CN101588134B - 一种隔离型整流电路及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离型整流电路及其应用，它主要由2个变压器T1、T2和4个二极管D1、D2、D3、D4组成；其中，二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连；二极管D2的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连；二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连；二极管D4的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。本发明可以拓展到常规的由Buck电路演变而来的隔离型直流-直流变换器，此整流结构同样适合于采用同步整流的方式，提高效率。

Description

一种隔离型整流电路及其应用

技术领域

本发明涉及直流-直流电能变换领域，尤其涉及一种隔离型直流-直流变换器。

背景技术

目前在中、大功率的隔离型直流-直流变换器中，很多时候采用多相交错并联技术，以减小开关管和变压器中的电流应力，降低开关损耗，提高效率。

多相交错并联的拓扑结构可以分为两种，一种是多个单元拓扑并联，每个单元电路的开关时序相差一定相位，以达到交错并联的效果，分担电流应力，同时还可以减小输出的电流纹波。还有一种是每个开关单元利用同一个输出滤波电感，变压器将高频交流经过整流后，输出到同一个滤波电感，如图1，减少了磁元件的数量，提高功率密度，但是这种电路结构的占空比不能超过0.5，因此变换器的稳态增益受到限制，输出变化范围也有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种隔离型直流-直流变换器，本发明可以提高变换器的增益，增加输入、输出电压的变化范围。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

方案1：一种隔离型整流电路，它主要由2个变压器T1、T2和4个二极管D1、D2、D3、D4组成。其中，二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D2的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D4的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。

方案2：一种隔离型整流电路，它主要由2个变压器T1、T2和6个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成。其中，二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D2的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D4的正极与变压器T2的第四输出端相连，负极与变压器T1的第三输出端相连。二极管D5的正极与变压器T2的第四输出端相连，负极与变压器T1的第四输出端相连。二极管D6的正极与变压器T2的第三输出端相连，负极与变压器T1的第三输出端相连。变压器T1的第一输出端与变压器T2的第四输出端相连，变压器T2的第二输出端与变压器T1的第三输出端相连。

方案3：一种隔离型整流电路，它主要由3个变压器T1、T2、T3和7个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7组成。二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D2的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D4的正极与变压器T3的第一输出端相连，负极与变压器T2的第二输出端相连。二极管D5的正极与变压器T3的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D6的正极与变压器T3的第二输出端相连，负极与变压器T2的第二输出端相连。二极管D7的正极与变压器T3的第二输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。

一种方案1所述隔离型整流电路在构建两相有源钳位正激电路方面的应用。

一种方案2所述隔离型整流电路在构建两相半桥电路、两相全桥电路、两相正反激电路和两相推挽电路方面的应用。

本发明的有益效果是：

1、通过增加一个二极管，将传统的单纯的并联结构变成可以并联也可以串联的整流结构，提高了增益，增加了输出电压的变化范围。不仅保留了原来的交错并联的优点，而且扩展了输出电压的变化范围。

2、本发明的整流结构采用交错控制可以进一步降低滤波电感的体积，减小电流纹波。

3、本发明的整流电路不仅仅限于两相并联，也可以用于多项电路单元串并联，进一步提高增益。

附图说明

图1是现有的一种交错并联电路图；

图2是本发明隔离型整流电路的电路图；

图3是图2所示本发明隔离型整流电路第一种工作方式的关键模拟波形图；

图4是图2所示本发明隔离型整流电路第二种工作方式的关键模拟波形图；

图5是本发明采用中心抽头式变压器的整流电路的电路图；

图6是本发明三个变压器单元的实施方式电路图

图7是应用本发明构建的两相有源钳位正激电路的电路图；

图8是应用本发明构建的两相半桥电路的电路图；

图9是应用本发明构建的两相全桥电路的电路图；

图10是应用本发明构建的两相正反激电路的电路图；

图11是应用本发明构建的两相推挽电路的电路图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1、图2所示，本发明在现有的单滤波电感的交错并联整流电路的基础上，增加一个二极管D4，改变了整流结构的组合方式，使得变压器的输出端能够随着占空比的变化实现并联和串联的自动调整，突破了传统的只能实现并联方式的电路结构。通过串联的工作方式，提高了电路的稳态增益。

实施例1：

如图2所示，本发明的整流电路主要由2个变压器T1、T2和4个二极管D1、D2、D3、D4组成。定义变压器T1的1端为第一输入端，2端为第二输入端，3端为第一输出端，4端为第二输出端；第一输入端和第一输出端为同名端。同理，定义变压器T2的1端为第一输入端，2端为第二输入端，3端为第一输出端，4端为第二输出端；第一输入端和第一输出端为同名端。

二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D2的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D4的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。

工作时，利用增加的二极管D4，使得两个变压器T1、T2的输出端可以工作在串联状态，提高了变换器的电压输出增益。

电路的工作状态根据变压器输入电压的不同，可以分为两种情况。第一种情况：当占空比小于设定值时，两个变压器的输入电压没有交叠，始终处于交错并联状态。假设电路初始状态为：变压器T1的输入电压为正，变压器T2的输入电压为负，二极管D2导通，二极管D1、D3和D4反偏。

当变压器T1的输入电压由正变负时，二次侧的二极管D2、D3之间开始换流，这时变压器T1的二次侧被钳位在零电压。换流完成以后，输出电流经过二极管D3续流，D1、D2和D4反偏。当变压器T2的输入电压由负变正时，二次侧的二极管D1、D3之间开始换流，变压器T2的二次侧被钳位在零电压。换流结束后，二极管D1导通，能量经过变压器T2传送到输出，完成半个工作周期。后半个周期的电路工作与前半个周期相似，只是两个变压器的工作顺序交换。在这种情况下，二极管D4始终反偏。其关键模拟波形图如图3所示。

第二种情况：当占空比大于设定值时，两个变压器的输入电压有交叠。同样，假设电路初始状态为：变压器T1的输入电压为正，变压器T2的输入电压为负，二极管D2导通，二极管D1、D3和D4反偏。

当变压器T2的输入电压由负变正时，二次侧二极管D2、D4之间开始换流，这时变压器T2的被钳位在零电压。换流结束后，二极管D4导通，D2关断，两个变压器二次侧串联工作。当变压器T1的输入电压由正变负时，二次侧二极管D1、D4开始换流，变压器T1的二次侧被钳位在零电压。换流结束后，二极管D1导通，D4关断，能量通过变压器T2传送到输出，完成半个工作周期。后半个工作周期的电路工作与前半个工作周期相似，只是两个变压器的工作顺序交换。在这种情况下，二极管D3始终反偏。其关键模拟波形图如图4所示。

因此本发明中的变换器通过调整占空比，获得第二种工作方式，即二次侧串联的工作方式，提高增益。

实施例2

如图5所示，本发明的采用中心抽头式变压器的整流电路主要由2个变压器T1、T2和6个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成。定义变压器T1的1端为第一输入端，2端为第二输入端，3端为第一输出端，4端为第二输出端，5端为第三输出端，6端为第四输出端；第一输入端、第一输出端和第三输出端为同名端。同理，定义变压器T2的1端为第一输入端，2端为第二输入端，3端为第一输出端，4端为第二输出端，5端为第三输出端，6端为第四输出端；第一输入端、第一输出端和第三输出端为同名端。

二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D2的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D4的正极与变压器T2的第四输出端相连，负极与变压器T1的第三输出端相连。二极管D5的正极与变压器T2的第四输出端相连，负极与变压器T1的第四输出端相连。二极管D6的正极与变压器T2的第三输出端相连，负极与变压器T1的第三输出端相连。

变压器T1的第一输出端与变压器T2的第四输出端相连，变压器T2的第二输出端与变压器T1的第三输出端相连。

实施例3

如图6所示，本发明的三个变压器单元的实施方式整流电路主要由3个变压器T1、T2、T3和7个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7组成。定义变压器T1的1端为第一输入端，2端为第二输入端，3端为第一输出端，4端为第二输出端；第一输入端和第一输出端为同名端。同理，定义变压器T2的1端为第一输入端，2端为第二输入端，3端为第一输出端，4端为第二输出端；第一输入端和第一输出端为同名端。定义变压器T3的1端为第一输入端，2端为第二输入端，3端为第一输出端，4端为第二输出端；第一输入端和第一输出端为同名端。

二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D2的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。二极管D4的正极与变压器T3的第一输出端相连，负极与变压器T2的第二输出端相连。二极管D5的正极与变压器T3的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。二极管D6的正极与变压器T3的第二输出端相连，负极与变压器T2的第二输出端相连。二极管D7的正极与变压器T3的第二输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。

下面根据附图7～11介绍本发明的整流电路具体应用。

实施例4：用本发明实施例1的整流电路构建两相有源钳位正激电路

如图7所示，输入直流电压源Vin的正极连接到实施例1中整流电路变压器T1的第一输入端，输入电压源Vin的负极连接到NMOS场效应管Q1的源极，NMOS场效应管Q1的漏极连接到实施例1中整流电路变压器T1的第二输入端。电容Cc1的一端连接到变压器T1的第一输入端，另一端连接NMOS场效应管Q2的漏极；NMOS场效应管Q2的源极连接到变压器T1的第二输入端。同理，输入直流电压源Vin的正极连接到实施例1中整流电路变压器T2的第一输入端，输入电压源Vin的负极连接到NMOS场效应管Q3的源极，NMOS场效应管Q3的漏极连接到实施例1中整流电路变压器T2的第二输入端。电容Cc2的一端连接到变压器T2的第一输入端，另一端连接NMOS场效应管Q4的漏极；NMOS场效应管Q4的源极连接到变压器T2的第二输入端。

实施例1中整流电路变压器T1的第一输出端连接电感Lo的一端，变压器T2的第二输出端连接电解电容Co的负端；电感Lo的另一端连接到电解电容Co的正端。电阻Ro为负载，并联在电容Co的两端。

实施例5：用本发明实施例2的整流电路构建两相半桥电路

如图8所示，输入直流电压源Vin的正极连接到电容C1的正极，输入直流电压源Vin的负极连接到电容C2的负极。电容C1的负极连接到电容C2的正极，电容C1的正极连接到NMOS场效应管Q1的漏极，NMOS场效应管Q1的源极连接到NMOS场效应管Q2的漏极，NMOS场效应管Q2的源极连接到电容C2的负极。NMOS场效应管Q1的源极连接实施例2中整流电路变压器T1的第一输入端，电容C1的负极连接到实施例2中整流电路变压器T1的第二输入端。同理，输入直流电压源Vin的正极连接到电容C3的正极，输入直流电压源Vin的负极连接到电容C4的负极。电容C3的负极连接到电容C4的正极，电容C3的正极连接到NMOS场效应管Q3的漏极，NMOS场效应管Q3的源极连接到NMOS场效应管Q4的漏极，NMOS场效应管Q4的源极连接到电容C4的负极。NMOS场效应管Q3的源极连接实施例2中整流电路变压器T1的第一输入端，电容C3的负极连接到实施例2中整流电路变压器T1的第二输入端。

实施例2中整流电路变压器T1的第一输出端连接电感Lo的一端，变压器T2的第二输出端连接电解电容Co的负端；电感Lo的另一端连接到电解电容Co的正端。电阻Ro为负载，并联在电容Co的两端。

实施例6：用本发明实施例2的整流电路构建两相全桥电路

如图9所示，输入直流电压源Vin的正极连接到NMOS场效应管Q1的漏极，输入直流电压源Vin的负极连接到NMOS场效应管Q3的源极。NMOS场效应管Q1的源极连接到NMOS场效应管Q3的漏极，NMOS场效应管Q1的漏极连接到NMOS场效应管Q2的漏极，NMOS场效应管Q2的源极连接到NMOS场效应管Q4的漏极，NMOS场效应管Q4的源极连接到NMOS场效应管Q3的源极。NMOS场效应管Q1的源极连接实施例2中整流电路变压器T1的第二输入端，NMOS场效应管Q2的源极连接到实施例2中整流电路变压器T1的第一输入端。

同理，输入直流电压源Vin的正极连接到NMOS场效应管Q5的漏极，输入直流电压源Vin的负极连接到NMOS场效应管Q7的源极。NMOS场效应管Q5的源极连接到NMOS场效应管Q7的漏极，NMOS场效应管Q5的漏极连接到NMOS场效应管Q6的漏极，NMOS场效应管Q6的源极连接到NMOS场效应管Q8的漏极，NMOS场效应管Q8的源极连接到NMOS场效应管Q7的源极。NMOS场效应管Q5的源极连接实施例2中整流电路变压器T1的第二输入端，NMOS场效应管Q6的源极连接到实施例2中整流电路变压器T1的第一输入端。

实施例2中整流电路变压器T1的第一输出端连接电感Lo的一端，变压器T2的第二输出端连接电解电容Co的负端；电感Lo的另一端连接到电解电容Co的正端。电阻Ro为负载，并联在电容Co的两端。

实施例7：用本发明实施例2的整流电路构建两相正反激电路

如图10所示，输入直流电压源Vin的正极连接到实施例2中整流电路变压器T1的第一输入端，输入电压源Vin的负极连接到NMOS场效应管Q1的源极，NMOS场效应管Q1的漏极连接到实施例1中整流电路变压器T1的第二输入端。电容Cc1的一端连接到变压器T1的第一输入端，另一端连接NMOS场效应管Q2的漏极；NMOS场效应管Q2的源极连接到变压器T1的第二输入端。同理，输入直流电压源Vin的正极连接到实施例2中整流电路变压器T2的第一输入端，输入电压源Vin的负极连接到NMOS场效应管Q3的源极，NMOS场效应管Q3的漏极连接到实施例1中整流电路变压器T2的第二输入端。电容Cc2的一端连接到变压器T2的第一输入端，另一端连接NMOS场效应管Q4的漏极；NMOS场效应管Q4的源极连接到变压器T2的第二输入端。

实施例2中整流电路变压器T1的第一输出端连接电感Lo的一端，变压器T2的第二输出端连接电解电容Co的负端；电感Lo的另一端连接到电解电容Co的正端。电阻Ro为负载，并联在电容Co的两端。

实施例8：用本发明实施例2的整流电路构建两相推挽电路

如图11所示，本实施例中变压器T1、T2的一次侧各有两个绕组。定义变压器T1的一次侧第一绕组的两个输入端分别为第一输入端和第二输入端；一次侧第二绕组的两个输入端分别为第三输入端和第四输入端；输出端与实施例2中相同。第一输入端、第三输入端、第一输出端和第三输出端为同名端。同理，定义变压器T2的一次侧第一绕组的两个输入端分别为第一输入端和第二输入端；一次侧第二绕组的两个输入端分别为第三输入端和第四输入端；输出端与实施例2中相同。第一输入端、第三输入端、第一输出端和第三输出端为同名端。

输入直流电压源Vin的正极连接到变压器T1的第二输出端，负极连接NMOS场效应管Q1的源极，NMOS场效应管Q1的漏极连接到变压器T1的第一输入端。变压器T1的第三输出端连接变压器T1的第二输出端，变压器T1的第四输入端连接到NMOS场效应管Q2的漏极，NMOS场效应管Q2的源极连接到输入直流电压源Vin的负极。同理，输入直流电压源Vin的正极连接到变压器T2的第二输出端，负极连接NMOS场效应管Q3的源极，NMOS场效应管Q3的漏极连接到变压器T2的第一输入端。变压器T2的第三输出端连接变压器T2的第二输出端，变压器T2的第四输入端连接到NMOS场效应管Q4的漏极，NMOS场效应管Q4的源极连接到输入直流电压源Vin的负极。

实施例2中整流电路变压器T1的第一输出端连接电感Lo的一端，变压器T2的第二输出端连接电解电容Co的负端；电感Lo的另一端连接到电解电容Co的正端。电阻Ro为负载，并联在电容Co的两端。

本发明中的整流结构可以拓展到常规的由Buck电路演变而来的隔离型直流-直流变换器，如双端的变流器拓扑，如半桥，全桥，推挽，正反激等。

本发明中的变流器单元之间的控制信号可以采用交错控制，也可以使各单元的控制信号同相。

本发明中的整流结构同样适合于采用同步整流的方式，提高效率。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，或者由多个变压器单元组成。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是发明的保护范围。应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种隔离型整流电路，其特征在于，它由2个变压器T1、T2和4个二极管D1、D2、D3、D4组成；其中，二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连；二极管D2的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连；二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连；二极管D4的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连。

2.一种隔离型整流电路，其特征在于，它由2个变压器T1、T2和6个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成；其中，二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连；二极管D2的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连；二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连；二极管D4的正极与变压器T2的第四输出端相连，负极与变压器T1的第三输出端相连；二极管D5的正极与变压器T2的第四输出端相连，负极与变压器T1的第四输出端相连；二极管D6的正极与变压器T2的第三输出端相连，负极与变压器T1的第三输出端相连；变压器T1的第一输出端与变压器T2的第四输出端相连，变压器T2的第二输出端与变压器T1的第三输出端相连。

3.一种隔离型整流电路，其特征在于，它由3个变压器T1、T2、T3和7个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7组成；二极管D1的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连；二极管D2的正极与变压器T2的第一输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连；二极管D3的正极与变压器T2的第二输出端相连，负极与变压器T1的第二输出端相连；二极管D4的正极与变压器T3的第一输出端相连，负极与变压器T2的第二输出端相连；二极管D5的正极与变压器T3的第一输出端相连，负极与变压器T2的第一输出端相连；二极管D6的正极与变压器T3的第二输出端相连，负极与变压器T2的第二输出端相连；二极管D7的正极与变压器T3的第二输出端相连，负极与变压器T1的第一输出端相连。

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