CN105207490B - 反激式多谐振Sepic变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了反激式多谐振Sepic变换器，属于多谐振变换器的技术领域。涉及的反激式多谐振Sepic变换器包括适用于电气隔离场合的隔离型变换器以及适用于不需要电气隔离以及输入输出电压反向场合的非隔离型变换器。其中，隔离型变换器吸收变压器的漏感作为谐振电感的一部分，吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分。本发明涉及的两种变换器可以同时实现开关管和二极管的零电压开关，变换器的开关损耗几乎为零，提高了变换器的效率。
Description
技术领域
本发明公开了反激式多谐振Sepic变换器，属于多谐振变换器的技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对电源体积重量的要求越来越高，而提高变换器的开关频率是提高功率密度的有效手段。但是对于硬开关电路来说，提高开关频率意味着开关损耗的增加，会大大降低变换器的整体效率。因此研究软开关技术，即在不增加开关损耗的基础上提高变换器的开关频率十分重要。
谐振变换器是实现软开关的典型变换器，主要包括准谐振变换器、多谐振变换器以及谐振变换器。其中准谐振变换器和多谐振变换器均为单管变换器，控制比较简单。零电压开关准谐振变换器（Zero-voltage-switching multi-resonant converter, ZVS MRC）器件电压应力较高，对于电路中的开关管以及二极管，只能改善其中一个器件的开关条件，而零电压开关多谐振变换器能够同时改善两个器件的开关条件。零电压开关多谐振变换器分为隔离型和非隔离型两种，非隔离的主要有Buck、Boost、Buck/Boost、Cuk、Sepic、Zeta零电压开关多谐振变换器，隔离的主要的有隔离型Forward、Flyback、Cuk、Speic、Zeta零电压开关多谐振变换器。隔离型零电压开关多谐振变换器可以吸收变压器的漏感作为谐振电感的一部分，吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，因此可以解决高频工作下寄生参数影响明显的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了反激式多谐振Sepic变换器，实现了开关管和二极管的零电压开关，变换器的开关损耗几乎为零，提高了变换器的效率，解决了零电压开关准谐振变换器只能改善开关管和二极管中一个器件的开关条件、隔离型多谐振Sepic变换器导通损耗大且效率低的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
隔离型拓扑结构的反激式多谐振Sepic变换器，包括：隔离变压器、原边电路、副边电路，其中，
所述原边电路包括：直流电源、输入侧电感、MOS管、第一谐振电容、隔直电容、谐振电感；
所述副边电路包括：二极管、第二谐振电容、输出滤波电容；
输入侧电感一端接直流电源正端，输入侧电感另一端与MOS管的漏极、第一谐振电容的一极、隔直电容的一极相连接，隔直电容另一极接谐振电感一端，谐振电感另一端接隔离变压器原边绕组一端，直流电源的负端、MOS管的源极、第一谐振电容的另一极、隔离变压器原边绕组的另一端均接地，二极管阳极与第二谐振电容的一极、隔离变压器副边绕组的一端相连接，二极管阴极与第二谐振电容的另一极、输出滤波电容的一极相连接，输出滤波电容的另一极、隔离变压器副边绕组的另一端均接地，隔离变压器原边绕组与谐振电感连接的一端、隔离变压器副边绕组与输出滤波电容连接的一端为同名端。
作为所述隔离型拓扑结构反激式多谐振Sepic变换器的进一步优化方案，
所述第一谐振电容容量等效为MOS管结电容容量与并联在MOS管源极、漏极之间的谐振电容的容量之和；
所述第二谐振电容容量等效为二极管结电容容量与并联在二极管两极间的谐振电容的容量之和；
所述谐振电感的电感值等效为隔离变压器漏感电感值与串接在隔直电容、隔离变压器原边绕组之间的谐振电感的电感值之和。
进一步的，所述隔离型拓扑结构反激式多谐振Sepic变换器的原边电路还包括寄生体二极管，寄生体二极管阳极与MOS管源极相连接，寄生体二极管阴极与MOS管漏极相连接。
非隔离型拓扑结构的反激式多谐振Sepic变换器，包括：直流电源、输入侧电感、MOS管、第一谐振电容、隔直电容、谐振电感、储能电感、二极管、第二谐振电容、输出滤波电容，其中，
输入侧电感一端接直流电源正端，输入侧电感另一端与MOS管的漏极、第一谐振电容的一极、隔直电容的一极相连接，隔直电容另一极接谐振电感一端，谐振电感另一端与储能电感的一端、输出滤波电容的一极相连接，直流电源的负端、MOS管的源极、第一谐振电容的另一极、储能电感的另一端、二极管的阳极均接地，二极管阴极接输出滤波电容另一极，第二谐振电容并联在二极管两极之间。
作为所述非隔离型拓扑结构反激式多谐振Sepic变换器的进一步优化方案，
所述第一谐振电容容量等效为MOS管结电容容量与并联在MOS管源极、漏极之间的谐振电容的容量之和；
所述第二谐振电容容量等效为二极管结电容容量与并联在二极管两极间的谐振电容的容量之和。
进一步的，所述非隔离型拓扑结构反激式多谐振Sepic变换器还包括寄生体二极管，寄生体二极管阳极与MOS管源极相连接，寄生体二极管阴极与MOS管漏极相连接。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）反激式多谐振Sepic变换器可以同时实现开关管和二极管的零电压开关，而且与现有的多谐振Sepic变换器相比，具有导通损耗更小、效率更高的优点；
（2）本发明涉及的反激式多谐振Sepic变换器包括：反激式隔离型多谐振Sepic变换器和反激式非隔离型多谐振Sepic变换器，在需要电气隔离的应用场合可以选用反激式隔离型多谐振Sepic变换器，在不需要电气隔离以及输入输出电压反向的应用场合可以选用反激式非隔离型多谐振Sepic变换器；
（3）反激式隔离型多谐振Sepic变换器吸收变压器的漏感作为谐振电感的一部分，吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，既解决了高频工作下寄生参数影响明显的问题又提高了变换器效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是反激式隔离型多谐振Sepic变换器电路结构示意图。
图2是反激式非隔离型多谐振Sepic变换器电路结构示意图。
图3是反激式多谐振Sepic变换器主要波形示意图。
图4至图7是反激式多谐振Sepic变换器各开关模态的等效电路结构示意图。图8是反激式隔离型多谐振Sepic变换器与传统隔离型多谐振Sepic变换器谐振电感电流有效值对比图。
图9是反激式隔离型多谐振Sepic变换器与传统隔离型多谐振Sepic变换器开关管电流有效值对比图。
图10是反激式隔离型多谐振Sepic变换器与传统隔离型多谐振Sepic变换器开关管峰值电压对比图。
图11是反激式隔离型多谐振Sepic变换器与传统隔离型多谐振Sepic变换器二极管峰值电压对比图。
图中标号说明：V in 、输入电压，L f 、输入侧电感，S、MOS管，L m 、储能电感，D s 、开关管寄生体二极管，C s 、第一谐振电容，C b 、隔直电容，L s 、谐振电感，T r 、隔离变压器，n p 、变压器原边绕组匝数，n s 、变压器副边绕组匝数，D、二极管，C d 、第二谐振电容，C o 、输出滤波电容，v gs 、开关管栅源极驱动电压，v s 、开关管漏源极电压，v d 、二极管两端电压，i L 、谐振电感电流，I in 、输入电流，I o 、输出电流，V o 、输出电压。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，以下通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
为解决零电压开关准谐振变换器只能改善开关管和二极管中一个器件开关条件、隔离型多谐振Sepic变换器导通损耗大且效率低的技术问题，本发明提出了适用于需要电气隔离场合的反激式隔离型多谐振Sepic变换器、适用于不需要电气隔离且以及输入输出电压反向场合的反激式非隔离型多谐振Sepic变换器。
图1为反激式隔离型多谐振Sepic变换器的电路基本结构示意图，由直流电源V in 、输入侧电感L f 、MOS管S、第一谐振电容C s 、隔直电容C b 、谐振电感L s 、隔离变压器T r 、二极管D、第二谐振电容C d 、输出滤波电容C o 组成。直流电源V in 负端接地，直流电源V in 正端接输入侧电感L f 的一端、输入侧电感L f 另一端接MOS管S的漏极，MOS管S的源极接地，第一谐振电容C s 与MOS管S并联，隔直电容C b 一端接输入侧电感L f 与MOS管S漏极的串联点；隔直电容C b 与谐振电感L s 、隔离变压器T r 原边绕组串联，谐振电感L s 一端与隔直电容C b 相连，谐振电感L s 另一端与隔离变压器T r 原边绕组同名端相连，隔离变压器T r 原边绕组异名端接地；隔离变压器T r 副边绕组异名端与二极管D阳极相连，隔离变压器T r 副边绕组同名端接地；第二谐振电容C d 与二极管D并联，二极管D阴极接输出滤波电容C o 的一端，输出滤波电容C o 另一端接地。MOS管包括并联在其漏极、源极之间的开关管寄生体二极管D s 。第一谐振电容包括开关管本身的结电容以及外加并联在开关管两端的电容；第二谐振电容包括二极管本身的结电容以及外加并联在二极管两端的电容；谐振电感包括变压器的漏感以及外加串联的谐振电感。反激式隔离型多谐振Sepic变换器吸收隔离变压器的漏感作为谐振电感的一部分，吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，可解决高频工作下寄生参数影响明显的问题。
图2为反激式非隔离型多谐振Sepic变换器的电路组成结构，由直流电源V in 、输入侧电感L f 、MOS管S、第一谐振电容C s 、隔直电容C b 、谐振电感L s 、储能电感L m 、二极管D、第二谐振电容C d 、输出滤波电容C o 组成。直流电源V in 负端接地，直流电源V in 正端接输入侧电感L f 的一端、输入侧电感L f 另一端接MOS管S的漏极，MOS管S的源极接地，第一谐振电容C s 与MOS管S并联；隔直电容C b 一端接输入侧电感L f 与MOS管S漏极的串联点，隔直电容C b 与谐振电感L s 串联后与储能电感L m 的一端相连，储能电感L m 的另一端接地；二极管D与输出滤波电容C o 的串联支路并联在储能电感L m 两端，二极管D阳极接地，第二谐振电容C d 与二极管D并联。MOS管包括并联在其漏极、源极之间的开关管寄生体二极管D s 。
图1中的隔离型反激式多谐振Sepic变换器与图2中的非隔离型反激式多谐振Sepic变换器工作原理类似，区别在于隔离型反激式多谐振Sepic变换器采用了变压器进行电气隔离，而且谐振电感可以吸收变压器的漏感。在需要电气隔离的应用场合，可以采用隔离型反激式多谐振Sepic变换器。在不需要电气隔离以及输入输出电压反向的应用场合，可以采用非隔离型反激式多谐振Sepic变换器。
下面以图2中的非隔离型变换器为例，结合图3至图7叙述反激式多谐振Sepic变换器的具体工作原理。由图3可知变换器每个开关周期有4种开关模态，分别是 [t 0，t 1]、[t 1，t 2]、[t 2，t 3]、[t 3，t 4]。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
在分析之前，作如下假设：（1）所有电感、电容和变压器均为理想元件；（2）输入电感足够大，可近似认为是一个电流源I in ，I in 为输入电流；（3）输出滤波电容足够大，可近似认为是一个电压源V o ，V o 为输出电压。
开关模态1 [t 0，t 1]
该开关模态的等效电路如图4所示，MOS管S和二极管D导通，谐振电感电流i L 线性下降。
开关模态2 [t 1，t 2]
该开关模态的等效电路如图5所示，t 1时刻，MOS管S关断，第一谐振电容C s 与谐振电感L s 谐振，第一谐振电容C s 两端电压（即为开关管漏源极电压v s ）谐振上升。
开关模态3 [t 2，t 3 ]
该开关模态的等效电路如图6所示，t 2时刻，谐振电感电流i L 上升至 I o 时，流经二极管D的电流下降到0，第二谐振电容C d 也开始参与谐振，该模态中谐振电感L s 、第一谐振电容C s 、第二谐振电容C d 三者谐振，第二谐振电容C d 两端电压（即为二极管两端电压v d ）谐振上升。
开关模态4 [t 3，t 4 ]
该开关模态的等效电路如图7所示，t 3时刻，第一谐振电容C s 两端电压（即为开关管漏源极电压v s ）谐振到0，此后谐振电感L s 与第二谐振电容C d 谐振；t 4时刻，第二谐振电容C d 两端电压（即为二极管两端电压v d ）谐振到0，回到开关模态1。
由以上的分析可知，反激式多谐振Sepic变换器可以实现MOS管S和二极管D的零电压关断、以及二极管D的零电流关断。
将本发明所述的反激式多谐振Sepic变换器与传统的多谐振Sepic变换器比较，所有电路参数均相同，如图8、图9所示，本发明所述的反激式多谐振Sepic变换器具有谐振电感电流与开关管电流有效值更低的优点，因此具有更高的效率。此外，如图10、图11所示，本发明所述的反激式多谐振Sepic变换器具有开关管与二极管电压应力更低的优点。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
（1）反激式多谐振Sepic变换器可以同时实现开关管和二极管的零电压开关，而且与现有的多谐振Sepic变换器相比，具有导通损耗更小、效率更高的优点；
（2）本发明涉及的反激式非隔离型多谐振Sepic变换器包括：隔离型反激式多谐振Sepic变换器和非隔离型反激式多谐振Sepic变换器，在需要电气隔离的应用场合可以选用隔离型反激式多谐振Sepic变换器，在不需要电气隔离以及输入输出电压反向的应用场合可以选用非隔离型反激式多谐振Sepic变换器；
（3）隔离型反激式多谐振Sepic变换器吸收变压器的漏感作为谐振电感的一部分，吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，既解决了高频工作下寄生参数影响明显的问题又提高了变换器效率。
Claims (6)
1.反激式多谐振Sepic变换器，其特征在于，包括：隔离变压器、原边电路、副边电路，其中，
所述原边电路包括：直流电源、输入侧电感、MOS管、第一谐振电容、隔直电容、谐振电感；
所述副边电路包括：二极管、第二谐振电容、输出滤波电容；
输入侧电感一端接直流电源正端，输入侧电感另一端与MOS管的漏极、第一谐振电容的一极、隔直电容的一极相连接，隔直电容另一极接谐振电感一端，谐振电感另一端接隔离变压器原边绕组一端，直流电源的负端、MOS管的源极、第一谐振电容的另一极、隔离变压器原边绕组的另一端均接地，二极管阳极与第二谐振电容的一极、隔离变压器副边绕组的一端相连接，二极管阴极与第二谐振电容的另一极、输出滤波电容的一极相连接，输出滤波电容的另一极、隔离变压器副边绕组的另一端均接地，隔离变压器原边绕组与谐振电感连接的一端、隔离变压器副边绕组与输出滤波电容连接的一端为同名端。
2.根据权利要求1所述的反激式多谐振Sepic变换器，其特征在于，
所述第一谐振电容容量等效为MOS管结电容容量与并联在MOS管源极、漏极之间的谐振电容的容量之和；
所述第二谐振电容容量等效为二极管结电容容量与并联在二极管两极间的谐振电容的容量之和；
所述谐振电感的电感值等效为隔离变压器漏感电感值与串接在隔直电容、隔离变压器原边绕组之间的谐振电感的电感值之和。
3.根据权利要求1或2所述的反激式多谐振Sepic变换器，其特征在于，所述原边电路还包括寄生体二极管，寄生体二极管阳极与MOS管源极相连接，寄生体二极管阴极与MOS管漏极相连接。
4.反激式多谐振Sepic变换器，其特征在于，包括：直流电源、输入侧电感、MOS管、第一谐振电容、隔直电容、谐振电感、储能电感、二极管、第二谐振电容、输出滤波电容，其中，
输入侧电感一端接直流电源正端，输入侧电感另一端与MOS管的漏极、第一谐振电容的一极、隔直电容的一极相连接，隔直电容另一极接谐振电感一端，谐振电感另一端与储能电感的一端、输出滤波电容的一极相连接，直流电源的负端、MOS管的源极、第一谐振电容的另一极、储能电感的另一端、二极管的阳极均接地，二极管阴极接输出滤波电容另一极，第二谐振电容并联在二极管两极之间。
5.根据权利要求4所述的反激式多谐振Sepic变换器，其特征在于，
所述第一谐振电容容量等效为MOS管结电容容量与并联在MOS管源极、漏极之间的谐振电容的容量之和；
所述第二谐振电容容量等效为二极管结电容容量与并联在二极管两极间的谐振电容的容量之和。
6.根据权利要求4或5所述的反激式多谐振Sepic变换器，其特征在于，所述反激式多谐振Sepic变换器还包括寄生体二极管，寄生体二极管阳极与MOS管源极相连接，寄生体二极管阴极与MOS管漏极相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180424 Termination date: 20210929 |