CN111404379A - 谐振转换器及dc/dc功率转换器 - Google Patents

谐振转换器及dc/dc功率转换器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种谐振转换器，包括输入切换网络，用于提供输入脉冲波形；和谐振网络，其包括接收所述输入切换网络输出的脉冲波形的谐振电容，与所述谐振电容串联的第一电感，感值小于10mH的第二电感，所述第二电感一端连接所述第一电感，一端与所述输入切换网络形成回路，以及与所述第二电感并联或等效并联的容性元件，其中，所述谐振转换器通过所述谐振网络为与所述第二电感并联或等效并联的负载供电。

Description

谐振转换器及DC/DC功率转换器
技术领域
本公开总体上涉及电源系统，更具体地涉及电源系统的谐振转换器和DC/DC功率转换器。
背景技术
工作在谐振模式(电路的输入与输出之间的阻抗最小)下的转换器可提供更高的效率。LLC和LCC谐振转换器被广泛应用于电力电子行业。在照明行业，LLC和LCC因其高效率和一些先进功能而广泛用于DC/DC转换器。DC/DC转换器一般通过方波产生器，谐振网络和整流电路给负载供电。方波产生器包括PWM转换器。例如全桥相移PWM转换器或非对称半桥PWM转换器，广泛应用于前端DC/DC转换。在开关频率附近谐振的谐振电路的PWM变换器可以实现零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)，因为谐振电路必须在必须发生切换时将电压或电流降低到零或接近零。因此可以实现更低的开关损耗和更高频率的开关，同时提高效率。
但是，当输出电压范围很大(例如增益范围的2～4倍)，则LLC和LCC都有其弱点。对于LLC，可以设计窄的工作频率范围来覆盖宽的输出范围。如果如果要保持输出范围的ZVS和ZCS，这将大大降低全电压负载的效率(通常，效率会降低2～3％)。对于LCC，由于其变压器的励磁电感趋于无穷大，在全电压负载情况下的效率很高，但是要覆盖宽的输出范围，工作频率范围必须很大。例如，在全输出电压下为频率为60KHz，在1/3的输出电压下，频率增加到>300kHz。特别是对于深度调光应用，当调光深度＜5％时，频率会更高超过400kHz，从工程考虑角度不能接受。
需要提出了一种新颖的谐振转换器，以克服LLC和LCC谐振转换器的缺点。这种转换器应具有更高的效率和更窄的频率范围，适用于宽输出电压范围和深度调光应用。
发明内容
在一个实施例中，本申请公开了一种谐振转换器，包括输入切换网络，用于提供输入脉冲波形；和谐振网络，其包括接收所述输入切换网络输出的脉冲波形的谐振电容，与所述谐振电容串联的第一电感，第二电感，所述第二电感一端连接所述第一电感，一端与所述输入切换网络形成回路，以及与所述第二电感并联或等效并联的容性元件，其中，所述谐振转换器通过所述谐振网络为与所述第二电感并联或等效并联的负载供电。
在一个实施例中，本申请还公开了一种DC/DC功率转换器，包括输入切换网络，用于接收直流电源，并提供输入脉冲波形；谐振网络，其包括接收所述输入切换网络输出脉冲波形的谐振电容，与所述谐振电容串联的第一电感，和具有小于10mH励磁电感的变压器，所述励磁电感一端连接所述第一电感，一端与所述输入切换网络形成回路，其中，所述谐振网络还包括与所述励磁电感并联或与所述变压器次级侧并联的容性元件；和整流电路，连接于所述变压器的次级侧，将所述谐振网络的输出整流后为负载供电。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，本发明的这些和其它特征、方面及优点会变得更好理解，在附图中，相似的元件标号在全部附图中用于表示相似的部件，其中：
图1是根据本发明一个实施例的包括谐振转换器的DC/DC功率转换器的示意图；
图2是根据本发明一个实施例的谐振转换器的等效电路示意图；
图3是根据本发明一个实施例的谐振转换器的进一步等效电路示意图；
图4是根据本发明又一个实施例的包括谐振转换器的DC/DC功率转换器的示意图；
图5是根据本发明又一个实施例的谐振转换器的等效电路示意图；
图6是根据本发明一个实施例的谐振转换器的增益曲线示意图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部”“后部”“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“或”等词语表示包括性的，并且是指所列出的项目中的一个或全部。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接或偶联，不管是直接的还是间接的。
如图1所示，本申请揭露了一种DC/DC功率转换器，包括谐振转换器10和输出网络13。谐振转换器10包括输入切换网络11和谐振网络12。输入切换网络11可接收直流电并提供输入脉冲波形，其可包括方波产生器。方波产生器可以包括具有至少两个晶闸管的全桥或半桥电路拓扑把直流输入电压转换为方波波形，再将方波波形馈入谐振网络12。方波波形是由正弦基波和一系列高阶谐波组成。在初步分析中，可以把方波波形近似为基波，忽略高阶谐波的影响。在图1中，方波产生器为串联的两个晶闸管Q1和Q2，谐振网络12的一侧分别与Q1和Q2的中点以及Q2的另一端。Q1和Q2各有50％的占空比，轮流为谐振网络12提供方波波形输入。
谐振网络12包括谐振电容Cs，第一电感Ls，变压器14，变压器具有励磁电感Lm，以及与变压器的次级侧并联连接的电容Cr。其中，Cs为串联谐振电容，Ls为变压器的集成电感，在其它的实施例中也可为独立电感。Lm值小于10mH，其值具体可为小于10mH的任何值，其较佳范围在1mH和2mH之间。其中，能量在所述Cs，Cr，Ls，Lm之间传递，形成谐振。谐振变换器还包括二极管D5和D6，其中点位于Ls和Lm之间，两侧分别连接输入切换网络的两端，即Q1和Q2的两端，二极管D5和D6为钳位二极管，一端连接至变压器的初级侧，另一端分别连接至Q1和Q2的两端，可以起到钳制变压器初级侧电压的作用。Cb连接在Lm与输入切换网络的回路之间，起到隔离直流的作用。
输出网络13包括整流电路，整流电路可为全桥或半桥二极管拓扑结构，在图1的例子中，整流电路包括串联的D1和D2，和串联的D3和D4，其中D1和D2与D3和D4并联连接。变压器的次级侧一端连接D1和D2的中点，另一端连接D3和D4的中点。整流电路的输出连接负载，为负载提供直流电压。整流电路还还包括一个与负载并联的电容Co，提供存储能量的功能。在其它的实施例中，整流电路也可由晶闸管电路拓扑来实现。
图2为图1的等效电路，从图2可以看出，谐振网络12包括与输入切换网络11串联的谐振电容Cs，第一电感Ls，和第二电感Lm。其中Lm小于10mH，较佳地，Lm的范围在1mH和2mH之间。还包括容性元件，如电容Cr，其与第二电感Lm并联或等效并联。Rac为与Lm并联的等效负载，其值为
Figure BDA0001933947580000041
图1中的变压器14和其励磁电感Lm通过一电容Cb与电源负极相连。在图3中，由于Cb远大于Cs，所以，图2的等效电路进一步简化为如图3所示的电路。其中，能量在所述Cs，Cr/N2and Ls，Lm之间传递，形成谐振。
在另一个实施例中，如图4所示，电容Cr连接在变压器的初级侧，与变压器的励磁电感Lm并联。其中Lm小于10mH，较佳地，Lm的范围在1mH和2mH之间。同样地，由于由于Cb远大于Cs，所以，图4的等路进一步简化为如图5所示的电路。
前述谐振转换器的优势可以由图6所述的电压增益图确认，其中，谐振网络的谐振参数有如下定义，
Figure BDA0001933947580000051
Figure BDA0001933947580000052
Figure BDA0001933947580000053
其中fsw为工作频率，fr为谐振频率，fn为归一化频率。在如图1的实施例中，
Figure BDA0001933947580000054
在如图4所示的实施例中，Cp为Cr，Rac为等效负载。
相对于fn的增益曲线由下式计算。
Figure BDA0001933947580000055
在一个例子中，如当γ1＝0.096，γ2＝0.128时，将其绘制为如图6所示曲线，横轴表示归一化频率fn，纵轴为电压增益。随着Q的增大，图中的增益曲线从M1变化至M7。可以从图中看出，在高增益范围内，归一化频率fn范围是窄的。如5倍数电压增益范围内的工作频率的范围要比4倍数电压增益范围的工作频率要窄。在一个例子中，如果电压范围是从40V至其5倍的电压200V，则工作频率的范围仅仅从50KHz至小于200KHz，其仅仅是50KHz的四倍。其次，最高频率是有边界的，Q至更小的时候，如M1和M2的电压增益曲线基本重合，这意味着，即使调到很深的调光深度，即Rac→∞，Q→0时，工作频率有最大的频率限制，这能从根本上解决谐振转换器的深度调光应用时的工作频率范围问题。同时，谐振转换器的效率始终接近最佳工作点，这意味着本技术方案可以实现高效率，而且即使在深度调光的时候，也能实现高效率。
如图1和5所示，本申请公开了一种DC/DC功率转换器，包括输入切换网络11，用于接收直流电源，并提供输入脉冲波形；谐振网络12，其包括接收所述输入切换网络输出脉冲波形的谐振电容Cs，与所述谐振电容串联的第一电感Ls，和具有小于10mH的励磁电感Lm的变压器14，所述励磁电感一端连接所述第一电感，一端与所述输入切换网络形成回路，其中，所述谐振网络12还包括与所述励磁电感Lm并联或与所述变压器14次级侧并联的容性元件，如电容Cr；和整流电路13，连接于所述变压器14的次级侧，将所述谐振网络12的输出整流后为负载供电。其中Lm小于10mH，较佳地，Lm的范围在1mH和2mH之间。该DC/DC功率转换器的其它部分可与前述谐振转换器相同或相似。在如图1的实施例中，Cr与变压器的次级侧并联，其等效为
Figure BDA0001933947580000061
的电容与变压器的励磁电感Lm并联，在如图4所示的实施例中，Cr连接在变压器的初级侧，与励磁电感Lm并联。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以做出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种谐振转换器，其特征在于，包括：
输入切换网络，用于提供输入脉冲波形；和
谐振网络，其包括接收所述输入切换网络输出的脉冲波形的谐振电容，与所述谐振电容串联的第一电感，感值小于10mH的第二电感，所述第二电感一端连接所述第一电感，一端与所述输入切换网络形成回路，以及与所述第二电感并联或等效并联的容性元件，其中，所述谐振转换器通过所述谐振网络为与所述第二电感并联或等效并联的负载供电。
2.如权利要求1所述的谐振转换器，其特征在于，所述第二电感的感值在1mH和2mH之间。
3.如权利要求2所述的谐振转换器，其特征在于，所述谐振网络还包括变压器，其中所述第二电感为所述变压器的励磁电感。
4.如权利要求3所述的谐振转换器，其特征在于，所述容性元件并联于所述变压器的初级侧或次级侧。
5.如权利要求3所述的谐振转换器，其特征在于，所述第一电感为所述变压器的集成电感或独立电感。
6.如权利要求3所述的谐振转换器，其特征在于，所述所述变压器的次级侧用于连接负载。
7.一种DC/DC功率转换器，其特征在于，包括：
输入切换网络，用于接收直流电源，并提供输入脉冲波形；
谐振网络，其包括接收所述输入切换网络输出脉冲波形的谐振电容，与所述谐振电容串联的第一电感，和具有小于10mH励磁电感的变压器，所述励磁电感一端连接所述第一电感，一端与所述输入切换网络形成回路，其中，所述谐振网络还包括与所述励磁电感并联或与所述变压器次级侧并联的容性元件；和
整流电路，连接于所述变压器的次级侧，将所述变压器的输出整流后为负载供电。
8.如权利要求7所述的功率转换器，其特征在于，所述励磁电感的感值在1mH和2mH之间。
9.如权利要求7所述的功率转换器，其特征在于，所述第一电感为所述变压器的集成电感或独立电感。
10.如权利要求7所述的功率转换器，其特征在于，谐振网络包括分别连接在所述变压器初级侧和所述输入切换网络之间的钳位二极管。
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