K1-b的转换点接至第一端子1，短路棒K1-c闭合，形成具有变压器TR原边为有源箝位双管正反激结构，副边为全桥整流结构，储能电感LO1、LO2并联的用于低电压输入的多功能有源箝位全桥整流型双管正反激变流器。
以图2所示直流变流器为例，分析工作过程如下。为了简化分析，在下面的分析中特作如下假定和说明：<1>输出滤波电容CO被认为无穷大而以恒压源代替；<2>电路已经进入稳态；<3>隔离变压器TR的励磁电感在此用Lm表示；<4>第一主开关管S1和第二主开关管S2同时开通，但第二主开关管S2比第一主开关管S1延迟几十纳秒关断；<5>辅开关管S3与主开关管S1、S2互补导通，中间设有必要的死区时间，但在实际情况中死区时间是非常短暂的，但为了更清楚地表述工作过程而把它们画得比较夸大。<6>箝位电容Cc被认为无穷大而以电压源Vc代替。
该变流器的一个开关周期可以分为8个工作状态，各个阶段的工作波形如图4所示。图中，Vgs1～Vgs3分别为开关管S1，S2，S3的开关驱动波形，VTR为隔离变压器TR原边两端的电压波形，Vds1～Vds3分别为开关管S1，S2，S3漏源极之间的电压波形，iLM为流过隔离变压器TR的激磁电流波形，iDR1和iDR3为流过开关管S1，S2，S3的电流波形，ΔiLmAC为激磁电流的交流量峰峰值，iLmDC为激磁电流的直流量；8个工作阶段的具体工作过程分别描述如下：
(1)阶段一(t0～t1)：第一主开关管S1和第二主开关管S2开通，辅开关管S3关断，并且副边饱和电感Ls进入饱和工作模式，此时隔离变压器TR的励磁电感电流在输入电压Vin的作用下线性增长，箝位二极管D1承受反压Vin，辅开关管S3承受电压Vin+Vc。副边二极管DR1、DR3导通。储能电感LO1、LO2并联作为输出滤波电感，和输出滤波电容一起构成LC滤波网络，将二极管整流后的电压滤波成恒定的直流输出。
(2)阶段二(t1～t2)：在t1时刻，第一主开关管S1关断，其寄生电容Coss1 在励磁电流的作用下开始充电，同时辅助开关管S3的寄生电容电压Coss3开始放电。当第一主开关管S1的寄生电容Coss1电压充电至Vin时，辅助开关管S3的寄生电容Coss3的电压达到Vc，此时阶段二结束。
(3)阶段三(t2～t3)：此时第二主开关管S2还没关断，箝位二极管D1导通使励磁电流得以续流，在阶段三中励磁电流保持不变。
(4)阶段四(t3～t4)：在t3时刻，第二主开关管S2关断，辅开关管S3还未开通。第二主开关管S2的寄生电容Coss2开始充电，辅助开关管S3的寄生电容Coss3开始从Vc下降，箝位二极管D1截止。当第二主开关管S2的寄生电容Coss2充电至Vc时，辅助开关管S3的寄生电容Coss3的电压下降到0，辅助开关管S3的寄生二极管开始导通，为辅助开关管S3的零电压开通创造了条件。
(5)阶段五(t4～t5)：在t4时刻，辅开关管S3零电压导通。励磁电流开始在箝位电容Cc的作用下线性下降。但由于饱和电感Ls的作用副边二极管DR1、DR3继续导通。当饱和电感Ls进入饱和状态时，阶段五结束。
(6)阶段六(t5～t6)：在该阶段励磁电流继续在箝位电容Cc的作用下线性下降，隔离变压器Tr上的电压下正上负，此时副边二极管DR1、DR3截止，DR2、DR4导通给副边供电。t6时刻辅开关管S3关断，阶段六结束。
(7)阶段七(t6～t7)：辅开关管S3关断，其寄生电容Coss3开始充电，而第一主开关管S1和第二主开关管S2的寄生电容Coss1、Coss2开始放电，到阶段七结束时，第一主开关管S1和第二主开关管S2的寄生电容Coss1、Coss2上的电压减为零，辅开关管S3的寄生电容Coss3充电至Vin+Vc。此时第一主开关管S1和第二主开关管S2的寄生二极管开始导通。为第一主开关管S1和第二主开关管S2的零电压开通创造了条件。
(8)阶段八(t7～t8)：在t7时刻，为第一主开关管S1和第二主开关管S2的零电压开通，隔离变压器TR的励磁电感电流在输入电压Vin的作用下开始线性增长，但由于饱和电感LS的作用，副边二极管DR1、DR3延时导通，负载电流继续通过二极管DR2、DR4续流。该工作状态直到饱和电感LS饱和为止。
第二种拓扑电路连接结构图5所示，整流电路130中的第一子开关管K1-a的转换点接至第二端子2，第二子开关管K1-b的转换点接至第二端子2，短路棒K1-c断开，形成具有变压器TR原边为有源箝位双管正反激结构，副边为倍流整流结构，储能电感LO1、LO2与副边串联的用于高电压输入的多功能有源箝位倍流整流型双管正反激变流器。
第二种拓扑电路工作过程分析如下。变流器的一个开关周期可以分为8个工作状态，在下面的分析中，同样采用了分析第一中拓扑变化状态电路的假设说明，该阶段的工作波形如图6所示，图中，图中，Vgs1～Vgs3分别为开关管S1，S2，S3的开关驱动波形，VTR为隔离变压器TR原边两端的电压波形，Vds1～Vds3分别为开关管S1，S2，S3漏源极之间的电压波形，iLM为流过隔离变压器TR的激磁电流波形，iDR1和iDR3为流过开关管S1，S2，S3的电流波形，ΔiLmAC为激磁电流的交流量峰峰值，iLmDC为激磁电流的直流量；8个工作阶段的具体工作过程分别描述如下：
(1)阶段一(t0～t1)：第一主开关管S1和第二主开关管S2开通，辅开关管S3关断，并且副边饱和电感Ls进入饱和工作模式，此时隔离变压器Tr的励磁电感电流在输入电压Vin的作用下线性增长，箝位二极管D1承受反压Vin，辅开关管S3承受电压Vin+Vc。电源能量通过储能电感LO1、副边二极管DR3、DR4给负载提供部分能量，储能电感LO1上的电流增长。另外部分能量由储能电感LO2，通过二极管DR1、DR2提供，储能电感LO2能量消减，电流减小。
(2)阶段二(t1～t2)：在t1时刻，第一主开关管S1关断，其寄生电容Coss1在励磁电流的作用下开始充电，同时辅助开关管S3的寄生电容电压Coss3开始放电。当第一主开关管S1的寄生电容Coss1电压充电至Vin时，辅助开关管S3的寄生电容Coss3的电压达到Vc，此时阶段二结束。
(3)阶段三(t2～t3)：此时第二主开关管S2还没关断，箝位二极管D1导通使励磁电流得以续流，在阶段三中励磁电流保持不变。
(4)阶段四(t3～t4)：在t3时刻，第二主开关管S2关断，辅开关管S3还未开通。第二主开关管S2的寄生电容Coss2开始充电，辅助开关管S3的寄生电容Coss3开始从Vc下降，箝位二极管D1截止。当第二主开关管S2的寄生电容Coss2充电至Vc时，辅助开关管S3的寄生电容Coss3的电压下降到0，辅助开关管S3的寄生二极管开始导通，为辅助开关管S3的零电压开通创造了条件。
(5)阶段五(t4～t5)：在t4时刻，辅开关管S3零电压导通。励磁电流开始在箝位电容Cc的作用下线性下降。但由于饱和电感Ls的作用副边整流电路的工作模式不变。当饱和电感Ls进入饱和状态时，阶段五结束。
(6)阶段六(t5～t6)：在该阶段励磁电流继续在箝位电容Cc的作用下线性下降，隔离变压器Tr上的电压下正上负，此时副边电源能量通过储能电感LO2、副边二极管DR1、DR2给负载提供部分能量，储能电感LO2上的电流开始增长。另外部分能量由储能电感LO1，通过二极管DR1、DR2提供，储能电感LO2能量消耗，电流减小。t6时刻辅开关管S3关断，阶段六结束。
(7)阶段七(t6～t7)：辅开关管S3关断，其寄生电容Coss3开始充电，而第一主开关管S1和第二主开关管S2的寄生电容Coss1、Coss2开始放电，到阶段七结束时，第一主开关管S1和第二主开关管S2的寄生电容Coss1、Coss2上的电压减为零，辅开关管S3的寄生电容Coss3充电至Vin+Vc。此时第一主开关管S1和第二主开关管S2的寄生二极管开始导通。为第一主开关管S1和第二主开关管S2的零电压开通创造了条件。
(8)阶段八(t7～t8)：在t7时刻，为第一主开关管S1和第二主开关管S2的零电压开通，隔离变压器TR的励磁电感电流在输入电压Vin的作用下开始线性增长，但由于饱和电感LS的作用，副边整流电路的工作模式不变。该工作状态直到饱和电感LS饱和为止。