專利名稱：一種最小電流跟蹤控制zvs直流變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及是一種高效率電能變換裝置，特別是一種應用于中、小功率直流變換器。
背景技術：
以計算機為主導的各種終端設備、通信設備等電子設備中大量采用不同的控制IC 芯片，因此具備多路輸出電壓等級的開關變換器成為一種趨勢。為了進一步減小開關變換器的體積，開關電源高頻化趨勢越來越明顯。然而，開關速度提高后，器件的損耗急劇上升， 不僅帶來EMI及熱應力等問題，還會降低變換器本身的可靠性。為了要提高開關頻率及減少開關損耗，ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源的工作效率。實現傳統的軟開關技術需要增加額外的諧振電感或諧振電容，但是這種方法不僅會增加變換器的體積和復雜性，且功率器件的應力也急劇上升。為了實現對開關變換器的高效率、高可靠性和低EMI，就必然對傳統硬開關技術進行創新，同時也要滿足多路輸出的需要。不控全橋(d=50%)做為前級變換器以其高效率、高功率密度、提供電氣隔離等諸多優點廣泛應用于級聯變換器架構中。工作在電流斷續Boost變換器其主開關管工作在ZCS 狀態，具有效率高、EMI低的優點。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是針對有電氣隔離要求的多路輸出場合，提出了一種最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器。本實用新型為解決上述技術問題采用以下技術方案一種最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，包括前級Buck變換器、后級Boost變換器，所述前級Buck變換器為不控全橋或不控半橋變換器，所述后級Boost變換器為工作在電流斷續模式的Boost變換器。進一步的，本實用新型的最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，所述前級Buck變換器包括輸入電源、全橋電路、隔離變壓器，第一至第二同步整流管；所述后極Boost變換器包括輸入電感、開關管、整流二極管、輸出濾波電容、負載；其中所述輸入電源的兩端分別連接全橋電路的兩端，所述隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接全橋電路的兩個橋臂的中點，所述隔離變壓器的副邊繞組的一端與第一同步整流管的源極連接，所述隔離變壓器的副邊繞組的另一端與第二同步整流管的源極連接，所述第一同步整流管的漏極分別與第二同步整流管的漏極、輸入電感的一端連接；所述輸入電感的另一端分別與開關管的漏極、整流二極管的陽極連接，整流二極管的陰極分別與輸出濾波電容的一端、負載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負載的另一端、開關管的源極分別與隔離變壓器副邊繞組的中點連接。做為本實用新型的另一種形式的最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，所述前級Buck變換器由輸入電源、半橋電路、電容支路、隔離變壓器，第一至第二同步整流管，所述電容支路由兩個相互串聯的電容組成；所述后極Boost變換器包括輸入電感、開關管、整流二極管、輸出濾波電容、負載；其中所述輸入電源的兩端分別連接半橋電路、電容支路的兩端，所述隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接半橋電路的橋臂中點、電容支路的中點，所述隔離變壓器的副邊繞組的一端與第一同步整流管的源極連接，所述隔離變壓器的副邊繞組的另一端與第二同步整流管的源極連接，所述第一同步整流管的漏極分別與第二同步整流管的漏極、輸入電感的一端連接；所述輸入電感的另一端分別與開關管的漏極、整流二極管的陽極連接，整流二極管的陰極分別與輸出濾波電容的一端、負載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負載的另一端、開關管的源極分別與隔離變壓器副邊繞組的中點連接。進一步的，本實用新型的最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，所述后級Boost變換器的數量為N個，N為自然數。本實用新型采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果本實用新型的一種最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，具有磁性元件少、功率開關管的電流應力及熱應力低的優點，同時斷續模式下的Boost變換器的主開關管工作時刻由前級不控全橋的控制信號給出，不控全橋功率開關管的ZCS實現條件不依賴于輸入電壓和負載電流等外部變量，有利于變換器實現高功率密度、高效率。
圖1是本實用新型的變換器示意圖。圖2是本實用新型的優選實例的變換器一種工作情況下的主要波形示意圖。圖3是不控半橋替代不控全橋形成的變換器示意圖。圖4是本實用新型的優選實例的變換器應用于多路輸出狀態下的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明如圖1所示，本實用新型的最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，前級為由輸入電源 Vin，開關管Q1-Q4，隔離變壓器TX1，同步整流管Q5-Q6構成的不控全橋。不控全橋的占空比為近似50%，橋臂的上下管之間插入死區以防止共通。Boost變換器由輸入電感Li，開關管 Q7，整流二極管D1，輸出濾波電容Cl，負載Rl構成。不控全橋的輸出電感和Boost變換器的輸入電感共用Li，減少了磁性元件的使用，提升變換器的功率密度。如圖2所示，其給出了本實用新型的優選實例的變換器一種工作情況下的時序和主要波形示意圖。圖2從上至下波形分別為不控全橋中開關管Q1、Q4、Q5的驅動波形；不控全橋中開關管Q2、Q3、Q6的驅動波形；后級Boost主開關管所用的同步信號；Boost主開關管Q7的驅動波形；隔離變壓器原邊電流ip ；Boost變換器輸入電感Ll電流波形。由圖2 可知，ZCS不控全橋疊加斷續Boost變換器在一個開關周期內可分為6種開關模式，分別為 [t。，tj、[t1 t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]，其中[t。，t3]為前半周期，[t3，t6]為后半周期。以下簡要介紹各工作模態時變換器的工作原理。[0023][t0, tj 模態不控全橋中開關管Q1、Q4、Q5導通，隔離變壓器激磁電流線性增加。同時，將不控全橋開關管動作的上升沿時刻提供給Boost變換器閉環控制器做為同步信號，此時Boost 變換器的開關管Q7同步導通，輸入電感iu儲存能量電流線性上升。變壓器中原邊電流ip 由激磁電感電流和輸入電感iu折算到原邊電流兩部分疊加組成。由圖2可知，t0時刻，在變壓器原邊中僅有很小的激磁電流流過，因此不控全橋的開關管Ql和Q4和整流管Q5可近似認為為ZCS開通。在、時亥lj，電感的電流值達到最小值，在此時不控全橋Ql和Q4開通損耗最低，實現了對負載最小電流跟蹤控制。Et1，t2]模態Boost變換器的輸出電壓達到期望的V。ut，Boost變換器的主開關管Q7關閉。輸入電感iu儲存能量通過功率二極管Dl釋放到輸出端，電感電流iu在輸入電壓和輸出電壓的共同作用下線性下降。變壓器中原邊電流ip由激磁電感電流和輸入電感iu折算到原邊電流兩部分疊加組成。我們通過選擇合適的電感值大小保證在該模態結束時電感電流下降為0，保證在t2時刻不控全橋的主開關管始終處于ZCS關閉狀態。由圖2可知，在t2時刻變壓器原邊中僅有激磁電流流過，因此不控全橋的開關管Ql和Q4和整流管Q5可近似認為為ZCS關閉。[t2, t3]模態不控全橋中開關管全部關閉，隔離變壓器原邊電流在激磁電感和開關管結電容諧振影響下下降，因這段死區時間較短，原邊電流也可近似認為不變化。此時，Boost輸入電感電流iu已經為0，整流二極管Dl可認為ZCS關斷，負載端能量由電容Cl提供。由于在該模態結束時，原邊變壓器中僅流過很小的激磁電流，保證在后半開關周期內不控全橋工作在ZCS開通狀態。后半周期[t3，t6]的開關工作模態和前半周期[、，t3]是相同的，不再分析。由以上分析可知，我們通過設定Boost變換器的主開關管工作時刻由前級不控全橋的控制信號給定，保證Boost變換器的工作模態和不控全橋同步，同時通過選擇合適的參數將Boost變換器始終處于斷續模式下工作。因此不僅Boost變換器的整流二極管Dl 可實現ZCS關斷，而且可以保證不控全橋的主開關管Q1-Q4和同步整流開關管Q5-Q6始終處于ZCS開通和關閉狀態。通過這樣的設計，就可以極大的降低變換器中所有功率開關管和二極管的開關損耗，提高了變換器的效率。本實用新型的優選實例的具體參數如下輸入電壓為36VDC-75VDC ；輸出電壓 27VDC;輸出電流3A;變壓器匝比為3 1 ；輸出濾波電感Ll為5 μ H ；輸出濾波電容Cl為 200 μ F ；不控全橋主開關管和同步整流開關管均為IPB108m5N3G，其控制芯片為肌觀025， 設定的開關頻率為100kHz，死區時間為500nS ；Boost變換器的主開關管為，整流二極管為 STPS40SM100C，其控制芯片為UC3842，由原理可知接受到的同步信號為200kHz。如圖3所示，本實用新型的另一種變換器的結構示意圖。與圖1所示的前級采用不控全橋不同，圖3的前級采用的是不控半橋。其中不控半橋的開關管工作于ZCS狀態， Boost變換器工作在電流斷續模式，和圖1所示的工作原理完全一致。如圖4所示，其給出了本實用新型的優選實例的變換器在多路輸出架構中的拓展應用。理論上，可通過在不控全橋的整流管后拓展任意多路輸出電壓以滿足不同電壓等級的需求。和圖1所示的工作原理完全一致，后級多路輸出的Boost變換器開關管的工作時刻由前級不控全橋控制芯片給出實現同步，因此可以同樣實現不控全橋開關管Q1-Q4和同步整流管Q5-Q6的ZCS開通和關閉。
權利要求1.一種最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，包括前級Buck變換器、后級Boost變換器， 其特征在于所述前級Buck變換器為不控全橋或不控半橋變換器，所述后級Boost變換器為工作在電流斷續模式的Boost變換器。
2.根據權利要求1所述的最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，其特征在于所述前級Buck變換器包括輸入電源、全橋電路、隔離變壓器，第一至第二同步整流管；所述后極 Boost變換器包括輸入電感、開關管、整流二極管、輸出濾波電容、負載；其中所述輸入電源的兩端分別連接全橋電路的兩端，所述隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接全橋電路的兩個橋臂的中點，所述隔離變壓器的副邊繞組的一端與第一同步整流管的源極連接，所述隔離變壓器的副邊繞組的另一端與第二同步整流管的源極連接，所述第一同步整流管的漏極分別與第二同步整流管的漏極、輸入電感的一端連接；所述輸入電感的另一端分別與開關管的漏極、整流二極管的陽極連接，整流二極管的陰極分別與輸出濾波電容的一端、負載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負載的另一端、開關管的源極分別與隔離變壓器副邊繞組的中點連接。
3.根據權利要求1所述的最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，其特征在于所述前級 Buck變換器由輸入電源、半橋電路、電容支路、隔離變壓器，第一至第二同步整流管，所述電容支路由兩個相互串聯的電容組成；所述后極Boost變換器包括輸入電感、開關管、整流二極管、輸出濾波電容、負載；其中所述輸入電源的兩端分別連接半橋電路、電容支路的兩端，所述隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接半橋電路的橋臂中點、電容支路的中點，所述隔離變壓器的副邊繞組的一端與第一同步整流管的源極連接，所述隔離變壓器的副邊繞組的另一端與第二同步整流管的源極連接，所述第一同步整流管的漏極分別與第二同步整流管的漏極、輸入電感的一端連接；所述輸入電感的另一端分別與開關管的漏極、整流二極管的陽極連接，整流二極管的陰極分別與輸出濾波電容的一端、負載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負載的另一端、開關管的源極分別與隔離變壓器副邊繞組的中點連接。
4.根據權利要求1-3所述的最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，其特征在于所述后級Boost變換器的數量為N個，N為自然數。
專利摘要本實用新型公開了一種最小電流跟蹤控制ZVS直流變換器，包括前級Buck變換器、后級Boost變換器，前級Buck變換器為不控全橋或不控半橋變換器，后級Boost變換器為工作在電流斷續模式的Boost變換器。本實用新型用不控全橋做為直流變換器前級不僅可以實現與輸入電壓的電氣隔離，而且可以利用變壓器變比關系將寬輸入電壓降低至合適的變化范圍。利用Boost變換器工作于斷續狀態實現前級不控全橋在設計范圍內工作于ZCS狀態，與輸入電壓、負載條件無關，同時，Boost變換器的開關管動作時刻由前級不控全橋的控制信號決定。
文檔編號H02M7/217GK202190213SQ20112032067
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者周巖 申請人:南京郵電大學