CN106100346A - 一种具有均压均流功能的组合式谐振变换器 - Google Patents

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CN106100346A CN201610534957.3A CN201610534957A CN106100346A CN 106100346 A CN106100346 A CN 106100346A CN 201610534957 A CN201610534957 A CN 201610534957A CN 106100346 A CN106100346 A CN 106100346A
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郝瑞祥
雷浩东
游小杰
郑琼林
李艳
王琛琛
李虹
林飞
杨中平
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    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

本发明公开一种具有均压均流功能的组合式谐振变换器，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一输入电容、第二输入电容、第一谐振电容、第二谐振电容、第一谐振电感、第二谐振电感、飞跨电容、限流电感、耦合电感、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一变压器、第二变压器和滤波电容。本发明的所述组合式谐振变换器在保持传统LLC谐振变换器优势的基础之上，能够同时实现多路LLC模块的输入侧电压和模块电流的自动平衡，具有均压均流效果好、结构简单、可靠性高、效率高、成本低等优点，适用于高电压输入、大功率输出的DC/DC变换场合。

Description

一种具有均压均流功能的组合式谐振变换器
技术领域
本发明涉及组合式谐振变换器技术领域。更具体地，涉及一种具有均压均流功能的组合式谐振变换器。
背景技术
DC/DC变换器作为电力电子变换器中非常重要的一类，广泛应用于便携式设备、LED驱动、电动汽车、储能系统、航空航天电源等领域。现有技术中，功率半导体开关器件在耐压、通流能力和开关速度等方面的性能限制了DC/DC变换器在高电压、大功率场合的应用。因此，如何使DC/DC变换器模块通过不同的组合方式来满足高电压、大功率场合的需求，已经成为了电力电子领域的一个研究热点和难点。
LLC谐振变换器通过谐振网络来传输能量，能够在宽输入电压和宽负载变化范围内实现输入侧开关器件的ZVS开通和副边整流二极管的自然关断，具有损耗小、开关频率高等优点。多路LLC谐振变换器可以组成输入串联输出并联(Input-Series Output-Parallel，ISOP)的结构，适用于高输入电压、大功率负载的DC/DC变换场合。由于实际制造工艺的限制和器件容差的存在，参与组合的LLC模块参数不可能完全相同，造成不同模块的输入侧电压和输出电流的不平衡。电压和电流的不平衡会影响变换器整体的稳定性和可靠性，甚至会损坏器件。
传统的均流均压方法分为有源型和无源型两种。有源型均压均流方法通常需要额外添加有源器件或者采用复杂的控制策略，不仅增加了控制的复杂程度，而且提高了硬件成本。传统三电平结构DC/DC变换器将输入侧开关管电压应力钳位到输入电压的一半，但是三电平结构需要两个高压二极管，且只有一路输出，限制了输出功率的提升。
因此，需要提供一种具有均压均流特性的组合式谐振变换器，该组合式谐振变换器不需要复杂的控制策略，而是通过在电路中加入均压电容和均流耦合电感来实现两路LLC模块的输入侧电压、谐振槽电流以及副边整流二极管电流的自动均衡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有均压均流功能的组合式谐振变换器。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有均压均流功能的组合式谐振变换器，该组合式谐振变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一输入电容、第二输入电容、第一谐振电容、第二谐振电容、第一谐振电感、第二谐振电感、飞跨电容、限流电感、耦合电感、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一变压器、第二变压器和滤波电容；
其中，第一变压器包括第一励磁电感、第一原边和第一副边；第二变压器包括第二励磁电感、第二原边和第二副边；耦合电感包括第一绕组和第二绕组；
第一开关管的源极与第二开关管的漏极电连接；第二开关管的源极与第三开关管的漏极电连接；第三开关管的源极与第四开关管的漏极电连接；第一开关管与第二开关管之间的节点为第一节点；第二开关管与第三开关管之间的节点为第二节点；第三开关管与第四开关管之间的节点为第三节点；
第一输入电容的负极与第二输入电容的正极电连接；第一输入电容的正极与第一开关管的漏极电连接；第二输入电容的负极与第四开关管的源极电连接；第二输入电容与第四开关管之间的节点为第四节点；第一输入电容与第二输入电容之间的节点为第五节点；第五节点与第二节点电连接；
飞跨电容的一个电极与限流电感的一端电连接，且飞跨电容的另一个电极与第一节点电连接，限流电感的另一端与第三节点电连接；
第一谐振电容的一个电极与第一节点电连接；第一谐振电容的另一个电极与第一谐振电感的一端电连接；第一谐振电感的另一端分别与第一励磁电感的一端和第一原边的一端电连接；第一励磁电感的另一端和第一原边的另一端都与耦合电感的第一绕组的一端电连接；第二谐振电容的一个电极与第四节点电连接；第二谐振电容的另一个电极与第二谐振电感的一端电连接；第二谐振电感的另一端分别与第二励磁电感的一端和第二原边的一端电连接；第二励磁电感的另一端和第二原边的另一端都与耦合电感的第二绕组的一端电连接；耦合电感的第一绕组的另一端与第二节点电连接；耦合电感的第二绕组的另一端与第三节点电连接；
第一副边的一端与第一整流二极管的正极电连接；第一整流二极管的负极与第二整流二极管的负极电连接；第二整流二极管的正极与第一副边的另一端电连接；第一整流二极管与第二整流二极管之间的节点为第六节点；
第二副边的一端与第三整流二极管的正极电连接；第三整流二极管的负极与第四整流二极管的负极电连接；第四整流二极管的正极与第二副边的另一端电连接；第三整流二极管与第四整流二极管之间的节点为第七节点；
第六节点与第七节点电连接；
第一副边的中间抽头与第二副边的中间抽头电连接，且第一副边的中间抽头与第二副边的中间抽头之间的节点为第八节点；
滤波电容的正极与第六节点电连接，滤波电容的负极与第八节点电连接。
优选地，所述第一绕组的电连接至所述第二节点的一端与所述第二绕组的电连接至所述第三节点的一端为所述耦合电感的一对同名端。
优选地，所述第一开关管与所述第三开关管同时开启或关闭，且所述第二开关管与所述第四开关管同时开启或关闭。
优选地，所述第一输入电容和所述第二输入电容的型号相同；所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的型号都相同。
优选地，所述第一谐振电容和所述第二谐振电容的型号相同；所述第一谐振电感和所述第二谐振电感的型号相同。
优选地，所述第一整流二极管、所述第二整流二极管、所述第三整流二极管和所述第四整流二极管的型号都相同。
优选地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管的占空比均为50％。
优选地，所述第一绕组与所述第二绕组的匝数比为1:1。
优选地，所述第一励磁电感的电感值与所述第二励磁电感的电感值相等。
优选地，所述第一原边与所述第一副边的匝数比等于所述第二原边与所述第二副边的匝数比。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明的所述组合式谐振变换器在保持传统LLC谐振变换器优势的基础之上，能够同时实现多路LLC模块的输入侧电压和模块电流的自动平衡，具有均压均流效果好、结构简单、可靠性高、效率高、成本低等优点，适用于高电压输入、大功率输出的DC/DC变换场合。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的具有均压均流功能的组合式谐振变换器的电路图；
图2为本发明实施例提供的组合式谐振变换器的输入电压Vin、以及输入电容电压VC1和VC2的波形图；
图3为本发明实施例提供的组合式谐振变换器的谐振槽电流ir1和ir2的波形图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的具有均压均流功能的组合式谐振变换器包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一输入电容C1、第二输入电容C2、第一谐振电容Cr1、第二谐振电容Cr2、第一谐振电感Lr1、第二谐振电感Lr2、飞跨电容C3、限流电感Llim、耦合电感Lcouple、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第一变压器TC1、第二变压器TC2和滤波电容CO。其中，第一变压器TC1包括第一励磁电感Lm1、第一原边F1和第一副边H1；第二变压器TC2包括第二励磁电感Lm2、第二原边F2和第二副边H2；耦合电感Lcouple包括第一绕组F3和第二绕组H3。
第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极电连接；第二开关管S2的源极与第三开关管S3的漏极电连接；第三开关管S3的源极与第四开关管S4的漏极电连接。第一开关管S1与第二开关管S2之间的节点为第一节点A1；第二开关管S2与第三开关管S3之间的节点为第二节点A2；第三开关管S3与第四开关管S4之间的节点为第三节点A3。
第一输入电容C1的负极与第二输入电容C2的正极电连接。第一输入电容C1的正极与第一开关管S1的漏极电连接。第二输入电容C2的负极与第四开关管S4的源极电连接。使用时，第一输入电容C1的正极和第一开关管S1的漏极都与输入电源Vin的正极电连接；且第二输入电容C2的负极和第四开关管S4的源极都与输入电源Vin的负极电连接。第二输入电容C2与第四开关管S4之间的节点为第四节点A4。第一输入电容C1与第二输入电容C2之间的节点为第五节点A5。第五节点A5与第二节点A2电连接。
飞跨电容C3的一个电极与限流电感Llim的一端电连接，且飞跨电容C3的另一个电极与第一节点A1电连接，限流电感Llim的另一端与第三节点A3电连接。
第一谐振电容Cr1的一个电极与第一节点A1电连接；第一谐振电容Cr1的另一个电极与第一谐振电感Lr1的一端电连接；第一谐振电感Lr1的另一端分别与第一励磁电感Lm1的一端和第一原边F1的一端电连接；第一励磁电感Lm1的另一端和第一原边F1的另一端都与耦合电感Lcouple的第一绕组F3的一端电连接。第二谐振电容Cr2的一个电极与第四节点A4电连接；第二谐振电容Cr2的另一个电极与第二谐振电感Lr2的一端电连接；第二谐振电感Lr2的另一端分别与第二励磁电感Lm2的一端和第二原边F2的一端电连接；第二励磁电感Lm2的另一端和第二原边F2的另一端都与耦合电感Lcouple的第二绕组H3的一端电连接；耦合电感Lcouple的第一绕组F3的另一端与第二节点A2电连接；耦合电感Lcouple的第二绕组H3的另一端与第三节点A3电连接；耦合电感Lcouple的第一绕组F3的电连接至第二节点A2的一端与耦合电感Lcouple的第二绕组H3的电连接至第三节点A3的一端为耦合电感Lcouple的一对同名端。
第一副边H1的一端与第一整流二极管D1的正极电连接；第一整流二极管D1的负极与第二整流二极管D2的负极电连接；第二整流二极管D2的正极与第一副边H1的另一端电连接。第一整流二极管D1与第二整流二极管D2之间的节点为第六节点A6。
第二副边H2的一端与第三整流二极管D3的正极电连接；第三整流二极管D3的负极与第四整流二极管D4的负极电连接；第四整流二极管D4的正极与第二副边H2的另一端电连接。第三整流二极管D3与第四整流二极管D4之间的节点为第七节点A7。
第六节点A6与第七节点A7电连接。
第一副边H1的中间抽头与第二副边H2的中间抽头电连接，且第一副边H1的中间抽头与第二副边H2的中间抽头之间的节点为第八节点A8。
滤波电容CO的正极与第六节点A6(或第七节点A7)电连接，滤波电容CO的负极与第八节点A8电连接。使用时，负载电阻RL与滤波电容CO并联电连接。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一输入电容C1和第二输入电容C2的型号相同。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4的型号都相同。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2的型号相同。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一谐振电感Lr1和第二谐振电感Lr2的型号相同。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4的型号都相同。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一开关管S1与第三开关管S3同时开启或关闭，且第二开关管S2与第四开关管S4同时开启或关闭。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的占空比均为50％(忽略死区时间)。
在本实施例的一种优选实施方式中，耦合电感Lcouple的第一绕组F3与耦合电感Lcouple的第二绕组H3的匝数比为1:1。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一励磁电感Lm1的电感值与第二励磁电感Lm2的电感值相等。
在本实施例的一种优选实施方式中，第一变压器TC1与第二变压器TC2的匝数比相等，即第一原边F1与第一副边H1的匝数比等于第二原边F2与第二副边H2的匝数比。
本实施例的所述组合式谐振变换器稳定工作时包含两个工作状态，即第一开关状态和第二开关状态，且在第一开关状态与第二开关状态之间互相切换。当所述组合式谐振变换器处于第一开关状态时，第一开关管S1和第三开关管S3均开启，且第二开关管S2和第四开关管S4均关闭；当所述组合式谐振变换器处于第二开关状态时，第一开关管S1和第三开关管S3均关闭，且第二开关管S2和第四开关管S4均开启。
当所述组合式谐振变换器处于第一开关状态时，飞跨电容C3与第一输入电容C1并联，故飞跨电容C3的电压与第一输入电容C1的电压相等；当所述组合式谐振变换器处于第二开关状态时，飞跨电容C3与第二输入电容C2并联，故飞跨电容C3的电压与第二输入电容C2的电压相等。
当第一输入电容C1的电压与第二输入电容C2的电压不相等时，随着所述组合式谐振变换器在其第一开关状态与第二开关状态之间互相切换，飞跨电容C3能够实现第一输入电容C1与第二输入电容C2之间的传递能量，从而逐步缩小第一输入电容C1的电压与第二输入电容C2的电压的差值，最终实现第一输入电容C1的电压与第二输入电容C2的电压均衡。
由于实际使用过程中第一输入电容C1和第二输入电容C2的电压不完全相同，在第一开关状态与第二开关状态之间互相切换时，会有幅值较高的、瞬时的尖峰电流流过飞跨电容C3、第一输入电容C1或第二输入电容C2，该尖峰电流将增加飞跨电容C3、第一输入电容C1、第二输入电容C2以及四个开关管被损坏的风险。与飞跨电容C3串联的限流电感Llim能够抑制流过飞跨电容C3的尖峰电流，从而能够有效避免飞跨电容C3与第一输入电容C1形成并联回路时的电流冲击，以及有效避免飞跨电容C3与第二输入电容C2形成并联回路时的电流冲击。
耦合电感Lcouple用于通过第一绕组F3与第二绕组H3的磁耦合作用实现流过第一谐振电感Lr1的第一谐振电流ir1与流过第二谐振电感Lr2的第二谐振电流ir2的均衡。
在第一励磁电感Lm1的电感值与第二励磁电感Lm2的电感值相等的情况下，流过第一励磁电感Lm1的第一励磁电流im1与流过第二励磁电感Lm2的第二励磁电流im2相等。由于第一谐振电流ir1和第二谐振电流ir2已经实现了均衡，则流过第一副边H1的电流与流过第二副边H2的电流也能实现均衡，进而使得流过第一整流二极管D1和第二整流二极管D2的电流与流过第三整流二极管D3和第四整流二极管D4的电流也能实现均衡。滤波电容CO用于使所述组合式谐振变换器的输出电压Vout(即使用时负载电阻RL两端的电压)由波动电压转换为直流电压。
本实施例的所述组合式谐振变换器的输入电压Vin、以及输入电容电压VC1和VC2的波形图如图2所示。由图2可知，输入电容电压VC1和VC2均等于输入电压的一半250V，说明飞跨电容的均压效果良好。
本实施例的所述组合式谐振变换器的谐振槽电流ir1和ir2的波形图如图3所示。由图3可知，谐振槽电流波形的幅值和相位基本保持一致，说明耦合电感的均流效果良好。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，该组合式谐振变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一输入电容、第二输入电容、第一谐振电容、第二谐振电容、第一谐振电感、第二谐振电感、飞跨电容、限流电感、耦合电感、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一变压器、第二变压器和滤波电容；
其中，第一变压器包括第一励磁电感、第一原边和第一副边；第二变压器包括第二励磁电感、第二原边和第二副边；耦合电感包括第一绕组和第二绕组；
第一开关管的源极与第二开关管的漏极电连接；第二开关管的源极与第三开关管的漏极电连接；第三开关管的源极与第四开关管的漏极电连接；第一开关管与第二开关管之间的节点为第一节点；第二开关管与第三开关管之间的节点为第二节点；第三开关管与第四开关管之间的节点为第三节点；
第一输入电容的负极与第二输入电容的正极电连接；第一输入电容的正极与第一开关管的漏极电连接；第二输入电容的负极与第四开关管的源极电连接；第二输入电容与第四开关管之间的节点为第四节点；第一输入电容与第二输入电容之间的节点为第五节点；第五节点与第二节点电连接；
飞跨电容的一个电极与限流电感的一端电连接，且飞跨电容的另一个电极与第一节点电连接，限流电感的另一端与第三节点电连接；
第一谐振电容的一个电极与第一节点电连接；第一谐振电容的另一个电极与第一谐振电感的一端电连接；第一谐振电感的另一端分别与第一励磁电感的一端和第一原边的一端电连接；第一励磁电感的另一端和第一原边的另一端都与耦合电感的第一绕组的一端电连接；第二谐振电容的一个电极与第四节点电连接；第二谐振电容的另一个电极与第二谐振电感的一端电连接；第二谐振电感的另一端分别与第二励磁电感的一端和第二原边的一端电连接；第二励磁电感的另一端和第二原边的另一端都与耦合电感的第二绕组的一端电连接；耦合电感的第一绕组的另一端与第二节点电连接；耦合电感的第二绕组的另一端与第三节点电连接；
第一副边的一端与第一整流二极管的正极电连接；第一整流二极管的负极与第二整流二极管的负极电连接；第二整流二极管的正极与第一副边的另一端电连接；第一整流二极管与第二整流二极管之间的节点为第六节点；
第二副边的一端与第三整流二极管的正极电连接；第三整流二极管的负极与第四整流二极管的负极电连接；第四整流二极管的正极与第二副边的另一端电连接；第三整流二极管与第四整流二极管之间的节点为第七节点；
第六节点与第七节点电连接；
第一副边的中间抽头与第二副边的中间抽头电连接，且第一副边的中间抽头与第二副边的中间抽头之间的节点为第八节点；
滤波电容的正极与第六节点电连接，滤波电容的负极与第八节点电连接。
2.根据权利要求1所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一绕组的电连接至所述第二节点的一端与所述第二绕组的电连接至所述第三节点的一端为所述耦合电感的一对同名端。
3.根据权利要求1或2所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一开关管与所述第三开关管同时开启或关闭，且所述第二开关管与所述第四开关管同时开启或关闭。
4.根据权利要求1或2所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一输入电容和所述第二输入电容的型号相同；所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的型号都相同。
5.根据权利要求1或2所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一谐振电容和所述第二谐振电容的型号相同；所述第一谐振电感和所述第二谐振电感的型号相同。
6.根据权利要求1或2所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一整流二极管、所述第二整流二极管、所述第三整流二极管和所述第四整流二极管的型号都相同。
7.根据权利要求1或2所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管的占空比均为50％。
8.根据权利要求1或2所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一绕组与所述第二绕组的匝数比为1:1。
9.根据权利要求1或2所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一励磁电感的电感值与所述第二励磁电感的电感值相等。
10.根据权利要求1或2所述的具有均压均流功能的组合式谐振变换器，其特征在于，所述第一原边与所述第一副边的匝数比等于所述第二原边与所述第二副边的匝数比。
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