CN110365220A - 一种tlc谐振电路及其应用的电源变换器 - Google Patents

一种tlc谐振电路及其应用的电源变换器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种TLC谐振电路及其应用的电源变换器，该TLC谐振电路，包括：互感器、电感、电容；所述互感器包括第一绕组、第二绕组；所述第一绕组的第二端与所述第二绕组的第一端通过中间抽头连接；所述第一绕组、所述第二绕组同向串联耦合；所述电容的第一端与所述中间抽头连接；所述电感的第一端与所述第二绕组的第二端连接；所述第一绕组的第一端作为第一谐振连接点；所述电容的第二端与所述电感的第二端连接，得到第二谐振连接点，本发明实施例第一谐振连接点与第二谐振连接点之间的互感器、电容、电感通过上述连接，形成TLC谐振电路，生产成本低，应用中能够提高效率、降低EMI干扰和开关噪声。

Description

一种TLC谐振电路及其应用的电源变换器
技术领域
本发明实施例涉及电力电子技术领域，具体涉及一种TLC谐振电路及其应用的电源变换器。
背景技术
对于包含电容和电感及电阻元件的无源一端口网络，其端口可能呈现容性、感性及电阻性，当电路端口的电压U和电流I，出现同相位，电路呈电阻性时。称之为谐振现象，这样的电路，称之为谐振电路。谐振的实质是电容中的电场能与电感中的磁场能相互转换，此增彼减，完全补偿。电场能和磁场能的总和时刻保持不变，电源不必与电容或电感往返转换能量，只需供给电路中电阻所消耗的电能。
近年来大面积使用的LLC谐振技术，有着效率高、低EMI干扰、低输出噪声和高功率密度等优点。但因为是半桥/全桥谐振电路，需要两个或者四个开关管组成的桥路。相对于中小功率来说会显得原理过于复杂、成本高等缺点。
因此，如何提供一种谐振电路方案，生产成本低，应用中能够提高效率、降低EMI干扰和开关噪声，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种TLC谐振电路及其应用的电源变换器，生产成本低，应用中能够提高效率、降低EMI干扰和开关噪声。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种TLC谐振电路，包括：互感器、电感、电容；
所述互感器包括第一绕组、第二绕组；所述第一绕组的第二端与所述第二绕组的第一端通过中间抽头连接；所述第一绕组、所述第二绕组同向串联耦合；
所述电容的第一端与所述中间抽头连接；所述电感的第一端与所述第二绕组的第二端连接；
所述第一绕组的第一端作为第一谐振连接点；所述电容的第二端与所述电感的第二端连接，得到第二谐振连接点。
第二方面，本发明实施例提供一种电源变换器，用做升压电路，包括：低压输入端、第一电容、开关管、整流二极管、如第一方面所述的TLC谐振电路；
所述第一电容的一端与所述低压输入端连接于第一连接点；所述第一电容的另一端接地；
所述TLC谐振电路的第一谐振连接点与所述第一连接点连接；
所述TLC谐振电路的第二谐振连接点与所述开关管的漏极连接于第二连接点；
所述开关管的源极接地；所述开关管的栅极连接于PWM发生器；
所述整流二极管的阳极与所述第二连接点连接；所述整流二极管的阴极为电压输出端。
优选地，所述电压输出端连接第二电容的一端；所述第二电容的另一端接地。
第三方面，本发明实施例提供一种电源变换器，用做降压电路，包括：
高压输入端、第一电容、开关管、整流二极管、如第一方面所述的TLC谐振电路；
所述高压输入端与所述第一电容的第一端、所述开关管的漏极连接于第一连接点；
所述整流二极管的阴极与所述开关管的源极、所述TLC谐振电路的第一谐振连接点连接于第二连接点；所述开关管的栅极连接于PWM发生器；
所述TLC谐振电路的第二谐振连接点为输出电压端。
优选地，所述开关管为N型场效应管；
所述电压输出端连接第二电容的一端；所述第二电容的另一端接地。
第四方面，本发明实施例提供一种电源变换器，用做升降压电路，其特征在于，包括：电压输入端、第一电容、开关管、整流二极管、如第一方面所述的TLC谐振电路；
所述电压输入端与所述第一电容的第一端、所述开关管的漏极连接于第一连接点；
所述开关管的源极与所述TLC谐振电路的第一谐振连接点、所述整流二极管的阴极连接于第二连接点；所述开关管的栅极连接于PWM发生器；
所述TLC谐振电路的第二谐振连接点接地；所述第一电容的第二端接地；
所述整流二极管的阳极为电压输出端。
优选地，所述电压输出端并联有第二电容；所述第二电容用于稳压；
所述电压输出端，用于连接负载。
第五方面，本发明实施例提供一种电源变换器，用做离线式反激电路，包括：电压输入端、第一电容、开关管、变压器绕组；整流二极管、如第一方面所述的TLC谐振电路；
所述电压输入端与所述第一电容的第一端、所述TLC谐振电路的第一谐振连接点连接于第一连接点；
所述TLC谐振电路的第二谐振连接点与所述开关管的漏极连接；所述开关管的源极接地；所述开关管的栅极连接于PWM发生器；
所述变压器绕组利用所述TLC谐振电路的第一绕组、第二绕组感生电压；
所述变压器绕组的第一端连接所述整流二极管的阳极，所述变压器绕组的第二端接地；所述整流二极管的阴极为输出电压端。
优选地，所述整流二极管为肖特基整流二极管。
优选地，所述开关管为N型场效应管；
所述电压输出端连接第二电容的一端；所述第二电容的另一端接地。
本发明实施例提供一种TLC谐振电路，包括：互感器、电感、电容；所述互感器包括第一绕组、第二绕组；所述第一绕组的第二端与所述第二绕组的第一端通过中间抽头连接；所述第一绕组、所述第二绕组同向串联耦合；所述电容的第一端与所述中间抽头连接；所述电感的第一端与所述第二绕组的第二端连接；所述第一绕组的第一端作为第一谐振连接点；所述电容的第二端与所述电感的第二端连接，得到第二谐振连接点，本发明实施例第一谐振连接点与第二谐振连接点之间的互感器、电容、电感通过上述连接，形成TLC谐振电路，生产成本低，应用中能够提高效率、降低EMI干扰和开关噪声。
本发明实施例提供的电源变换器应用了上述的TLC谐振电路，也具有上述的有益效果，在此不再一一赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供一种TLC谐振电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电源变换器的电路原理图；
图3为本发明实施例提供的又一种电源变换器的电路原理图；
图4为本发明实施例提供的又一种电源变换器的电路原理图；
图5为本发明实施例提供的又一种电源变换器的电路原理图；
图6为本发明实施例提供的TLC谐振电路应用于电源变换器的电路仿真图；
图7为图6的仿真结果波形图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下列实施例中，实施例1中提供的TLC谐振电路应用到不同的例子中，作为电力电子开关电源的一部分，具体地应用的实施例2、实施例3、实施例4、实施例5中。实施例2、实施例3、实施例4、实施例5中除了用到相同的TLC谐振电路，其他电气元件、部件，虽然名字可能相同，但是标号不同，也不是相交叉的实施例，不会产生概念的混淆。
实施例1
请参考图1，图1为本发明实施例提供一种TLC谐振电路的结构示意图。
本发明实施例提供一种TLC谐振电路，包括：互感器110、电感120、电容130；所述互感器110包括第一绕组111、第二绕组112；所述第一绕组111的第二端与所述第二绕组112的第一端通过中间抽头113连接；所述第一绕组111、所述第二绕组112同向串联耦合；所述电容130的第一端与所述中间抽头连接；所述电感120的第一端与所述第二绕组112的第二端连接；所述第一绕组111的第一端作为第一谐振连接点101；所述电容130的第二端与所述电感120的第二端连接，得到第二谐振连接点102。
本发明实施例提供一种TLC谐振电路本发明实施例第一谐振连接点101与第二谐振连接点102之间的互感器110、电容130、电感120通过连接，形成TLC谐振电路，生产成本低，应用中能够提高效率、降低EMI干扰和开关噪声，具体地，将互感器、电感、电容进行拓扑连接，创造了一个整体呈感性的TLC谐振电路，为BOOST、BUCK、BUCK-BOOST、FLYBACK等电源变换拓扑创造ZCS零电流软开关条件。当将第一谐振连接点、第二谐振连接点连接到电路中时，能够大幅提高电源变换器的效率，有效降低EMI干扰和开关噪声。
实施例2
请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种电源变换器的电路原理图。
本发明实施例提供一种电源变换器，用做升压电路，包括：低压输入端201、第一电容202、开关管203、整流二极管204、如第一方面所述的TLC谐振电路100；所述第一电容202的一端与所述低压输入端201连接于第一连接点205；所述第一电容202的另一端接地；所述TLC谐振电路的第一谐振连接点与所述第一连接点205连接；所述TLC谐振电路的第二谐振连接点与所述开关管203的漏极连接于第二连接点206；所述开关管203的源极接地；所述开关管203的栅极连接于PWM发生器；所述整流二极管204的阳极与所述第二连接点206连接；所述整流二极管204的阴极为电压输出端207。
进一步地，为了稳定电压输出端207的输出电压，可以在电压输出端207连接第二电容208的一端；所述第二电容的另一端接地。当然，也可以在电压输出端207连接其他的稳压装置。其中，负载电阻RL 209连接于电压输出端207，作为功率消耗装置，避免电源变换器空耗。
实施例3
请参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种电源变换器的电路原理图。
第三方面，本发明实施例提供一种电源变换器，用做降压电路，包括：高压输入端301、第一电容302、开关管303、整流二极管304、如第一方面所述的TLC谐振电路100；所述高压输入端301与所述第一电容302的第一端、所述开关管303的漏极连接于第一连接点306；所述整流二极管304的阴极与所述开关管303的源极、所述TLC谐振电路的第一谐振连接点连接于第二连接点307；所述开关管303的栅极连接于PWM发生器；所述TLC谐振电路的第二谐振连接点为输出电压端305。
进一步地，可以将开关管303设置为N型场效应管。场效应晶体管(Field EffectTransistor缩写(FET))简称场效应管。主要有两种类型(junction FET-JFET)和金属-氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET)。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。
当然，也可以在输出电压端305连接用于稳定输出电压的第二电容308，便于在连接负载309时，能够输出稳定的电压。
实施例4
请参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种电源变换器的电路原理图。
本发明实施例提供一种电源变换器，用做升降压电路，包括：电压输入端401、第一电容402、开关管403、整流二极管404、如第一方面所述的TLC谐振电路405；所述电压输入端401与所述第一电容402的第一端、所述开关管403的漏极连接于第一连接点406；所述开关管403的源极与所述TLC谐振电路的第一谐振连接点、所述整流二极管404的阴极连接于第二连接点407；所述开关管403的栅极连接于PWM发生器；所述TLC谐振电路的第二谐振连接点接地；所述第一电容402的第二端接地；所述整流二极管404的阳极为电压输出端408。
进一步地，可以在电压输出端408并联有第二电容409；所述第二电容用于稳压；所述电压输出端，用于连接负载410，从而增加整个电压变换器输出电压的稳定性。
实施例5
请参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种电源变换器的电路原理图。
本发明实施例提供一种电源变换器，用做离线式反激电路，包括：电压输入端501、第一电容502、开关管503、变压器绕组504；整流二极管505、如第一方面所述的TLC谐振电路100；所述电压输入端501与所述第一电容502的第一端、所述TLC谐振电路的第一谐振连接点连接于第一连接点506；所述TLC谐振电路100的第二谐振连接点与所述开关管503的漏极连接；所述开关管503的源极接地；所述开关管503的栅极连接于PWM发生器；所述变压器绕组504利用所述TLC谐振电路的第一绕组、第二绕组感生电压；所述变压器绕组的第一端连接所述整流二极管505的阳极，所述变压器绕组的第二端接地；所述整流二极管505的阴极为输出电压端507。
进一步地，可以将整流二极管505设置为肖特基整流二极管。肖特基整流二极管具有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压比较低，当然也可以使用其他的整流二极管，例如可以使用快恢复二极管。
更进一步地，可以将开关管503设置为功率开关管。具体地，可以为N型场效应管；所述电压输出端507连接第二电容508的一端；所述第二电容508的另一端接地。功率开关管是指能承受较大电流，漏电流较小，在一定条件下有较好饱和导通及截止特性的三极管，可不太考虑其放大性能，其控制与基极电流大小或方向有关电流经集电极和发射极，方向具体要看是NPN还是PNP管。场效应管一般做电子开关用，控制与极性有关。当然，还可以在输出电压端507设置用于稳压的第二电容508，以便于连接负载509时，能够输出稳定的直流电压。
请参考图6，图7，图6为本发明实施例提供的TLC谐振电路应用于电源变换器的电路仿真图；图7为图6的仿真结果波形图。
本发明实施例提供的一种应用于单管(功率开关管)电源变换器BOOST中的互感器、电感、电容(TLC)谐振电路。具体地，该电源变换器包括：由T1、C2、L1组成的互感器、电感、电容(TLC)谐振电路部分(代替传统BOOST电路中的储能电感)，及由V1、C4、S1、D2、V2、D3、C1、R2、R1、C3组成的BOOST主体电路。本实施例中(如图6)V1为6.4V理想直流源，C4为电解电容470uF，V2为100kHZ、占空比42％的时钟信号源，S1为内阻4毫欧的理想开关，D2为模拟S1当中的寄生二极管。T1为匝比10：10感量为5.6uH的互感器，L1为5.3uH的谐振电感，C2为560nF的谐振电容。D3为10A、100V的肖特基二极管，C3为470pF吸收电容、R1为10欧吸收电阻，C1为470uF输出滤波电容，R2为12欧的负载电阻。
图7为本实施例仿真结果，3通道为S1驱动波形(V2时钟信号输出)，2通道为S1的开关波形，4通道为T1的充放电电流波形。由图7仿真波形可见：开关管S1在电流为零的时候进行开关，实现了ZCS开关，减少了开关损耗。整流二极管D3同样在电流为零时进行开通和关断工作，变换器仿真的转换效率高达95.8％。开关回路和输出回路电流都呈正弦规律变化，根据EMI产生原理可知，大幅降低了EMI和开关噪声水平。
上述所有实施例中的开关管，为功率开关管，具体包括：开关三极管、场效应管(有N管和P管之分)、IGBT、氮化镓场效应管等各种开关器件，本文中以N型场效应管为主要说明，其他的功率开关管也在本发明实施例的保护范围之内。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种TLC谐振电路，其特征在于，包括：互感器、电感、电容；
所述互感器包括第一绕组、第二绕组；所述第一绕组的第二端与所述第二绕组的第一端通过中间抽头连接；所述第一绕组、所述第二绕组同向串联耦合；
所述电容的第一端与所述中间抽头连接；所述电感的第一端与所述第二绕组的第二端连接；
所述第一绕组的第一端作为第一谐振连接点；所述电容的第二端与所述电感的第二端连接，得到第二谐振连接点。
2.一种电源变换器，用做升压电路，其特征在于，包括：低压输入端、第一电容、开关管、整流二极管、如权利要求1所述的TLC谐振电路；
所述第一电容的一端与所述低压输入端连接于第一连接点；所述第一电容的另一端接地；
所述TLC谐振电路的第一谐振连接点与所述第一连接点连接；
所述TLC谐振电路的第二谐振连接点与所述开关管的漏极连接于第二连接点；
所述开关管的源极接地；所述开关管的栅极连接于PWM发生器；
所述整流二极管的阳极与所述第二连接点连接；所述整流二极管的阴极为电压输出端。
3.根据权利要求2所述的电源变换器，其特征在于，所述电压输出端连接第二电容的一端；所述第二电容的另一端接地。
4.一种电源变换器，用做降压电路，其特征在于，包括：
高压输入端、第一电容、开关管、整流二极管、如权利要求1所述的TLC谐振电路；
所述高压输入端与所述第一电容的第一端、所述开关管的漏极连接于第一连接点；
所述整流二极管的阴极与所述开关管的源极、所述TLC谐振电路的第一谐振连接点连接于第二连接点；所述开关管的栅极连接于PWM发生器；
所述TLC谐振电路的第二谐振连接点为输出电压端。
5.根据权利要求4所述的电源变换器，其特征在于，
所述开关管为N型场效应管；
所述电压输出端连接第二电容的一端；所述第二电容的另一端接地。
6.一种电源变换器，用做升降压电路，其特征在于，包括：电压输入端、第一电容、开关管、整流二极管、如权利要求1所述的TLC谐振电路；
所述电压输入端与所述第一电容的第一端、所述开关管的漏极连接于第一连接点；
所述开关管的源极与所述TLC谐振电路的第一谐振连接点、所述整流二极管的阴极连接于第二连接点；所述开关管的栅极连接于PWM发生器；
所述TLC谐振电路的第二谐振连接点接地；所述第一电容的第二端接地；
所述整流二极管的阳极为电压输出端。
7.根据权利要求6所述的电源变换器，其特征在于，
所述电压输出端并联有第二电容；所述第二电容用于稳压；
所述电压输出端，用于连接负载。
8.一种电源变换器，用做离线式反激电路，其特征在于，包括：电压输入端、第一电容、开关管、变压器绕组；整流二极管、如权利要求1所述的TLC谐振电路；
所述电压输入端与所述第一电容的第一端、所述TLC谐振电路的第一谐振连接点连接于第一连接点；
所述TLC谐振电路的第二谐振连接点与所述开关管的漏极连接；所述开关管的源极接地；所述开关管的栅极连接于PWM发生器；
所述变压器绕组利用所述TLC谐振电路的第一绕组、第二绕组感生电压；
所述变压器绕组的第一端连接所述整流二极管的阳极，所述变压器绕组的第二端接地；所述整流二极管的阴极为输出电压端。
9.根据权利要求8所述的电源变换器，其特征在于，
所述整流二极管为肖特基整流二极管。
10.根据权利要求8或9所述的电源变换器，其特征在于，所述开关管为N型场效应管；
所述电压输出端连接第二电容的一端；所述第二电容的另一端接地。
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