CN109713906A - 一种谐振变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种谐振变换器,包括依次电连接的直流电源、开关电路、谐振电路、整流电路以及滤波电路;开关电路接受外部控制器控制;整流电路包括第一整流模块、第二整流模块和第三整流模块,开关电路包括2N组开关模块,谐振模块包括2N组谐振组,变压器模块包括N个第一变压器和N个第二变压器,N≥1;第一变压器的次级线圈包含次级主线圈和次级辅助线圈,第二变压器的次级线圈包含次级主线圈和次级辅助线圈;解决了目前谐振变换器在低压恒功率点效率低、器件利用不充分、成本高的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域,尤其涉及一种谐振变换器。
背景技术
目前,常见的谐振变换器包括串联、并联、串并谐振变换器。由于谐振变换器的简单电路拓扑,以及能够在全负载范围实现软开关的特性,因而谐振变换器广泛应用于提供最高功率密度和效率的最先进电源。谐振变换器虽然有实现开关器件软开关,开关损耗小,效率高以及相对于硬开关具有优越的EMI(Electromagnetic Interference,电磁干扰)性能等诸多优点,但缺陷仍然明显,以业界比较流行的LLC谐振变换器为例,其输出电压调节主要依靠改变工作频率调整,输出电压调整范围仅有0.9-1.1倍的额定电压(假定谐振频率对应的输出电压为额定电压),为了解决LLC谐振变换器输出电压范围有限的问题,业界有各种方案,其中一种如图1所示,在谐振频率下,该谐振变换器可以通过控制Q1/Q2与Q3/Q4两个半桥的移相角,实现输出电压从1/2倍额定电压到额定电压范围内(2倍范围)连续变换,并且在1/2倍额定电压点,输出功率仍能保持恒定(不降低)。其在1/2倍额定电压点实现恒功率输出的主要原因是,原边两个半桥移相180度,从而使变压器副边工作在并联模式,等效于两个电压源并联,输出电流可以加倍。假设开关管Q1、开关管Q2、谐振电感L1、谐振电容C1、变压器T1构成一个半桥变换器;假设开关管Q3、开关管Q4、谐振电感L2、谐振电容C2、变压器T2构成另一个半桥变换器,即两个半桥变换器的工作模式仍旧是谐振点附近的软开关模式,因而谐振变换器在1/2倍额定电压恒功率条件下,其效率比较高。但在需要电压调节范围低于2倍的场合,比如目前主流充电桩要求的750-400V恒功率输出场合,该谐振变换器在400V附近仍旧工作在移相模式(移相角度大于0度且小于180度),由于移相会导致开关管Q1-Q4关断时电流大,二极管D5、D6的电流小于二极管D1-D4的电流。简单分析可知,若移相角为0度时,二极管D5、D6不参与工作,且无电流,开关管Q1-Q4关断电流小;若移相角为180度时,二极管D5、D6的总电流等于D1-D4的总电流,开关管Q1-Q4关断电流小;若移相角处于0度到180度之间时,二极管D5、D6的总电流小于二极管D1-D4的总电流,开关管Q1-Q4关断电流随移相角变大而后慢慢变小。从而导致谐振变换器在400V恒功率点也就是最大输出电流点,该谐振变换器存在效率低,器件利用不充分、成本高的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于一种谐振变换器,解决目前谐振变换器在低压恒功率点效率低、器件利用不充分以及成本高的问题。
本发明的目的采用如下技术方案实现:
一种谐振变换器,包括依次电连接的直流电源、开关电路、谐振电路、整流电路以及滤波电路;所述开关电路接受外部控制器控制;所述谐振电路包括谐振模块和变压器模块,所述整流电路包括第一整流模块、第二整流模块和第三整流模块,所述开关电路包括2N组开关模块,所述谐振模块包括2N组谐振组,所述变压器模块包括N个第一变压器和N个第二变压器,N≥1;所述第一变压器的次级线圈包含次级主线圈和次级辅助线圈,所述第二变压器的次级线圈包含次级主线圈和次级辅助线圈;其中,
所述第一变压器的初级线圈同名端经对应所述谐振组连接至对应所述开关模块的一端,所述第一变压器的初级线圈非同名端连接至对应所述开关模块的另一端;所述第二变压器的初级线圈同名端经对应所述谐振组连接至对应所述开关模块的一端,所述第二变压器的初级线圈非同名端连接至对应所述开关模块的另一端;
若N=1时,所述第一变压器的次级主线圈同名端连接至所述第一整流模块的桥臂中点,所述第一变压器的次级主线圈非同名端连接至所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端,所述第二变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第三整流模块的桥臂中点;所述第一变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第二整流模块的桥臂中点,所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端连接至所述第二变压器的次级主线圈非同名端,所述第二变压器的次级主线圈同名端连接其次级辅助线圈同名端;或
若N>1时,第一个所述第一变压器的次级主线圈同名端连接至所述第一整流模块的桥臂中点,第一个所述第一变压器的次级主线圈非同名端与第二个所述第一变压器的次级主线圈同名端相连,相邻所述第一变压器的次级主线圈非同名端与次级主线圈同名端相连,第N个所述第一变压器的次级主线圈非同名端连接第N个所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端,第N个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与第N-1所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端相连,相邻所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与次级辅助线圈非同名端相连,第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端连接所述第三整流模块的桥臂中点;第一个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第二整流模块的桥臂中点,第一个所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端与第二个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端相连,相邻所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端与次级辅助线圈同名端相连,第N个所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端连接至所述第N个第二变压器的次级主线圈非同名端,第N个所述第二变压器的次级主线圈同名端与第N-1个所述第二变压器的次级主线圈非同名端,相邻所述第二变压器的次级主线圈同名端与次级主线圈非同名端相连,第一个所述第二变压器的次级主线圈同名端与其次级辅助线圈同名端相连。
基于上述谐振变换器,通过外部控制器移相控制开关电路中的开关管可以改变变压器模块的输出电压的大小,当N=1时,在理想状态下,假设第一变压器与第二变压器的电压值相等,设第一变压器和第二变压器的次级主线圈的匝数为m,第一变压器和第二变压器的次级辅助线圈的匝数为n,每匝线圈对应的电压为K;若移相角度为0°,则第一变压器与第二变压器工作串联模式下,该谐振变换器的输出电压V1为2K(m-n);根据上文描述,此时V1即额定电压;若移相角度为180°时,则第一变压器与第二变压器工作在并联模式下,该谐振变换器的输出电压V2为K(m+n);从而通过第一变压器和第二变压器的次级主线圈或/和次级辅助线圈的配置以及移相角度0°-180°的控制,实现改变该谐振变换器的输出电压的宽范围变换,并且在V2电压点,保持恒功率输出。根据上文的描述,其电压变换范围为S2=(2K(m-n))/(K(m+n))=2*(m-n)/(m+n),且S2<S1。S1为上文提到的图1中谐振变换器的电压变换范围,S1=2。以下通过具体数值分析该谐振变换器的适用范围,当m=8,n=1,k=50时,V1=700,V2=400,考虑到LLC谐振变换器本身有0.9-1.1倍的电压调节能力,因此该谐振变换器实际输出范围为770V到360V(1.1*V1到0.9*V2),覆盖了750V-400V宽范围恒功率的要求;并且在360V-440V范围内,谐振变换器工作状态与单个半桥变换器工作状态一样,没有比较大的关断电流,二极管全部参与工作,谐振变换器效率高、发热低,器件利用率高,节省成本。即解决目前谐振变换器在低压恒功率点效率低、器件利用不充分、成本高的问题。而图1所示的谐振变换器,在相同的条件下,其输出电压变化范围是700V到350V,在低压恒功率点附近软开关的变换范围是385V到315V,低于400V。当其通过移相使输出电压工作在400V时,两个半桥变换器均工作在移相模式,其效率比较低,故LLC谐振变换器的软开关、低应力特性没有充分发挥。由于器件选型主要考虑在低压大电流的应力(如电流和热损耗),图1中的谐振变换器在400V附近二极管利用不充分,而开关电路中的开关管关断电流大损耗大,因而导致二极管选型会偏大,开关管选型也会偏大的问题,进而成本高,散热需要加强。
此外,当变压器模块包括多个第一变压器与多个第二变压器时,可以进一步地提高谐振变换器的输出功率,其工作原理与变压器模块包括单个第一变压器和单个第二变压器的工作原理相同,此处不再赘述。
可选的,若N=1时,所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与所述第三整流模块的桥臂中点之间设有继电器;或
若N>1时,第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与所述第三整流模块的桥臂中点之间设有继电器。基于在谐振变换器内增加继电器,可以实现谐振变换器输出零电压。
可选的,所述直流电源包括单个直流电源或多个直流电源或多个正负直流电源。
可选的,所述开关模块包括半桥开关模块或全桥开关模块。该半桥开关模块成本低,而全桥开关模块适合更大功率场合。
可选的,所述半桥开关模块包括两个开关管;其一所述开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,其一所述开关管的第二端连接对应所述谐振组,其一所述开关管的第二端还连接另一所述开关管的第一端;另一所述开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,另一所述开关管的第二端接地,另一所述开关管的第二端还连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端。
可选的,所述半桥开关模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管;所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端,所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端,所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第四开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,所述第四开关管的第二端接地;所述第一电容的一端连接所述第一开关管的第一端,所述第一电容的另一端经所述第二电容连接所述第四开关管的第二端;所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的第二端,所述第一二极管的正极连接所述第一电容的另一端,所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的负极,所述第二二极管的正极连接所述第三开关管的第二端;所述第二开关管的第二端连接对应所述谐振组,所述第一二极管的正极还连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端。
可选的,所述全桥开关模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管;所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端,所述第二开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,所述第二开关管的第二端接地;所述第三开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端,所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第四开关管的第二端连接所述第二开关管的第二端;所述第一开关管的第二端连接对应所述谐振组,所述第三开关管的第二端连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端。
可选的,所述全桥开关模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管;所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端,所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端,所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第四开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,所述第四开关管的第二端接地;所述第五开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端,所述第五开关管的第二端连接所述第六开关管的第一端,所述第六开关管的第二端连接所述第四开关管的第二端;所述第一电容的一端连接所述第一开关管的第一端,所述第一电容的另一端经所述第二电容连接所述第四开关管的第二端;所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的第二端,所述第一二极管的正极连接所述第一电容的另一端,所述第一二极管的正极还连接所述第二二极管的负极,所述第二二极管的正极连接所述第三开关管的第二端;所述第五开关管的第二端连接对应所述谐振组,所述第二开关管的第二端连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端。
可选的,所述全桥开关模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管;所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端,所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端,所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第四开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,所述第四开关管的第二端接地;所述第一电容的一端连接所述第一开关管的第一端,所述第一电容的另一端经所述第二电容连接所述第四开关管的第二端;所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的第二端,所述第一二极管的正极连接所述第一电容的另一端,所述第一二极管的正极还连接所述第二二极管的负极,所述第二二极管的正极连接所述第三开关管的第二端,所述第二开关管的第二端连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端;
所述第五开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端,所述第五开关管的第二端连接所述第六开关管的第一端,所述第六开关管的第二端连接所述第七开关管的第一端,所述第七开关管的第二端连接所述第八开关管的第一端,所述第八开关管的第二端连接所述第四开关管的第二端;所述第三电容的一端连接所述第五开关管的第一端,所述第三电容的另一端经所述第四电容连接所述第八开关管的第二端;所述第三二极管的负极连接所述第五开关管的第二端,所述第三二极管的正极连接所述第三电容的另一端,所述第三二极管的正极连接所述第四二极管的负极,所述第四二极管的正极连接所述第七开关管的第二端,所述第六开关管的第二端连接对应所述谐振组。
可选的,所述第一整流模块包括第一二极管和第二二极管;所述第二整流模块包括第三二极管和第四二极管;所述第三整流模块包括第五二极管和第六二极管;所述第一二极管与所述第二二极管串联,所述第三二极管与所述第四二极管串联,所述第五二极管与所述第六二极管串联,所述第一二极管、所述第三二极管和所述第五二极管的负极相互连接,所述第二二极管、所述第四二极管和所述第六二极管的正极相互连接,所述第二二极管的正极接地;
若N=1时,所述第一二极管的正极连接至所述第一变压器的次级主线圈同名端,所述第三二极管的正极连接至所述第一变压器的次级辅助线圈同名端,所述第五二极管的正极连接所述第二变压器的次级辅助线圈同名端;
若N>1时,所述第一二极管的正极连接第一个所述第一变压器的次级主线圈同名端,所述第三二极管的正极连接第一个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端,所述第五二极管的正极连接第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端。
可选的,所述第一整流模块包括第一二极管和第二二极管;所述第二整流模块包括第三二极管和第四二极管;所述第三整流模块包括第五二极管和第六二极管;所述第一二极管与所述第二二极管串联,所述第三二极管与所述第四二极管串联,所述第五二极管与所述第六二极管串联,所述第一二极管、所述第三二极管和所述第五二极管的负极相互连接,所述第二二极管、所述第四二极管和所述第六二极管的正极相互连接,所述第二二极管的正极接地;
若N=1时,所述第一二极管的正极连接至所述第一变压器的次级主线圈同名端,所述第三二极管的正极连接至所述第一变压器的次级辅助线圈同名端,所述第五二极管的正极经所述继电器连接所述第二变压器的次级辅助线圈同名端;
若N>1时,所述第一二极管的正极连接第一个所述第一变压器的次级主线圈同名端,所述第三二极管的正极连接第一个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端,所述第五二极管的正极经所述继电器连接第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端。
可选的,所述开关管包括场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管,所述第一二极管至所述第六二极管至少一个二极管替代为场效应管或绝缘双极型晶体管。
可选的,所述第一二极管至所述第六二极管至少一个二极管替代为场效应管或绝缘双极型晶体管。
可选的,所述继电器替代为双向开关。
可选的,所述谐振组包括谐振电感、励磁电感和谐振电容;所述变压器的初级侧同名端经谐振电容、谐振电感连接至所述开关模块的一端,所述变压器的初级侧非同名端连接至所述开关模块的另一端,所述变压器的初级侧两端之间还设有所述励磁电感;或
所述变压器的初级侧同名端连接至所述开关模块的一端,所述变压器的初级侧非同名端经所述谐振电容、所述谐振电感连接至所述开关模块的另一端,所述变压器的初级侧两端之间设有所述励磁电感。
可选的,所述滤波电路包括滤波电容,所述滤波电容的一端连接所述第五二极管的负极,所述滤波电容的另一端连接所述第六二极管的正极。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
上述谐振变换器,基于改变变压器模块与整流电路的连接方式,通过外部控制器移相控制开关电路中的开关管可以改变变压器模块输出电压的大小,基于在变压器模块的次级主线圈的基础上增加次级辅助线圈,优化低压恒功率工作点的效率、成本与器件利用率,同时改善了目前谐振变换器在移相180度条件下的不均流问题,基于变压器模块与整流电路之间设继电器,谐振变换器可以输出零电压。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明提供的目前谐振变换器的电路示意图;
图2是本发明实施例一提供的谐振变换器的结构示意图;
图3是本发明实施例一提供的部分谐振变换器的结构示意图一;
图4是本发明实施例一提供的部分谐振变换器的结构示意图二;
图5是本发明实施例一提供的部分谐振变换器的结构示意图三;
图6是本发明实施例一提供的部分谐振变换器的结构示意图四;
图7是本发明实施例一提供的半桥开关模块的电路示意图一;
图8是本发明实施例一提供的半桥开关模块的电路示意图二;
图9是本发明实施例一提供的谐振变换器的电路示意图一;
图10是本发明实施例一提供的谐振变换器的电路示意图二;
图11是本发明实施例二提供的全桥开关模块的电路示意图一;
图12是本发明实施例二提供的全桥开关模块的电路示意图二;
图13是本发明实施例二提供的全桥开关模块的电路示意图三;
图14是本发明实施例二提供的谐振变换器的电路示意图。
具体实施方式
下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述,需要说明的是,在不相冲突的前提下,以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一
如图2所示,本实施例提供了一种谐振变换器,包括依次电连接的直流电源、开关电路、谐振电路、整流电路以及滤波电路,滤波电路的输出端还连接负载;开关电路接受外部控制器控制,谐振电路包括谐振模块和变压器模块,整流电路包括第一整流模块、第二整流模块和第三整流模块,开关电路包括2N组开关模块,谐振模块包括2N组谐振组,变压器模块包括N个第一变压器和N个第二变压器,N≥1;第一变压器的次级线圈包含次级主线圈和次级辅助线圈,第二变压器的次级线圈包含次级主线圈和次级辅助线圈;其中,
第一变压器的初级线圈同名端经对应谐振组连接至对应开关模块的一端,第一变压器的初级线圈非同名端连接至对应开关模块的另一端;第二变压器的初级线圈同名端经对应谐振组连接至对应开关模块的一端,第二变压器的初级线圈非同名端连接至对应开关模块的另一端;
若N=1时,所述第一变压器的次级主线圈同名端连接至所述第一整流模块的桥臂中点,所述第一变压器的次级主线圈非同名端连接至所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端,所述第二变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第三整流模块的桥臂中点;所述第一变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第二整流模块的桥臂中点,所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端连接至所述第二变压器的次级主线圈非同名端,所述第二变压器的次级主线圈同名端连接其次级辅助线圈同名端;或
若N>1时,第一个所述第一变压器的次级主线圈同名端连接至所述第一整流模块的桥臂中点,第一个所述第一变压器的次级主线圈非同名端与第二个所述第一变压器的次级主线圈同名端相连,相邻所述第一变压器的次级主线圈非同名端与次级主线圈同名端相连,第N个所述第一变压器的次级主线圈非同名端连接第N个所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端,第N个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与第N-1所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端相连,相邻所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与次级辅助线圈非同名端相连,第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端连接所述第三整流模块的桥臂中点;第一个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第二整流模块的桥臂中点,第一个所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端与第二个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端相连,相邻所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端与次级辅助线圈同名端相连,第N个所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端连接至所述第N个第二变压器的次级主线圈非同名端,第N个所述第二变压器的次级主线圈同名端与第N-1个所述第二变压器的次级主线圈非同名端,相邻所述第二变压器的次级主线圈同名端与次级主线圈非同名端相连,第一个所述第二变压器的次级主线圈同名端与其次级辅助线圈同名端相连。
基于上述谐振变换器,通过外部控制器移相控制开关电路中的开关管可以改变变压器模块的输出电压的大小,即达到无缝改变谐振变换器输出电压的大小,并且保持恒定输出功率目的;基于在第一变压器的次级主线圈基础上增加次级辅助线圈以及在第二变压器的次级主线圈的基础上增加次级辅助线圈,进而减小第一变压器与第一变压器输出并联时不均流程度,使谐振变换器在高于1/2倍额定电压点附近效率高、器件利用充分、成本低,即解决目前谐振变换器在低压恒功率点效率低、器件利用不充分、成本低的问题,另外,第一变压器与第二变压器同时向负载供电。
如图3所示,变压器模块包括第一变压器T1和第二变压器T2,其中,第一变压器T1的次级线圈包括次级主线圈和次级辅助线圈,第二变压器T2的次级线圈包括次级主线圈和次级辅助线圈;谐振模块包括两组谐振组,开关电路包括两组开关模块;
其中,第一变压器T1的初级线圈同名端经第一组谐振组连接至第一组开关模块的一端,第一变压器T1的初级线圈非同名端连接至第一组开关模块的另一端;第二变压器T2的初级线圈同名端经第一组谐振组连接至第一组开关模块的一端,第二变压器T2的初级线圈非同名端连接至第一组开关模块的另一端;
第一变压器T1的次级主线圈同名端连接至第一整流模块的桥臂中点,第一变压器T1的次级主线圈非同名端连接第二变压器T2的次级辅助线圈非同名端,第二变压器T2的次级辅助线圈同名端连接第三整流模块的桥臂中点,第一变压器T1的次级辅助线圈同名端连接第二整流模块的桥臂中点,第一变压器T1的次级辅助线圈非同名端连接第二变压器T2的次级主线圈非同名端,第二变压器T2的次级主线圈同名端连接第二变压器T2的次级辅助线圈同名端。
基于变压器模块包括第一变压器T1和第二变压器T2,其中,第一变压器T1的初级线圈、次级主线圈、次级辅助线圈的匝数分别与第二变压器T2的初级线圈、次级主线圈、次级辅助线圈的匝数相等。在理想状态下,第一变压器T1与第二变压器T2的电压相等,假设第一变压器T1和第二变压器T2的次级主线圈的匝数为m,第一变压器T1和第二变压器T2的次级辅助线圈的匝数为n,每匝线圈对应的电压为K,若移相角度为0°,第一变压器T1与第二变压器T2工作串联模式下,则该谐振变换器的输出电压V1为2K(m-n);若移相角度为180°时,第一变压器T1与第二变压器T2工作在并联模式下,则该谐振变换器的输出电压V2为K(m+n);从而通过第一变压器T1和第二变压器T2的次级主线圈或/和次级辅助线圈的配置以及移相角度0°-180°的控制,实现该谐振变换器的输出电压在V1-V2之间的无缝(连续)调节,即实现该谐振变换器的输出电压范围的优化调节。
若移相角度为180°时,第一变压器T1与第二变压器T2工作在并联模式下,当第一变压器T1和第二变压器T2的电压出现不平衡的情况时,假设第一变压器T1的电压大于第二变压器T2的电压,也就是说第一变压器T1的次级线圈电压大于第二变压器T2的次级线圈电压,即第一变压器T1的次级主线圈电压M1大于第二变压器T2的次级主线圈电压M2,第一变压器T1的次级辅助线圈电压N1大于第二变压器T2的次级辅助线圈电压N2,简而言之,M1>M2,N1>N2;则谐振变换器的输出电压为V3为M1+N2-M2-N1,当第一变压器T1和第二变压器T2均未在次级主线圈的基础上增加次级辅助线圈,则谐振变换器的输出电压V4为M1-M2,进而可知V3<V4,因此基于在第一变压器T1和第二变压器T2的次级主线圈的基础上增加次级辅助线圈,进而减小第一变压器T1与第二变压器T2的输出电压不平衡程度,即改善第一变压器T1与第二变压器T2输出并联时的不均流程度,尤其是动态负载条件下的不均流程度,避免动态负载条件下由于电流严重不均带来的开关管应力超标问题,提高谐振变换器的稳定性。此外,第一变压器T1与第二变压器T2可以同时向负载供电。
如图4所示,变压器模块包括N个第一变压器和N个第二变压器,其中,第一变压器的次级线圈包括次级主线圈和次级辅助线圈,第二变压器的次级线圈包括次级主线圈和次级辅助线圈;谐振模块包括2N组谐振组,开关电路包括2N组开关模块,其中,N>1;
其中,变压器模块包括第一变压器T11、T12、T13.....T1N和第二变压器T21、T22、T23......T2N,第一变压器T11、T12......T1N的初级线圈同名端经对应的谐振组分别连接至对应的开关模块的一端,第一变压器T11、T12......T1N的初级线圈非同名端分别连接至对应的开关模块的另一端;第二变压器T21、T22、T23......T2N的初级线圈同名端经对应的谐振组分别连接至对应的开关模块的一端,第二变压器T21、T22、T23......T2N的初级线圈非同名端分别连接至对应的开关模块的另一端;
第一变压器T11的次级主线圈同名端连接第一整流模块的桥臂中点,第一变压器T11的次级主线圈非同名端连接第一变压器T12的次级主线圈同名端,第一变压器T12的次级主线圈非同名端连接第一变压器T13的次级主线圈同名端,以此类推,直至第一变压器T1N-1的次级主线圈非同名端连接第一变压器T1N的次级主线圈同名端,第一变压器T1N的次级主线圈非同名端连接第二变压器T2N的次级辅助线圈非同名端,第二变压器T2N的次级辅助线圈同名端连接第二变压器T2N-1的次级辅助线圈非同名端,第二变压器T2N-1的次级辅助线圈同名端连接第二变压器T2N-2的次级辅助线圈非同名端,以此类推,直至第二变压器T22的次级辅助线圈同名端连接第二变压器T21的的次级辅助线圈非同名端,第二变压器T21的次级辅助线圈同名端连接第三整流模块的桥臂中点,第一变压器T11的次级辅助线圈同名端连接第二整流模块的桥臂中点,第一变压器T11的次级辅助线圈非同名端连接第一变压器T12的次级辅助线圈同名端,第一变压器T12的次级辅助线圈非同名端连接第一变压器T13的次级辅助线圈同名端,以此类推,直至第一变压器T1N-1的次级辅助线圈非同名端连接第一变压器T1N的次级辅助线圈同名端,第一变压器T1N的次级辅助线圈非同名端连接第二变压器T2N的次级主线圈非同名端,第二变压器T2N的次级主线圈同名端连接第二变压器T2N-1的次级主线圈非同名端,第二变压器T2N-1的次级主线圈同名端连接第二变压器T2N-2的次级主线圈非同名端,以此类推,直至第二变压器T22的次级主线圈同名端连接第二变压器T21的次级主线圈非同名端,第二变压器T21的次级主线圈同名端连接第二变压器T21的次级辅助线圈同名端。
当变压器模块包括N个第一变压器和N个第二变压器时,其中,N>1;第一变压器与第二变压器的数量是根据实际需求确定,进一步地提高谐振变换器的输出功率能力,该谐振变换器工作原理与上述谐振变换器工作原理相同,此处不再赘述。
进一步地,如图5所示,若N=1时,第二变压器T2的次级辅助线圈同名端与第三整流模块的桥臂中点之间设有继电器RY1;或
如图6所示,若N>1时,第一个第二变压器T21的次级辅助线圈同名端与第三整流模块的桥臂中点之间设有继电器RY1。
基于谐振变换器内设有继电器RY1,当需要谐振变换器输出更低电压时,控制器控制继电器RY1断开,经过简单分析可知,若控制器控制第一变压器与第二变换器工作于并联模式,假定第一变压器与第二变压器的输出电压值相等,则谐振变换器的输出电压为0V。
进一步地,直流电源包括单个直流电源或多个直流电源或多个正负直流电源,根据实际情况需求,用户可以选择相同电压供电方式、不同电压供电方式或正负电压供电方式给开关电路供电,进而用户可以将该谐振变换器应用于多路电压供电的场合,尤其是谐振变换器的前级为PFC(Power Factor Correction,功率因数校正)电路以及其输出有正、负母线电压的情形,从而拓展谐振变换器的应用范围。
进一步地,外部控制器包括微控制器或数字处理器,开关电路中开关管包括场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或其他电力电子开关管,继电器RY1可以替代为双向开关,整流电路中的二极管可以替代为场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或者其他电力电子开关管,当整流电路中的二极管替换为MOSFET时,由于MOSFET可以通过控制信号主动控制谐振变换器的输出电压,使谐振变换器的工作模式会更为丰富,可以实现更为灵活的电压调整模式,或者实现更为理想的软开关特性。而本实施例中的外部控制器为微控制器,开关电路中开关管为场效应晶体管,即开关模块中开关管为场效应晶体管。
进一步地,开关模块包括半桥开关模块或全桥开关模块,而本实施例中开关模块为半桥开关模块,该半桥开关模块成本低,控制简单,并且更为灵活,相当于降低整个谐振变换器的成本。
根据上述可知,谐振模块包括2N组谐振组,N≥1;其中,谐振组包括谐振电感、励磁电感和谐振电容;第一变压器的初级线圈同名端经谐振电容、谐振电感连接至对应开关模块的一端,第一变压器的初级线圈非同名端连接至对应开关模块的另一端,第一变压器的初级线圈两端之间还设有励磁电感;
第二变压器的初级线圈同名端经谐振电容、谐振电感连接至对应开关模块的一端,第二变压器的初级线圈非同名端连接至对应开关模块的另一端,第二变压器的初级线圈两端之间还设有励磁电感;或
第一变压器的初级线圈同名端连接至对应开关模块的一端,第一变压器的初级线圈非同名端经谐振电容、谐振电感连接至开关模块的另一端,第一变压器的初级线圈两端之间设有励磁电感;
第二变压器的初级线圈同名端连接至对应开关模块的一端,第二变压器的初级线圈非同名端经谐振电容、谐振电感连接至开关模块的另一端,第二变压器的初级线圈两端之间设有励磁电感。该谐振模块用于降低半桥开关模块中开关管的开启与关断产生的损耗,从而提高谐振变换器的效率。
根据上述可知,半桥开关电路包括2N组半桥开关模块,N≥1;如图7所示,半桥开关模块包含两个开关管Q1、Q2;两个开关管Q1、Q2由微控制器控制;开关管Q1的第一端连接直流电源的输出端,开关管Q1的第二端连接对应的谐振组,更具体地说,开关管Q1的第二端连接对应谐振电感,开关管Q1的第二端还还连接开关管Q2的第一端;开关管Q2的第二端连接直流电源的输入端,开关管Q2的第二端接地,开关管Q2的第二端还连接对应的第一变压器或第二变压器的初级线圈非同名端。基于移相控制该开关电路的开关管,进而改变谐振变换器的输出电压大小。
另外,半桥开关模块的表现方式不局限于图7的表现方式,如图8所示,半桥开关模块包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1和第二二极管D2;第一开关管Q1至第四开关管Q4的导通与关闭由微控制器控制;第一开关管Q1的第一端连接直流电源的输出端,第一开关管Q1的第二端连接第二开关管Q2的第一端,第二开关管Q2的第二端连接第三开关管Q3的第一端,第三开关管Q3的第二端连接第四开关管Q4的第一端,第四开关管Q4的第二端连接直流电源的输入端,第四开关管Q4的第二端接地;第一电容C1的一端连接第一开关管Q1的第一端,第一电容C1的另一端经第二电容C2连接至第四开关管Q4的第二端;第一二极管D1的负极连接第一开关管Q1的第二端,第一二极管D1的正极连接第一电容C1的另一端,第一二极管D1的正极连接第二二极管D2的负极,第二二极管D2的正极连接第三开关管Q3的第二端;第二开关管Q2的第二端连接对应的谐振组,更具体地说,第二开关管Q2的第二端连接对应谐振电感,第一二极管D1的正极还连接对应的第一变压器或第二变压器的初级线圈非同名端。
如图8所示,半桥开关模块属于常见的三电平半桥开关模块,具有本领域专业常识的人都可以通过简单推导理解其工作原理,根据图8可知,开关管Q1、Q2与开关管Q3、Q4分别相当于一个开关管,因此该半桥开关模块的工作方式在一般情况下与普通半桥开关模块(图7)类似,其优点是开关管的电压应力比较低,适用于高压场合;下文描述全桥开关模块与所述半桥开关模块的工作原理类似,不再赘述。
举例说明,以相同电压供电的两个半桥为例,如图9所示,直流电源包括单个直流电源Vin;半桥开关电路包括两组半桥开关模块,其中一组半桥开关模块包括开关管Q1、Q2,另一组半桥开关模块包括开关管Q3、Q4;谐振模块包括两组谐振组,其中一组谐振组包括谐振电容C1、谐振电感L1和励磁电感,另一组谐振组包括谐振电容C2、谐振电感L2和励磁电感;变压器模块包括第一变压器T1和第二变压器T2,第一变压器T1的次级线圈包括次级主线圈和次级辅助线圈,第二变压器T2的次级线圈包括次级主线圈和次级辅助线圈;第一整流模块包括第一二极管D1和第二二极管D2,第二整流模块包括第三二极管D3和第四二极管D4,第三整流模块包括第五二极管D5和第六二极管D6;滤波电路包括滤波电容C8;
开关管Q1至Q4的导通与关闭接受微控制器控制,开关管Q1的第一端连接直流电源Vin的输出端,开关管Q1的第二端依次连接谐振电感L1、谐振电容C1连接第一变压器T1的初级线圈同名端,开关管Q1的第二端还连接开关管Q2的第一端,开关管Q2的第二端接地,开关管Q2的第二端还连接直流电源Vin的输入端,开关管Q2的第二端还连接第一变压器T1的初级线圈非同名端,第一变压器T1的初级线圈同名端与初级线圈非同名端之间设有励磁电感(图9未画),开关管Q3的第一端连接开关管Q1的第一端,开关管Q3的第二端连接依次经谐振电感L2、谐振电容C2连接第二变压器T2的初级线圈同名端,开关管Q3的第二端连接开关管Q4的第一端,开关管Q4的第二端连接开关管Q2的第二端,开关管Q4的第二端连接第二变压器T2的初级线圈非同名端,第二变压器T2的初级线圈同名端与初级线圈非同名端之间设有励磁电感(图9未画);第一变压器T1的次级主线圈同名端连接第一二极管D1的正极,第一变压器T1的次级主线圈非同名端连接第二变压器T2的次级辅助线圈非同名端,第二变压器T2的次级辅助线圈同名端经继电器RY1连接第五二极管D5的正极,第一变压器T1的次级辅助线圈同名端还连接第三二极管D3的正极,第一变压器T1的次级辅助线圈非同名端还连接第二变压器T2的次级主线圈非同名端,第二变压器T2的次级主线圈同名端连接第二变压器T2的次级辅助线圈同名端;
其中,第一二极管D1与第二二极管D2串联,第三二极管D3与第四二极管D4串联,第五二极管D5与第六二极管D6串联,第一二极管D1、第一第三二极管D3和第五二极管D5的负极相互连接,第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6的正极相互连接,且第二二极管D2的正极接地;
滤波电容C8的一端连接第五二极管D5的负极,滤波电容C8的另一端连接第六二极管D6的正极;滤波电容C8的两端还并联在负载RL。
该谐振变换器工作原理:
当继电器RY1闭合时,在理想状态下,第一变压器T1与第二变压器T2的电压值相等,假设第一变压器T1和第二变压器T2的次级主线圈的匝数为m,第一变压器T1和第二变压器T2的次级辅助线圈的匝数为n,每匝线圈对应的电压为K,其中,开关管Q1与开关管Q2互补导通,开关管Q3与开关管Q4互补导通,且设开关管Q1至Q4_的导通角范围为0°-180°。
简单分析可知,若开关管Q1与Q3同步导通或开关管Q2与Q4同步导通,则移相角度为0°,第一变压器T1与第二变压器T2的输出电压同时为正或同时为负,此时第一变压器T1与第二变压器T2输出电压串联,第五二极管D5和第六二极管D6不会导通,相当于在电路中去掉,由于移相角度为0°时,可知第一变压器T1的次级主线圈电压与第二变压器的次级辅助线圈电压是相减的关系,以及第一变压器T1的次级辅助线圈电压与第二变压器T2的次级主线圈电压是相减关系,则该谐振变换器的输出电压V1为2K(m-n);若开关管Q1、Q4同步导通或开关管Q2、Q3同步导通,则移相角度为180°,简单分析可知,在移相角度为180°的情况下,第一变压器T1与第二变压器T2的次级侧电压极性相反且电压值相等,若继电器RY1处于断开状态下,相当于第五二极管D5和第六二极管D6不存在,第一变压器T1与第二变压器T2的次级侧电压相互抵消,经过第一二极管D1至第四二极管D4整流后的输出电压为0;若继电器RY1处于闭合状态下,第一变压器T1与第二变压器T2的次级侧电压不再相互抵消,而是转换为第一二极管D1与第三二极管D3并联同步导通(同时第六二极管D6导通)或第二二极管D2与第四二极管D4并联同步导通(同时第五二极管D5导通),相当于第一变压器T1与第二变压器T2的输出电压并联,由于移相角度为180°时,第一变压器T1的次级主线圈电压与第二变压器T2的次级辅助线圈电压是相加的关系,第一变压器T1的次级辅助线圈电压与第二变压器T2的次级主线圈电压是相加的关系,基于第一变压器T1与第二变压器T2的输出电压并联,则该谐振变换器的输出电压V2为K(m+n);进而通过第一变压器T1和第二变压器T2的次级主线圈或/和次级辅助线圈的配置以及移相角度0°-180°的控制,实现该谐振变换器的输出电压在V1-V2之间的无缝(连续)调节,即拓宽该谐振变换器的输出电压范围。
若移相角度为180°,第一变压器T1与第二变压器T2工作在并联模式下,当第一变压器T1和第二变压器T2的电压出现不平衡的情况时,假设第一变压器T1的电压大于第二变压器T2的电压,也就是说第一变压器T1的次级线圈电压大于第二变压器T2的次级线圈电压,即第一变压器T1的次级主线圈电压M1大于第二变压器T2的次级主线圈电压M2,第一变压器T1的次级辅助线圈电压N1大于第二变压器T2的次级辅助线圈电压N2,简而言之,M1>M2,N1>N2;由于移相180°时第一变压器T1的主次级线圈电压与第二变压器T2的辅助线圈电压是相加的关系,以及第一变压器T1的次级辅助线圈电压与第二变压器T2的次级主线圈电压是相加的关系,可知第一二极管D1与第五二极管D5之间的电压为M1+N2,第三二极管D3与第五二极管D5之间的电压为M2+N1,则基于二者共同连接第三二极管D5的阳极,第一二极管D1与第三二极管D3的阳极电压差为M1+N2-M2-N1,即谐振变换器的输出电压为V3为M1+N2-M2-N1,当第一变压器T1和第二变压器T2均未在次级主线圈的基础上增加次级辅助线圈,则第一二极管D1与第三二极管D3的阳极电压差为M1-M2,谐振变换器的输出电压V4为M1-M2,进而可知V3<V4,因此基于在第一变压器T1和第二变压器T2的次级主线圈的基础上均增加次级辅助线圈,减小第一变压器T1与第二变压器T2的输出电压不平衡程度,即减小第一变压器T1与第二变压器T2输出并联时不均流程度,使该不均流程度在允许误差范围内,从而第一变压器T1与第二变压器T2可以同时向负载供电,大大改善动态负载条件下的不均流程度,避免动态负载条件下由于电流严重不均带来的开关管应力超标问题,提升谐振变换器的可靠性。
根据上述可知,基于移相控制开关管实现谐振变换器的输出电压在V1-V2之间的无缝调节,并没有改变LLC谐振变换器的频率特性,因此没有改变LLC谐振变换器的增益特性。
此外,根据上述可知,第一二极管D1至第六二极管D6至少一个二极管可以替代为场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或者其他电力电子开关管,举例说明,当第一二极管至第六二极管均替换为MOSFET,可以实现双向变换器的功能,使能量双向流动。
另外,以不同电压供电的四个半桥为例,如图10所示,直流电源包括直流电源Vin1、Vin2、Vin3、Vin4;半桥开关电路包括四组半桥开关模块,第一组半桥开关模块包括开关管Q1、Q2,第二组开关模块包括开关管Q3、Q4;第三组半桥开关模块包括开关管Q5、Q6,第四组开关模块包括开关管Q7、Q8;谐振模块包括第一谐振组、第二谐振组、第三谐振组和第四谐振组,第一谐振组包括谐振电感L1、谐振电容C1和励磁电感,第二组谐振组包括谐振电感L2、谐振电容C2和励磁电感,第三谐振组包括谐振电感L3、谐振电容C3和励磁电感,第三谐振组包括谐振电感L4、谐振电容C4和励磁电感;变压器模块包括第一变压器T11、T12以及第二变压器T21、T22,第一变压器T11和第二变压器T12的次级线圈均包括次级线圈和次级辅助线圈,第二变压器T21和第二变压器T22的次级线圈包括次级线圈和次级辅助线圈;第一整流模块包括第一二极管D1和第二二极管D2,第二整流模块包括第三二极管D3和第四二极管D4,第三整流模块包括第五二极管D5和第六二极管D6;滤波电路包括滤波电容C8;
开关管Q1至Q8的导通与关闭接受微控制器控制,开关管Q1的第一端连接直流电源Vin1的输出端,开关管Q1的第二端依次经谐振电感L1、谐振电容C1连接第一变压器T11的初级线圈同名端,开关管Q1的第二端还连接开关管Q2的第一端,开关管Q2的第二端连接第一变压器T11的初级线圈非同名端,开关管Q2的第二端接地GND1,开关管Q2的第二端还连接直流电源Vin1的输入端,第一变压器T11的初级线圈同名端与其初级线圈非同名端之间励磁电感(图10未画);
开关管Q3的第一端连接直流电源Vin2的输出端,开关管Q3的第二端依次经谐振电感L2、谐振电容C2连接第一变压器T12的初级线圈同名端,开关管Q3的第二端还连接开关管Q4的第一端,开关管Q4的第二端连接第一变压器T12的初级线圈非同名端,开关管Q4的第二端接地GND2,开关管Q4的第二端还连接直流电源Vin2的输入端,第一变压器T12的初级线圈同名端与其初级线圈非同名端之间设有励磁电感(图10未画);
开关管Q5的第一端连接直流电源Vin3的输出端,开关管Q5的第二端依次经谐振电感L3、谐振电容C3连接第二变压器T21的初级线圈同名端,开关管Q5的第二端还连接开关管Q6的第一端,开关管Q6的第二端连接第二变压器T21的初级线圈非同名端,开关管Q6的第二端接地GND3,开关管Q6的第二端还连接直流电源Vin3的输入端,第二变压器T21的初级线圈同名端与初级线圈非同名端之间设有励磁电感(图10未画);
开关管Q7的第一端连接直流电源Vin4的输出端,开关管Q7的第二端依次经谐振电感L4、谐振电容C4连接第二变压器T22的初级线圈同名端,开关管Q7的第二端还连接开关管Q8的第一端,开关管Q8的第二端连接第二变压器T22的初级线圈非同名端,开关管Q8的第二端接地GND4,开关管Q8的第二端还连接直流电源Vin4的输入端,第二变压器T22的初级线圈同名端与初级线圈非同名端之间设有励磁电感(图10未画);
第一变压器T11的次级主线圈同名端连接第一二极管D1的正极,第一变压器T11的次级主线圈非同名端连接第一变压器T12的次级主线圈同名端,第一变压器T12的次级线圈非同名端连接第二变压器T22的次级辅助线圈非同名端,第二变压器T22的次级辅助线圈同名端连接第二变压器T21的次级辅助线圈非同名端,第二变压器T21的次级辅助线圈同名端经继电器RY1连接第五二极管D5的正极,第一变压器T11的次级辅助线圈同名端连接第三二极管D3的正极,第一变压器T11的次级辅助线圈非同名端连接第一变压器T12的次级辅助线圈同名端,第一变压器T12的次级辅助线圈非同名端连接第二变压器T22的次级主线圈非同名端,第二变压器T22的次级主线圈同名端连接第二变压器T21的主线圈非同名端,第二变压器T21的次级主线圈同名端连接第二变压器T21的次级辅助线圈同名端;
其中,第一二极管D1与第二二极管D2串联,第三二极管D3与第四二极管D4串联,第五二极管D5与第六二极管D6串联,第一二极管D1、第一第三二极管D3和第五二极管D5的负极相互连接,第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6的正极相互连接,且第二二极管D2的正极接地;
滤波电容C8的一端连接第五二极管D5的负极,滤波电容C8的另一端连接第六二极管D6的正极;滤波电容C8的两端还并联在负载RL。
上述直流电源Vin1、Vin2、Vin3、Vin4可以向半桥开关模块提供相同电压、不同电压或不同正负电压,该谐振变换器与上一个谐振变换器工作原理相同,此处不再赘述。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于开关模块包括全桥开关模块,全桥开关模块与半桥开关模块相比,全桥开关模块适合更大功率场合。
其中,全桥开关模块的选择方式有很多种,如图11所示,全桥开关模块包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4;第一开关管Q1至第四开关管Q4的导通与闭合由微控制器控制;第一开关管Q1的第一端连接直流电源的输出端,第一开关管Q1的第二端连接第二开关管Q2的第一端,第二开关管Q2的第二端连接直流电源的输入端,第二开关管Q2的第二端接地;第三开关管Q3的第一端连接第一开关管Q1的第一端,第三开关管Q3的第二端连接第四开关管Q4的第一端,第四开关管Q4的第二端连接第二开关管Q2的第二端;第一开关管Q1的第二端连接对应的谐振组,更具体地说,第一开关管Q1的第二端连接对应谐振电感,第三开关管Q3的第二端对应的第一变压器或第二变压器的初级线圈非同名端。该全桥开关模块属于连接方式最简单的全桥开关模块,其成本低,应用广泛。
如图12所示,全桥开关模块包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1和第二二极管D2;第一开关管Q1至第六开关管Q6导通与关闭由微控制器控制,其中,第一开关管Q1的第一端连接直流电源的输出端,第一开关管Q1的第二端连接第二开关管Q2的第一端,第二开关管Q2的第二端连接第三开关管Q3的第一端,第三开关管Q3的第二端连接第四开关管Q4的第一端,第四开关管Q4的第二端连接直流电源的输入端,第四开关管Q4的第二端接地;第五开关管Q5的第一端连接第一开关管Q1的第一端,第五开关管Q5的第二端连接第六开关管Q6的第一端,第六开关管Q6的第二端连接第四开关管Q4的第二端;第一电容C1的一端连接第一开关管Q1的第一端,第一电容C1的另一端经第二电容C2连接第四开关管Q4的第二端;第一二极管D1的负极连接第一开关管Q1的第二端,第一二极管D1的正极连接第一电容C1的另一端;第一二极管D1的正极还连接第二二极管D2的负极,第二二极管D2的正极连接第三开关管Q3的第二端;第五开关管Q5的第二端连接对应的谐振组,更具体地说,第五开关管Q5的第二端连接对应的谐振电感,第二开关管Q2的第二端连接对应的第一变压器或第二变压器的初级线圈非同名端。该全桥开关模块与其他连接方式的全桥开关模块相比,其优点控制方式较多,更为灵活。
如图13所示,全桥开关模块包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4;第一开关管Q1至第八开关管Q8的导通或闭合由微控制器控制;其中,第一开关管Q1的第一端连接直流电源的输出端,第一开关管Q1的第二端连接第二开关管Q2的第一端,第二开关管Q2的第二端连接第三开关管Q3的第一端,第三开关管Q3的第二端连接第四开关管Q4的第一端,第四开关管Q4的第二端连接直流电源的输入端,第四开关管Q4的第二端接地;第一电容C1的一端连接第一开关管Q1的第一端,第一电容C1的另一端经第二电容C2连接第四开关管Q4的第二端;第一二极管D1的负极连接第一开关管Q1的第二端,第一二极管D1的正极连接第一电容C1的另一端,第一二极管D1的正极还连接第二二极管D2的负极,第二二极管D2的正极连接第三开关管Q3的第二端,第二开关管Q2的第二端连接对应的第一变压器或第二变压器的初级线圈非同名端;
第五开关管Q5的第一端连接第一开关管Q1的第一端,第五开关管Q5的第二端连接第六开关管Q6的第一端,第六开关管Q6的第二端连接第七开关管Q7的第一端,第七开关管Q7的第二端连接第八开关管Q8的第一端,第八开关管Q8的第二端连接第四开关管Q4的第二端;第三电容C3的一端连接第五开关管Q5的第一端,第三电容C3的另一端经第四电容C4连接第八开关管Q8的第二端;第三二极管D3的负极连接第五开关管Q5的第二端,第三二极管D3的正极连接第三电容C3的另一端,第三二极管D3的正极连接第四二极管D4的负极,第四二极管D4的正极连接第七开关管Q7的第二端,第六开关管Q6的第二端连接对应的谐振组,第六开关管Q6的第二端连接对应的谐振电感。该全桥开关模块与其他连接方式的全桥开关模块相比,其优点能适用更高电压、更大功率的场合。
上述全桥开关模块的连接方式不局限于图11、12、13的连接方式,此处不再复赘述。
以不同电压供电的两个全桥为例,如图14所示,直流电源包括直流电源Vin1、Vin2,全桥开关电路包括两组全桥开关模块,其一全桥开关模块包括第一开关管Q11、第二开关管Q12、第三开关管Q13、第四开关管Q14,另一全桥开关模块包括第一开关管Q21、第二开关管Q22、第三开关管Q23、第四开关管Q24,谐振模块包括两组谐振组,其中一组谐振组包括谐振电容C1、谐振电感L1和励磁电感,另一组谐振组包括谐振电容C2、谐振电感L2和励磁电感,变压器模块包括第一变压器T1和第二变压器T2,第一变压器T1的次级线圈包括次级主线圈和次级辅助线圈,第二变压器T2的次级线圈包括次级主线圈和次级辅助线圈;第一整流模块包括第一二极管D1和第二二极管D2,第二整流模块包括第三二极管D3和第四二极管D4,第三整流模块包括第五二极管D5和第六二极管D6;滤波电路包括滤波电容C8;
直流电源Vin1的输出端连接第一开关管Q11的第一端,第一开关管Q11的第二端依次连接谐振电感L1、谐振电容C1连接第一变压器T1的初级线圈同名端,第一开关管Q11的第二端还连接第二开关管Q12的第一端,第二开关管Q12的第二端接地GND1,第二开关管Q12的第二端连接直流电源Vin1的输入端,第三开关管Q13的第一端连接第一开关管Q11的第一端,第三开关管Q13的第二端连接第一变压器T1的初级线圈非同名端,第四开关管Q14的第二端连接第二开关管Q12的第二端;
直流电源Vin2的输出端连接第一开关管Q21的第一端,第一开关管Q21的第二端依次连接谐振电感L2、谐振电容C2连接第二变压器T2的初级线圈同名端,第一开关管Q21的第二端还连接第二开关管Q22的第一端,第二开关管Q22的第二端接地GND2,第二开关管Q22的第二端连接直流电源的Vin2的输入端,第三开关管Q23的第一端连接第一开关管Q21的第一端,第三开关管Q23的第二端连接第二变压器T2的初级线圈非同名端,第三开关管Q23的第二端连接第四开关管Q24的第一端,第四开关管Q24的第二端连接第二开关管Q22的第二端;
第一变压器T1、第二变压器T2的初级线圈同名端与次级线圈非同名端之间设有对应的励磁电感(图14中未画),第一变压器T1的次级线圈同名端连接第一二极管D1的正极,第一变压器T1的次级主线圈非同名端连接第二变压器T2的次级辅助线圈非同名端,第二变压器T2的次级辅助线圈同名端连接第五二极管D5的正极,第一变压器T1的次级辅助线圈同名端连接第三二极管D3的正极,第一变压器T1的次级辅助线圈非同名端连接第二变压器T2的次级主线圈非同名端;第二变压器T2的次级线圈同名端连接第二变压器T2的次级线圈非同名端;
其中,第一二极管D1与第二二极管D2串联,第三二极管D3与第四二极管D4串联,第五二极管D5与第六二极管D6串联,第一二极管D1、第一第三二极管D3和第五二极管D5的负极相互连接,第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6的正极相互连接,且第二二极管D2的正极接地;
滤波电容C8的一端连接第五二极管D5的负极,滤波电容C8的另一端连接第六二极管D6的正极;滤波电容C8的两端还并联在负载RL。
上述直流电源Vin1、Vin2可以向全桥开关模块提供相同电压、不同电压或不同正负电压,该谐振变换器的工作原理与实施例一的谐振变换器的工作原理相似,此处不再赘述。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式,不能以此来限定本发明保护的范围,本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (15)
1.一种谐振变换器,包括依次电连接的直流电源、开关电路、谐振电路、整流电路以及滤波电路;所述开关电路接受外部控制器控制;其特征在于,所述谐振电路包括谐振模块和变压器模块,所述整流电路包括第一整流模块、第二整流模块和第三整流模块,所述开关电路包括2N组开关模块,所述谐振模块包括2N组谐振组,所述变压器模块包括N个第一变压器和N个第二变压器,N≥1;所述第一变压器的次级线圈包含次级主线圈和次级辅助线圈,所述第二变压器的次级线圈包含次级主线圈和次级辅助线圈;其中,
所述第一变压器的初级线圈同名端经对应所述谐振组连接至对应所述开关模块的一端,所述第一变压器的初级线圈非同名端连接至对应所述开关模块的另一端;所述第二变压器的初级线圈同名端经对应所述谐振组连接至对应所述开关模块的一端,所述第二变压器的初级线圈非同名端连接至对应所述开关模块的另一端;
若N=1时,所述第一变压器的次级主线圈同名端连接至所述第一整流模块的桥臂中点,所述第一变压器的次级主线圈非同名端连接至所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端,所述第二变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第三整流模块的桥臂中点;所述第一变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第二整流模块的桥臂中点,所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端连接至所述第二变压器的次级主线圈非同名端,所述第二变压器的次级主线圈同名端连接其次级辅助线圈同名端;或
若N>1时,第一个所述第一变压器的次级主线圈同名端连接至所述第一整流模块的桥臂中点,第一个所述第一变压器的次级主线圈非同名端与第二个所述第一变压器的次级主线圈同名端相连,相邻所述第一变压器的次级主线圈非同名端与次级主线圈同名端相连,第N个所述第一变压器的次级主线圈非同名端连接第N个所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端,第N个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与第N-1所述第二变压器的次级辅助线圈非同名端相连,相邻所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与次级辅助线圈非同名端相连,第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端连接所述第三整流模块的桥臂中点;第一个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端连接至所述第二整流模块的桥臂中点,第一个所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端与第二个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端相连,相邻所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端与次级辅助线圈同名端相连,第N个所述第一变压器的次级辅助线圈非同名端连接至所述第N个第二变压器的次级主线圈非同名端,第N个所述第二变压器的次级主线圈同名端与第N-1个所述第二变压器的次级主线圈非同名端,相邻所述第二变压器的次级主线圈同名端与次级主线圈非同名端相连,第一个所述第二变压器的次级主线圈同名端与其次级辅助线圈同名端相连。
2.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征在于,若N=1时,所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与所述第三整流模块的桥臂中点之间设有继电器;或
若N>1时,第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端与所述第三整流模块的桥臂中点之间设有继电器。
3.根据权利要求1或2所述的谐振变换器,其特征在于,所述直流电源包括单个直流电源或多个直流电源或多个正负直流电源。
4.根据权利要求1所述的谐振变换器,其特征在于,所述开关模块包括半桥开关模块或全桥开关模块。
5.根据权利要求3所述的谐振变换器,其特征在于,所述开关模块包括半桥开关模块或全桥开关模块。
6.根据权利要求4所述的谐振变换器,其特征在于,所述半桥开关模块包括两个开关管;其一所述开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,其一所述开关管的第二端连接对应所述谐振组,其一所述开关管的第二端还连接另一所述开关管的第一端;另一所述开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,另一所述开关管的第二端接地,另一所述开关管的第二端还连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端。
7.根据权利要求4所述的谐振变换器,其特征在于,所述半桥开关模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管;所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端,所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端,所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第四开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,所述第四开关管的第二端接地;所述第一电容的一端连接所述第一开关管的第一端,所述第一电容的另一端经所述第二电容连接所述第四开关管的第二端;所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的第二端,所述第一二极管的正极连接所述第一电容的另一端,所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的负极,所述第二二极管的正极连接所述第三开关管的第二端;所述第二开关管的第二端连接对应所述谐振组,所述第一二极管的正极还连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端。
8.根据权利要求4所述的谐振变换器,其特征在于,所述全桥开关模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管;所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端,所述第二开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,所述第二开关管的第二端接地;所述第三开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端,所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第四开关管的第二端连接所述第二开关管的第二端;所述第一开关管的第二端连接对应所述谐振组,所述第三开关管的第二端连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端。
9.根据权利要求4所述的谐振变换器,其特征在于,所述全桥开关模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管;所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端,所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端,所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第四开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,所述第四开关管的第二端接地;所述第五开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端,所述第五开关管的第二端连接所述第六开关管的第一端,所述第六开关管的第二端连接所述第四开关管的第二端;所述第一电容的一端连接所述第一开关管的第一端,所述第一电容的另一端经所述第二电容连接所述第四开关管的第二端;所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的第二端,所述第一二极管的正极连接所述第一电容的另一端,所述第一二极管的正极还连接所述第二二极管的负极,所述第二二极管的正极连接所述第三开关管的第二端;所述第五开关管的第二端连接对应所述谐振组,所述第二开关管的第二端连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端。
10.根据权利要求4所述的谐振变换器,其特征在于,所述全桥开关模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管;所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的输出端,所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端,所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端,所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第四开关管的第二端连接所述直流电源的输入端,所述第四开关管的第二端接地;所述第一电容的一端连接所述第一开关管的第一端,所述第一电容的另一端经所述第二电容连接所述第四开关管的第二端;所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的第二端,所述第一二极管的正极连接所述第一电容的另一端,所述第一二极管的正极还连接所述第二二极管的负极,所述第二二极管的正极连接所述第三开关管的第二端,所述第二开关管的第二端连接对应所述第一变压器或所述第二变压器的初级线圈非同名端;
所述第五开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端,所述第五开关管的第二端连接所述第六开关管的第一端,所述第六开关管的第二端连接所述第七开关管的第一端,所述第七开关管的第二端连接所述第八开关管的第一端,所述第八开关管的第二端连接所述第四开关管的第二端;所述第三电容的一端连接所述第五开关管的第一端,所述第三电容的另一端经所述第四电容连接所述第八开关管的第二端;所述第三二极管的负极连接所述第五开关管的第二端,所述第三二极管的正极连接所述第三电容的另一端,所述第三二极管的正极连接所述第四二极管的负极,所述第四二极管的正极连接所述第七开关管的第二端,所述第六开关管的第二端连接对应所述谐振组。
11.根据权利要求6所述的谐振变换器,其特征在于,所述第一整流模块包括第一二极管和第二二极管;所述第二整流模块包括第三二极管和第四二极管;所述第三整流模块包括第五二极管和第六二极管;所述第一二极管与所述第二二极管串联,所述第三二极管与所述第四二极管串联,所述第五二极管与所述第六二极管串联,所述第一二极管、所述第三二极管和所述第五二极管的负极相互连接,所述第二二极管、所述第四二极管和所述第六二极管的正极相互连接,所述第二二极管的正极接地;
若N=1时,所述第一二极管的正极连接至所述第一变压器的次级主线圈同名端,所述第三二极管的正极连接至所述第一变压器的次级辅助线圈同名端,所述第五二极管的正极连接所述第二变压器的次级辅助线圈同名端;
若N>1时,所述第一二极管的正极连接第一个所述第一变压器的次级主线圈同名端,所述第三二极管的正极连接第一个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端,所述第五二极管的正极连接第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端。
12.根据权利要求2所述的谐振变换器,其特征在于,所述第一整流模块包括第一二极管和第二二极管;所述第二整流模块包括第三二极管和第四二极管;所述第三整流模块包括第五二极管和第六二极管;所述第一二极管与所述第二二极管串联,所述第三二极管与所述第四二极管串联,所述第五二极管与所述第六二极管串联,所述第一二极管、所述第三二极管和所述第五二极管的负极相互连接,所述第二二极管、所述第四二极管和所述第六二极管的正极相互连接,所述第二二极管的正极接地;
若N=1时,所述第一二极管的正极连接至所述第一变压器的次级主线圈同名端,所述第三二极管的正极连接至所述第一变压器的次级辅助线圈同名端,所述第五二极管的正极经所述继电器连接所述第二变压器的次级辅助线圈同名端;
若N>1时,所述第一二极管的正极连接第一个所述第一变压器的次级主线圈同名端,所述第三二极管的正极连接第一个所述第一变压器的次级辅助线圈同名端,所述第五二极管的正极经所述继电器连接第一个所述第二变压器的次级辅助线圈同名端。
13.根据权利要求11所述的谐振变换器,其特征在于,所述开关管包括场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管,所述第一二极管至所述第六二极管至少一个二极管替代为场效应管或绝缘双极型晶体管。
14.根据权利要求12所述的谐振变换器,其特征在于,所述第一二极管至所述第六二极管至少一个二极管替代为场效应管或绝缘双极型晶体管。
15.根据权利要求12所述的谐振变换器,其特征在于,所述继电器替代为双向开关。
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