CN111200362A - 一种开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种开关电源，包括：第一开关管电路，用于将输入电流转换成交流电流；N路并联的谐振腔电路，用于将交流电流转换成工作电流的交流电流；其中，第i路并联的谐振腔电路包括串联连接的第i谐振电容、耦合谐振电感的第i个绕组和第i变压器，i为大于或等于1，且小于或等于N的整数，N为大于或等于2的整数；第二开关管电路，用于对工作电流的交流电流进行整流转换成工作电流的直流电流。本发明实施例基于耦合谐振电感实现谐振腔电路，很好的实现了均流问题。

Description

一种开关电源
技术领域
本发明实施例涉及但不限于电力电子变换技术，尤指一种开关电源。
背景技术
对于大功率开关电源来说，因其功率大，如果采用单个电路拓扑，势必会造成开关管电流应力大，磁件体积大且散热困难，因此，将单个电路拓扑分成多个并联的拓扑，同时让各个电路拓扑实现均流，是主要的一种解决方法。
在并联拓扑里，对采用脉冲频率调制(PFM，Pulse Frequency Modulation)控制的谐振转换电路来说，通过调频方法不容易实现均流，而调占空比又会失去软开关的优点，因此均流成为谐振转换并联电路的一大难点。
发明内容
本发明实施例提供了一种开关电源，能够很好的实现均流问题。
本发明实施例提供了一种开关电源，包括：
第一开关管电路，用于将输入电流转换成交流电流；
N路并联的谐振腔电路，用于将交流电流转换成工作电流的交流电流；
其中，第i路并联的谐振腔电路包括串联连接的第i谐振电容、耦合谐振电感的第i个绕组和第i变压器，i为大于或等于1，且小于或等于N的整数，N为大于或等于2的整数；
第二开关管电路，用于对工作电流的交流电流进行整流转换成工作电流的直流电流。
本发明实施例包括：第一开关管电路，用于将输入电流转换成交流电流；N路并联的谐振腔电路，用于将交流电流转换成工作电流的交流电流；其中，其中，第i路并联的谐振腔电路包括串联连接的第i谐振电容、耦合谐振电感的第i个绕组和第i变压器，i为大于或等于1，且小于或等于N的整数，N为大于或等于2的整数；第二开关管电路，用于对工作电流的交流电流进行整流转换成工作电流的直流电流。本发明实施例基于耦合谐振电感实现谐振腔电路，很好的实现了均流问题。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例的实施例一起用于解释本发明实施例的技术方案，并不构成对本发明实施例技术方案的限制。
图1为本发明一个实施例提出的开关电源的结构示意图；
图2为本发明实施例耦合谐振电感的示意图；
图3为本发明实施例非耦合谐振电感实现的开关电源的具体实现电路的示意图；
图4为本发明实施例开关电源的具体实现电路的示意图一；
图5为本发明实施例开关电源的具体实现电路的示意图二；
图6为本发明实施例开关电源的具体实现电路的示意图三。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
参见图1，本发明一个实施例提出了一种开关电源，包括：
第一开关管电路101，用于将输入电流转换成交流电流；
N路并联的谐振腔电路102，用于将交流电流转换成工作电流的交流电流；
其中，第i路并联的谐振腔电路包括串联连接的第i谐振电容、耦合谐振电感的第i个绕组和第i变压器，i为大于或等于1，且小于或等于N的整数，N为大于或等于2的整数；
第二开关管电路103，用于对工作电流的交流电流进行整流转换成工作电流的直流电流。
在本发明另一个实施例中，如图2所示，耦合谐振电感包括：磁芯和N个绕组，所述N个绕组绕制在所述磁芯的中柱或者边柱上，且N个绕组由于电流产生的磁场相互叠加，且所述N个绕组的匝数均相同。
在本发明实施例中，耦合谐振电感起到均流的作用，如果没有耦合谐振电感，谐振腔将极容易出现不均流，下面进行分析：
假如谐振电感不耦合，图3以N为2时为例给出本发明实施例非耦合谐振电感实现的开关电源的具体实现电路的示意图。如图3所示，实际电路中，各元件参数都存在偏差，如果谐振电感1的感量上偏，谐振电感2的感量下偏(一般厂家制造误差在±10％)。
(1)如果谐振电感1和谐振电感2都没有偏差，两者电流完全无偏差。
(2)如果谐振电感1上偏5％，谐振电感2下偏5％，I1和I2电流偏差在20％左右。
(3)如果谐振电感1上偏10％，谐振电感2下偏10％(最恶劣情况)，I1和I2电流偏差在40％左右。
可见，随着谐振电感的感量偏差加大，谐振电流不均流情况也随之更加恶劣。
两个谐振电感耦合在一起之后，产生的有益效果有：
(1)耦合之后，电感之间的感量偏差大幅减小，不均流度在10％以内。
(2)耦合谐振电感结构如图2所示，由于耦合谐振电感的两个绕组方向如上，因此，当电流流向如图2所示时，产生的磁通叠加。当其中一个绕组的电流增加，比如绕组1的电流i1增加的时候，绕组2是阻碍此磁通增加的，因为电感的特性就是阻碍磁路中磁通变化，因此阻碍了I1的增加。同理，当I1减小的时候，N2绕组阻碍了I1的减小。
下面具体分析均流原理。
绕组1的电流i1增加的时候，绕组1产生的磁通量
Figure BDA0001870368770000041
增加；其中，L1为绕组1的自感系数，M为互感系数，i2为绕组2的电流，那么绕组2产生的磁通量
Figure BDA0001870368770000042
小于绕组1产生的磁通量
Figure BDA0001870368770000043
其中，L2为绕组2的自感系数。
绕组1两端的电压为
Figure BDA0001870368770000044
绕组2两端的电压为
Figure BDA0001870368770000045
假设绕组1和绕组2的匝数相同，那么L1＝L2＝L，进而得到
Figure BDA0001870368770000046
一般情况下
Figure BDA0001870368770000047
对于理想变压器M＝1。
那么由上面的公式可以得出，当i1＞i2的时候，由于开关频率相同，工作在一区，谐振腔电流近似为正弦，在同一时刻，电流大的电流变化率也大则
Figure BDA0001870368770000048
u1＞u2。
用ucr1表示谐振腔电路1的谐振电容的端电压，uL1表示谐振腔电路1的谐振电感两端的电压，用ucr2表示谐振腔电路2的谐振电容的端电压，uL2表示谐振腔电路2的谐振电感两端的电压。假设两个谐振腔电路其它参数相同，谐振不同，由于谐振电容的偏差Ccr1<Ccr2导致初始时刻iL1＞iL2，那么根据上面的推导uL1＞uL2。两个谐振腔电路的输入电压相等，假设忽略励磁电感的偏差，输出电压也被钳位的相等，那么，uL1+ucr1＝uL2+ucr2；
那么ucr1＜ucr2，又
Figure BDA0001870368770000049
谐振腔电路1和谐振腔电路2的谐振电容电压也是同频同相大小不同的近似正弦，则
Figure BDA0001870368770000051
进一步的已知Ccr1<Ccr2，则
Figure BDA0001870368770000052
那么对于icr1有减小的趋势，对于icr2有增大的趋势，从而抑制谐振腔电路1的谐振腔电流，大于谐振腔电路2的谐振腔电流，最终形成一个闭环负反馈，使得二者的电流相同。
因此，通过上面的分析可知，耦合谐振电感能减小谐振腔电流的偏差。
在本发明另一个实施例中，图4以N为2时为例给出本发明实施例开关电源的具体实现电路的示意图一，图5以N为3时为例给出本发明实施例开关电源的具体实现电路的示意图二。如图4和图5所示，第一开关管电路101包括：第一开关管VT1、第二开关管VT2、第三开关管VT3和第四开关管VT4；
其中，所述第一开关管VT1的第一端连接所述输入电流的第一端和所述第三开关管VT3的第一端，所述第一开关管VT1的第二端连接所述第二开关管VT2的第一端和所述N路并联的谐振电路的第一端；
所述第二开关管VT2的第二端连接所述第四开关管VT4的第二端和所述输入电流的第二端；
所述第三开关管VT3的第二端连接所述第四开关管VT4的第一端和所述N路并联的谐振电路的第二端。
所述第二开关管电路103包括：第五开关管VT5、第六开关管VT6、第七开关管VT7和第八开关管VT8；
其中，所述第五开关管VT5的第一端连接所述工作电流的直流电流的第一端和所述第七开关管VT7的第一端，所述第五开关管VT5的第二端连接所述N路并联的谐振电路的第三端和所述第六开关管VT6的第一端；
所述第六开关管VT6的第二端连接所述工作电流的直流电流的第二端和所述第八开关管VT8的第二端；
所述第七开关管VT7的第二端连接所述第八开关管VT8的第一端和所述N路并联的谐振电路的第四端。
本发明实施例中的第一开关管电路和第二开关管电路还可以采用其他的实现方式，具体的实现方式不用于限定本发明实施例的保护范围，例如，图6以N为2时为例给出本发明实施例开关电源的具体实现电路的示意图三。如图6所示，第一开关管电路101包括：第一开关管VT1、第二开关管VT2、第一电容C1和第二电容C2；
其中，所述第一开关管VT1的第一端连接所述输入电流的第一端和所述第一电容C1的第一端，所述第一开关管VT1的第二端连接所述第二开关管VT2的第一端和所述N路并联的谐振电路的第一端；
所述第二开关管VT2的第二端连接所述第二电容C2的第二端和所述输入电流的第二端；
所述第一电容C1的第二端连接所述第二电容C2的第一端和所述N路并联的谐振电路的第二端。
第二开关管电路103包括：第三电容C3、第四电容C4、第七开关管VT7和第八开关管VT8；
其中，所述第三电容C3的第一端连接所述工作电流的直流电流的第一端和所述第七开关管VT7的第一端，所述第三电容C3的第二端连接所述N路并联的谐振电路的第三端和所述第四电容C4的第一端；
所述第四电容C4的第二端连接所述工作电流的直流电流的第二端和所述第八开关管VT8的第二端；
所述第七开关管VT7的第二端连接所述第八开关管VT8的第一端和所述N路并联的谐振电路的第四端。
在本发明实施例中，当第一开关管VT1和第四开关管VT4开通时，谐振腔内电路分为N部分，分别为I1，I2，…，IN，由于电流一份为N，大大降低了谐振电容的电流应力，也就减小了谐振电容的发热，同理也降低了变压器的发热。
在本发明实施例中，第i谐振电容的第一端连接N路并联的谐振电路的第一端，第i谐振电容的第二端连接耦合谐振电感的第i个绕组的第一端；
耦合谐振电感的第i个绕组的第二端连接第i变压器的初级侧的第一端；
第i变压器的初级侧的第二端连接N路并联的谐振电路的第二端，第i变压器的次级侧的第一端连接N路并联的谐振电路的第三端，第i变压器的次级侧的第二端连接N路并联的谐振电路的第四端。
本发明实施例的N路谐振腔电路共用开关管，开关管可以并联，简化了开关管的驱动电路；
本发明实施例分成了N路谐振腔电路，每路谐振腔电路电流减小1/N，线路损耗更低，发热更小；
本发明实施例N路谐振腔电路内有N组谐振电容和变压器，分散了散热，利于设计；
本发明实施例基于耦合谐振电感实现谐振腔电路，大大减小了N路谐振腔电路的不均流度。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
虽然本发明实施例所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明实施例而采用的实施方式，并非用以限定本发明实施例。任何本发明实施例所属领域内的技术人员，在不脱离本发明实施例所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明实施例的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种开关电源，包括：
第一开关管电路，用于将输入电流转换成交流电流；
N路并联的谐振腔电路，用于将交流电流转换成工作电流的交流电流；
其中，第i路并联的谐振腔电路包括串联连接的第i谐振电容、耦合谐振电感的第i个绕组和第i变压器，i为大于或等于1，且小于或等于N的整数，N为大于或等于2的整数；
第二开关管电路，用于对工作电流的交流电流进行整流转换成工作电流的直流电流。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述耦合谐振电感包括：一个磁芯和N个绕组，所述N个绕组绕制在所述磁芯的中柱或者边柱上，且所述N个绕组由于电流产生的磁场相互叠加，且所述N个绕组的匝数均相同。
3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第一开关管电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
其中，所述第一开关管的第一端连接所述输入电流的第一端和所述第三开关管的第一端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端和所述N路并联的谐振电路的第一端；
所述第二开关管的第二端连接所述第四开关管的第二端和所述输入电流的第二端；
所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端和所述N路并联的谐振电路的第二端。
4.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第一开关管电路包括：第一开关管、第二开关管、第一电容和第二电容；
其中，所述第一开关管的第一端连接所述输入电流的第一端和所述第一电容的第一端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端和所述N路并联的谐振电路的第一端；
所述第二开关管的第二端连接所述第二电容的第二端和所述输入电流的第二端；
所述第一电容的第二端连接所述第二电容的第一端和所述N路并联的谐振电路的第二端。
5.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第二开关管电路包括：第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；
其中，所述第五开关管的第一端连接所述工作电流的直流电流的第一端和所述第七开关管的第一端，所述第五开关管的第二端连接所述N路并联的谐振电路的第三端和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工作电流的直流电流的第二端和所述第八开关管的第二端；
所述第七开关管的第二端连接所述第八开关管的第一端和所述N路并联的谐振电路的第四端。
6.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第二开关管电路包括：第三电容、第四电容、第七开关管和第八开关管；
其中，所述第三电容的第一端连接所述工作电流的直流电流的第一端和所述第七开关管的第一端，所述第三电容的第二端连接所述N路并联的谐振电路的第三端和所述第四电容的第一端；
所述第四电容的第二端连接所述工作电流的直流电流的第二端和所述第八开关管的第二端；
所述第七开关管的第二端连接所述第八开关管的第一端和所述N路并联的谐振电路的第四端。
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