CN104218813A - 电感电容复合利用的级联型谐振dc-dc变换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电子电能变换电路，旨在提供一种电感电容复合利用的级联型谐振DC-DC变换电路。前后级电路共用同一套电感和电容，即PWM型DC-DC电路本身固有的滤波电感同时作为后级DCX电路的输入解耦电感，而DCX电路的谐振电容则同时作为PWM型DC-DC的输出电容；PWM型DC-DC电路的开关频率与DCX电路的开关频率同步。本发明中，前后级电感电容复合，提升功率密度；两级级联的拓扑结构使得DC-DC输出电压可灵活调整；采用软开关并联谐振技术，减小了功率开关管的开关损耗；收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率；降低电路的能耗，节约能源；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。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电子电能变换电路，尤其涉及一种电感复合的两级级联电流源输入型谐振DC-DC电路。
背景技术
电流源输入型直流变压器(以下称电流源输入型直流变压电路为DCX电路)拓扑如图1所示，是一种构建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，利用电容Cr与电路中电感Lr谐振，实现软开关。其中，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2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。
为了满足大多数DC-DC转换应用的场合需要输出侧能够紧调整的要求，传统方案可以通过在DCX的输入侧增加一级级联的可调整不隔离PWM控制的DC-DC，对输出进行调整。普通前级级联DCX拓扑如图3所示。
普通的两级级联方案中，两级独立工作，因此每一级都需要各自的无源储能元件，如滤波电感和电容，导致元器件数量多，体积大，功率密度降低，尤其是前级PWM型DC-DC的电感和后级电流源电感体积大，严重影响功率密度。
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，提供一种电感电容复合利用的级联型谐振DC-DC变换电路。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种电感电容复合利用的级联型谐振DC-DC变换电路，是由作为前级的PWM型DC-DC电路和作为后级的DCX电路组成，这两个电路均各自包括一套电感和电容；所述级联型谐振DC-DC变换电路是通过将前后级电路中的电感和电容复合使用而实现的；即，前后级电路共用同一套电感和电容，PWM型DC-DC电路本身固有的滤波电感同时作为后级DCX电路的输入解耦电感，而DCX电路的谐振电容则同时作为PWM型DC-DC的输出电容；PWM型DC-DC电路的开关频率与DCX电路的开关频率同步。
本发明中，所述作为前级的PWM型DC-DC电路具有下述拓扑结构中的任意一种：单开关的Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk或Zeta拓扑；或者是多开关的级联型Buck-Boost拓扑。
本发明中，在所述DCX电路中，谐振电感与变压器的原边绕组串联在一条支路中，是变压器的等效漏感，或者是外加的独立电感。
本发明中，所述DCX电路中的开关网络是单管正激或双管正激的单端开关网络，或者是半桥、推挽、全桥结构的双端开关网络；DCX电路中变压器的副边整流结构与其开关网络的拓扑相对应，是单端整流结构或双端整流结构。
本发明中，所述双端整流结构是指中心抽头整流结构、全桥整流结构或倍压整流结构。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果包括：
1、前后级电感电容复合，提升功率密度。
2、两级级联的拓扑结构使得DC-DC输出电压可灵活调整。
3、采用软开关并联谐振技术，减小了功率开关管的开关损耗。
4、回收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率。
5、降低电路的能耗，节约能源。
6、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。
附图说明
图1谐振电容在直流侧的隔离型谐振DC-DC原理简化框图；
图2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3普通两级级联的DC-DC拓扑；
图4电感复合后的两级级联电路；
图5复合式Buck级联全桥谐振DC-DC变换器；
图6复合式Boost级联全桥谐振DC-DC变换器；
图7复合式Buck-Boost级联全桥谐振DC-DC变换器；
图8是全桥整流的复合式Boost级联全桥谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图9是倍压整流的复合式Boost级联全桥谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图10是全桥整流的复合式Buck级联全桥谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图11是倍压整流的复合式Buck级联全桥谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图12是全桥整流的复合式Boost级联推挽谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图13是倍压整流的复合式Boost级联推挽谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图14是全桥整流的复合式Buck级联推挽谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图15是倍压整流的复合式Buck级联推挽谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图16是全桥整流的复合式Boost级联推挽正激谐振DC-DC变换器电路的示意图；
图17是倍压整流的复合式Boost级联推挽正激谐振DC-DC变换器电路的示意图；
图18是全桥整流的复合式Buck级联推挽正激谐振DC-DC变换器电路的示意图；
图19是倍压整流的复合式Buck级联推挽正激谐振DC-DC变换器电路的示意图；
图20是复合式Boost级联双管正激谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图21是复合式Buck级联双管正激谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
图22是复合式Buck级联正激谐振DC-DC变换器电路的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出了构建新型复合式两级级联电流源输入型谐振DC-DC电路的新思路。通过将前后级电路中电感、电容复合，借用前级PWM型DC-DC拓扑本身固有的电感，作为后级DCX的输入解耦电感，而后级DCX的谐振电容可以作为前级PWM型DC-DC的输出电容，从拓扑层面将无源元件复合。
图4是电感和电容复合后的两级级联拓扑，其中电感Lin既作为前级PWM型DC-DC的储能电感又作为后级谐振DCX的输入解耦电感，电容Cr作为前级DC-DC的输出滤波电容，又作为DCX的谐振电容；Lin和Cr构成了前级PWM型DC-DC的典型LC电感电容输出滤波电路，并联在PWM型DC-DC输出侧；谐振电容Cr同时并联到DCX中开关网络的输入端，谐振电感Lr与变压器的原边绕组串联在一条支路中，变压器副边的输出经过整流电路后电容滤波，得到直流输出。
PWM型DC-DC可以是Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk和Zeta单开关拓扑，也可以是级联型Buck-Boost多开关DC-DC拓扑。PWM型DC-DC的直流增益为Vin*f(D)，f(D)为占空比D的函数，具体数学表达式取决于不同的PWM型DC-DC拓扑；
DCX拓扑中，开关网络可以是单端开关网络，如单管正激，双管正激，也可以是双端开关网络，如半桥，推挽，全桥；
基于该方法，本发明首先提出了一种复合式Buck级联全桥谐振DC-DC变换器(如图5)，前级为Buck电路，后级为全桥谐振电路，前后级电感电容复合，后级每个桥臂上、下开关管的导通时间相等，并考虑一定的开关管死区时间；谐振电容为前级输出电容；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；谐振Lr与原边绕组串联在一条支路中；变压器副边整流结构采用双端整流结构，可以是中心抽头整流结构(图5)，也可以是全桥整流结构(图10)，还可以是倍压整流结构(图11)。
在上述方法的基础上，本发明首先提出了一种复合式Boost级联全桥谐振DC-DC变换器如图6，前级为Boost电路，后级为全桥谐振电路，前后级电感电容复合，后级每个桥臂上、下开关管的导通时间相等，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；谐振电容为前级输出电容；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；变压器副边整流结构采用双端整流结构，可以是中心抽头整流结构，也可以是全桥整流结构(图8)，还可以是倍压整流结构(图9)，图6中的实施方式以中心抽头整流结构为例。
在上述方法的基础上，本发明首先提出了一种复合式Buck-Boost级联全桥谐振DC-DC变换器如图7，前级为Buck-Boost电路，后级为全桥谐振电路，前后级电感电容复合，后级每个桥臂上、下开关管的导通时间相等，并考虑一定的开关管死区时间；谐振电容为前级输出电容；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；变压器副边整流结构采用双端整流结构，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。
采用本发明的两级级联DC-DC变换器电路，可以实现输出电压可调，提高功率密度，减小开关器件的功率损耗。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。实施例1：一种复合式Boost级联全桥谐振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8和图9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；谐振电容为前级输出电容；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8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9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。
与上述电路类似的复合式Buck级联全桥谐振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10和图11所示。
实施例2：一种复合式Boost级联推挽谐振DC-DC电路，高频变压器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；谐振电容为前级输出电容；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；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。
与上述电路类似的复合式Buck级联推挽谐振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14和图15所示。
实施例3：一种复合式Boost级联推挽正激谐振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；第一谐振电容Cr1为前级输出电容；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；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。两个开关的另一端接到输入负端；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。
与上述电路类似的复合式Buck级联推挽正激谐振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。
实施例4：一种复合式Boost级联双管正激谐振DC-DC电路，高频变压器副边采用单端整流结构，其电路结构分别如图20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；谐振电容为前级输出电容；两个桥臂与谐振电容并联，变压器原边绕组同名端接到S1与D1连接处，非同名端接到S2与D2连接处；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。
与上述电路类似的复合式Buck级联双管正激谐振DC-DC变换器如图21。
实施例5：一种复合式Buck级联正激谐振DC-DC电路，高频变压器副边采用单端整流结构，其电路结构分别如图22所示。
具体连接方式为：谐振电容为前级输出电容；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。
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 (5)
1.一种电感电容复合利用的级联型谐振DC-DC变换电路，是由作为前级的PWM型DC-DC电路和作为后级的DCX电路组成，这两个电路均各自包括一套电感和电容；其特征在于，所述级联型谐振DC-DC变换电路是通过将前后级电路中的电感和电容复合使用而实现的；即，前后级电路共用同一套电感和电容，PWM型DC-DC电路本身固有的滤波电感同时作为后级DCX电路的输入解耦电感，而DCX电路的谐振电容则同时作为PWM型DC-DC的输出电容；PWM型DC-DC电路的开关频率与DCX电路的开关频率同步。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述作为前级的PWM型DC-DC电路具有下述拓扑结构中的任意一种：单开关的Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk或Zeta拓扑；或者是多开关的级联型Buck-Boost拓扑。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在所述DCX电路中，谐振电感与变压器的原边绕组串联在一条支路中，是变压器的等效漏感，或者是外加的独立电感。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述DCX电路中的开关网络是单管正激或双管正激的单端开关网络，或者是半桥、推挽、全桥结构的双端开关网络；DCX电路中变压器的副边整流结构与其开关网络的拓扑相对应，是单端整流结构或双端整流结构。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述双端整流结构是指中心抽头整流结构、全桥整流结构或倍压整流结构。
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