具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路及變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路及變換器，涉及電路設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，所述變換器橋臂電路包括：依次連接的電源、橋臂單元、吸收單元、緩沖單元和能量有源回饋單元，所述能量有源回饋單元與所述電源連接；所述橋臂單元將所述電源供應(yīng)的能量傳遞到負(fù)載；所述吸收單元抑制了所述橋臂單元工作時電壓和電流的變化率，并將此過程所獲得的殘留能量轉(zhuǎn)移到所述緩沖單元中；所述緩沖單元將接收到的殘留能量經(jīng)由所述能量有源回饋單元反饋至所述電源。本發(fā)明通過緩沖單元將殘留能量集中接收，并通過能量有源回饋單元將殘留能量回饋到電源中，不僅消除了無損吸收回路的電流環(huán)流問題，而且提高了變換器的效率。
【專利說明】具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路及變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電路設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路及變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]變換器橋臂電路以其高開關(guān)頻率特性被廣泛的應(yīng)用在電子電力變換器中來減小裝置的體積和重量，或提高系統(tǒng)效率。但是，隨著開關(guān)頻率的增大，其開關(guān)損耗將會增大，同時也會產(chǎn)生很大的EMI噪聲，影響周圍電氣設(shè)備和變換器本身的正常工作。
[0003]無損吸收回路是指把開關(guān)過程轉(zhuǎn)移到吸收回路中的能量不經(jīng)由電阻消耗掉，而是設(shè)法回饋到電源側(cè)或負(fù)載側(cè)。現(xiàn)有的各種無損吸收回路技術(shù)幾乎都是通過無源元件和二極管來實(shí)現(xiàn)能量回饋，達(dá)到降低開關(guān)損耗的目的，故無損吸收回路也被稱作無源軟開關(guān)(passive soft switching)。開關(guān)過程中，無損吸收回路對開通di/dt和關(guān)斷dv/dt的抑制，以及吸收回路中能量轉(zhuǎn)移和回饋都是通過電路運(yùn)行的參數(shù)條件變化自動切換工作模式實(shí)現(xiàn)的，故吸收回路中元器件參數(shù)的變化或不一致性對開關(guān)管的開關(guān)過程具有很好的魯棒性；而軟開關(guān)的開關(guān)時序與輔助回路元器件的諧振條件有關(guān)，其輔助元器件參數(shù)的變化或不一致性會惡化開關(guān)管的開關(guān)過程，甚至毀壞開關(guān)管。因此無損吸收回路相比較軟開關(guān)技術(shù)而言，具有可靠性高、成本低、以及適宜于工業(yè)化批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛的研究。但現(xiàn)有的變換器橋臂電路無損吸收回路，要么電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，要么能量回饋支路一直有電流環(huán)流存在，導(dǎo)致變換器的效率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一)要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:如何避免無損吸收回路的電流環(huán)流問題，以提高變換器的效率。
[0006](二)技術(shù)方案
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路，所述變換器橋臂電路包括:依次連接的電源、橋臂單元、吸收單元、緩沖單元和能量有源回饋單元，所述能量有源回饋單元與所述電源連接；
[0008]所述橋臂單元將所述電源供應(yīng)的能量傳遞到負(fù)載；
[0009]所述吸收單元抑制了所述橋臂單元工作時電壓和電流的變化率，并將此過程獲得的殘留能量轉(zhuǎn)移到所述緩沖單元中；
[0010]所述緩沖單元將接收到的殘留能量經(jīng)由所述能量有源回饋單元反饋至所述電源。
[0011]其中，所述橋臂單元包括:兩個開關(guān)管SpS2和兩個二極管，每個開關(guān)管均包括:集電極、發(fā)射極和柵極，第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極連接，所述第一開關(guān)管31的集電極與電源的陽極連接，所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極連接，第一二極管的陽極與所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，所述第一二極管的陰極與所述第一開關(guān)管S1的集電極連接，所述第二二極管的陽極與所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極連接，所述第二二極管的陰極與所述第二開關(guān)管S2的集電極連接，由所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極的連接點(diǎn)為所述負(fù)載供電；
[0012]其中，所述吸收單元包括:兩個電感U、L2、兩個電容Cn、C21和兩個二極管Dn、D21，第一電感L1串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極與電源的陽極之間，第二電感L2串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極之間，第一電容C11并聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極和發(fā)射極之間，所述第二電容C21并聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極和發(fā)射極之間，所述第三二極管D11串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極與所述第一電容C11之間，且其陰極
與所述第一電容C11連接，所述第四二極管D21串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與第二電容C21之間，且其陽極a2與所述第二電容C21連接。
[0013]其中，所述緩沖單元包括:兩個電容C12、C22和兩個二極管D12、D22，第三電容C12的第一端與所述電源的陽極連接，所述第三電容C12的第二端與第五二極管D12的陰極連接，所述第五二極管D12的陽極與所述第三二極管D11的陰極連接，第四電容C22的第一端與所述電源的陰極連接，所述第四電容C22的第二端與所述第六二極管D22的陽極連接，所述第六二極管D22的陰極與所述第四二極管D21的陽極a2連接；
[0014]其中，所述緩沖單元包括:第三電容C。和第五二極管D。，所述第五二極管D。的陽極與所述第三二極管D11的陰極ai連接，所述第五二極管D。的陰極與所述第三電容C。的第一端連接，所述第三電容C。的第二端與所述第四二極管D21的陽極a2連接。
[0015]其中，所述橋臂單元包括:兩個開關(guān)管SpS2和兩個二極管，每個開關(guān)管均包括:集電極、發(fā)射極和柵極，第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極連接，所述第一開關(guān)管31的集電極與電源的陽極連接，所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極連接，第一二極管的陽極與所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，所述第一二極管的陰極與所述第一開關(guān)管S1的集電極連接，所述第二二極管的陽極與所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極連接，所述第二二極管的陰極與所述第二開關(guān)管S2的集電極連接，由所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極的連接點(diǎn)為所述負(fù)載供電；
[0016]其中，所述吸收單元包括:兩個電感U、L2、兩個電容Cn、C21和兩個二極管Dn、D21，第一電感L1和第二電感L2串聯(lián)連接，且連接后的所述第一電感L1和第二電感L2串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極之間，第一電容C11并聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極和發(fā)射極之間，所述第二電容C21并聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極和發(fā)射極之間，由所述第一電感L1和第二電感L2的連接點(diǎn)為負(fù)載供電，所述第三二極管D11串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與所述第一電容C11之間，且其陽極與所述第一電容C11連接，所述第四二極管D21串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極與所述第二電容C21之間，且其陰極a2與所述第二電容C21連接。
[0017]其中，所述緩沖單元包括:第三電容C。和第五二極管D。，所述第五二極管D。的陽極與所述第四二極管D21的陰極a2連接，所述第五二極管D。的陰極與所述第三電容C。的第一端連接，所述第三電容C。的第二端與所述第三二極管D11的陽極ai連接。
[0018]其中，所述緩沖單元包括:兩個電容C12、C22和兩個二極管D12、D22，第三電容C12的第一端與所述第四二極管D21的陽極b2連接，所述第三電容C12的第二端與所述第五二極管D12的陰極連接，所述第五二極管D12的陽極與所述電源的負(fù)極連接，第四電容C22的第一端與所述第三二極管D11的陰極Id1，所述第四電容C22的第二端與所述第六二極管D22的陽極連接，所述第六二極管D22的陰極與所述電源的陽極連接。
[0019]其中，所述能量有源回饋單元為直流/直流隔離式變換電路，所述緩沖單元中電容的電壓低于所述電源的電壓，所述緩沖單元中電容的電壓由所述電源的電壓、所述緩沖單元中電容的電容值、所述直流/直流隔離式變換電路中的變壓器匝比和控制占空比決定。
[0020]其中，所述能量有源回饋單元為直流/直流隔離式變換電路，所述直流/直流隔離式變換電路為推挽式變換電路、正激式變換電路、反激式變換電路、全橋式變換電路或半橋式變換電路。
[0021 ] 其中，所述能量有源回饋單元為直流/直流非隔離式變換電路，所述直流/直流非隔離式變換電路包括輔助開關(guān)管Sal和Sa2，每個輔助開關(guān)管均包括:集電極、發(fā)射極和柵極，所述輔助開關(guān)管Sal的發(fā)射極與第三二極管D11的陽極B1連接，所述輔助開關(guān)管Sal的集電極與所述第五二極管D12的陰極連接，所述輔助開關(guān)管Sa2的集電極與所述第四二極管D21的陰極a2連接，所述輔助開關(guān)管Sa2的發(fā)射極與所述第六二極管D22的陽極連接；
[0022]所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極的連接點(diǎn)的電流10在開關(guān)管S1和第二二極管之間換向時，所述輔助開關(guān)管Sal處于常通狀態(tài)，所述輔助開關(guān)管Sa2處于常斷狀態(tài)，且所述輔助開關(guān)管Sa2能承受預(yù)設(shè)的反向電壓；所述電流10在開關(guān)管S2和第一二極管之間換向時，所述輔助開關(guān)管Sa2處于常通狀態(tài)，Sal處于常斷狀態(tài)，且所述輔助開關(guān)管Sal能承受預(yù)設(shè)的反向電壓，所述反向電壓大小通過改變所述緩沖單元中電容的電容值和吸收單元中電容的電容值之間的比值來調(diào)整。
[0023]其中，所述第一電感L1和第二電感L2為獨(dú)立電感或耦合電感。
[0024]本發(fā)明還公開了一種變換器，其特征在于，所述變換器包括:至少兩個所述的變換器橋臂電路，所有變換器橋臂電路共用一個能量有源回饋單元。
[0025](三)有益效果
[0026]本發(fā)明通過緩沖單元將殘留能量集中接收，并通過能量有源回饋單元將殘留能量回饋到電源中，不僅消除了無損吸收回路的電流環(huán)流問題，而且提高了變換器的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明第一種實(shí)施方式的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖2是本發(fā)明第一種實(shí)施例的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明第二種實(shí)施例的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明第三種實(shí)施例的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5是本發(fā)明第四種實(shí)施例的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0033]圖1是本發(fā)明第一種實(shí)施方式的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)框圖；參照圖1，所述變換器橋臂電路包括:依次連接的電源、橋臂單元、吸收單元、緩沖單元和能量有源回饋單元，所述能量有源回饋單元與所述電源連接；
[0034]所述橋臂單元將所述電源供應(yīng)的能量傳遞到負(fù)載；
[0035]所述吸收單元抑制了所述橋臂單元工作時電壓和電流的變化率，并將此過程獲得的殘留能量轉(zhuǎn)移到所述緩沖單元中；
[0036]所述緩沖單元將接收到的殘留能量經(jīng)由所述能量有源回饋單元反饋至所述電源。
[0037]本實(shí)施方式通過緩沖單元將殘留能量集中接收，并通過能量有源回饋單元將殘留能量回饋到電源中，不僅消除了無損吸收回路的電流環(huán)流問題，而且提高了變換器的效率。
[0038]根據(jù)吸收電感和緩沖電容連接位置的不同，能量有源回饋吸收回路(EnergyActive Recovery Snubber, EARS)的緩沖電容有單緩沖支路電容和雙緩沖支路電容兩種，輔助開關(guān)管的耐壓有低壓(電壓可以是橋臂直流側(cè)電壓的十分之一左右)和常壓(電壓等于橋臂直流側(cè)電壓)兩種。低壓輔助開關(guān)管能量回饋電路具有隔離變壓電路結(jié)構(gòu)，可以是推挽式變換電路、正激式變換電路、反激式變換電路、全橋式變換電路或半橋式變換電路等直流/直流(DC/DC)隔離變換電路拓?fù)湫问健５蛪狠o助開關(guān)管及其能量緩沖電容的電壓與隔離變壓器的匝比有關(guān)。而常壓輔助開關(guān)管能量回饋電路有隔離式和非隔離式兩種。
[0039]實(shí)施例1
[0040]圖2是本發(fā)明第一種實(shí)施例的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)示意圖；本實(shí)施例為變換器橋臂電路中具有雙緩沖支路電容、低壓輔助開關(guān)管的能量有源回饋吸收回路，輔助開關(guān)管構(gòu)成的能量回饋電路是推挽式直流/直流變換電路結(jié)構(gòu)；參照圖2，所述橋臂單元包括:兩個開關(guān)管SpS2和兩個二極管，每個開關(guān)管均包括:集電極、發(fā)射極和柵極，第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極連接，所述第一開關(guān)管S1的集電極與電源的陽極(即圖中的“P”點(diǎn))連接，所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極(即圖中的“N”點(diǎn))連接，第一二極管的陽極與所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，所述第一二極管的陰極與所述第一開關(guān)管S1的集電極連接，所述第二二極管的陽極與所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極連接，所述第二二極管的陰極與所述第二開關(guān)管S2的集電極連接，由所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極的連接點(diǎn)為所述負(fù)載供電。
[0041]優(yōu)選地，所述吸收單元包括:兩個電感U、L2、兩個電容Cn、C21和兩個二極管Dn、D21，第一電感L1串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極與電源的陽極之間，第二電感L2串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極之間，第一電容C11并聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極和發(fā)射極之間，所述第二電容C21并聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極和發(fā)射極之間，所述第三二極管D11串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極與所述第一電容C11之間，且其陰極％與所述第一電容C11連接，所述第四二極管D21串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與第二電容C21之間，且其陽極a2與所述第二電容C21連接；
[0042]優(yōu)選地，所述緩沖單元包括:兩個電容C12、C22和兩個二極管D12、D22，第三電容C12的第一端與所述電源的陽極連接，所述第三電容C12的第二端與第五二極管D12的陰極連接，所述第五二極管D12的陽極與所述第三二極管D11的陰極ai連接，所述第四電容C22的第一端與所述電源的陰極連接，所述第四電容C22的第二端與所述第六二極管D22的陽極連接，所述第六二極管D22的陰極與所述第四二極管D21的陽極a2連接；
[0043]其中，L1和L2是吸收電感，串聯(lián)在開關(guān)管S1和S2的兩側(cè)，用于抑制開關(guān)管開通過程的電流上升率di/dt，以降低開通損耗；Cn和C21是吸收電容，分別并聯(lián)在開關(guān)管S1和S2上，用于抑制開關(guān)管關(guān)斷過程中的電壓上升率dv/dt AdP D21分別與吸收電容C11和C21串聯(lián)，用于防止開關(guān)管開通時吸收電容的電壓通過開關(guān)管短路放電；C12和C22分別為S1和S2對應(yīng)的緩沖電容，通過D12和D22自動換流，在開關(guān)過程將吸收電感和吸收電容的諧振能量轉(zhuǎn)移到C12和C22中。
[0044]下面以橋臂單元上開關(guān)管S1的開關(guān)狀態(tài)為例進(jìn)行分析，S2的開關(guān)工作過程與S1類似，這里便不再贅述。本實(shí)施例的變換器橋臂電路的工作原理為:當(dāng)S1開通時，電感L1的電流逐漸增加，電感L2的電流逐漸減小，二極管D12兩端不再承受反向壓降，則C11通過二極管D12>電感L1、開關(guān)管S1諧振回路向緩沖電容C12轉(zhuǎn)移能量。當(dāng)L2中的電流諧振減小至O時，電源Vin通過電感L1、開關(guān)管S1、二極管D21、電感L2為C21進(jìn)行諧振充電。當(dāng)C11放電結(jié)束后，若L1中的電流除了負(fù)載電流和L2中的電流外，仍存在一定的殘余電流，則L1將通過二極管D11和D12將殘余電流轉(zhuǎn)移到緩沖電容C12中，與此同時，L2與C21仍然進(jìn)行諧振，為C21充電。若匕電流下降為0、C21的電壓充電至L+K+2匕時(定義Vci2=Vc22=Vb),則二極管D22不再承受反向壓降，開始導(dǎo)通，C21通過電感L1、電源Vin、緩沖電容C22、二極管D22、負(fù)載電流10進(jìn)行諧振放電，當(dāng)諧振半周，C21放電電流為O時，C21電壓穩(wěn)定在大于等于Vin但小于等于Vin+Vb的值；若C21電壓充電至Vin+2Vb時，L2電流還未下降為0，此時二極管D22導(dǎo)通，電感L2中多余的電流將經(jīng)過D21、D22轉(zhuǎn)移到緩沖電容C22中，當(dāng)L2中電流下降為O時，C21按上述所說的過程通過電感L1、直流側(cè)電壓源Vin、緩沖電容C22、二極管D22、負(fù)載電流10進(jìn)行諧振放電，諧振半周之后該過程結(jié)束，C21電壓穩(wěn)定在Vin，此后進(jìn)入S1開通穩(wěn)態(tài)。當(dāng)S1關(guān)斷時，電感L1對C11進(jìn)行線性充電，當(dāng)C11電壓充電至ViJVb-Ve21時，二極管D22開始導(dǎo)通，則C2I通過二極管D22、負(fù)載電流源I。、緩沖電容C22進(jìn)行諧振放電，C11通過L1繼續(xù)諧振充電，當(dāng)νε2ι下降到小于等于\時，S1的續(xù)流二極管(S2的反并聯(lián)二極管，即第二二極管)開始導(dǎo)通，則L2通過S1的續(xù)流二極管參與諧振過程，電流逐漸上升。當(dāng)L2的電流上升到10時，若C21的電壓還未放電到O，留有殘余電壓八￥，則(:11充電至￥^+2￥13-八￥;當(dāng)1^2的電流上升到I。時，C21的電壓已經(jīng)放電到0，則C11充電至Vin+2Vb。此后電容C11通過二極管D12、緩沖電容C12、電源Vin、電感L2、S2的反并聯(lián)二極管、負(fù)載電流I。進(jìn)行諧振放電，諧振半周之后C11放電電流為O時，C11電壓穩(wěn)定在大于等于Vin但小于等于Vin+Vb的某個值，而后進(jìn)入S1關(guān)斷穩(wěn)態(tài)。在S1開關(guān)過程中，吸收回路中的能量轉(zhuǎn)移到C12和C22中，因此C12和C22中的電壓是波動的。由于吸收回路的能量緩沖由橋臂上下兩側(cè)的兩個電容C12和C22分別來承擔(dān)，因此其相應(yīng)的回饋電路需要用兩個輔助開關(guān)管和兩個變壓器原邊，故本實(shí)施例的輔助DC/DC隔離變換器采用推挽式變換電路的形式來實(shí)現(xiàn)，但不限于推挽式變換電路。
[0045]本實(shí)施例的變換器橋臂電路中的能量有源回饋單元為推挽式變換電路，其由輔助開關(guān)管Sal、Sa2、二極管Dal、Da2、Ds、變壓器組成，由于推挽式變換電路的工作原理為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的技術(shù)，故而在此不再贅述。輔助開關(guān)管Sal、Sa2的控制方式獨(dú)立于開關(guān)管SpS2的控制邏輯，緩沖電容C12和C22上的電壓平均值取決于變壓器的匝比，變換器輸出側(cè)濾波電感可用變壓器的漏感來獲得。因推挽式變換電路輸出側(cè)為橋臂單元兩側(cè)的電源Vin，輸出電壓需要維持恒定不變，因此可以采用前饋或者反饋的形式實(shí)現(xiàn)可調(diào)占空比。
[0046]圖2中的輔助直流/直流隔離變換電路中的低壓輔助開關(guān)管的選擇只依賴于C12或C22中的電壓和需要回饋的能量，且其控制獨(dú)立于橋臂單元中的開關(guān)管控制邏輯時序。這非常有利于輔助直流/直流隔離變換器的設(shè)計。同一變換器中不同橋臂單元對應(yīng)的緩沖單元可以共用一個輔助直流/直流隔離變換電路。這種具有輔助開關(guān)管的能量有源回饋吸收回路(EARS)技術(shù)，解決了無損吸收回路的能量無源回饋的環(huán)流問題。變換器橋臂電路上的吸收電感、吸收電容及其串聯(lián)的二極管和能量回饋支路在圖2電路的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行相應(yīng)的變化，得到不同的無損吸收回路。
[0047]實(shí)施例2
[0048]圖3是本發(fā)明第二種實(shí)施例的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)示意圖；本實(shí)施例的變換器橋臂電路中具有單緩沖支路電容、低壓輔助開關(guān)管的能量有源回饋吸收回路，輔助開關(guān)管構(gòu)成的能量回饋電路是單端正激式直流/直流變換電路結(jié)構(gòu)；參照圖3，所述橋臂單元包括:兩個開關(guān)管Sp S2和兩個二極管，每個開關(guān)管均包括:集電極、發(fā)射極和柵極，第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極連接，所述第一開關(guān)管31的集電極與電源的陽極連接，所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極連接，第一二極管的陽極與所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，所述第一二極管的陰極與所述第一開關(guān)管S1的集電極連接，所述第二二極管的陽極與所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極連接，所述第二二極管的陰極與所述第二開關(guān)管S2的集電極連接，由所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極的連接點(diǎn)為所述負(fù)載供電。
[0049]所述吸收單元包括:兩個電感Lp L2、兩個電容Cn、C21和兩個二極管Dn、D21，所述第一電感L1和第二電感L2串聯(lián)連接，且連接后的所述第一電感L1和第二電感L2串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極之間，第一電容C11并聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極和發(fā)射極之間，所述第二電容C21并聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極和發(fā)射極之間，由所述第一電感L1和第二電感L2的連接點(diǎn)為負(fù)載供電，所述第三二極管D11串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與所述第一電容C11之間，且其陽極與所述第一電容C11連接，所述第四二極管D21串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極與所述第二電容C21之間，且其陰極a2與所述第二電容C21連接。
[0050]優(yōu)選地，所述緩沖單元包括:第三電容C。和第五二極管D。，所述第五二極管D。的陽極與所述第四二極管D21的陰極a2連接，所述第五二極管D。的陰極與所述第三電容C。的第一端連接，所述第三電容C。的第二端與所述第三二極管D11的陽極ai連接。
[0051]下面以橋臂單元上開關(guān)管S1的開關(guān)狀態(tài)為例進(jìn)行分析，S2的開關(guān)工作過程與S1類似，這里便不再贅述。本實(shí)施例的變換器橋臂電路的工作原理為:當(dāng)S1開通時，電感L1電流線性增加到I。，L2中電流線性減小為0，之后C11通過開關(guān)管S1、電感L1和L2、二極管D21、D。構(gòu)成的放電諧振回路向緩沖電容C。轉(zhuǎn)移能量，電源Vin通過開關(guān)管S1、電感L1和L2、二極管D21給C21進(jìn)行諧振充電。當(dāng)C11放電結(jié)束，C21充電至Vin+V。。時，諧振過程結(jié)束。此后，L1和L2中的電流能量通過二極管Dn、D21、D。轉(zhuǎn)移到緩沖電容C。中。當(dāng)L2中電流降為零時，L1中電流降為I。，此后S1開通暫態(tài)過程結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。當(dāng)S1關(guān)斷時，C11線性充電至Vin，C21通過緩沖電容C。線性放電至Nco ;此后輸入電壓源Vin、電容Cn、C21、C。、輸出電流源I。、L1和L2構(gòu)成諧振回路；當(dāng)L1電流諧振到O時、L2的電流諧振到I。時，C11電壓充電至Vin+V。。、C21電壓放電至O，而后進(jìn)入S1關(guān)斷穩(wěn)態(tài)。依據(jù)電路原理，在S1開關(guān)過程中，吸收回路中的能量轉(zhuǎn)移到同一個緩沖電容C。中，因此C。的電壓是波動的。本實(shí)施例的輔助DC/DC隔離變換器采用單端正激式變換電路的形式來實(shí)現(xiàn)，但不限于單端正激式變換電路。
[0052]本實(shí)施例的變換器橋臂電路中的能量有源回饋單元為單端正激式變換電路，其由輔助開關(guān)管Sa、二極管1、隊、變壓器組成，由于單端正激式變換電路的工作原理為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的技術(shù)，故而在此不再贅述。輔助開關(guān)管Sa的控制方式獨(dú)立于橋臂開關(guān)管的控制邏輯，緩沖電容C。上的電壓平均值取決于變壓器的匝比。同樣其輸出側(cè)的濾波電感可以用變壓器的漏感來實(shí)現(xiàn)。為維持輸出電壓的恒定不變，可以采用前饋或者反饋的控制方式實(shí)現(xiàn)可調(diào)占空比。輔助DC/DC隔離變換器不限于正激形式，也可以采用其他形式。
[0053]實(shí)施例3
[0054]圖4是本發(fā)明第三種實(shí)施例的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)示意圖；本實(shí)施例的變換器橋臂電路中具有單緩沖支路電容、常壓輔助開關(guān)管的能量有源回饋吸收回路，輔助開關(guān)管構(gòu)成的能量回饋電路是雙端正激式直流/直流變換電路結(jié)構(gòu)；參照圖4，本實(shí)施例的變換器橋臂電路與實(shí)施例1的電路結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于:
[0055]所述緩沖單元包括:第三電容C。和第五二極管D。，所述第五二極管D。的陽極與所述第三二極管D11的陰極ai連接，所述第五二極管D。的陰極與所述第三電容C。的第一端連接，所述第三電容C。的第二端與所述第四二極管D21的陽極a2連接。
[0056]本實(shí)施例的輔助DC/DC隔離變換器采用雙端正激式變換電路的形式來實(shí)現(xiàn)，但不限于雙端正激式變換電路。本實(shí)施例的變換器橋臂電路中的能量有源回饋單元為雙端正激式變換電路，其由輔助開關(guān)管sal、Sa2、二極管Dal、Da2, Ds、變壓器組成，由于單端正激式變換電路的工作原理為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的技術(shù)，故而在此不再贅述。
[0057]下面以橋臂單元上開關(guān)管S1的開關(guān)狀態(tài)為例進(jìn)行分析，S2的開關(guān)工作過程與S1類似，這里便不再贅述。本實(shí)施例的變換器橋臂電路的工作原理為開通時，電感L1中電流線性增加到I。，。中電流線性減小到0，開關(guān)管S2的反并聯(lián)二極管截止。此后，C11通過二極管D。、D21, L2,電源Vin、L1, S1組成的諧振回路將能量轉(zhuǎn)移到緩沖電容C。中，電源Vin通過U、Sp D21、L2為C21進(jìn)行諧振充電。當(dāng)C11放電結(jié)束、C21充電至Vin時，諧振過程結(jié)束。諧振過程結(jié)束時，L1和L2中的諧振電流達(dá)到最大值。此后，L1和L2中的諧振電流向C。和C21并聯(lián)放電，當(dāng)L2電流降為零時，L1電流降為I。。此后S1開通暫態(tài)過程結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。iSi關(guān)斷時，輸入電壓源Vin通過電感L1、二極管Dn、輸出電流源10對C11進(jìn)行充電，同時，C21通過輸出電流源I。、輸入電壓源Vin、電感L1、二極管Dn、D。回路將能量轉(zhuǎn)移到緩沖電容C。中。此過程V。。近似看作不變，則C11是線性充電，C21是線性放電，C11和C21的充放電電流相等，均為I。的一半。當(dāng)C21放電結(jié)束后，C11充電至Vin。此后D21、S1的續(xù)流二極管(S2的反并聯(lián)二極管，即第二二極管)導(dǎo)通，將C21的電壓箝位在零電平,L1通過Vin和輸出電流源10向C11和C。電容中諧振放電，同時，C11和C。通過Vin和輸出電流源10給L2進(jìn)行諧振充電。當(dāng)L1電流由10降為零時，L2電流由零上升為I。，諧振過程結(jié)束，S1關(guān)斷暫態(tài)過程也結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。當(dāng)C11充電至Vin時，諧振過程結(jié)束，D21中的電流轉(zhuǎn)移到L2中。與實(shí)施例2的原理類似，在開關(guān)換向期間，C。的電壓是波動的，緩沖電容C。的能量以雙端正激式變換電路的形式回饋到電源側(cè)。同一變換器中不同橋臂單元對應(yīng)的緩沖單元可以共用一個輔助直流/直流隔離變換電路。輔助開關(guān)管sal、Sa2的控制獨(dú)立于開關(guān)管S1、S2的控制邏輯時序，緩沖電容C。上的電壓平均值等于直流側(cè)輸入電壓Vin，其輸出側(cè)的濾波電感也可以用變壓器的漏感實(shí)現(xiàn)。由于雙端正激式變換電路的輸出端為電源，因此要維持輸出電壓的恒定不變，可以采用前饋或反饋的形式實(shí)現(xiàn)可調(diào)占空比。
[0058]實(shí)施例4
[0059]圖5是本發(fā)明第四種實(shí)施例的具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路的結(jié)構(gòu)示意圖；本實(shí)施例的變換器橋臂電路中具有雙緩沖支路電容、常壓輔助開關(guān)管的能量有源回饋吸收回路，輔助開關(guān)管構(gòu)成的能量回饋電路是直流/直流非隔離式變換電路結(jié)構(gòu)；參照圖5，本實(shí)施例的變換器橋臂電路與實(shí)施例2的電路結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于:
[0060]所述緩沖單元包括:兩個電容C12X22和兩個二極管D12、D22，所述第三電容C12的第一端與所述第四二極管D21的陽極b2連接，所述第三電容C12的第二端與所述第五二極管D12的陰極連接，所述第五二極管D12的陽極與所述電源的負(fù)極連接，所述第四電容C22的第一端與所述第三二極管D11的陰極Id1，所述第四電容C22的第二端與所述第六二極管D22的陽極連接，所述第六二極管D22的陰極與所述電源的陽極連接。
[0061]本實(shí)施例的所述能量有源回饋單元為直流/直流非隔離式變換電路，由輔助開關(guān)管Sal和Sa2組成，所述輔助開關(guān)管Sal的發(fā)射極與第三二極管D11的陽極ai連接，所述輔助開關(guān)管Sal的集電極與所述第五二極管D12的陰極連接，所述輔助開關(guān)管Sa2的集電極與所述第四二極管D21的陰極a2連接，所述輔助開關(guān)管Sa2的發(fā)射極與所述第六二極管D22的陽極連接。
[0062]由于本實(shí)施例的，下面開關(guān)管S1的開關(guān)狀態(tài)為例進(jìn)行分析，S2的開關(guān)工作過程與S1類似，這里便不再贅述。本實(shí)施例的變換器橋臂電路的工作原理為:當(dāng)10電流為正時，輔助開關(guān)管Sal工作在導(dǎo)通狀態(tài)，Sa2工作在截止?fàn)顟B(tài)，電流10在開關(guān)管S1與其續(xù)流二極管(gp第二二極管)之間換向，且Sa2能承受預(yù)設(shè)的反向電壓，所述反向電壓大小通過改變所述緩沖單元中電容c12、c22的電容值和吸收單元中電容Cn、C21的電容值之間的比值來調(diào)整。當(dāng)S1開通時，電感L1中電流線性上升，L2中電流線性下降，當(dāng)L1電流上升到I。，L2電流下降為零時，C11通過開關(guān)管S1,電感L1和L2回路為緩沖電容C12進(jìn)行充電，將C11和諧振電感L1和L2的能量全部轉(zhuǎn)移到C12中；當(dāng)S1關(guān)斷時，C11線性充電，當(dāng)C11電壓上升至使D12不再承受反向壓降時，C12開始向負(fù)載放電，將C12的能量全部轉(zhuǎn)移到負(fù)載側(cè)，當(dāng)C12中電壓下降為零時，S1的續(xù)流二極管(即第一二極管)開始導(dǎo)通。
[0063]當(dāng)圖4中的I。電流為負(fù)時，則輔助開關(guān)管Sal工作在截止?fàn)顟B(tài)，Sa2工作在導(dǎo)通狀態(tài)，電流10在開關(guān)管S2與其續(xù)流二極管(即開關(guān)管S1的反并聯(lián)二極管)之間換向。
[0064]圖5的工作原理表明，輔助開關(guān)管Sal和Sa2的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，只與電流10的方向有關(guān)，與橋臂開關(guān)管的控制邏輯時序無關(guān)。因此輔助開關(guān)管Sal和Sa2的控制非常簡單。但在實(shí)際電路中，該輔助開關(guān)管Sal和Sa2會承受反向壓降。可通過調(diào)節(jié)吸收電容C11或C21與緩沖電容C12或C22的比值來降低輔助開關(guān)管所承受的反向電壓。顯然，輔助開關(guān)管承受的反向電壓可以遠(yuǎn)小于正向電壓，因此該輔助開關(guān)管Sal和Sa2可以用IGBT等器件來實(shí)現(xiàn)。
[0065]對于實(shí)施例1?4中任一項所述的變換器橋臂電路,其中，所述第一電感L1和第二電感L2可以為獨(dú)立電感(即普通意義上的電感),還可以為耦合電感,但為耦合電感時,不僅可以使橋臂電路中主開關(guān)管的電流應(yīng)力更小，還可以使開通損耗進(jìn)一步減小。
[0066]對于實(shí)施例1或2所述的變換器橋臂電路，其中，所述能量有源回饋單元為直流/直流隔離式變換電路，所述緩沖單元中電容的電壓低于所述電源的電壓，所述緩沖單元中電容的電壓由所述電源的電壓、所述緩沖單元中電容的電容值、所述直流/直流隔離式變換電路中的變壓器匝比和控制占空比決定。
[0067]本發(fā)明還公開了一種變換器，所述變換器包括:至少兩個實(shí)施例1或3所述的變換器橋臂電路，所有變換器橋臂電路可共用一個能量有源回饋單元，從而簡化電路和節(jié)約成本。
[0068]以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種具有能量有源回饋吸收回路的變換器橋臂電路，其特征在于，所述變換器橋臂電路包括:依次連接的電源、橋臂單元、吸收單元、緩沖單元和能量有源回饋單元，所述能量有源回饋單元與所述電源連接； 所述橋臂單元將所述電源供應(yīng)的能量傳遞到負(fù)載； 所述吸收單元抑制了所述橋臂單元工作時電壓和電流的變化率，并將此過程獲得的殘留能量轉(zhuǎn)移到所述緩沖單元中； 所述緩沖單元將接收到的殘留能量經(jīng)由所述能量有源回饋單元反饋至所述電源。
2.如權(quán)利要求1所述的變換器橋臂電路，其特征在于，所述橋臂單元包括:兩個開關(guān)管SpS2和兩個二極管，每個開關(guān)管均包括:集電極、發(fā)射極和柵極，第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極連接，所述第一開關(guān)管S1的集電極與電源的陽極連接，所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極連接，第一二極管的陽極與所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，所述第一二極管的陰極與所述第一開關(guān)管S1的集電極連接，所述第二二極管的陽極與所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極連接，所述第二二極管的陰極與所述第二開關(guān)管S2的集電極連接，由所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極的連接點(diǎn)為所述負(fù)載供電； 其中，所述吸收單元包括:兩個電感1^、1^2、兩個電容Cn、C21和兩個二極管Dn、D21，第一電感L1串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極與電源的陽極之間，第二電感L2串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極之間，第一電容C11并聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極和發(fā)射極之間，所述第二電容C21并聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極和發(fā)射極之間，所述第三二極管D11串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極與所述第一電容C11之間，且其陰極ai與所述第一電容C11連接，所述第四二極管D21串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與第二電容C21之間，且其陽極a2與所述第二電容C21連接。 其中，所述緩沖單元包括:兩個電容C12、C22和兩個二極管D12、D22，第三電容C12的第一端與所述電源的陽極連接，所述第三電容`C12的第二端與第五二極管D12的陰極連接，所述第五二極管D12的陽極與所述第三二極管D11的陰極連接，第四電容C22的第一端與所述電源的陰極連接，所述第四電容C22的第二端與所述第六二極管D22的陽極連接，所述第六二極管D22的陰極與所述第四二極管D21的陽極a2連接。
3.如權(quán)利要求2所述的變換器橋臂電路，其特征在于，所述緩沖單元包括:第三電容C。和第五二極管D。，所述第五二極管D。的陽極與所述第三二極管D11的陰極ai連接，所述第五二極管D。的陰極與所述第三電容C。的第一端連接，所述第三電容C。的第二端與所述第四二極管D21的陽極a2連接。
4.如權(quán)利要求1所述的變換器橋臂電路，其特征在于，所述橋臂單元包括:兩個開關(guān)管SpS2和兩個二極管，每個開關(guān)管均包括:集電極、發(fā)射極和柵極，第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極連接，所述第一開關(guān)管S1的集電極與電源的陽極連接，所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與所述電源的陰極連接，第一二極管的陽極與所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極連接，所述第一二極管的陰極與所述第一開關(guān)管S1的集電極連接，所述第二二極管的陽極與所述第二開關(guān)管S2的發(fā)射極連接，所述第二二極管的陰極與所述第二開關(guān)管S2的集電極連接，由所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極的連接點(diǎn)為所述負(fù)載供電； 其中，所述吸收單元包括:兩個電感1^、1^2、兩個電容Cn、C21和兩個二極管Dn、D21，第一電感L1和第二電感L2串聯(lián)連接，且連接后的所述第一電感L1和第二電感L2串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極之間，第一電容C11并聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的集電極和發(fā)射極之間，所述第二電容C21并聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極和發(fā)射極之間，由所述第一電感L1和第二電感L2的連接點(diǎn)為負(fù)載供電，所述第三二極管D11串聯(lián)于所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與所述第一電容C11之間，且其陽極與所述第一電容C11連接，所述第四二極管D21串聯(lián)于所述第二開關(guān)管S2的集電極與所述第二電容C21之間，且其陰極a2與所述第二電容C21連接。 其中，所述緩沖單元包括:第三電容C。和第五二極管D。，所述第五二極管D。的陽極與所述第四二極管D21的陰極a2連接，所述第五二極管D。的陰極與所述第三電容C。的第一端連接，所述第三電容C。的第二端與所述第三二極管D11的陽極a1連接。
5.如權(quán)利要求4所述的變換器橋臂電路，其特征在于，所述緩沖單元包括:兩個電容C12> C22和兩個二極管D12、D22，第三電容C12的第一端與所述第四二極管D21的陽極b2連接，所述第三電容C12的第二端與所述第五二極管D12的陰極連接，所述第五二極管D12的陽極與所述電源的負(fù)極連接，第四電容C22的第一端與所述第三二極管D11的陰極Id1，所述第四電容C22的第二端與所述第六二極管D22的陽極連接，所述第六二極管D22的陰極與所述電源的陽極連接。
6.如權(quán)利要求2或4所述的變換器橋臂電路，其特征在于，所述能量有源回饋單元為直流/直流隔離式變換電路，所述緩沖單元中電容的電壓低于所述電源的電壓，所述緩沖單元中電容的電壓由所述電源的電壓、所述緩沖單元中電容的電容值、所述直流/直流隔離式變換電路中的變壓器匝比和控制占空比決定。
7.如權(quán)利要求2~4中任一項所述的變換器橋臂電路，其特征在于，所述能量有源回饋單元為直流/直流隔離式變換電路，所述直流/直流隔離式變換電路為推挽式變換電路、正激式變換電路、反激式變換電路、全橋式變換電路或半橋式變換電路。
8.如權(quán)利要求5所述的變換器橋臂電路，其特征在于，所述能量有源回饋單元為直流/直流非隔離式變換電路，所述直流/直流非隔離式變換電路包括輔助開關(guān)管Sal和Sa2，每個輔助開關(guān)管均包括:集電極、發(fā)射極和柵極，所述輔助開關(guān)管Sal的發(fā)射極與第三二極管D11的陽極B1連接，所述輔助開關(guān)管Sal的集電極與所述第五二極管D12的陰極連接，所述輔助開關(guān)管Sa2的集電極與所述第四二極管D21的陰極a2連接，所述輔助開關(guān)管Sa2的發(fā)射極與所述第六二極管D22的陽極連接； 所述第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第二開關(guān)管S2的集電極的連接點(diǎn)的電流I。在開關(guān)管S1和第二二極管之間換向時，所述輔助開關(guān)管Sal處于常通狀態(tài)，所述輔助開關(guān)管Sa2處于常斷狀態(tài)，且所述輔助開關(guān)管Sa2能承受預(yù)設(shè)的反向電壓；所述電流10在開關(guān)管S2和第一二極管之間換向時，所述輔助開關(guān)管Sa2處于常通狀態(tài)，Sal處于常斷狀態(tài)，且所述輔助開關(guān)管Sal能承受預(yù)設(shè)的反向電壓，所述反向電壓大小通過改變所述緩沖單元中電容的電容值和吸收單元中電容的電容值之間的比值來調(diào)整。
9.如權(quán)利要求2~5中任一項所述的變換器橋臂電路，其特征在于，所述第一電感L1和第二電感L2為獨(dú)立電感或耦合電感。
10.一種變換器，其特征在于，所述變換器包括:至少兩個權(quán)利要求2或3所述的變換器橋臂電路，所有變換器橋臂電路共用一個能量有源回饋單元。
【文檔編號】H02M1/34GK103501109SQ201310513213
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】鄭瓊林, 王蓓蓓, 邵天驄, 張捷頻, 李艷, 黃先進(jìn), 游小杰, 張立偉, 王劍, 郭希錚 申請人:北京交通大學(xué)