CN106972753B - 一种Boost谐振变换器无源元件集成装置 - Google Patents

一种Boost谐振变换器无源元件集成装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Boost谐振变换器无源元件集成装置，包括两个PCB覆铜绕组、两个PCB集成绕组、两个E型磁芯；两个E型磁芯相对设置，两个PCB覆铜绕组分别绕制在两个E型磁芯的中柱上，两个PCB集成绕组分别绕制在两个E型磁芯的左右两侧边柱上；两个PCB集成绕组均包括从上到下依次排列的PCB覆铜绕组、漏感介质层、PCB覆铜绕组、电介质层、PCB覆铜绕组、电介质层和PCB覆铜绕组。本发明将Boost谐振变换器中的升压电感、谐振电感、变压器、滤波电容全部集成在一个磁性元件中，减小了无源元件的数量和体积，增大了Boost谐振变换器的功率密度，削弱了元件分布参数的寄生振荡对电路性能的影响。

Description

一种Boost谐振变换器无源元件集成装置
技术领域
本发明涉及一种Boost谐振变换器无源元件集成装置。
背景技术
随着新能源的推广、电动汽车的大力发展，将新能源与电动汽车结合起来成为一种趋势。由于太阳能、燃料电池、蓄电池等输入源具有输入电压较低的特性，升压变换器成为不可或缺的关键部件。
Boost谐振变换器，主要由输入电压源、Boost升压电感、逆变器、谐振槽路、变压器和整流输出构成。为了给电力设备提供良好稳定的供电，Boost谐振变换器可以用来提升分布式能源系统中的输出电压，使用电单位获得高质量的电能。
Boost谐振变换器中一般包含以下无源元件：升压电感、谐振电感、变压器、谐振电容。通常，这些无源元件使用分立元件实现，不但元件数量多，而且各元件大小不一、形状各异、空间利用率不高，采用分立元件还会大大降低电力电子设备的功率密度，并且分立元件的寄生参数，如电感的等效并联电容、电容的等效串联电感，会对Boost谐振变换器电路的性能产生负面的影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、体积小、空间利用率高的Boost谐振变换器无源元件集成装置。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种Boost谐振变换器无源元件集成装置，包括第一PCB覆铜绕组、第二PCB覆铜绕组、第一PCB集成绕组、第二PCB集成绕组、第一E型磁芯、第二E型磁芯；第一E型磁芯位于第二E型磁芯上方且与第二E型磁芯相对设置，第一PCB覆铜绕组绕制在第一E型磁芯的中柱上，第二PCB覆铜绕组绕制在第二E型磁芯的中柱上，第一PCB集成绕组绕制在第一E型磁芯和第二E型磁芯的左侧边柱上，第二PCB集成绕组绕制在第一E型磁芯和第二E型磁芯的右侧边柱上；所述第一PCB集成绕组包括从上到下依次排列的第三PCB覆铜绕组、第一漏感介质层、第四PCB覆铜绕组、第一电介质层、第五PCB覆铜绕组、第二电介质层和第六PCB覆铜绕组，第二PCB集成绕组包括从上到下依次排列的第七PCB覆铜绕组、第二漏感介质层、第八PCB覆铜绕组、第三电介质层、第九PCB覆铜绕组、第四电介质层和第十PCB覆铜绕组。
上述Boost谐振变换器无源元件集成装置，所述第一PCB覆铜绕组的外端与电源的高电位端相连，第一PCB覆铜绕组的内端与第一半桥的中点相连，第二PCB覆铜绕组的内端与电源的高电位端相连，第二PCB覆铜绕组的外端与第二半桥的中点相连，第三PCB覆铜绕组的外端与第一半桥的中点相连，第三PCB覆铜绕组的内端与第七PCB覆铜绕组外端相连，第七PCB覆铜绕组的内端与第二半桥的中点相连，第四PCB覆铜绕组的外端悬空，第四PCB覆铜绕组的内端与第八PCB覆铜绕组的外端相连，第八PCB覆铜绕组的内端与整流桥的上端相连，第五PCB覆铜绕组的外端与整流桥的中点相连，第五PCB覆铜绕组的内端与第九PCB覆铜绕组的外端相连，第九PCB覆铜绕组的内端悬空，第六PCB覆铜绕组的外端悬空，第六PCB覆铜绕组的内端与第十PCB覆铜绕组的外端相连，第十PCB覆铜绕组的内端与整流桥的下端相连。
上述Boost谐振变换器无源元件集成装置，所述第一半桥包括第一开关管、第二开关管和第一储能电容，第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连并作为第一半桥的中点，第二开关管的源极与电源的低电位端相连，所述第一储能电容跨接在第一开关管的漏极与第二开关管的源极之间。
上述Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：所述第二半桥包括第三开关管、第四开关管和第二储能电容，第三开关管的源极与第四开关管的漏极相连并作为第二半桥的中点，第四开关管的源极与电源的低电位端相连，所述第二储能电容跨接在第三开关管的漏极与第四开关管的源极之间。
上述Boost谐振变换器无源元件集成装置，所述整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三滤波电容，所述第一整流二极管的正极与第三滤波电容的一端相连并作为整流桥的上端，所述第一整流二极管的负极与第二整流二极管的正极相连并作为整流桥的中点，所述第二整流二极管的负极与第三滤波电容的另一端相连并作为整流桥的下端。
上述Boost谐振变换器无源元件集成装置，所述第一PCB覆铜绕组与第二PCB覆铜绕组形成Boost谐振变换器中的两个升压电感；第三PCB覆铜绕组和第七PCB覆铜绕组形成变压器的原边；第五PCB覆铜绕组和第九PCB覆铜绕组形成变压器的副边；变压器原副边之间的漏感用于构成谐振槽路的谐振电感，第一漏感介质层和第二漏感介质层用于调节漏感的大小；第一电介质层和第三电介质层并联形成谐振槽路的上端谐振电容；第二电介质层和第四电介质层并联形成谐振槽路的下端谐振电容。
上述Boost谐振变换器无源元件集成装置，所述第一PCB覆铜绕组与第二PCB覆铜绕组的绕向相反；第一PCB集成绕组和第二PCB集成绕组的绕向相反；第一PCB集成绕组中的第三PCB覆铜绕组、第四PCB覆铜绕组、第五PCB覆铜绕组和第六PCB覆铜绕组绕向相同；第二PCB集成绕组中的第七PCB覆铜绕组、第八PCB覆铜绕组、第九PCB覆铜绕组和第十PCB覆铜绕组的绕向相同。
上述Boost谐振变换器无源元件集成装置，所述第一PCB覆铜绕组形成集总参数模型为L的二端网络，第二PCB覆铜绕组形成集总参数模型为另一个L的二端网络，第一PCB集成绕组与第二PCB集成绕组共同形成集总参数模型为一个漏感、一个变压器、两个电容的多端网络。
本发明的有益效果在于：本发明将Boost谐振变换器中的升压电感、谐振电感、变压器、滤波电容全部集成在一个磁性元件中，有效提高了电感与电容元件的空间利用率，减小了Boost谐振变换器中无源元件的数量和体积，增大了Boost谐振变换器的功率密度，削弱了元件分布参数的寄生振荡对电路性能的影响。
附图说明
图1为本发明的爆炸结构示意图。
图2为本发明的合成结构示意图。
图3为本发明的工作结构示意图。
图4为本发明的两个PCB覆铜绕组与两个PCB集成绕组分布参数模型结构示意图。
图5为本发明的两个PCB覆铜绕组与两个PCB集成绕组合并前的集总参数模型结构示意图。
图6为本发明的两个PCB覆铜绕组与两个PCB集成绕组合并后的集总参数模型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-图3所示，一种Boost谐振变换器无源元件集成装置23，包括第一PCB覆铜绕组3、第二PCB覆铜绕组4、第一PCB集成绕组19、第二PCB集成绕组20、第一E型磁芯1、第二E型磁芯2；第一E型磁芯1位于第二E型磁芯2上方且与第二E型磁芯2相对设置，第一PCB覆铜绕组3绕制在第一E型磁芯1的中柱上，第二PCB覆铜绕组4绕制在第二E型磁芯2的中柱上，第一PCB集成绕组19绕制在第一E型磁芯1和第二E型磁芯2的左侧边柱上，第二PCB集成绕组20绕制在第一E型磁芯1和第二E型磁芯2的右侧边柱上；所述第一PCB集成绕组19包括从上到下依次排列的第三PCB覆铜绕组5、第一漏感介质层6、第四PCB覆铜绕组7、第一电介质层8、第五PCB覆铜绕组9、第二电介质层10和第六PCB覆铜绕组11，第二PCB集成绕组20包括从上到下依次排列的第七PCB覆铜绕组12、第二漏感介质层13、第八PCB覆铜绕组14、第三电介质层15、第九PCB覆铜绕组16、第四电介质层17和第十PCB覆铜绕组18。
所述第一PCB覆铜绕组3的外端27与电源21的高电位端相连，第一PCB覆铜绕组3的内端与第一半桥25的中点28相连，第二PCB覆铜绕组4的内端29与电源21的高电位端相连，第二PCB覆铜绕组4的外端与第二半桥26的中点30相连，第三PCB覆铜绕组5的外端与第一半桥25的中点28相连，第三PCB覆铜绕组5的内端与第七PCB覆铜绕组12外端40相连，第七PCB覆铜绕组12的内端与第二半桥26的中点30相连，第四PCB覆铜绕组7的外端悬空，第四PCB覆铜绕组7的内端与第八PCB覆铜绕组14的外端41相连，第八PCB覆铜绕组14的内端与整流桥24的上端45相连，第五PCB覆铜绕组9的外端与整流桥24的中点46相连，第五PCB覆铜绕组9的内端与第九PCB覆铜绕组16的外端42相连，第九PCB覆铜绕组16的内端44悬空，第六PCB覆铜绕组11的外端悬空，第六PCB覆铜绕组11的内端与第十PCB覆铜绕组18的外端43相连，第十PCB覆铜绕组18的内端与整流桥24的下端47相连。
所述第一半桥25包括第一开关管31、第二开关管32和第一储能电容35，第一开关管31的源极与第二开关管的漏极相连并作为第一半桥25的中点28，第二开关管32的源极与电源21的低电位端相连，所述第一储能电容35跨接在第一开关管31的漏极与第二开关管32的源极之间。
所述第二半桥26包括第三开关管33、第四开关管34和第二储能电容36，第三开关管33的源极与第四开关管34的漏极相连并作为第二半桥26的中点30，第四开关管34的源极与电源21的低电位端相连，所述第二储能电容36跨接在第三开关管33的漏极与第四开关管34的源极之间。第一半桥25和第二半桥26构成全桥整流器22。
所述整流桥24包括第一整流二极管38、第二整流二极管39、第三滤波电容37，所述第一整流二极管38的正极与第三滤波电容37的一端相连并作为整流桥24的上端45，所述第一整流二极管38的负极与第二整流二极管39的正极相连并作为整流桥24的中点46，所述第二整流二极管38的负极与第三滤波电容37的另一端相连并作为整流桥24的下端47。
所述第一PCB覆铜绕组3与第二PCB覆铜绕组4的绕向相反；第一PCB集成绕组19和第二PCB集成绕组20的绕向相反；第一PCB集成绕组19中的第三PCB覆铜绕组5、第四PCB覆铜绕组7、第五PCB覆铜绕组9和第六PCB覆铜绕组11绕向相同；第二PCB集成绕组20中的第七PCB覆铜绕组12、第八PCB覆铜绕组14、第九PCB覆铜绕组16和第十PCB覆铜绕组18的绕向相同。
所述第一PCB覆铜绕组3与第二PCB覆铜绕组4形成Boost谐振变换器中的两个升压电感，构成二个二端口网络27-28和29-30；第三PCB覆铜绕组5和第七PCB覆铜绕组12形成变压器的原边，构成二端口网络28-40-30；第五PCB覆铜绕组9和第九PCB覆铜绕组16形成变压器的副边，构成二端口网络46-42-44；变压器原副边之间的漏感用于构成谐振槽路的谐振电感，第一漏感介质层6和第二漏感介质层13用于调节漏感的大小；第一电介质层8和第三电介质层15并联形成谐振槽路的上端谐振电容，构成二端口网络45-44；第二电介质层10和第四电介质层17并联形成谐振槽路的下端谐振电容，构成二端口网络47-44。
如图4所示，所述的第一PCB覆铜绕组3形成分布参数模型为L的二端网络27-28，第二PCB覆铜绕组4形成分布参数模型为L的二端网络29-30，第一PCB集成绕组19等效形成一个漏感与变压器原边串联的二端网络28-40、变压器副边与两个电容的二端网络46-42-41和46-42-43，第二PCB集成绕组20等效形成漏感与变压器原边串联的二端网络40-30、变压器副边与两个电容的二端网络42-44-45和42-44-47。
如图5所示，所述的第一PCB集成绕组19等效形成一个漏感与变压器原边串联的二端网络28-40、第二PCB集成绕组20等效形成漏感与变压器原边串联的二端网络40-30、第一PCB集成绕组19与第二PCB集成绕组20共同形成一个副边46-42-44分别与两个电容44-45和18-47串联。
如图6所示，所述的第一PCB覆铜绕组3形成集总参数模型为L的二端网络27-28，第二PCB覆铜绕组4形成集总参数模型为L的二端网络29-30，第一PCB集成绕组19与第二PCB集成绕组20共同形成集总参数模型为一个漏感、一个变压器、两个电容的多端网络28-30-46-44-45-47。

Claims (8)

1.一种Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：包括第一PCB覆铜绕组、第二PCB覆铜绕组、第一PCB集成绕组、第二PCB集成绕组、第一E型磁芯、第二E型磁芯；第一E型磁芯位于第二E型磁芯上方且与第二E型磁芯相对设置，第一PCB覆铜绕组绕制在第一E型磁芯的中柱上，第二PCB覆铜绕组绕制在第二E型磁芯的中柱上，第一PCB集成绕组绕制在第一E型磁芯和第二E型磁芯的左侧边柱上，第二PCB集成绕组绕制在第一E型磁芯和第二E型磁芯的右侧边柱上；所述第一PCB集成绕组包括从上到下依次排列的第三PCB覆铜绕组、第一漏感介质层、第四PCB覆铜绕组、第一电介质层、第五PCB覆铜绕组、第二电介质层和第六PCB覆铜绕组，第二PCB集成绕组包括从上到下依次排列的第七PCB覆铜绕组、第二漏感介质层、第八PCB覆铜绕组、第三电介质层、第九PCB覆铜绕组、第四电介质层和第十PCB覆铜绕组。
2.根据权利要求1所述的Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：所述第一PCB覆铜绕组的一端与电源的高电位端相连，第一PCB覆铜绕组的另一端与第一半桥的中点相连，第二PCB覆铜绕组的一端与第二半桥的中点相连，第二PCB覆铜绕组的另一端与电源的高电位端相连，第三PCB覆铜绕组的一端与第一半桥的中点相连，第三PCB覆铜绕组的另一端与第七PCB覆铜绕组一端相连，第七PCB覆铜绕组的另一端与第二半桥的中点相连，第四PCB覆铜绕组的一端悬空，第四PCB覆铜绕组的另一端与第八PCB覆铜绕组的一端相连，第八PCB覆铜绕组的另一端与整流桥的输入端相连，第五PCB覆铜绕组的一端与整流桥的中点相连，第五PCB覆铜绕组的另一端与第九PCB覆铜绕组的一端相连，第九PCB覆铜绕组的另一端悬空，第六PCB覆铜绕组的一端悬空，第六PCB覆铜绕组的另一端与第十PCB覆铜绕组的一端相连，第十PCB覆铜绕组的另一端与整流桥的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：所述第一半桥包括第一开关管、第二开关管和第一储能电容，第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连并作为第一半桥的中点，第二开关管的源极与电源的低电位端相连，所述第一储能电容跨接在第一开关管的漏极与第二开关管的源极之间。
4.根据权利要求2所述的Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：所述第二半桥包括第三开关管、第四开关管和第二储能电容，第三开关管的源极与第四开关管的漏极相连并作为第二半桥的中点，第四开关管的源极与电源的低电位端相连，所述第二储能电容跨接在第三开关管的漏极与第四开关管的源极之间。
5.根据权利要求2所述的Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：所述整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三滤波电容，所述第一整流二极管的正极与第三滤波电容的一端相连并作为整流桥的输入端，所述第一整流二极管的负极与第二整流二极管的正极相连并作为整流桥的中点，所述第二整流二极管的负极与第三滤波电容的另一端相连并作为整流桥的输出端。
6.根据权利要求2所述的Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：所述第一PCB覆铜绕组与第二PCB覆铜绕组形成Boost谐振变换器中的两个升压电感；第三PCB覆铜绕组和第七PCB覆铜绕组形成变压器的原边；第五PCB覆铜绕组和第九PCB覆铜绕组形成变压器的副边；变压器原、副边之间的漏感用于构成谐振槽路的谐振电感，第一漏感介质层和第二漏感介质层用于调节漏感的大小；第一电介质层和第三电介质层并联形成谐振槽路的上端谐振电容；第二电介质层和第四电介质层并联形成谐振槽路的下端谐振电容。
7.根据权利要求2所述的Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：所述第一PCB覆铜绕组与第二PCB覆铜绕组的绕向相反；第一PCB集成绕组和第二PCB集成绕组的绕向相反；第一PCB集成绕组中的第三PCB覆铜绕组、第四PCB覆铜绕组、第五PCB覆铜绕组和第六PCB覆铜绕组绕向相同；第二PCB集成绕组中的第七PCB覆铜绕组、第八PCB覆铜绕组、第九PCB覆铜绕组和第十PCB覆铜绕组的绕向相同。
8.根据权利要求2所述的Boost谐振变换器无源元件集成装置，其特征在于：所述第一PCB覆铜绕组形成集总参数模型为升压电感L的二端网络，第二PCB覆铜绕组形成集总参数模型为另一个升压电感L的二端网络，第一PCB集成绕组与第二PCB集成绕组共同形成集总参数模型为一个漏感、一个变压器、两个电容的多端网络。
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