CN101043182A - 一种谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振变换器，通过在谐振电感或变压器上增加钳位绕组，当谐振变换器副边短路时，钳位绕组和谐振电感或变压器的耦合以及钳位二极管的共同作用将谐振电容的电压钳位在输入电压或其它值，从而达到抑制原边开关电流应力的目的，使得短路时原边开关电流应力的设计更加灵活。

Description

一种谐振变换器
技术领域
本发明涉及直流变换技术领域，尤其涉及一种谐振变换器。
背景技术
谐振变换器通常包括两个输入端，用于施加输入电压；两个输出端，用于提供输出电压；一个谐振振荡回路，它可以按照它的谐振频率的节拍与输入电压连接。谐振振荡回路的线圈与另一个线圈感应耦合，后者通过一个整流电路与两个榆出端连接。
专利US6970366B2公开了如图1、2所示的谐振变换器。谐振变换器包含一对并联的谐振变换器电路，第一以及第二谐振变换器电路以各自频率但不同相位工作。谐振变换器可以减小输出纹波电流。但是，如图1所示的谐振变换器副边短路时，拓扑固有的响应特性表现为原边开关的电流应力过大，在保护电路未起作用时就有可能使谐振变换器失效；如图2所示的谐振变换器副边短路时，谐振电容的电压被输入电压钳位，主电路参数确定的情况下，原边开关的电流应力完全由输入电压的大小决定，原边开关的电流应力不能够灵活设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种谐振变换器，使得谐振变换器副边短路时，解决原边开关电流应力过大的问题，同时也解决了谐振电容电压只能钳位在输入电压，原边开关电流应力完全由输入电压决定的问题。
为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种谐振变换器，包括第一开关(S1)、第二开关(S2)、第一谐振电感(Lr1)、第一谐振电容(Cr1)、第二谐振电容(Cr2)、第一变压器(T1)、第一钳位二极管(Dc1)、第二钳位二极管(Dc2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)、第二谐振电感(Lr2)、第三谐振电容(Cr3)、第四谐振电容(Cr4)、第二变压器(T2)、第三钳位二极管(Dc3)、第四钳位二极管(Dc4)，所述第一开关(S1)与第二开关(S2)串联后连接在正负输入母线上，所述第一谐振电容(Cr1)与第二谐振电容(Cr2)串联后连接在正负输入母线上，所述第一钳位二极管(Dc1)与第二钳位二极管(Dc2)串联后连接在正负输入母线上，所述第一变压器(T1)原边与第一谐振电感(Lr1)串联后一端连接在第一开关(S1)与第二开关(S2)的中点，另一端连接在第一谐振电容(Cr1)与第二谐振电容(Cr2)的中点，所述第一变压器(T1)副边与第一整流电路连接，所述第三开关(S3)与第四开关(S4)串联后连接在正负输入母线上，所述第三谐振电容(Cr3)与第四谐振电容(Cr4)串联后连接在正负输入母线上，所述第三钳位二极管(Dc3)与第四钳位二极管(Dc4)串联后连接在正负输入母线上，所述第二变压器(T2)原边与第二谐振电感(Lr2)串联后一端连接在第三开关(S3)与第四开关(S4)的中点，另一端连接在第三谐振电容(Cr3)与第四谐振电容(Cr4)的中点，所述第二变压器(T2)副边与第二整流电路连接，所述谐振变换器还包括：第一钳位绕组、第二钳位绕组，所述变压器副边短路时，通过所述钳位绕组和所述谐振电感或所述变压器的耦合以及钳位二极管的共同作用将所述谐振电容的电压钳位在输入电压或其它值。
其中，所述第一钳位绕组的一端与第一谐振电感(Lr1)同名端相连，另一端分别通过第一钳位二极管(Dc1)和第二钳位二极管(Dc2)钳位在正负输入母线上，所述第二钳位绕组的一端与第二谐振电感(Lr2)同名端相连，另一端分别通过第三钳位二极管(Dc3)和第四钳位二极管(Dc4)钳位在正负输入母线上。
其中，所述第一钳位绕组的一端与第一变压器(T1)原边的同名端相连，另一端分别通过第一钳位二极管(Dc1)和第二钳位二极管(Dc2)钳位在正负输入母线上，所述第二钳位绕组的一端与第二变压器(T2)原边的同名端相连，另一端分别通过第三钳位二极管(Dc3)和第四钳位二极管(Dc4)钳位在正负输入母线上。
其中，所述第一整流电路包括第一整流二极管(D1)、第二整流二极管(D2)、所述第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)的阴极连接在正输出母线上，所述第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)的阳极分别与所述第一变压器(T1)的副边连接。
其中，所述第二整流电路包括第三整流二极管(D3)、第四整流二极管(D4)、所述第三整流二极管(D3)和第四整流二极管(D4)的阴极连接在正输出母线上，所述第三整流二极管(D3)和第四整流二极管(D4)的阳极分别与所述第二变压器(T2)的副边连接。
其中，所述整流电路为中心抽头整流电路或全桥整流电路。
其中，所述谐振变换器还包括滤波电容(Co)，所述滤波电容(Co)分别连接在正负输出母线上。
其中，所述开关为功率开关。
以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明谐振变换器副边短路时，通过钳位绕组和谐振电感或变压器的耦合以及钳位二极管的共同作用将谐振电容的电压钳位在输入电压或其它值，从而达到抑制原边开关电流应力的目的，使得短路时原边开关电流应力的设计更加灵活。
附图说明
图1为专利US6970366B2公开的谐振变换器1电路图；
图2为专利US6970366B2公开的谐振变换器2电路图；
图3为谐振电感上增加钳位绕组的谐振变换器电路图；
图4为变压器上增加钳位绕组的谐振变换器电路图；
图5为K＝1，副边短路，主开关S1电流应力示意图；
图6为K＝1.2，副边短路，主开关S1电流应力示意图；
图7为K＝1，副边短路，本发明谐振变换器1工作波形图。
具体实施方式
本发明的核心思想是：当谐振变换器副边短路时，通过钳位绕组和谐振电感或变压器的耦合以及钳位二极管的共同作用将谐振电容的电压钳位在输入电压或其它值，从而达到抑制原边开关电流应力的目的。
下面结合附图做进一步详细说明。
请参阅图3所示谐振电感上增加钳位绕组的谐振变换器电路图，谐振变换器包含一对并联的具有钳位电路的谐振变换器电路，第一以及第二谐振变换器电路以各自频率但不同相位工作。第一以及第二谐振变换器电路的工作频率以及相位由调整器控制，当第一以及第二谐振变换器以相同频率错相90度工作时，可以减小输出纹波电流。
第一具有钳位电路的谐振变换器电路包括两个功率开关S1和S2，第一谐振电路，第一整流电路，第一钳位电路。开关S1、S2串联后连接在正负输入母线上。第一谐振电路由谐振电感Lr1、Cr1、Cr2以及变压器T1构成。Cr1、Cr2串联后连接在正负输入母线上，谐振电感Lr1一端连接在Cr1、Cr2的中点，另一端连接到变压器T1的原边的一端。变压器T1的原边的另一端与开关S1、S2的中点相连。第一钳位电路由第一谐振电感上的钳位绕组和钳位二极管Dc1、Dc2构成。钳位绕组的一端和谐振电感Lr1同名端相连，另一端分别通过二极管Dc1和Dc2钳位在正负输入母线上。第一整流电路由二极管D1、D2构成，D1、D2的阳极分别连接到变压器T1的副边，D1、D2的阴极串联后连接到正输出母线上。其中，整流电路可以采用中心抽头整流电路、全桥整流电路或其它形式。
第二具有钳位电路的谐振变换器电路包括两个功率开关S3和S4，第二谐振电路，第二整流电路，第二钳位电路。开关S3、S4串联后连接在正负输入母线上。第二谐振电路由谐振电感Lr2、Cr3、Cr4以及变压器T2构成。Cr3、Cr4串联后连接在正负输入母线上，谐振电感Lr2一端连接在Cr3、Cr4的中点，另一端连接到变压器T2的原边的一端。变压器T2的原边的另一端与开关S3、S4的中点相连。第二钳位电路由第二谐振电感上的钳位绕组和钳位二极管Dc3、Dc4构成。钳位绕组的一端和谐振电感Lr2同名端相连，另一端分别通过二极管Dc3和Dc4钳位在正负输入母线上。第二整流电路由二极管D3、D4构成，D3、D4的阳极分别连接到变压器T2的副边，D3、D4的阴极串联后连接到正输出母线上。一个滤波电容Co连接在正负输出母线上，其中，整流电路可以采用中心抽头整流电路、全桥整流电路或其它形式。
请参阅图4所示变压器上增加钳位绕组的谐振变换器电路图，谐振变换器包含一对并联的具有钳位电路的谐振变换器电路，第一以及第二谐振变换器电路以各自频率但不同相位工作。第一以及第二谐振变换器电路的工作频率以及相位由调整器控制，当第一以及第二谐振变换器以相同频率错相90度工作时，可以减小输出纹波电流。
第一具有钳位电路的谐振变换器电路包括两个功率开关S1和S2，第一谐振电路，第一整流电路，第一钳位电路。开关S1、S2串联后连接在正负输入母线上。第一谐振电路由谐振电感Lr1、Cr1、Cr2以及变压器T1构成。Cr1、Cr2串联后连接在正负输入母线上；变压器T1的一端通过谐振电感Lr1与开关S1、S2的中点连接，另一端连接到Cr1、Cr2的中点。第一钳位电路由第一谐振电感上的钳位绕组和钳位二极管Dc1、Dc2构成。钳位绕组的一端和变压器T1原边的同名端相连，另一端分别通过二极管Dc1和Dc2钳位在正负输入母线上。其中，整流电路可以采用中心抽头整流电路、全桥整流电路或其它形式。
第二具有钳位电路的谐振变换器电路包括两个功率开关S3和S4，第二谐振电路，第二整流电路，第二钳位电路。开关S3、S4串联后连接在正负输入母线上。第二谐振电路由谐振电感Lr2、Cr3、Cr4以及变压器T2构成。Cr3、Cr4串联后连接在正负输入母线上；变压器T2的一端通过谐振电感Lr2与开关S3、S4的中点连接，另一端连接到Cr3、Cr4的中点。第二钳位电路由第二谐振电感上的钳位绕组和钳位二极管Dc3、Dc4构成。钳位绕组的一端和变压器T2原边的同名端相连，另一端分别通过二极管Dc3和Dc4钳位在正负输入母线上。一个滤波电容Co连接在正负输出母线上，其中，整流电路可以采用中心抽头整流电路、全桥整流电路或其它形式。
本发明中，钳位绕组和谐振电感的匝比定义为K。通过调节K值，可以调节副边短路时原边开关的电流应力。如图5、图6所示在K值不同时，副边短路，原边开关的电流应力不同。K值不同时，谐振电容的电压被钳位在输入电压或其它值，谐振变换器的工作原理类似，下面将以K＝1来说明谐振变换器在副边短路时的工作原理。
第一以及第二具有钳位电路的谐振变换器电路在副边短路时的工作原理相同。下面以第一具有钳位电路的谐振变换器电路来说明短路态工作原理。K＝1，副边短路时，一个开关周期可以分成6个工作模式，相应的工作波形如图7所示。6个工作模式的工作原理分别描述如下：
模式1：t0＜t＜t1
在t＝t0时刻，S2关断，钳位绕组电流对主开关S1的输出结电容放电，S1的漏源电压Vds1开始下降，当Vds1下降到零，S1的体二极管导通。钳位绕组的电流减小，在此阶段内S1可以零电压开通。在副边，整流二极管D2导通。
模式2：t1＜t＜t2
在t＝t1时刻，钳位绕组的电流为零，流过S1的电流过零开始以正弦形式逐渐上升。B点以及C点电压逐渐上升。电流由输入母线的正端经S1，T1，谐振电感，Cr2流到输入母线负端。在副边，整流二极管D1导通。
模式3：t2＜t＜t3
在t＝t2时刻，B点以及C点电压由谐振电感耦合，B点以及C点电压被输入电压正端钳位。在副边，整流二极管D1导通。
模式4：t3＜t＜t4
在t＝t3时刻，S1关断，钳位绕组电流对主开关S2的输出结电容放电，S2的漏源电压Vds2开始下降，当Vds2下降到零，S2的体二极管导通。钳位绕组的电流减小，在此阶段内S2可以零电压开通。在副边，整流二极管D1导通。
模式5：t4＜t＜t5
在t＝t4时刻，钳位绕组的电流为零，流过S2的电流过零开始以正弦形式逐渐上升。B点以及C点电压逐渐下降。电流由输入母线的正端经Cr1，谐振电感，T1，S2流到输入母线负端。在副边，整流二极管D2导通。
模式6：t5＜t＜t6
在t＝t5时刻，B点以及C点电压由谐振电感耦合，B点以及C点电压被输入电压负端钳位。在副边，整流二极管D2导通。
本发明经过实验，验证了理论分析的正确性与可行性。
以上对本发明所提供的一种谐振变换器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1、一种谐振变换器，包括第一开关(S1)、第二开关(S2)、第一谐振电感(Lr1)、第一谐振电容(Cr1)、第二谐振电容(Cr2)、第一变压器(T1)、第一钳位二极管(Dc1)、第二钳位二极管(Dc2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)、第二谐振电感(Lr2)、第三谐振电容(Cr3)、第四谐振电容(Cr4)、第二变压器(T2)、第三钳位二极管(Dc3)、第四钳位二极管(Dc4)，所述第一开关(S1)与第二开关(S2)串联后连接在正负输入母线上，所述第一谐振电容(Cr1)与第二谐振电容(Cr2)串联后连接在正负输入母线上，所述第一钳位二极管(Dc1)与第二钳位二极管(Dc2)串联后连接在正负输入母线上，所述第一变压器(T1)原边与第一谐振电感(Lr1)串联后一端连接在第一开关(S1)与第二开关(S2)的中点，另一端连接在第一谐振电容(Cr1)与第二谐振电容(Cr2)的中点，所述第一变压器(T1)副边与第一整流电路连接，所述第三开关(S3)与第四开关(S4)串联后连接在正负输入母线上，所述第三谐振电容(Cr3)与第四谐振电容(Cr4)串联后连接在正负输入母线上，所述第三钳位二极管(Dc3)与第四钳位二极管(Dc4)串联后连接在正负输入母线上，所述第二变压器(T2)原边与第二谐振电感(Lr2)串联后一端连接在第三开关(S3)与第四开关(S4)的中点，另一端连接在第三谐振电容(Cr3)与第四谐振电容(Cr4)的中点，所述第二变压器(T2)副边与第二整流电路连接，其特征在于，还包括：第一钳位绕组、第二钳位绕组，所述变压器副边短路时，通过所述钳位绕组和所述谐振电感或所述变压器的耦合以及钳位二极管的共同作用将所述谐振电容的电压钳位在输入电压或其它值。
2、如权利要求1所述谐振变换器，其特征在于：所述第一钳位绕组的一端与第一谐振电感(Lr1)同名端相连，另一端分别通过第一钳位二极管(Dc1)和第二钳位二极管(Dc2)钳位在正负输入母线上，所述第二钳位绕组的一端与第二谐振电感(Lr2)同名端相连，另一端分别通过第三钳位二极管(Dc3)和第四钳位二极管(Dc4)钳位在正负输入母线上。
3、如权利要求1所述谐振变换器，其特征在于：所述第一钳位绕组的一端与第一变压器(T1)原边的同名端相连，另一端分别通过第一钳位二极管(Dc1)和第二钳位二极管(Dc2)钳位在正负输入母线上，所述第二钳位绕组的一端与第二变压器(T2)原边的同名端相连，另一端分别通过第三钳位二极管(Dc3)和第四钳位二极管(Dc4)钳位在正负输入母线上。
4、如权利要求1至3任一项所述谐振变换器，其特征在于：所述第一整流电路包括第一整流二极管(D1)、第二整流二极管(D2)、所述第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)的阴极连接在正输出母线上，所述第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)的阳极分别与所述第一变压器(T1)的副边连接。
5、如权利要求1至3任一项所述谐振变换器，其特征在于：所述第二整流电路包括第三整流二极管(D3)、第四整流二极管(D4)、所述第三整流二极管(D3)和第四整流二极管(D4)的阴极连接在正输出母线上，所述第三整流二极管(D3)和第四整流二极管(D4)的阳极分别与所述第二变压器(T2)的副边连接。
6、如权利要求1至5任一项所述谐振变换器，其特征在于：所述整流电路为中心抽头整流电路或全桥整流电路。
7、如权利要求1至6任一项所述谐振变换器，其特征在于：还包括滤波电容(Co)，所述滤波电容(Co)分别连接在正负输出母线上。
8、如权利要求1至7任一项所述谐振变换器，其特征在于：所述开关为功率开关。
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