发明内容
本发明的目的是提供一种变换器电路,以实现原边开关管的ZVS和副边二极管的ZVS,提高变换器的效率。
为解决上述技术问题,本发明提供一种变换器电路,包括:包含有至少一个桥臂的开关电路、第一电容、第二电容、第三电容、变压器、二极管和电感器,所述桥臂包含串联连接的2个开关管;
所述开关电路的第一输入端和第二输入端用于作为两个直流输入端输入一路直流电,所述开关电路的第一输出端与所述第一电容的第一端连接,所述第一电容的第二端与所述变压器的原边绕组的第一端连接,所述开关电路的第二输出端与所述变压器的原边绕组的第二端连接,所述变压器的副边绕组的第一端与所述第二电容的第一端连接,所述第二电容的第二端与所述电感器的第一端连接其公共端与所述二极管的阴极连接,所述电感器的第二端与所述第三电容的第一端连接,所述第三电容的第二端与所述变压器的副边绕组的第二端连接其公共端与所述二极管的阳极连接;所述第三电容的第一端和第二端用于作为两个直流输出端与负载连接,向所述负载输出一路直流电;所述开关电路中的开关管的控制端分别用于连接各自对应的驱动脉冲输出端。
其中,Lm为所述原边激磁电感感量,N为所述变压器的原边绕组与副边绕组的匝数比,D为所述开关电路中的目标开关管的占空比,fs为所述开关电路中的开关管的开关频率,IoL为向所述负载输出的直流电的电流值,Vo为向所述负载输出的直流电的电压值,L为所述电感器的感量,k为所述开关电路中的桥臂数。
可选的,所述电感器在CCM模式时,所述二极管的电流在所述桥臂的目标开关管的导通间隔内先上升再下降,且在所述桥臂的非目标开关管导通时刻为零;其中,每个所述桥臂所包含的2个所述开关管分别为所述目标开关管和所述非目标开关管。
可选的,所述开关电路的第一输入端和第二输入端连接的直流电的电流值为
向所述负载输出的直流电的电压值为
其中,Ig为所述开关电路的第一输入端和第二输入端连接的直流电的电流值,Vo为向所述负载输出的直流电的电压值,D为所述开关电路中的目标开关管的占空比,IoL为向所述负载输出的直流电的电流值,N为所述变压器的原边绕组与副边绕组的匝数比,Vg为所述开关电路的第一输入端和第二输入端连接的直流电的电压值,k为所述开关电路中的桥臂数。
可选的,所述开关电路为全桥电路时,所述开关电路包括: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与所述第二开关管的第一端连接其公共端作为所述开关电路的第一输入端,所述第二开关管的第二端与所述第三开关管的第一端连接其公共端作为所述开关电路的第二输出端,所述第一开关管的第二端与所述第四开关管的第一端连接其公共端作为所述开关电路的第一输出端,所述第三开关管的第二端与所述第四开关管的第二端连接其公共端作为所述开关电路的第二输入端。
可选的,所述开关电路为半桥电路时,所述开关电路包括:第五开关管和第六开关管;
其中,所述第五开关管的第一端作为所述开关电路的第一输入端,所述第五开关管的第二端与所述第六开关管的第一端连接其公共端作为所述开关电路的第一输出端,所述第六开关管的第二端作为所述开关电路的第二输出端和第二输入端。
可选的,每个所述桥臂所包含的2个所述开关管均具体为NMOS管;
其中,所述第五开关管的漏极作为所述开关电路的第一输入端,所述第五开关管的源极与所述第六开关管的漏极连接其公共端作为所述开关电路的第一输出端,所述第六开关管的源极作为所述开关电路的第二输出端和第二输入端,所述第五开关管的栅极和所述第六开关管的栅极分别用于连接各自对应的驱动脉冲输出端。
可选的,该变换器电路还包括:电阻器;
其中,所述电阻器的第一端与所述电感器的第二端连接,所述电阻器的第二端与所述第三电容的第一端连接;所述电阻器的第一端和所述第三电容的第二端用于作为两个直流输出端与负载连接,向所述负载输出一路直流电。
可选的,该变换器电路还包括:直流电源;
其中,所述直流电源的正极与所述开关电路的第一输入端连接,所述直流电源的负极与所述开关电路的第二输入端连接。
可见,本发明中可以实现开关电路中的开关管的ZVS和二极管的ZVS,从而提高变换器的效率;并且相较于传统的PWM变换器电路,本发明中的变压器的副边绕组所连接的电路结构更为简单,易于实施。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,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。
请参考图1,图1为本发明实施例所提供的一种变换器电路的结构示意图。该变换器电路,可以包括:包含有至少一个桥臂的开关电路10、第一电容20(Cp)、第二电容30(Cs)、第三电容40(C)、变压器50、二极管60(D)和电感器70(L),桥臂包含串联连接的2个开关管;
其中,开关电路10的第一输入端和第二输入端用于作为两个直流输入端输入一路直流电,开关电路10的第一输出端与第一电容20的第一端连接,第一电容20的第二端与变压器50的原边绕组的第一端连接,开关电路10的第二输出端与变压器50的原边绕组的第二端连接,变压器50的副边绕组的第一端与第二电容30的第一端连接,第二电容30的第二端与电感器70的第一端连接其公共端与二极管60的阴极连接,电感器70的第二端与第三电容40的第一端连接,第三电容40的第二端与变压器50的副边绕组的第二端连接其公共端与二极管60的阳极连接;第三电容40的第一端和第二端用于作为两个直流输出端与负载连接,向负载输出一路直流电;开关电路10中的开关管的控制端分别用于连接各自对应的驱动脉冲输出端。
可以理解的是,本实施例中的开关电路10可以为包含有两个桥臂的全桥电路或包含有一个桥臂的半桥电路,如仅由开关管连接组成的全桥电路或半桥电路。如图1所示,开关电路10可以为四个开关管(S1-S4)组成的全桥电路,即开关电路10包括串联连接的第一开关管(S1)和第二开关管(S2)组成的一个桥臂及第三开关管(S3)和第四开关管(S4)组成的另一个桥臂;也就是说,开关电路10可以包括:第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4);其中,第一开关管的第一端与第二开关管的第一端连接,其公共端可以作为开关电路10的第一输入端用于与开关电路10的第二输入端共同输入一路直流电(Vg和Ig),如与直流电源的正极和负极连接;第二开关管的第二端与第三开关管的第一端连接,其公共端可以作为开关电路10的第二输出端与变压器50的原边绕组的第二端连接;第一开关管的第二端与第四开关管的第一端连接,其公共端可以作为开关电路10的第一输出端与第一电容20(Cp)的第一端连接;第三开关管的第二端与第四开关管的第二端连接,其公共端可以作为开关电路10的第二输入端。
如图2所示,开关电路10也可以为两个开关管(S1和S2)组成的半桥电路,即开关电路10包括:第五开关管(S1)和第六开关管(S2);其中,第五开关管的第一端作为开关电路10的第一输入端,第五开关管的第二端与第六开关管的第一端连接其公共端作为开关电路10的第一输出端,第六开关管的第二端作为开关电路10的第二输出端和第二输入端。
对应的,对于本实施例中开关电路10中的开关管的具体类型,可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置,如可以为MOS管,例如图1和图2所示的NMOS管,即图2中第五开关管(S1)的漏极作为开关电路10的第一输入端,第五开关管的源极与第六开关管(S2)的漏极连接其公共端作为开关电路10的第一输出端,第六开关管的源极作为开关电路10的第二输出端和第二输入端,第五开关管的栅极和第六开关管的栅极分别用于连接各自对应的驱动脉冲输出端;也可以为如三极管和IGBT管的其他开关管,本实施例对此不做任何限制。
具体的,对于本实施例中开关电路10中的开关管的控制端(如MOS管的栅极)各自连接的驱动脉冲输出端的具体设置,即开关管的具体驱动控制方式,可以由设计人员自行设置,如可以采用PWM驱动控制。本实施例对此不做任何限制。如对图1所示的变换器电路中的四个开关管进行图3所示的PWM驱动控制时,该变换器电路的在CCM(ContinuousConduction Mode,连续导通模式)下的理想稳态关系可以如下:
原边激磁电感伏秒平衡为(Vg-VCp)DTs=(Vg+VCp)(1-D)Ts,即VCp=(2D-1)Vg;其中,Vg为开关电路10连接的直流电的电压,VCp为第一电容20(Cp)的电压;D为第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)的占空比,即开关电路10中的开关管可以为相同的占空比D,即占空比对称驱动;D=(1-D′),D′为第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)的关断时间的占比,Ts为第一开关管至第四开关管的开关周期。另外的实施例中,可以使用占空比互补驱动:D为第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的占空比,D′为第二开关管(S2)和第四开关管(S4)的占空比,忽略驱动死区,则D=(1-D′)。
副边激磁电感伏秒平衡为VCs=Vo;其中,VCs为第二电容30(Cs)的电压,Vo为连接的负载的电压;
输出滤波电感伏秒平衡为
即
其中,N为变压器50的原边绕组与副边绕组的匝数比,即变压器50的原边绕组匝数(N
p)与副边绕组匝数(N
s)的商,N=N
p/N
s;
由此可得,
I
L=I
oL;其中,I
g为开关电路10连接的直流电的电流,I
L为流过电感器70(L)的电流,I
oL为流过连接的负载的电流。
如对图2所示的变换器电路中的两个开关管进行图4所示的PWM驱动控制时,该变换器电路的在CCM下的理想稳态关系可以如下:
原边激磁电感伏秒平衡为(Vg-VCp)DTs=VCp(1-D)Ts,即VCp=DVg;其中,Vg为开关电路10连接的直流电的电压,VCp为第一电容20(Cp)的电压,D为开关管(S1)和第六开关管(S2)的占空比,Ts为第五开关管和第六开关管的开关周期;
副边激磁电感伏秒平衡为VCs=Vo;其中,VCs为第二电容30(Cs)的电压,Vo为连接的负载的电压;
输出滤波电感伏秒平衡为
即
其中,N为变压器50的原边绕组匝数(N
p)与副边绕组匝数(N
s)的商,即N=N
p/N
s;
由此可得,
I
L=I
oL;其中,I
g为开关电路10连接的直流电的电流,I
L为流过电感器70(L)的电流,I
oL为流过连接的负载的电流。
也就是说,本实施例中开关电路10的第一输入端和第二输入端连接的直流电的电流值可以为
向负载输出的直流电的电压值可以为
其中,I
g为开关电路10的第一输入端和第二输入端连接的直流电的电流值,V
o为向负载输出的直流电的电压值,D为开关电路10中的目标开关管的占空比,I
oL为向负载输出的直流电的电流值,N为变压器50的原边绕组与副边绕组的匝数比,V
g为开关电路10的第一输入端和第二输入端连接的直流电的电压值,k为开关电路10中的桥臂数,即开关电路10中的桥臂的数量。
也就是说,本实施例中所提供的变换器电路可以具有与传统的PWM变换器电路(如PWM全桥电路或PWM半桥电路)完全相同的输入/输出电压增压关系;本实施例中所提供的全桥版本(开关电路10为全桥电路)的变换器电路与不对称半桥版本(开关电路10为半桥电路)的变换器电路的中开关管可以采用相同的互补PWM驱动。
需要说明的是,如图5所示,以变换器电路中的开关电路10为四个开关管组成的全桥电路为例,L
m为变压器50的原边激磁电感;该变换器电路采用图6所示的工作波形时,该变换器电路的原边激磁电流(i
m)可以为CCM(Continuous Conduction Mode,连续导通模式),其平均电流为零;该变换器电路的输出滤波电感电流(i
L)可以为CCM,输出滤波电感电流的平均值为负载电流(I
oL);二极管60(D
1)的电流在第二开关管(S2)和第四开关管(S4)导通间隔内降为零,在第一开关管(S1)和第三开关管(S3)导通时刻的二极管60的电流刚好为零,可以称CRM(Critical Conduction Mode,临界导通模式)。可以通过控制变压器50的原边激磁电感感量(L
m)使
实现S1和S3的ZVS;其中,N为变压器50的原边绕组与副边绕组的匝数比,D为第一开关管至第四开关管的占空比,f
s为第一开关管至第四开关管的开关频率,即开关电路10中的开关管可以为相同的开关频率f
s,I
oL为向负载输出的直流电的电流值,V
o为向负载输出的直流电的电压值,L为电感器70的感量;
η为变压器50的功率级满载效率;
λ
L为电感的纹波电流系数。
对应的,如图2所示的变换器电路可以通过控制变压器50的原边激磁电感感量(L
m)使
即本实施例中变压器50的原边激磁电感感量可以为:
其中,N为变压器50的原边绕组与副边绕组的匝数比,D为开关电路10中的目标开关管的占空比,f
s为开关电路10中的开关管的开关频率,I
oL为向负载输出的直流电的电流值,V
o为向负载输出的直流电的电压值,L为电感器70的感量,k为开关电路10中的桥臂数。此时,可以实现第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的ZVS开通和二极管60(D1)的ZCS关断。
也就是说,如图2所示,变换器电路中的开关电路10为两个开关管组成的半桥电路时,二极管60可以采用CRM;即电感器70在CCM模式时,二极管60的电流可以在第六二极管(S2)的导通间隔内先上升再下降,且在第五二极管(S1)导通时刻为零。也就是说,本实施例中电感器70在CCM模式时,二极管60的电流在开关电路10的桥臂的目标开关管的导通间隔内先上升再下降,且在开关电路10桥臂的非目标开关管导通时刻为零;其中,开关电路10中每个桥臂所包含的2个开关管分别为目标开关管和非目标开关管,即开关电路10中的每个桥臂可以包括一个目标开关管(如图5中的S2、S4或图2中的S2)和一个非目标开关管(如图5中的S1、S3或图2中的S1),且开关电路10中全部的目标开关管同时导通和关断,全部的非目标开关管同时导通和关断。
对应的,对于本实施例所提供的变换器电路的具体电路结构和具体元器件参数,如变压器50的原边绕组匝数和副边绕组匝数,可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置,如本实施例所提供的变换器电路还可以包括直流电源;其中,直流电源的正极与开关电路10的第一输入端连接,直流电源的负极与开关电路10的第二输入端连接;如图5所示,本实施例所提供的变换器电路还可以包括:电阻器(RC);其中,电阻器的第一端与电感器70(L)的第二端连接,电阻器的第二端与第三电容40(C)的第一端连接。只要可以实现开关电路10中的开关管的ZVS和二极管60的ZVS,本实施例对此不做任何限制。
可以理解的是,本实施例所提供的变换器电路采用PWM控制时,电路的归一化电压增益类似于传统的PWM全桥变换器:M=NVo/Vg=2D;采用图5所示变换器电路进行仿真可以得到的图7所示的归一化电压增益曲线图,从归一化增益曲线可知,满载下:Dmax≤0.65;可以选用Dmax≤0.6时,使电路的归一化增益与传统的PWM全桥变换器基本上一致。图7中In=IoL/IoLmax,IoL为流过连接的负载的电流,即变换器电路的输出电流;IoLmax为变换器电路的最大输出电流。
并且,相较于传统的半桥LLC变换器,本实施例所提供的变换器电路与半桥LLC变换器类似,可以在全输入/全负载范围内实现开关管(如MOS管)的ZVS和二极管的ZCS,并且不存在半桥LLC中的各种失控问题,如在电流负载下的空载失控问题、在电压负载下的轻载失控问题和在电流负载下的短路无法保护问题;而本实施例所提供的变换器电路的输出为LC滤波,较半桥LLC变换器输出的电容滤波,更适合用于电池充电的这种应用;且本实施例所提供的变换器电路的控制远比半桥LLC变换器简单,既可采用传统的电压型控制和传统的峰值电流型控制,也可采用一些新型的控制策略。
本实施例中,本发明实施例可以实现开关电路10中的开关管的ZVS和二极管60的ZVS,从而提高变换器的效率;并且相较于传统的PWM变换器电路,本发明中的变压器的副边绕组所连接的电路结构更为简单,易于实施。
还需要说明的是,在本说明书中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种变换器电路进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。