CN103887976A

CN103887976A - 电流源输入型谐振软开关dc/dc变换器

Info

Publication number: CN103887976A
Application number: CN201410112648.8A
Authority: CN
Inventors: 吴新科; 秦伟
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: CN103887976B

Abstract

本发明涉及电力电子电能变换电路，旨在提供一种电流源输入型谐振软开关DC/DC变换器。该变换器包括输入电压源、变压器、输入电感、谐振电容和谐振电感；变压器的副边整流结构为双端整流结构或单端整流结构，所述谐振电感与原边绕组串联在同一条支路中；所述谐振电容位于变压器输入端的直流侧，且输入电感设于谐振电容与输入电压源之间作为电流源，利用谐振电容与谐振电感的谐振以实现零电流软开关。本发明由于在输入端采用软开关并联谐振技术，使功率开关管工作在零电压开通以及准零电流关断状态，减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，减小了功率开关管的开关损耗。回收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率。

Description

电流源输入型谐振软开关DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种电力电子电能变换电路，尤其涉及一种隔离型软开关谐振DC/DC电路。

背景技术

谐振型DC/DC变流器以其低开关损耗、高开关频率在中高压直流变换应用场合受到广泛应用。其中，谐振型的DC/DC采用固定频率和占空比的输出不调整的控制方式时，开关频率可以在MHz以上，同时效率能够达到97%以上，如图1所示，这是一般的PWM变流器所不具有的优势。采用固定占空比和频率的控制方式，使串联谐振电路工作在谐振点，此时开关管的驱动逻辑简单，磁性元件易于优化，元器件利用率高，环流最小，从而获得最高效率。

但是，由于串联谐振电路中的谐振电容必须在交流回路中，其等效电路如图2所示，因此变压器必须工作在双端励磁方式，且采用双端整流结构，才能够满足电容的安秒平衡，这限制了这一拓扑的应用场合，尤其是在小功率场合的应用，对成本很敏感，开关管数量越少越好，因此，半桥结构显然不合适小功率应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种能够满足各种功率等级应用场合的电流源输入型谐振软开关DC/DC变换器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

提供一种电流源输入型谐振软开关DC/DC变换器，包括输入电压源、变压器、输入电感、谐振电容和谐振电感；所述变压器的副边整流结构为双端整流结构或单端整流结构，所述谐振电感与原边绕组串联在同一条支路中；所述谐振电容位于变压器输入端的直流侧，且输入电感设于谐振电容与输入电压源之间作为电流源，利用谐振电容与谐振电感的谐振以实现零电流软开关。

本发明中，所述变压器输入端的直流侧具有如下结构中的任意一种：

（1）输入电压源的正端接到输入电感的一端，两个谐振电容串联后跨接至输入电压源的负端和输入电感的另一端；两个谐振电容之间的中点经谐振电感连接到变压器原边绕组的非同名端，原边绕组的同名端接到两个开关管构成的桥臂的中点；两个开关管构成的桥臂与两个谐振电容串联后的两端并联；

（2）输入电压源的正端接到输入电感的一端；谐振电容跨接至输入电压源的负端和输入电感的另一端；分别由两个开关管组成的两个桥臂均与谐振电容并联，变压器原边绕组的同名端接到一个桥臂的中点，变压器原边绕组的非同名端经谐振电感接到另一个桥臂的中点；

（3）输入电压源的正端接到输入电感的一端；谐振电容跨接至输入电压源的负端和输入电感的另一端；变压器原边有两个绕组，第一绕组的同名端与第二绕组的非同名端相连接，且同时连接到输入电感与谐振电容的连接处；第一绕组的非同名端经谐振电感接到第一开关管的一端，第二绕组的同名端经谐振电感接到第二开关管的一端，两个开关管的另一端均接到输入电压源的负端；

（4）输入电压源的正端接到输入电感的一端；第一谐振电容跨接至输入电压源的负端和输入电感的另一端；变压器原边有两个绕组，第一绕组的同名端与第二开关管的一端相连接，且同时连接到输入电感与谐振电容连接处；第一绕组的非同名端经谐振电感接到第一开关管的一端，第二绕组的非同名端接到第二开关管的另一端；第一开关管的另一端、原边第二绕组的同名端经谐振电感接到输入电压源的负端；第二谐振电容一端接到第二绕组的非同名端，另一端接到第一绕组的非同名端；

（5）输入电压源的正端接到输入电感的一端；谐振电容跨接至输入电压源的负端和输入电感的另一端；变压器原边绕组的同名端经谐振电感连接到输入电感与谐振电容的连接处；原边绕组非同名端接到开关管的一端；开关管的另一端接到输入电压源的负端；

（6）输入电压源的正端接到输入电感的一端；谐振电容跨接至输入电压源的负端和输入电感的另一端；变压器原边绕组的同名端经谐振电感连接到输入电感与谐振电容的连接处；原边绕组非同名端接到第一开关管的一端；第一开关管的另一端接到输入电压源的负端；箝位电容与箝位辅助开关串联后并联在原边绕组的两端。

本发明中，所述谐振电感是变压器漏感或者额外的独立电感。

本发明中，所述双端整流结构是中心抽头整流结构、全桥整流结构或倍压整流结构；所述的单端整流结构是半波整流结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、由于在输入端采用软开关并联谐振技术，使功率开关管工作在零电压开通以及准零电流关断状态，减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，减小了功率开关管的开关损耗。

2、回收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率。

3、易于实现高频化，提升功率密度。

4、减小功率开关器件的温升，提高电路的工作可靠性，提高器件和电路的使用寿命。

5、相比交流侧谐振软开关拓扑，谐振电容的电流应力降低，也降低了电压应力。

6、本发明提出的方法适合更多拓扑结构，满足更多应用场合的优化要求。

附图说明

图1传统的半桥LC串联谐振DC/DC；

图2谐振电容串联在交流侧的DCX简化框图；

图3谐振电容在直流侧的隔离型谐振DC/DC原理简化框图；

图4谐振电容在直流侧的开关导通时谐振模态的简化等效图；

图5谐振电容在直流侧的开关导通时各电量波形；

图6谐振电容在直流侧的电流源输入占空比固定为0.5半桥谐振DCX；

图7谐振电容在直流侧的电流源输入占空比固定为0.5全桥谐振DCX；

图8谐振电容在直流侧的电流源输入占空比固定为0.5推挽谐振DCX；

图9谐振电容在直流侧的电流源输入占空比固定为0.5推挽正激谐振DCX；

图10谐振电容在直流侧的电流源输入占空比固定的正激谐振DCX；

图11谐振电容在直流侧的电流源输入占空比固定的有源箝位正激谐振DCX；

图12是本发明采用全桥整流的软开关单相半桥谐振DC/DC变换器电路结构示意图；

图13是本发明采用倍压整流的软开关单相半桥谐振DC/DC变换器电路结构示意图；

图14是本发明采用全桥整流的软开关单相全桥谐振DC/DC变换器电路结构示意图；

图15是本发明采用倍压整流的软开关单相全桥谐振DC/DC变换器电路结构示意图；

图16是本发明采用全桥整流的软开关单相推挽谐振DC/DC变换器电路结构示意图；

图17是本发明采用倍压整流的软开关单相推挽谐振DC/DC变换器电路结构示意图；

图18是本发明采用全桥整流的软开关单相推挽正激谐振DC/DC变换器电路的结构示意图；

图19是本发明采用倍压整流的软开关单相推挽正激谐振DC/DC变换器电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明中提出了构建新型谐振软开关电路方法，通过将谐振电容移到输入端的直流侧，并在电容与输入电压源之间插入一个电感，作为电流源，其余部分与传统的DC/DC电路相同如图3所示，然后利用电容Cr与电路中电感Lr谐振，实现软开关。电感Lr可以是外加的独立电感，也可以是变压器的漏感。当开关管导通时，电容Cr和电感Lr开始谐振，输出电压等效为Vo，其等效电路为图4所示，输入电压源Vin的一端与输入电感Lin的一端相连，电感Lin的另一端与谐振电容Cr的一端相连，Cr的另一端连接到Vin的另一端。开关管S1开通时，Cr与Lr构成谐振LC谐振回路，输出电压Vo串联在谐振回路中，因此谐振电流流过输出电压源Vo，负载RL并联在Vo的两端。各电量典型波形如图5所示。为了能够在全负载范围实现软开关，简化控制，其开关管的占空比固定，开关频率也固定，因此输出电压不具有调整能力，可以看作直流变压器（DCX）。

基于该方法，本发明首先提出了一种电流源输入型半桥谐振DCX，桥臂上、下开关管的导通时间相等，各占50%的开关周期，并考虑桥臂上、下开关管时间。输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；半桥拓扑中要将谐振电容分为两个，两个电容串联后跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；在两个电容之间构建一个中点，连接到变压器原边绕组的非同名端，原边绕组的同名端接到两个开关管构成的桥臂的中点；开关管构成的桥臂与两个谐振电容串联后的两端并联；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中；变压器副边的整流结构需要双端整流结构，可以是中心抽头整流结构，也可以是全桥整流结构，还可以是倍压整流结构。图6中的实施方式以中心抽头整流结构为例，系双端整流结构。

在上述方法的基础上，本发明提出了一种电流源输入型全桥谐振DCX，每个桥臂上、下开关管的导通时间相等，各占50%的开关周期，并考虑桥臂上、下开关管时间。输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；两个桥臂与谐振电容并联，变压器原边绕组两端，分别接到两个桥臂的中点；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中；变压器副边的整流结构需要双端整流结构，可以是中心抽头整流结构，也可以是全桥整流结构，还可以是倍压整流结构。图7中的实施方式以中心抽头整流结构为例，系双端整流结构。

在上述方法的基础上，本发明提出了一种电流源输入型推挽谐振DCX，两个开关管的导通时间相等，各占50%的开关周期，并考虑一定的开关管死区时间；输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；变压器原边两个绕组，原边第一绕组的同名端与第二绕组的非同名端相连接，然后连接到输入电感与谐振电容连接处；第一绕组的非同名端接到开关管S1的一端，第二绕组的同名端接到第二开关管S2一端，两个开关的另一端接到输入负端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中；变压器副边的整流结构需要双端整流结构，可以是中心抽头整流结构，也可以是全桥整流结构，还可以是倍压整流结构。图8中的实施方式以中心抽头整流结构为例，系双端整流结构。

在上述方法的基础上，本发明提出了一种电流源输入型推挽正激谐振DCX，两个开关管的导通时间相等，各占50%的开关周期，并考虑一定的开关管死区时间；输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；第一谐振电容Cr1跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；变压器原边两个绕组，原边第一绕组W1的同名端与第二开关管的一端相连接后，再连接到输入电感与谐振电容连接处；第一绕组的非同名端接到开关管S1的一端，第二绕组的非同名端接到第二开关管S2的另一端；第一开关的另一端和第二绕组的同名端接到输入的负端。第二谐振电容Cr2一端接到第二绕组的非同名端，另一端接到第一绕组的非同名端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中；变压器副边的整流结构需要双端整流结构，可以是中心抽头整流结构，也可以是全桥整流结构，还可以是倍压整流结构。图9中的实施方式以中心抽头整流结构为例，系双端整流结构。

在上述方法的基础上，本发明提出了一种电流源输入型正激谐振DCX；输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容Cr1跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；变压器原边绕组的同名端连接到输入电感与谐振电容连接处；绕组非同名端接到开关管S1的一端；开关S1的另一端接到输入负端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中；变压器副边的整流结构需要单端整流结构，图10中的实施方式以半波整流结构为例，系单端整流结构。

在上述方法的基础上，本发明提出了一种电流源输入型有源箝位正激谐振DCX；输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容Cr1跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；变压器原边绕组的同名端连接到输入电感与谐振电容连接处；绕组非同名端接到开关管S1的一端；开关S1的另一端接到输入负端；箝位电容Cc与箝位辅助开关Sa串联后并联在变压器原边绕组的两端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中；变压器副边的整流结构需要单端整流结构，图11中的实施方式以半波整流结构为例，系单端整流结构。

采用本发明的谐振软开关DC/DC变换器电路，可以减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，使开关器件的功率损耗减小。本发明能降低电路的能耗，节约能源，提高能量转化效率，减小功率开关器件的热能产生，提高电路的工作稳定性，提高器件和电路的使用寿命。本发明适合于DC/DC直流电压转换的电源电路。

采用软开关技术，在输入级利用谐振电感(L_r)和谐振电容(C_r)产生并联谐振，使功率开关管工作在零电压开通以及准零电流关断状态，减小功率开关管两端的电压和通过功率开关管的电流的重叠时间，从而减小了功率开关管的开关损耗。

应用实施例1：

一种单相隔离型软开关半桥谐振DC/DC电路，高频变压器副边采用全桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图12和图13所示。

具体连接方式为：输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；半桥拓扑中要将谐振电容分为两个，两个电容串联后跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；在两个电容之间构建一个中点，连接到变压器原边绕组的非同名端，原边绕组的同名端接到两个开关管构成的桥臂的中点；开关管构成的桥臂与两个谐振电容串联后的两端并联；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。如图12所示，变压器副边采用全桥整流结构，整流二极管D1、D2构成一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组同名端，整流二极管D3、D4构成另一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组非同名端；D1、D4的共阴极和D2、D3的共阳极构成的两端与输出滤波电容和负载并联。

如图13所示变压器副边采用倍压整流结构。变压器副边绕组同名端连接到电容C1，C1另一端接到D1、D2构成的桥臂的中点；变压器副边绕组非同名端连接到D2的阳极；D1、D2构成的桥臂的两端与输出滤波电容和负载并联。

应用实施例2：

一种单相隔离型软开关全桥谐振DC/DC电路，高频变压器副边采用全桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图14和图15所示。

具体连接方式为：输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；两个桥臂与谐振电容并联，变压器原边绕组两端，分别接到两个桥臂的中点；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。如图14所示，变压器副边采用全桥整流结构，整流二极管D1、D2构成一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组同名端，整流二极管D3、D4构成另一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组非同名端；D1、D4的共阴极和D2、D3的共阳极构成的两端与输出滤波电容和负载并联。

如图15所示变压器副边采用倍压整流结构。变压器副边绕组同名端连接到电容C1，C1另一端接到D1、D2构成的桥臂的中点；变压器副边绕组非同名端连接到D2的阳极；D1、D2构成的桥臂的两端与输出滤波电容和负载并联。

应用实施例3：

一种单相隔离型软开关推挽谐振DC/DC电路，高频变压器副边采用全桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图16和图17所示。

具体连接方式为：输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；变压器原边两个绕组，原边第一绕组的同名端与第二绕组的非同名端相连接，然后连接到输入电感与谐振电容连接处；第一绕组的非同名端接到开关管S1的一端，第二绕组的同名端接到第二开关管S2一端，两个开关的另一端接到输入负端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。如图16所示，变压器副边采用全桥整流结构，整流二极管D1、D2构成一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组同名端，整流二极管D3、D4构成另一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组非同名端；D1、D4的共阴极和D2、D3的共阳极构成的两端与输出滤波电容和负载并联。

如图17所示变压器副边采用倍压整流结构。变压器副边绕组同名端连接到电容C1，C1另一端接到D1、D2构成的桥臂的中点；变压器副边绕组非同名端连接到D2的阳极；D1、D2构成的桥臂的两端与输出滤波电容和负载并联。

应用实施例4：

一种单相隔离型软开关推挽正激谐振DC/DC电路，高频变压器副边采用全桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图18和图19所示。

具体连接方式为：输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；第一谐振电容Cr1跨接在输入电压的负端和电感Lin的另一端；变压器原边两个绕组，原边第一绕组W1的同名端与第二开关管的一端相连接后，再连接到输入电感与谐振电容连接处；第一绕组的非同名端接到开关管S1的一端，第二绕组的非同名端接到第二开关管S2的另一端；第一开关的另一端和第二绕组的同名端接到输入的负端。第二谐振电容Cr2一端接到第二绕组的非同名端，另一端接到第一绕组的非同名端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。如图18所示，变压器副边采用全桥整流结构，整流二极管D1、D2构成一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组同名端，整流二极管D3、D4构成另一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组非同名端；D1、D4的共阴极和D2、D3的共阳极构成的两端与输出滤波电容和负载并联。

如图19所示变压器副边采用倍压整流结构。变压器副边绕组同名端连接到电容C1，C1另一端接到D1、D2构成的桥臂的中点；变压器副边绕组非同名端连接到D2的阳极；D1、D2构成的桥臂的两端与输出滤波电容和负载并联。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。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，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种电流源输入型谐振软开关DC/DC变换器，包括输入电压源、变压器、输入电感、谐振电容和谐振电感；其特征在于，所述变压器的副边整流结构为双端整流结构或单端整流结构，所述谐振电感与原边绕组串联在同一条支路中；所述谐振电容位于变压器输入端的直流侧，且输入电感设于谐振电容与输入电压源之间作为电流源，利用谐振电容与谐振电感的谐振以实现零电流软开关。

2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述变压器输入端的直流侧具有如下结构中的任意一种：

3.根据权利要求1或2所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述谐振电感是变压器漏感或者额外的独立电感。

4.根据权利要求1或2所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述双端整流结构是中心抽头整流结构、全桥整流结构或倍压整流结构；所述的单端整流结构是半波整流结构。