CN105099197A

CN105099197A - 一种谐振电路、充电器以及不间断电源

Info

Publication number: CN105099197A
Application number: CN201410214065.6A
Authority: CN
Inventors: 倪同
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Vertiv Tech Co Ltd
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明提供了谐振电路、充电器以及不间断电源，谐振电路中的斩波部分（20），斩波部分（20）将直流电源（10）输出的直流源转换为交流源输出；谐振部分（30），谐振部分（30）的变压器（30a）原边绕组的两端连接至斩波部分（20）的两个输出端，变压器（30a）副边绕组、串联电容（30b）、第一电感（30c）、第二电感（30d）串联，该变压器（30a）的升压比为m；整流部分（40），将谐振部分（20）输出的交流源转换为直流源。由于谐振部分（20）中的谐振腔位于变压器（30a）的副边，在变压器（30a）两边功率近似相等的条件下，副边电压升高之后，谐振腔中的电流减小，进而就降低了谐振腔中的电能损耗。

Description

一种谐振电路、充电器以及不间断电源

技术领域

本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种谐振电路、充电器以及不间断电源。

背景技术

随着目前社会对能源的使用率要求越来越高，因此高效率的谐振电路也越来越被大家关注和使用。由于其谐振电路在谐振频率下时，输入侧开关管具有零电流开关（英文：ZeroCurrentSwitch简称：ZCS）特点，而在整流侧二极管具有零电压开关（英文：ZeroVoltageSwitch简称：ZVS）特点，因此谐振电路具有较高的工作效率，普遍用于通信电源的变换器中，近年来也有小功率电源的电源电路中也开始尝试使用此谐振电路，小功率电源一般指3K及以下功率的电源，这种小功率电源的特点是电池数量少、电压低。

如图1所示为现有技术中谐振电路应用到小功率电源的电源电路中的示意图，该谐振电路包含了斩波部分、谐振部分以及整流部分，在图1的谐振电路中谐振部分中的变压器T1的原边连接了电容C1以及电感L1，因此由变压器T1的等效励磁电感、电容C1、电感L1组成的谐振腔位于变压器T1的原边，由于变压器T1的原边的电源Vin为小功率电源，因此变压器T1原边的电压较小，在变压器T1原边与副边的功率相同的情况下，谐振腔中的电流较大，并且谐振电路中的电容C1以及电感L1都具有一定的阻抗，由于电路中的损耗与电路中电流的平方成正比，因此谐振部分中的电容C1以及电感L1都将造成较大的功耗损失，所以就导致了当前在小功率电源的电源电路中的谐振电路的效率较低。

发明内容

本发明提供了一种谐振电路、充电器以及不间断电源，用以提高谐振电路应用到小功率电源中的效率。

其具体的技术方案如下：

一种谐振电路，包括：

斩波部分（20），所述斩波部分（20）的两个输入端连接至直流电源（10），并将直流电源（10）输出的直流源转换为交流源输出；

谐振部分（30），包含变压器（30a）、电容（30b）、第一电感（30c）、第二电感（30d），变压器（30a）原边绕组的两端连接至斩波部分（20）的两个输出端，变压器（30a）的副边绕组、电容（30b）、第一电感（30c）以及第二电感（30d）串联，其中所述变压器（30a）的升压比为m，m为大于等于1的有理数；

整流部分（40），整流部分（40）并联在第二电感（30d）的两端，并将谐振部分（30）输出的交流源转换为直流源输出至负载（50）。

可选的，所述斩波部分（20）包含第一MOS管（20a）、第二MOS管（20b）、第三MOS管（20c）、第四MOS管（20d），第一MOS管（20a）与第二MOS管（20b）串联形成第一支路，第三MOS管（20c）与第四MOS管（20d）串联形成第二支路，所述第一支路和所述第二支路并联，所述第一支路的两端作为所述斩波部分（20）的输入端，所述第一MOS管（20a）与第二MOS管（20b）之间的连接点作为所述斩波部分（20）的一个输出端，所述第三MOS管（20c）与第四MOS管（20d）之间的连接点作为所述斩波部分（20）的另一输出端。

可选的，所述整流部分（20）包括第一二极管（40a）、第二二极管（40b）、第三二极管（40c）、第四二极管（40d），第一二极管（40a）与第二二极管（40b）串联形成第三支路，第三二极管（40c）与第四二极管（40d）串联形成第四支路，所述第三支路与所述第四支路并联形成全桥整流电路，所述全桥整流电路中第一二极管（40a）与第二二极管（40b）之间的连接点作为整流部分（40）的一个输入端，第三二极管（40c）与第四二极管（40d）之间的连接点作为整流部分（40）的另一输入端。

可选的，所述整流部分（20）包括第一二极管（40a）、第二二极管（40b）、第一电容（110a）、第二电容（110b），串联的第一二极管（40a）和第二二极管（40b）并联在串联的第一电容（110a）和第二电容（110b）两端形成倍压整流电路，第一二极管（40a）和第二二极管（40b）之间的连接点作为整流部分（20）的一个输入端，第一电容（110a）和第二电容（110b）之间的连接点作为整流部分（20）的另一输入端，串联的第一电容（110a）和第二电容（110b）两端作为整流部分（20）的两个输出端。

可选的，所述第二电感（30d）的电感量为第一电感（30c）的电感量的n倍，所述n为大于等于3的正整数。

可选的，所述变压器（30a）为自耦变压器（70），所述自耦变压器（70）的一端连接至所述斩波部分（20）的一个输出端，所述自耦变压器（70）的中点连接端连接至所述斩波部分（20）的另一输出端，所述自耦变压器（70）的另一端连接至所述整流部分（40）。

可选的，所述谐振部分（30）中的第二电感（30d）为抽头电感（80），所述抽头电感（80）的两端对应连接至整流部分（40）的两个输入端，所述抽头电感（80）的中点连接端连接至负载（50a）与负载（50b）之间。

可选的，在所述谐振部分（30）中的第二电感（30d）为抽头电感（90），

所述整流部分（20）包括第五二极管（40e）、第六二极管（40f），所述第五二极管（40e）的阴极与第六二极管（40f）的阴极连接作为全波整流电路的输出端，第五二极管（40e）的阳极作为全波整流电路的一个输入端，第六二极管（40f）的阳极作为全波整流电路的另一输入端，所述全波整流电路的一输入端连接至抽头电感（90）的一端，所述全波整流电路的另一输入端连接至抽头电感（90）的另一端，所述全波整流电路的输出端连接至负载的一端，所述抽头电感（90）的中点连接端连接至负载的另一端。

可选的，所述谐振部分（30）中还包括第一开关（100a）、第二开关（100b）、第三电感（30e），所述第一开关（100a）设置于所述第一电感（30c）与第二电感（30d）之间，所述第二开关（100b）与第三电感（30e）串联后并联在串联的第一开关（100a）和第二电感（30d）的两端，其中，第一开关（100a）用于控制第二电感（30d）接入谐振部分（30），所述第二开关（100b）用于控制第三电感（30e）接入谐振部分（30），所述第三电感（30e）的电感量为所述第一电感（30c）的电感量的j倍，所述j为大于等于3的正整数。

一种充电器，包含上述的任一一种谐振电路。

一种不间断电源，包含上述的任一一种谐振电路。

本发明实施例中提供了一种谐振电路，该谐振电路包含：斩波部分（20），斩波部分（20）的两个输入端连接至直流电源（10），斩波部分（20）将直流电源（10）输出的直流源转换为交流源输出；谐振部分（30），包含变压器（30a）、电容（30b）、第一电感（30c）、第二电感（30d），变压器（30a）的原边绕组的两端连接至斩波部分（20）的两个输出端，变压器（30a）副边绕组、电容（30b）、第一电感（30c）、第二电感（30d）串联，该变压器（30a）的升压比为m，m为大于等于1的有理数；整流部分（40），该整流部分（40）的并联在谐振部分（30）中的第二电感（30d）的两端，该整流部分（40）的输出端连接负载（50）。谐振电路中的谐振腔由电容（30b）、第一电感（30c）、第二电感（30d）组成，并且该谐振腔位于变压器（30a）的副边，因此谐振电路接入到小功率电源的电源电路中时，该小功率电源10输出的低压源将首先经过变压器（30a）升压，这样在变压器（30a）原边和副边功率近似相等的前提下，变压器（30a）副边的电压提升为原边电压的m倍，而电路变压器（30a）副边的电流降低为原边电流的1/m，由于变压器（30a）副边电流的减小，因此在电容（30b）、第一电感（30c）、第二电感（30d）所产生的损耗将有效的降低，从而提升了谐振电路的工作效率。

附图说明

图1为现有技术中的谐振电路示意图；

图2为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之一；

图3为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之二；

图4为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之三；

图5为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之四；

图6为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之五；

图7为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之六；

图8为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之七；

图9为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之八；

图10为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之九；

图11为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之十；

图12为本发明实施例中的一种谐振电路的示意图之十一。

具体实施方式

为了解决当前谐振电路应用到小功率电源的电源电路中出现效率较低的问题，因此本发明实施例中的提供了一种谐振电路，下面结合附图详细进行说明。

实施例一

如图2所示，为本发明实施例所提供的一种谐振电路，本发明实施例中的谐振电路可以应用到小功率电源的电源电路中，该谐振电路包括：

斩波部分20，斩波部分20的两个输入端连接至直流电源（10），并将直流电源10输出的直流源转换为交流源输出；

谐振部分30，包含变压器30a、电容30b、第一电感30c、第二电感30d，变压器30a原边绕组的两端连接至斩波部分20的两个输出端，变压器30a的副边绕组、电容30b、第一电感30c以及第二电感30d串联，其中变压器30a的升压比为m，m为大于等于1的有理数；

整流部分40，该整流部分40并联第二电感30d的两端，并将谐振部分30输出的直流源转换为交流源输出至负载50。

本发明实施例中的谐振电路中的谐振腔由电容30b、第一电感30c、第二电感30d组成，并且该谐振腔位于变压器30a的副边，因此谐振电路应用到小功率电源的电源电路中时，直流电源10输出的低压源首先经过变压器30a升压，这样在变压器30a原边和副边功率近似相等的前提下，当变压器30a副边的电压提升为原边电压的m倍时，电路变压器30a副边的电流将降低为原边电流的1/m，由于变压器30a副边电流的减小，因此有效降低了在电容30b、第一电感30c、第二电感30d所产生的损耗，从而提升了谐振电路的工作效率。

进一步，这里需要说明的是，第二电感30d在谐振电路中的功能与变压器30a中的励磁电感的作用完全相同，一般情况下变压器30a的励磁电感的电感量都是第一电感30c的n倍，因此第二电感30d也就是第一电感30c的n倍。即L₂=n*L₁，其中，L₁表征第一电感30c的电感量，L₂表征第二电感30d的电感量，n表征比例系数。在本发明实施例中，n可以为大于等于3的正整数，通常，n的取值可以是在3与10之间任取一值作为比例系数。

实施例二

斩波部分20可以将直流电源10输出的直流源转换为交流源输出至谐振部分，如图3所示，本发明实施例中斩波部分20的一种具体电路可以包括：

第一MOS管20a、第二MOS管20b、第三MOS管20c、第四MOS管20d，其中：

第一MOS管20a与第二MOS管20b串联形成第一支路，第三MOS管20c和第四MOS管20d串联形成第二支路，第一支路和第二支路并联；

第一MOS管20a、第二MOS管20b、第三MOS管20c、第四MOS管20d的栅极都连接至驱动电路（图3中未示出），该驱动电路用于控制第一MOS管20a、第二MOS管20b、第三MOS管20c、第四MOS管20d的导通或者关断；

直流电源10并联在第一支路两端，变压器30a的原边一端连接至第一MOS管20a与第二MOS管20b之间的连接点上，原边的另一端连接至第三MOS管20c与第四MOS管20d之间的连接点上。

在直流电源10向斩波部分输入直流源时，驱动电路通过控制第一MOS管20a、第二MOS管20b、第三MOS管20c、第四MOS管20d的导通或者断开来使得斩波部分20将直流源转换为交流源，然后斩波部分20将交流源输出至变压器30a的原边。

谐振部分30将谐振后的交流源输出至整流部分40进行整流，如图3所示，该整流电路可以包括：第一二极管40a、第二二极管40b、第三二极管40c、第四二极管40d组成的全桥整流，其中：

第一二极管40a和第二二极管40b串联形成第三支路，第三二极管40c与第四二极管40d串联形成第四支路，第三支路与第四支路并联形成全桥整流电路，全桥整流电路中第一二极管40a与第二二极管40b之间的连接点作为全桥整流电路的一个输入端，第三二极管40c与第四二极管40d之间的连接点作为全桥整流电路的另一输入端，第四支路的两端作为全桥整流电路的两个输出端连接至负载50。全桥整流电路将谐振部分30输出的交流方波转换为直流电源输出至负载50。

实施例三

图4所示为本发明实施例三提供的一种谐振电路，该谐振电路可以应用到非隔离场景下，图4所示的谐振电路中使用了自耦变压器70替代了图3中的变压器30a，这样谐振电路中不存在变压器这样的隔离器件，图4中的自耦变压器70的一端连接至第一MOS管20a与第二MOS管20b之间的连接点，自耦变压器70的另一端连接至整流部分40的第三二极管40c与第四二极管40d之间的连接点，自耦变压器70的中点连接端连接至第三MOS管20c与第四MOS管20d之间的连接点。当然自耦变压器70的工作原理与变压器30a的工作原理完全相同，即：将副边电压提升为原边电压的m倍。

实施例四

图5所示为本发明实施例四中的一种谐振电路，图5所示的谐振电路相对于图3所示的谐振电路来讲，其斩波部分20、整流部分40的电路结构都未发生改变，图5所示的谐振电路中谐振部分30中的第二电感30d为抽头电感80，此时该谐振电路可以接入双负载，该抽头电感80的两端与图3中的连接关系完全相同，该抽头电感80的中点连接端连接至串联的负载50a与负载50b之间。整个谐振电路的工作原理与图3所示的谐振电路的工作原理完全相同，此处就不再赘述。

实施例五

图6所示为本发明实施例五提供的一种谐振电路，图6所示的谐振电路相对于图3所示的谐振电路来讲，其斩波部分20、整流部分40的电路结构都未发生改变，图6所示的谐振电路中谐振部分30中的第二电感30d为抽头电感80，此时该谐振电路可以接入双负载，该抽头电感80的一端连接至第一二极管40a与第二二极管40b之间的连接点，另一端连接至第三二极管40c与第四二极管40d之间的连接点，该抽头电感80的中点连接端连接至串联的负载50a与负载50b之间，并且该抽头电感80的中点连接端还连接至变压器30a的副边绕组的一端。整个谐振电路的工作原理与图3所示的谐振电路的工作原理完全相同，此处就不再赘述。

另外，在第二电感30d为抽头电感90时，整流部分40可以为全波整流电路，如图7所示，此时整流部分40包括第五二极管40e和第六二极管40f，第五二极管40e的阴极与第六二极管40f的阴极连接作为全波整流电路的输出端，第五二极管40e的阳极作为全波整流电路的一个输入端，第六二极管40f的阳极作为全波整流电路的另一输入端，抽头电感90的一端接至全波整流电路的一个输入端，另一端与全波整流电路的另一输入端，抽头电感90的中点连接端连接至负载50的一端，全波整流电路的输出端连接至负载的另一端。

当然，变压器30a副边绕组的一端还可以是连接至抽头电感90的中点连接端，具体如图8所示。

实施例六

图9所示为本发明实施例六提供的一种谐振电路，图9所示的谐振电路相对于图3所示的谐振电路来讲，其斩波部分20、整流部分40的电路结构都未发生改变，图9所示的谐振电路中谐振部分30中还包括了第一开关100a、第二开关100b、第三电感30e，在第一电感30c与第二电感30d之间设置第一开关100a，第三电感30e串联第二开关100b之后并联在串联的第二电感30d与第一开关100a两端。第三电感30e的电感量为第一电感30c的电感量的j倍，j为大于等于3的正整数，当然第二电感30d与第三电感30e的感值可以相同也可以不相同，若是电感量相同时，则第三电感30e还可以作为第二电感30d的备用电感；若是电感量不同时，则针对不同的应用场景，比如说电源电压较高时，谐振电路接入电感量较大的电感，此时谐振电路中的励磁电流就越小，这样谐振电路中的MOS管的关断电流就越小，进而能够降低MOS管上的功耗，提升谐振电路的效率。另外，若电源电压较低时，则可以在谐振电路中接入电感量较小的电感，从而保证谐振电路在低频工作时也能够具有较高的增益效果，同时也可以简化谐振电路的电路设计。

另外，在本发明实施例中第二电感30d与第三电感30e可以并联后同时接入到谐振电路中，也就是第一开关100a和第二开关100b都闭合。由于第二电感30d与第三电感30e是并联接入谐振电路，就等效于接入了电感量较小的电感。

实施例七

图10所示为本发明实施例七提供的一种谐振电路，图10所示的谐振电路相对于图3所示的谐振电路来讲，其斩波部分20、谐振部分30的结构都未发生改变，只是整流部分40由第一电容110a替换第三二极管40c，第二电容110b替换第四二极管40d，这样整流部分40由全桥整流电路转换为倍压整流电路。整个谐振电路的工作原理与图3所示的谐振电路的工作原理完全相同，此处就不再赘述。

实施例八

图11所示为本发明实施例八提供的一种谐振电路，图11所示的谐振电路相对于图3所示的谐振电路来讲，其斩波部分20、谐振部分30的结构都未发生改变，只是整流部分40由第五MOS管120a替换第一二极管40a，第六MOS管120b替换第二二极管40b，当然除了可以是MOS管替代二极管之外，还可以使用绝缘栅双极性晶体管等元器件。整个谐振电路的工作原理与图3所示的谐振电路的工作原理完全相同，此处就不再赘述。

实施例九

图12所示为本发明实施例九提供的一种谐振电路，图12所示的谐振电路相对于图3所示的谐振电路来讲，其谐振部分30以及整流部分40的结构都未发生改变，只是在斩波部分20中的第三MOS管20c替换为第三电容130a，第四MSO管20d替换为第四电容130b，从而将原来由MOS管组成的全桥斩波电路调整为板桥斩波电路，两种电路的功能以及实现原理完全相同，此处不再详述。

这里需要说明的是，本发明实施例中的谐振电路中的谐振部分30中既可以接入变压器30a也可以接入自耦变压器70，当然谐振部分30中的第二电感20d可以是抽头电感80、或者是多电感同时并联的电感，简单来说就是谐振部分30的电路结构可以是不同元器件的组合。

另外，本发明实施例还提供了一种充电器，该充电器包含了本发明实施例提供的任一一种谐振电路，该谐振电路应用到该充电器的电源电路中，当充电器接入了直流电源时，该充电器中的电源电路中的谐振电路将按照上述的原理运行，即：斩波部分20将直流电源转换为交流电源，并将交流电源输出至谐振部分30，经过谐振的交流电源输出至整流部分40，整流部分40将交流电源转换为直流电源输出至负载。

另外，本发明实施例还提供了一种不间断电源（英文：UninterruptiblePowerSupply简称：UPS），该不间断电源包含了本发明实施例提供的任一一种谐振电路。参照图2所示，斩波部分20将直流电源转换为交流电源，并将交流电源输出至谐振部分30，经过谐振的交流电源输出至整流部分40，整流部分40将交流电源转换为直流电源输出至负载。谐振电路中的谐振腔由电容30b、第一电感30c、第二电感30d组成，并且该谐振腔位于变压器30a的副边，因此谐振电路接入到小功率电源的电源电路中时，该小功率电源10输出的低压源首先经过变压器30a升压，这样在变压器30a原边和副边功率近似相等的前提下，变压器30a副边的电压提升为原边电压的m倍，电路变压器30a副边的电流将降低为原边电流的1/m，由于变压器30a副边电流的减小，因此有效降低了在电容30b、第一电感30c、第二电感30d所产生的损耗，从而提升了谐振电路的工作效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种谐振电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述谐振电路，其特征在于，所述斩波部分（20）包含第一MOS管（20a）、第二MOS管（20b）、第三MOS管（20c）、第四MOS管（20d），第一MOS管（20a）与第二MOS管（20b）串联形成第一支路，第三MOS管（20c）与第四MOS管（20d）串联形成第二支路，所述第一支路和所述第二支路并联，所述第一支路的两端作为所述斩波部分（20）的输入端，所述第一MOS管（20a）与第二MOS管（20b）之间的连接点作为所述斩波部分（20）的一个输出端，所述第三MOS管（20c）与第四MOS管（20d）之间的连接点作为所述斩波部分（20）的另一输出端。

3.如权利要求1所述的谐振电路，其特征在于，所述整流部分（20）包括第一二极管（40a）、第二二极管（40b）、第三二极管（40c）、第四二极管（40d），第一二极管（40a）与第二二极管（40b）串联形成第三支路，第三二极管（40c）与第四二极管（40d）串联形成第四支路，所述第三支路与所述第四支路并联形成全桥整流电路，所述全桥整流电路中第一二极管（40a）与第二二极管（40b）之间的连接点作为整流部分（40）的一个输入端，第三二极管（40c）与第四二极管（40d）之间的连接点作为整流部分（40）的另一输入端。

4.如权利要求1所述的谐振电路，其特征在于，所述整流部分（20）包括第一二极管（40a）、第二二极管（40b）、第一电容（110a）、第二电容（110b），串联的第一二极管（40a）和第二二极管（40b）并联在串联的第一电容（110a）和第二电容（110b）两端形成倍压整流电路，第一二极管（40a）和第二二极管（40b）之间的连接点作为整流部分（20）的一个输入端，第一电容（110a）和第二电容（110b）之间的连接点作为整流部分（20）的另一输入端，串联的第一电容（110a）和第二电容（110b）两端作为整流部分（20）的两个输出端。

5.如权利要求1～4中任一权项所述的谐振电路，其特征在于，所述第二电感（30d）的电感量为所述第一电感（30c）电感量的n倍，所述n为大于等于3的正整数。

6.如权利要求1～4中任一权项所述的谐振电路，其特征在于，所述变压器（30a）为自耦变压器（70），所述自耦变压器（70）的一端连接至所述斩波部分（20）的一个输出端，所述自耦变压器（70）的中点连接端连接至所述斩波部分（20）的另一输出端，所述自耦变压器（70）的另一端连接至所述整流部分（40）。

7.如权利要求1～4中任一权项所述的谐振电路，其特征在于，所述谐振部分（30）中的第二电感（30d）为抽头电感（80），所述抽头电感（80）的两端对应连接至整流部分（40）的两个输入端，所述抽头电感（80）的中点连接端连接至负载（50a）与负载（50b）之间。

8.如权利要求1～2所述的谐振电路，其特征在于，在所述谐振部分（30）中的第二电感（30d）为抽头电感（90），

9.如权利要求1～4中任一权项所述的谐振电路，其特征在于，所述谐振部分（30）中还包括第一开关（100a）、第二开关（100b）、第三电感（30e），所述第一开关（100a）设置于所述第一电感（30c）与第二电感（30d）之间，所述第二开关（100b）与第三电感（30e）串联后并联在串联的第一开关（100a）和第二电感（30d）的两端，其中，第一开关（100a）用于控制第二电感（30d）接入谐振部分（30），所述第二开关（100b）用于控制第三电感（30e）接入谐振部分（30），所述第三电感（30e）的电感量为所述第一电感（30c）的电感量的j倍，所述j为大于等于3的正整数。

10.一种充电器，其特征在于，包含权利要求1～9中任一权项所述的谐振电路。

11.一种不间断电源，其特征在于，包含权利要求1～9中任一权项所述的谐振电路。