[发明专利]一种带辅助换流电路的电流源型全桥PWM变换器

说明书

技术领域

本发明涉及电学领域，尤其涉及降低功率器件开关损耗的技术，特别是一种带辅助换流电路的电流源型全桥PWM变换器。

背景技术

全桥的PWM（Pulse Width Modulation）变换器已经被普遍运用于大功率DC-DC（直流-直流）功率转换中。然而其寿命和效率是我们着重需要关注的两大方面。电压源型的移相全桥变换器工作在ZVS（Zero Voltage Switching）状态下是如今应用最为广泛的电路拓扑之一，其优点在于结构简单，并且有很好的工作性能，然而在其电路拓扑中，直流侧并接大容量电解电容，使得直流侧电压基本无脉动，且该电容还起到了缓冲无功能量的作用，但由于电解电容的工作寿命通常约为一万个小时，远低于变换器期望的工作寿命，因而成为制约变换器寿命进一步提高的瓶颈。然而在电流源型全桥PWM变换器的电路拓扑中，不同于电压源型，其直流侧串联大电感，使得直流侧电流基本无脉动，且该大电感也起到了缓冲无功能量的作用，由于规避了电解电容的使用，从而延长了变换器的工作寿命；另一方面，为了极大限度的提高变换器的功率密度，减小功率损耗和提高开关频率是两个主要的设计方向。然而增加开关频率必然会增大器件的开关损耗，因此我们需要通过软开关的方式来减小器件的开关损耗。电压源型的移相全桥变换器工作在ZVS状态下是如今应用最为广泛的软开关拓扑之一，然而ZVS更适用于如MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor FET）一类的开关器件。而在高压大功率的场合，IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）因其载流能力强、导通损耗低而取得广泛的应用，但由于其关断时存在的拖尾电流，则会造成其在关断时存在较高的关断损耗。因此在高压大功率的场合下，电流源型的全桥PWM变换器工作在ZCS（Zero Current Switching）状态下比电压源型的全桥电路工作在ZVS状态下更有利于提高变换器的效率，此外电流源型全桥PWM变换器的输出端不需要接庞大的输出滤波电感，避免了整流二极管与谐振电感的高频震荡，减小了二极管电压应力高的问题，这也使得电流源型的变换器相比于电压源型更适合应用于高压大功率的场合。

传统的电流源型全桥PWM变换器由于其滞后桥臂存在换流困难的问题，因此其电路中谐振电容与谐振电感的选取则要满足电路换流的需要，由此引起的占空比丢失，导通损耗过大，电流电压应力过大等问题也使得传统的电流源型全桥PWM变换器的效率受到严重影响；此外由于开关管换流模式的限制，使得传统的电流源型全桥PWM变换器对于输入电流的控制十分有限，这也使得其在实际应用中产生诸多问题。

四川大学的Qian Sun提出了一种由输入电流大小决定的谐振电容能量可控的电流源型全桥PWM变换器，如图1所示，该变换器在传统电流源型变换器电路拓扑基础上在变压器原边串入辅助网络100，该辅助网络由两个辅助开关管S₁、S₂和谐振电容C_r并联构成，该电路拓扑的特点是在不同电流输入的情况下谐振电容中的能量也不同，使得电路回路中的谐振能量根据工作情况的不同而不同，一方面实现了主开关管的ZCS，一方面降低了因谐振能量过大而引起的过高的器件导通损耗，此外还使变换器ZCS实现的工作范围得以扩大。但是由于其谐振电容的充放电过程使得该电路拓扑仍然存在明显的占空比丢失问题，使得变换器的效率无法得到进一步的提高。

发明内容

本发明是针对传统的电流源型全桥PWM变换器存在的问题，提出了一种带辅助换流电路的电流源型全桥PWM变换器，有效解决传统电流源型全桥PWM变换器中主要存在的滞后桥臂的换流和占空比丢失问题，提高变换器的工作效率。