[发明专利]一种基于开关电容器的全桥DC/DC变换器及其调制策略

说明书

本发明提供一种基于开关电容器的全桥DC/DC变换器及其调制策略，涉及直流变换器技术领域。变换器包括逆变桥、高频变压器、SCC辅助回路、整流网络滤波电路、负载电路和直流电源。本变换器采用有辅助信号的双极性PWM调制策略，主开关管和辅助开关管均按照相位差180°互补开通方式工作。本发明可实现全桥变换器主开关管的ZCS开通、ZVZCS关断以及辅助开关管ZVZCS开通和ZVS关断。有效降低了大功率场合下变压器主开关管的关断损耗；降低了环流损耗；降低了主开关管的电流应力及整流二极管的电压应力；实现整流二极管的自然换流，避免了整流二极管反向恢复与寄生振荡问题，简化了拓扑结构，提高了变换效率。

技术领域

本发明属于变换器技术领域，特别涉及一种基于开关电容器的全桥DC/DC变换器及其调制策略。

背景技术

DC/DC变换器技术是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压，是一个用开关调节方式高效控制电能变换的技术，这种技术广泛应用于各种开关电源、直流调速、燃料电池、太阳能供电和分布式电源系统中。由于现代电力电子装置愈来愈趋向小型化和轻量化，因此变换器高频化已成为其发展的重要趋势。提高工作频率有助于变换器提高性能，减小体积。但随着开关频率的不断提高，开关损耗也将成比例地增加。另外，噪声污染和电磁干扰(EMI)问题也变得日益突出。针对以上问题，软开关技术被引入直流变换器。随着软开关变换技术的不断发展，各种软开关变换器拓扑结构先后出现。在众多软开关变换拓扑中，全桥变换器由于主功率开关器件电压应力低的特点，更适用于大功率场合，因此受到世界各国相关领域研究人员的普遍关注。

1988年，R.A.Fisher提出了移相全桥ZVS直流变换器，并制作出了工作频率为500kHz的直流变换器。由于其效率高、磁芯利用率高等优点得到十分广泛的应用，但是存在轻载条件下难以实现滞后管ZVS开关，一次侧存在大环流的问题。针对以上问题，20世纪90年代中期，学者提出移相全桥ZVZCS变换器，通过在超前管和滞后管之间串联饱和电感及隔直电容、整流桥后并联能量缓冲回路、并联有源箝位回路等措施实现全桥变换器的ZVZCS软开关。此类拓扑虽然解决了滞后管的软开关、一次侧大环流问题，但是各种辅助回路的引入带来了新的缺点：饱和电抗器的使用将在饱和铁心中产生额外的电能损耗和发热；能量缓冲回路的使用增加了电流尖峰及整流管的电压应力；有源箝位回路中电容并联在整流二极管侧，增大二极管电压应力，存在二极管反向恢复问题；高压大功率场合下，超前管存在较大关断损耗。

“IEEE Transactions on Power Electronics”2014年第29卷第3期公开了“一种采用简单辅助回路的新型ZCS-PWM全桥DC-DC变换器”，采用移相调制策略，原边添加有源辅助回路实现了超前管的ZCS开关，副边添加简单能量缓冲回路实现了滞后管的ZCS开关。拓扑结构复杂，环流损耗较大，而且功率器件的电压电流应力较高。

“IEEE Transactions on Power Electronics”1988年第3卷第4期公开了“一种调节谐振变换器的新方法”，提出了开关电容器(switch-controlled capacitor,SCC)辅助结构，但是该采用调节谐振频率仍然无法很好的实现开关管的零电流开关。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于开关电容器的全桥DC/DC变换器及其调制策略，实现了全桥主开关管的ZCS开通、ZVZCS关断以及辅助开关管的ZVZCS开通和ZVS关断，降低了环流损耗，降低了变换器主开关管电流应力，降低了整流二极管电压应力，解决了整流二极管的反向恢复和寄生振荡问题。可以在高电压的大功率场合实现宽负载范围的高效电能变换。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于开关电容器的全桥DC/DC变换器包括：逆变桥、高频变压器、SCC辅助回路、整流网络、滤波电路、负载电路和直流电源。