CN103944389A - 一种新型的谐振变换器 - Google Patents

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董春光
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Abstract

本发明提供了一种新型的在技术上容易实现的直流叠加脉冲型谐振变换器,包括正负电压源、扼流圈、谐振单元、谐振开关、变压器、偏磁电路、隔直单元、滤波单元及直流输出单元。所述变压器副边绕组第一输出端连接至隔直单元,隔直单元连接至负载,所述直流输出单元第一输出端连接至滤波单元,滤波单元连接至负载。通过本发明可以以谐振变换的方式在直流供电单元输出的基础上叠加一个脉冲电压,具有效率高、结构简单、控制方便、成本低廉等优点。

Description

一种新型的谐振变换器
[0001] 技术领域:
本发明涉及电源变换领域,具体涉及一种新型的谐振变换器。
[0002] 背景技术:
随着电力电子技术的发展,开关电源在各行业都得到了广泛的应用,作为开关电源的一种,谐振变换器由于其高效率、简单等优势,在业界得到了广泛应用。
[0003]目前在很多应用中都需要在原有的直流供电上再叠加脉冲电压的供电方案,例如静电除尘领域等。本发明提出了一种新的拓扑结构,通过谐振变换的方式在直流供电单元输出的基础上叠加一个脉冲电压,具有效率高、结构简单、控制方便、成本低廉等优点。
[0004] 发明内容:
本发明的目的在于提供一种新型的在技术上容易实现的直流叠加脉冲型谐振变换器。
[0005] 本发明的具体技术方案如下:
一种谐振变换器,包括原边谐振单元、变压器10、偏磁电路和副边输出单元,所述原边谐振单元包括正负电压源1、扼流圈2、谐振单元和谐振开关,所述正负电压源I第一输出端经第一扼流圈2、第一谐振单元与变压器原边绕组第一输入端a相连;正负电压源I第二输出端经第二扼流圈3、第二谐振单元与变压器原边绕组第二输入端c相连;正负电压源I第三输出端分别连接第一谐振开关的输出端,第二谐振开关的输入端、变压器原边绕组的中间抽头输入端b并接地;第一谐振开关的输入端连接在第一扼流圈和第一谐振单元之间,第二谐振开关的输出端连接在第二扼流圈3和第二谐振单元之间。
[0006] 本发明的进一步设计在于:
所述副边输出单元包括:隔直单元11、滤波单元12、负载13及直流输出单元14,变压器副边绕组第一输出端连接至隔直单元11,隔直单元11连接至负载13,直流输出单元第一输出端连接至滤波单元12,滤波单元12连接负载13,变压器副边绕组第二输出端连接直流输出单元14第二输入端及负载13第二输入端并同时接地。
[0007] 所述第一谐振单元采用第一电容;第二谐振单元采用第二电容。
[0008] 所述第一谐振单元依次由第一电感和第一电容串联而成;第二谐振单元依次由第二电感和第二电容串联而成。
[0009] 所述第一谐振单元依次由第一电容串联和第一电感而成;第二谐振单元由第二电容和第二电感串联而成。
[0010] 该谐振变换器还包括第一保护单元和第二保护单元;第一保护单元一端连接在第一扼流圈和第一谐振单元之间,另一端与正负电压源的第三输出端连接;第二保护单元一端连接在第二扼流圈和第二谐振单元之间,另一端与正负电压源的第三输出端连接。
[0011] 本发明的原边谐振单元扩展为二个或多个单元。
[0012] 第一电容和第二电容容值相等;第一电感和第二电感感值相等。
[0013] 正负电压源为工频整流电源或者交流调压电源或者直流调压电源或者开关电源。
[0014] 第一谐振开关及第二谐振开关采用半导体开关,例如IGBT、IGCT、GTO ;所述滤波单元为高压电感或二极管。[0015] 本发明与现有技术对比的有益效果为:
本发明一方面将谐振开关上的电压一分为二,有效的减小了谐振开关的电压应力,可以采用低电压应力的开关装置,从而有效的减小了系统的应用成本;
另一方面系统从结构上完全对称,可以有效的减少差模噪声等,另外,将变压器原边绕组中间抽头接地,可以有效的改善谐振电流波形,并可减小噪声电流对系统其他部分的影响,另外也可通过增加多个原边谐振电路来减小谐振开关的电流应力,增大脉冲输出功率;
另一方面,本发明中由于谐振开关不是简单的串联,其连接点连接到变压器的第二输入端,所以当谐振开关驱动不同步时,不会出现单个谐振开关由于承受电压应力过大而损坏的情况。
[0016] 附图说明:
图1是本发明实例I的结构示意图;
图2是本发明实例2的结构示意图;
图3是本发明实例3的结构示意图;
图4是本发明实例4的结构示意图;
图5是本发明实例5的结构示意图。
[0017] 图6是本发明原边谐振单元扩展为多单元的结构示意图。
[0018] 图7是实例2的等效工作电路。
[0019] 图8是实例2的主要输入输出波形图。
[0020] 图9是实例2的等效谐振电路。
[0021] 图中:1-正负电压源;2_第一扼流圈;3_第一扼流圈;4_第一电感;5-第一电容;6-第二电感;7_第二电容;8_第一谐振开关;9_第二谐振开并;10_变压器;11_隔直电容;12-滤波单元;13_负载;14-直流输出单元;15-偏磁电源;16_限流电阻;17-扼流圈;18-直流输出单元;19_表示公共节点;20_表示接地;21、22 —扼流圈;23 —公共节点;24、25 一谐振开关;26、27 —保护单兀。
[0022] 具体实施方式:
下面结合附图,对本发明技术方案描述如下。
[0023]实例 I
如图1所示,本发明的谐振变换器,原边谐振单元、变压器10、偏磁电路和副边输出单元,原边谐振单元包括正负电压源、扼流圈、谐振单元和谐振开关。副边输出单元包括隔直单元、脉冲阻流圈及直流输出单元。谐振单元包括第一谐振单元、第二谐振单元。第一谐振单兀包括第一电感4,第一电容5,第二谐振单兀包括第二电感6,第二电容7。
[0024] 如图1所示,具体来说正负电压源I的第一输出端依次经过扼流圈2、第一电感4、第一电容5与变压器10的原边绕组第一输入端a相连。
[0025] 如图1所示,具体来说正负电压源I的第三输出端依次经过扼流圈3、第一电感6、第一电容7与变压器10的原边绕组第二输入端c相连。
[0026] 如图1所示,具体来说变压器10的第一输入端依次经过第一电容5、第一电感4、谐振开关8连接到公共节点19,同时正负电压源I的第二输出端及变压器10的原边绕组的中间抽头输入端b也连接到公共节点19。[0027] 如图1所示,具体来说变压器10的第三输入端依次经过第二电容7、第二电感6、谐振开关9连接到公共节点19。
[0028] 偏磁电路包括偏磁电源15、限流电阻16及扼流圈17,偏磁电源正极依次经过限流电阻、扼流圈连接至变压器原边绕组第四输入端d,偏磁电源15负极连接至变压器原边绕组第五输入端e。
[0029]实例 2
如图2所示,本实例与实例I的不同之处在于正负电压源I的第一输出端依次经过扼流圈2、第一电容5、第一电感4与变压器10的原边绕组第一输入端a相连,正负电压源I的第三输出端依次经过扼流圈3、第一电容7、第一电感6与变压器10的原边绕组第二输入端c相连。
[0030] 本发明的工作原理如下:
下面以附图2为主,叙述本发明的具体工作原理:
正负电压源I分别通过扼流圈2给第一电容5、扼流圈3给第二电容7充电,控制电路控制谐振开关8、9导通形成谐振电路给变压器副边提供能量,谐振电路包括变压器原边,第一谐振单元、谐振开 关及第二谐振单元,图2的等效工作电路如图7所示。
[0031] 图7中,Cs为第一电容、第二电容串联后容值,N为脉冲变压器10的副边比原边匝比,Ce为隔直单元容值,Cp为负载容值,Lr为脉冲变压器漏感,il为变压器原边电流,Ϊ2为变压器副边电流,nl、n2为变压器原边两个绕组匝数,n3为变压器副边绕组匝数。
[0032] 主要波形如图8所示,其中ilm为变压器原边电流峰值,Tr为谐振周期,Ts为谐振开关开关周期,Ubase为直流输出单兀输出电压,U2m为脉冲变压器输出电压峰值,Upulse为负载上电压峰值,i2m为变压器输出电流峰值。
[0033] 图2的等效谐振电路如图9所示,通过等效谐振电路及主要波形可见,负载两端电压u2的宽度由等效谐振电路的周期决定,而等效谐振周期和Ce、Cp及N有关,由等效电路可见,匝比N越大,u2的幅值越大,但是脉冲周期越大,在一些应用场合,需要控制脉冲周期在一定的范围以内,这时候就需要减小匝比N,这样的话就需要增加母线电压uO,这又会带来谐振开关电压应力过高的问题,导致成本的增加,而本发明由于采用了 2个谐振开关串联的方式,大大减小了谐振开关的电压应力,从而降低了系统的成本,同时,谐振开关连接点连接到了变压器原边中间抽头,即使出现了谐振开关没有同时开通的问题,也可以依靠变压器中间抽头形成谐振回路,从而避免了单个谐振开关上承受2倍电压应力而损坏的情况出现。同时,本发明图2的拓扑从结构上是完全对称的,可以有效的抑制差模噪声,另外,将变压器原边绕组中间抽头接地,噪声电流可以通过中间抽头流入大地,可以有效的改善大电流情况下谐振电流波形,并可减小噪声电流对系统其他部分的影响。另外本发明图1拓扑在保持副边输出的情况下,可通过并联多个原边谐振电路进行分流,从而减小谐振开关的电流应力;也可以通过这种方式增加电路的输出功率。
[0034]实例 3
如图3所不,本实例与实例I的不同之处在于第一电感4和第一电感6被省略,它们的作用可以由变压器的漏感来代替,其感值的大小取决于变压器的设计工艺。
[0035]实例 4
如图4所示,本实例与实例I到实例3的不同之处在于在谐振开关8并联了保护单元26,谐振开关9两端并联了保护单元27,保护单元用于保护谐振开关,可以是无源钳位吸收电路,如RCD、RC等形式,也可以是有源钳位电路。
[0036]实例 5
如图5所示,上述实例I到实例3都可以通过扩展2路变压器原边谐振电路的方式来提高输出脉冲功率,同时也可减小谐振开关的电流应力。
[0037] 如图5所示,扩展的变压器原边电路采用第二个正负电压源来供电,但这不是必须的,也可以只采用一个正负电压源,即将正负电压源I的第一输出端连接到谐振开关24,正负电压源I的第三输出端连接到谐振开关25,正负电压源I的第二输出端连接到公共节点19。
[0038]实例 6
上述实例5中可扩展2路变压器原边谐振电路的方式来提高输出脉冲功率,同时减小谐振开关的电流应力,但不限于只扩展2路,可以根据应用需要扩展更多路,如图6所示。
[0039] 优选的,上述实例I到实例4中的公共节点19连接到地20,但这并不是本发明必须的,公共节点19即使不连接到地20,也不影响本变换器的应用。
[0040] 优选的,上述实例I到实例4中的第一电感4和第二电感6感值相同,第一电容5和第一电容7容值相同,但这并不是本发明所必须的,即使第一电感4和第二电感6的参数、第一电容5和第一电容7的参数不相同,也不影响本变换器的实际应用。
[0041] 以上内容是结合具体的优选实例对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于以上这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以作出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种谐振变换器,包括原边谐振单元、变压器(10)、偏磁电路和副边输出单元,其特征是:所述原边谐振单元包括正负电压源(I)、扼流圈(2)、谐振单元和谐振开关,所述正负电压源(I)第一输出端经第一扼流圈(2)、第一谐振单元与变压器原边绕组第一输入端(a)相连;正负电压源(I)第二输出端经第二扼流圈(3)、第二谐振单元与变压器原边绕组第二输入端(c)相连;正负电压源(I)第三输出端分别连接第一谐振开关的输出端,第二谐振开关的输入端、变压器原边绕组的中间抽头输入端(b)并接地;第一谐振开关的输入端连接在第一扼流圈和第一谐振单元之间,第二谐振开关的输出端连接在第二扼流圈(3)和第二谐振单元之间。
2.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征是:所述副边输出单元包括:隔直单元(11)、滤波单元(12)、负载(13)及直流输出单元(14),变压器副边绕组第一输出端连接至隔直单(元1)1,隔直单元(11)连接至负载(13),直流输出单元第一输出端连接至滤波单元(12),滤波单元(12)连接负载(13),变压器副边绕组第二输出端连接直流输出单元(14)第二输入端及负载(13)第二输入端并同时接地。
3.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征是:所述第一谐振单元采用第一电容;第二谐振单元采用第二电容。
4.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征是:所述第一谐振单元依次由第一电感和第一电容串联而成;第二谐振单元依次由第二电感和第二电容串联而成。
5.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征是:所述第一谐振单元依次由第一电容串联和第一电感而成;第二谐振单元由第二电容和第二电感串联而成。
6.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征是:该谐振变换器还包括第一保护单元和第二保护单元;第一保护单元一端连接在第一扼流圈和第一谐振单元之间,另一端与正负电压源的第三输出端连接;第二保护单元一端连接在第二扼流圈和第二谐振单元之间,另一端与正负电压源的第三输出端连接。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的谐振变换器,其特征是:所述的原边谐振单元扩展为二个或多个单元。
8.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征在于:所述第一电容和第二电容容值相等;第一电感和第二电感感值相等。
9.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征在于:所述正负电压源为工频整流电源或者交流调压电源或者直流调压电源或者开关电源。
10.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征在于:所述第一谐振开关及第二谐振开关采用半导体开关,例如IGBT、IGCT.GTO ;所述滤波单元为高压电感或二极管。
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