CN107453612A - 一种适用于宽输入范围的高效dc/dc转换功率电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路。宽输入DC/DC功率变换电路由两级拓扑组成，前级为应用同步整流技术的四管Buck‑Boost电路，后级为谐振电路。电路工作时通过Buck‑Boost电路实现输出电压调节，谐振变换器为定频定宽工作状态，便于软开关的设计。本发明能够实现宽输入电压和高效率DC/DC功率变换功能，并且电路结构简单可靠，易于工程实现，对需要宽输入电压的DC/DC变换场合具有重要的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电路设计领域，尤其涉及DC/DC功率变换领域，具体涉及一种具有宽电压输入的高效DC/DC功率变换电路。
背景技术
随着电力电子技术的发展，功率变换模块向高频化、小型化和高效率发展，DC/DC功率变换器的模块化设计成为开关电源技术的一个重要发展方向。由于模块化电源具有通用性的特点，这就要求模块化电源能够使用不同的输入电压范围，而且具有高效率和小型化的特点。
目前应用于模块电源的DC/DC功率拓扑大多采用单级式拓扑，不能在兼顾输入电压范围的同时达到高效率转换，而且变压器的设计不能最优。
发明内容
本发明目的是提供一种具软开关特性的适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路，以达到增大输入电压范围的目的，使得模块化电源能更好得应用不同类型的机载设备。通过对前级功率变换器的宽电压范围反馈调节实现整个电路的宽电压输入，通过后级LLC谐振变换器在高频谐振工作点软开关的特性，实现电路的高效率隔离输出。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现：
一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路，包含：Buck-Boost电路，其输入端与直流电压源的正负母线连接。LLC谐振网络电路，其输入端与Buck-Boost电路的输出端连接。同步整流控制电路，其输入端与LLC谐振网络电路的输出端连接；所述同步整流控制电路的输出端与负载连接，输出经逆变整流后的直流电压Uo。所述Buck-Boost电路用于将直流电压源输入的直流电压Uin进行逆变，并将逆变后的交流电压输送至所述LLC谐振网络电路。所述LLC谐振网络电路用于将逆变后的交流电压通过控制频率使得交流电压稳定逆变输出方形波电压信号。所述同步整流电路所述方形波电压信号进行升压或降压变换与同步整流处理后输出至负载。
优选地，所述Buck-Boost电路采用能够将输入直流电压Uin进行同步整流的H桥结构的四管Buck-Boost路。
优选地，所述Buck-Boost电路包含：第一Mos开关管Q1的漏极接入直流电压源的正母线连接；其源极与电感Lf的一端以及第一同步整流管SR1的漏极连接；所述第一同步整流管SR1的源极与初始直流电压Uin的负母线连接；所述电感Lf的另一端与第二同步整流管SR2的源极以及第二Mos开关管Q2的漏极连接；第二Mos开关管Q2的源极与初始直流电压Uin的负母线连接；第二同步整流管SR2的漏极与电容Cf的一端连接；电容Cf的另一端与初始直流电压Uin的负母线连接。
优选地，所述当Uin<Uo时，Buck-Boost电路工作于升压模式，第一Mos开关管Q1导通，第二Mos开关管Q2工作于常关状态，整个Buck-Boost电路等效于一个Boost变换器；当Uin>Uo时，Buck-Boost电路工作于降压模式，第二Mos开关管Q2常关，第一Mos开关管Q1工作于常关状态，整个Buck-Boost电路等效于一个Buck变换器；
所述第一Mos开关管Q1与第二Mos开关管Q2互补导通，第一与第二同步整流管SR1、SR2互补导通，使得所述Buck-Boost电路工作于同步整流模式。
优选地，所述LLC谐振网络电路为具有软开关特性的谐振网络电路；所述LLC谐振网络电路包含：由谐振电容Cr与谐振电感Lr串联，励磁电感Lm与负载并联组成的LLC谐振电路与一对Mos开关管Q3、Q4；所述Mos开关管Q3、Q4用于通过软开关特性输出方波电压信号。
优选地，所述同步整流电路进一步包含一个高频变压器，一对同步整流管，其中高频变压器的原边为通过中心抽头连接的一组线圈，其与LLC谐振网络电路的励磁电感Lm的两端并联连接；所述高频变压器的副边为通过中心抽头连接的两组线圈；其通过第三与第四同步整流管SR3、SR4轮流接通负载并输出同步整流后的直流电压Uo。
优选地，所述高效DC/DC转换功率电路采用两个控制环进行功率控制，外环为电压控制环，内环为锁相环控制环路；通过外环设有的电压检测模块对负载输出的直流电压进行检测，检测到的负载输出电压为模拟电压信号，通过信号调理电路输入到补偿网络模块，所述补偿网络模块再连接至Buck-Boost驱动电路，通过对Buck-Boost电路的占空比调节，实现输出直流电压Uo的控制。
优选地，锁相环控制环路用于通过锁相环算法对LLC谐振网络电路的输入交流电压与谐振电流之间的相位进行跟踪。
优选地，所述锁相环控制环路包含：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；所述鉴相器对谐振网络的谐振电压和谐振电流的相位进行识别并输出至环路滤波器；环路滤波器通过低通滤波环节对谐振电压和谐振电流带有的高频干扰信号进行滤除并输出至所述压控振荡器；
所述压控振荡环节将谐振电压信号转换为适合驱动电路的高频振荡信号；将谐振电流进行二分频处理与延时处理，反馈至所述鉴相器；使得谐振电流相位滞后于逆变电压的相位。
优选地，所述电路还设有一检测与保护电路，用于检测直流母线的电容电压，当发生过压或欠压时对电路进行保护；
或者，用于检测AC/DC整流器的输出电流，当发生过流或短路情况时对电路进行保护。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明适用于需要宽电压输入、高效功率变换和输入输出隔离的DC/DC功率变换场合。基于本发明的DC/DC变换器具有较高的输出电压稳定性。)本发明的电路拓扑原理清晰、设计方法简单。本发明同时适用于多个模块并联的场合。
附图说明
图1为本发明一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路结构框图；
图2为本发明一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路结构示意图；
图3为本发明一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路的双环控制示意图；
图4a与4b为本发明一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路的Buck-Boost电路工作模式切换示意图；
图5为本发明一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路的LLC谐振网络频率特性分析图；
图6为本发明一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路的锁相环控制电路框图；
图7为本发明一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路的逆变器输出电压与谐振电流的关系图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，本发明一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路，包含：双级式功率拓扑电路结构，其进一步由电压调节级和降压控制级组成。
所述电压调节级由具有宽电压输入功能的Buck-Boost电路构成，为提高电源转换效率，在Buck-Boost电路中应用同步整流技术。
所述降压调节级采用在全负载范围内都能实现软开关的LLC谐振变换器，为减小谐振网络的无功损耗，采用定频控制方式。
LLC谐振变换器开关频率为最佳工作频率，此时原边开关管能实现ZVS，副边整流二极管为ZCS。同时，LLC谐振变换器的整流管通过与LLC谐振变换器电连接的同步整流控制电路对输出电压进行同步整流，进一步提高变换器的效率。
所述宽范围Buck-Boost电路(Buck-Boost变换器)的输入端接入初始直流电压Uin，其输出端与LLC谐振网络电路(LLC谐振变换器)的输入端连接，所述LLC谐振网络电路的输出端与同步整流电路的输入端连接，所述同步整流电路的输出端输出将初始直流电压Uin变换后的直流输出电压Uo。
如图2所示，所述的宽范围Buck-Boost电路进一步包含：一对Mos开关管Q1、Q2，一对同步整流管SR1、SR2，一个电感Lf与一个电容Cf。其中，电感Lf为储能元件，用于升降压电路的功率变换。为提高Buck-Boost电路的转换效率，采用H桥结构的四管Buck-Boost路，并使用同步整流技术。为尽可能发挥Buck-Boost电路宽调压的能力，将Buck-Boost的额定输入电压设计为输入电压范围的中间值。
第一Mos开关管Q1的漏极接入初始直流电压Uin的正母线连接；其源极与电感Lf的一端以及第一同步整流管SR1的漏极连接；所述第一同步整流管SR1的源极与初始直流电压Uin的负母线连接；所述电感Lf的另一端与第二同步整流管SR2的源极以及第二Mos开关管Q2的漏极连接；第二Mos开关管Q2的源极与初始直流电压Uin的负母线连接。
第二同步整流管SR2的漏极与电容Cf的一端连接；电容Cf的另一端与初始直流电压Uin的负母线连接。
如图4a与4b所示，Buck-Boost电路工作模式切换示意图；
Buck-Boost电路可以工作于升压模式以及降压模式。当直流电压Uin<直流电压Uo时，Buck-Boost电路工作于升压模式，第一Mos开关管Q1导通，第二Mos开关管Q2工作于开关状态，整个Buck-Boost电路等效于一个Boost变换器。当直流电压Uin>直流电压Uo时，Buck-Boost电路工作于降压模式，第二Mos开关管Q2常关，第一Mos开关管Q1工作于开关状态，整个Buck-Boost电路等效于一个Buck变换器。
当Buck-Boost电路工作于同步整流模式时，第一Mos开关管Q1与第二Mos开关管Q2互补导通，第一与第二同步整流管SR1、SR2互补导通，其工作原理同非同步整流Buck-Boost变换器。
本申请的Buck-Boost电路采用模式切换控制方式，给定基准电压与输出电压采样作差，经过调节器输出，一路减去三角载波幅值偏置后的调制波与三角载波交结，另一路直接与三角载波交结，分别给出第一Mos开关管Q1与第二Mos开关管Q2的驱动信号。
相比于同步开关方式以及交错开关方式，可明显地降低电感电流脉动量、减小滤波电感值，减小变换器体积，提高变换器功率密度。
由图4b可知，两调制幅值相差三角载波高度，任意时刻只有一个调制波与载波交结，即Buck-Boost电路任意时刻只会以一种工作模式进行工作，因此可以采用数字控制方式，根据调节器输出调制波的幅值自动实现工作模式切换。
上述Buck-Boost电路将输入的直流电压Uin逆变调整成交流电压并输出。
如图2所示，所述LLC谐振网络电路包含：谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频变压器的励磁电感Lm，谐振网络实现了功率的高压隔离变换。
如图2所示，谐振电容Cr与谐振电感Lr串联，励磁电感Lm与负载并联。所述LLC谐振网络电路进一步设有一对Mos开关管Q3、Q4；所述Mos开关管Q3、Q4用于实现逆变功能并输出方波。
第三Mos开关管Q3的源极与第四Mos开关管Q4的漏极连接；第三Mos开关管Q3的漏极与第四Mos开关管Q4的源极分别与宽范围Buck-Boost电路的电容Cf的两端连接；其中第四Mos开关管Q4的源极与连接到初始直流电压Uin的负母线的电容Cf的一端连接；即接入初始直流电压Uin的负母线。第三Mos开关管Q3的源极与第四Mos开关管Q4的漏极连接处与谐振电容Cr以及谐振电感Lr串联。
在设计LLC谐振网络时，将逆变器的工作频率设定为谐振变换器的高频工作点，这样电路工作时开关管实现软开关的条件很容易满足。理论上在全负载范围内能实现原边开关管(第三Mos开关管Q3与第四Mos开关管Q4)的零电压开关电路(ZVS)和同步整流电路设有的变压器的副边整流管(同步整流电路中设有的第三同步整流管SR3与第四同步整流管SR4)的零电流开关(ZCS)，并且在该点上输出电压增益为1。此外，在设计LLC谐振网络时应该合理设计励磁电压和谐振电感的比值，在满足谐振网络输出特性的条件下，尽可能提高励磁电感的值，使得谐振网络的环流较小，从而谐振网络的效率较高。
如图5所示，图5为LLC谐振网络输出增益与频率的关系，LLC谐振变换器是三个无源器件的多谐振变换器，有两个谐振频率fr1和fr2，定义如下：
其中，fr1为高频谐振频率，fr2为低频谐振频率，为使LLC谐振变换器工作在高效率开关模式，原边MOSFET为零电压开通，副边同步整流管为零电流关断，应使得谐振变换器的开关频率为fr1。定义k为励磁电感Lm和谐振电感Lr比，k值是决定变换器增益能力的重要参数。
k值的范围一般为3～7，k值越小谐振网络的升压能力越强，效率越低，k值越大谐振网络升压能力越小，但是效率越高。本发明公开的电路宽输入特性，输出电压不是通过LLC谐振网络实现，而是通过同步整流电路中的变压器的变比实现，所以在设计k值时，应考虑LLC谐振变换器的效率特性，将k值设为7。
所述LLC谐振网络电路接收Buck-Boost电路输出的交流电压信号并将其调整成且输出方形波信号。
如图2所示，所述同步整流电路进一步包含一个高频变压器，一对同步整流管，其中高频变压器的原边为通过中心抽头连接的一组线圈，其与LLC谐振网络电路的励磁电感Lm的两端并联连接。所述高频变压器的副边为通过中心抽头连接的两组线圈；其通过第三与第四同步整流管SR3、SR4轮流接通负载并输出同步整流后的直流电压Uo。所述同步整流电路所述方形波电压信号进行升压或降压变换与同步整流处理后输出至负载。
在模块电源工作中，受到温度等环境因素的影响，会使得谐振网络的谐振元件和负载的等效阻抗可能会发生改变，尤其是磁性材料，其导磁率随着温度较为明显。这样谐振网络的高频谐振点可能会偏离设计的值。为了维持电路工作在谐振状态或接近谐振状态，提高电源的工作性能和效率，逆变器的工作频率需要跟随负载频率的变化，即电源的控制电路要具有频率跟踪功能。使用锁相环的方法可实现谐振频率的跟踪，从而电路能够实时工作在谐振频率处。这样，功率变换的效率更高而且具有一定的抗干扰性。一般应用锁相环(PLL，phase Locked Loop)技术实现频率自动跟踪。锁相环是一种使输出信号与参考信号在相位和频率上相一致的电路。
11.因此本申请进一步设有一锁相环控制电路；如图6所示，其为锁相环控制电路框图；本申请的锁相环由以下三部分组成，即鉴相器(Phase Detector，PD)、环路滤波器(Low-Pass Filter，LPF)和压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)组成。所述锁相环控制环路用于通过锁相环算法对LLC谐振网络电路的输入交流电压与谐振电流之间的相位进行跟踪。
通过锁相环技术，能够保证LLC谐振网络工作在不同的输入电压和负载电阻时都能够保证较高的转换效率。
通过本申请的锁相环的鉴相器、环路滤波器与压控振荡器的信号类型为模拟信号。首先对LLC谐振网络电路的谐振电压和谐振电流进行检测，然后通过上述鉴相器对谐振网络的谐振电压和谐振电流的相位进行识别，接着通过上述低通滤波环节对谐振电压和谐振电流带有的高频干扰信号进行滤除，最后通过上述压控振荡环节将谐振电压信号转换为适合驱动电路的高频振荡信号。将谐振电流进行二分频处理与延时处理，反馈至上述鉴相器；使得谐振电流相位稍微滞后逆变电压的相位。
图7显示了锁相环跟踪的效果，由于要保持开关器件ZVS工作的稳定性，逆变器的工作频率不能刚好为谐振频率点，要使得谐振网络的阻抗为低感性。因此，锁相环工作时相位跟踪的角度一般为10°左右，使得电流相位稍微滞后电压相位。
本发明的工作原理为：直流电压Uin通过Buck-Boost电路实现输出电压的调节，此过程为功率传输；通过LLC谐振网络中的逆变器设有的第三Mos开关管Q3和第四Mos开关管Q4实现逆变功能，将直流电压Uin逆变呈方形波电压信号并输出；经过逆变后的电压方形波电压信号输入LLC谐振网络电路中，此过程也为功率传输；通过同步整流电路中的第三与第四同步整流管SR3、SR4，对LLC谐振网络输出的经过变压器变压的交流电压进行整流，最后输出到负载。双级功率拓扑由两个控制环组成，外环为电压控制环，内环为锁相环控制环路。
图3所示，通过外环设有的电压检测模块对负载输出的电压进行检测，检测到的负载输出电压为模拟电压信号，通过信号调理电路输入到补偿网络模块，该模块再连接至Buck-Boost驱动电路，通过对Buck-Boost电路的占空比调节，实现输出电压的控制。
图3所示，内环为锁相环控制电路，通过对LLC谐振网络的输入电压和电流的检测实现LLC谐振电路的锁相环控制，传输信号类型为模拟信号；通过PLL算法实现LLC谐振网络的相位跟踪。
在本实施例中，还设有一检测与保护电路，其对直流母线电容电压进行检测，当直流母线发生过压或者欠压时，对电路进行保护。检测AC/DC整流器的输出电流，当发生过流或者短路时，对电路进行保护。
综上所述，本发明提出的宽电压输入DC/DC变换拓扑具有输入电压范围高、转换效率高以及输入输出实现隔离的优点。而且，本发明提出的功率拓扑的控制方法简单，易于实现，输出电压的稳定性好。
本发明主要用于航天、航空、通讯等设备的机载电源，属于大功率电源模块，主电路主要采用了两级变换拓扑，通过优化的控制策略实现了模块电压在宽电压输入的同时又具有较高的功率转换效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种适用于宽输入范围的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，包含：Buck-Boost电路，其输入端与直流电压源的正负母线连接；
LLC谐振网络电路，其输入端与Buck-Boost电路的输出端连接；
同步整流控制电路，其输入端与LLC谐振网络电路的输出端连接；所述同步整流控制电路的输出端与负载连接，输出经逆变整流后的直流电压Uo；
所述Buck-Boost电路用于将直流电压源输入的直流电压Uin进行逆变，并将逆变后的交流电压输送至所述LLC谐振网络电路；
所述LLC谐振网络电路用于将所述交流电压通过控制频率使得所述交流电压稳定逆变输出方形波电压信号；
所述同步整流电路所述方形波电压信号进行升压或降压变换与同步整流处理后输出至负载。
2.如权利要求1所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，
所述Buck-Boost电路采用能够将输入直流电压Uin进行同步整流的H桥结构的四管Buck-Boost路；所述Buck-Boost电路的额定输入电压为输入直流电压范围的中间值。
3.如权利要求2所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，所述Buck-Boost电路包含：第一Mos开关管Q1的漏极接入直流电压源的正母线连接；其源极与电感Lf的一端以及第一同步整流管SR1的漏极连接；所述第一同步整流管SR1的源极与初始直流电压Uin的负母线连接；所述电感Lf的另一端与第二同步整流管SR2的源极以及第二Mos开关管Q2的漏极连接；第二Mos开关管Q2的源极与初始直流电压Uin的负母线连接；第二同步整流管SR2的漏极与电容Cf的一端连接；电容Cf的另一端与初始直流电压Uin的负母线连接。
4.如权利要求3所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，
所述当直流电压Uin<直流电压Uo时，Buck-Boost电路工作于升压模式，第一Mos开关管Q1导通，第二Mos开关管Q2工作于常关状态，整个Buck-Boost电路等效于一个Boost变换器；当直流电压Uin>直流电压Uo时，Buck-Boost电路工作于降压模式，第二Mos开关管Q2常关，第一Mos开关管Q1工作于常关状态，整个Buck-Boost电路等效于一个Buck变换器；
所述第一Mos开关管Q1与第二Mos开关管Q2互补导通，第一与第二同步整流管SR1、SR2互补导通，使得所述Buck-Boost电路工作于同步整流模式。
5.如权利要求1所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，所述LLC谐振网络电路为具有软开关特性的谐振网络电路；所述LLC谐振网络电路包含：由谐振电容C r与谐振电感L r串联，励磁电感L m与负载并联组成的LLC谐振电路与一对Mos开关管Q3、Q4；所述第三与第四Mos开关管Q3、Q4用于通过软开关特性输出方形波电压信号；所述LLC谐振网络电路采用定频控制方式，使得所述第三与第四Mos开关管Q3、Q4为零电压开关。
6.如权利要求1所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，所述同步整流电路进一步包含一个高频变压器，一对同步整流管，其中高频变压器的原边为通过中心抽头连接的一组线圈，其与LLC谐振网络电路的励磁电感L m的两端并联连接；所述高频变压器的副边为通过中心抽头连接的两组线圈；其通过第三与第四同步整流管SR3、SR4轮流接通负载并输出同步整流后的直流电压Uo；所述第三与第四同步整流管SR3、SR4为零电流开关。
7.如权利要求1所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，
所述高效DC/DC转换功率电路采用两个控制环进行功率控制，外环为电压控制环，内环为锁相环控制环路；
通过外环设有的电压检测模块对负载输出的直流电压进行检测，检测到的负载输出电压为模拟电压信号，通过信号调理电路输入到补偿网络模块，所述补偿网络模块再连接至Buck-Boost驱动电路，通过对Buck-Boost电路的占空比调节，实现对所述直流电压Uo的控制。
8.如权利要求7所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，所述
锁相环控制环路用于通过锁相环算法对LLC谐振网络电路的输入交流电压与谐振电流之间的相位进行跟踪。
9.如权利要求8所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，
所述锁相环控制环路包含：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；所述鉴相器对谐振网络的谐振电压和谐振电流的相位进行识别并输出至环路滤波器；环路滤波器通过低通滤波环节对谐振电压和谐振电流带有的高频干扰信号进行滤除并输出至所述压控振荡器；
所述压控振荡环节将谐振电压信号转换为适合驱动电路的高频振荡信号；将谐振电流进行二分频处理与延时处理，反馈至所述鉴相器；使得谐振电流相位滞后于逆变电压的相位。
10.如权利要求1所述的高效DC/DC转换功率电路，其特征在于，所述高效DC/DC转换功率电路还设有一检测与保护电路，用于检测直流母线的电容电压，当发生过压或欠压时对电路进行保护；
或者，用于检测所述高效DC/DC转换功率电路设有的AC/DC整流器的输出电流，当发生过流或短路情况时对电路进行保护。
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