CN112104232A - 并联谐振变换器及电源 - Google Patents

并联谐振变换器及电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并联谐振变换器及电源，所述并联谐振变换器包括至少两路并联的谐振变换器，其中，至少两路并联的谐振变换器共用谐振电容和谐振电感。本发明解决了现有技术中并联谐振变换器不均流的问题，使得两路谐振变换器之间自然均流。

Description

并联谐振变换器及电源
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种并联谐振变换器及电源。
背景技术
在电力电子技术领域，特别是直流/直流变换器，如图1所示的并联谐振变换器用于大功率输出场合，可以使电源热点分布更均匀，有利于电源的散热设计。但是，在实际量产的产品中，如图1所示的谐振电感Lr1、Lr2和谐振电容Cr1、Cr2的参数存在容差，因此会导致两路谐振变换器的电压增益不一致，从而直接导致两路谐振变换器输出电流Io1及Io2不一致，甚至可能只有一路谐振变换器有输出电流，严重时会导致功率器件烧毁。
目前，解决均流问题的常用解决措施主要有：1、通过增加功率器件来调节谐振电容的容值或谐振电感的感量来改善均流；2、加入预调整电路改善均流、增加均流控制策略等，但是，上述处理方案会带来成本的增加或者复杂的控制策略。
因此，对于大功率输出场合，有必要提出一种既不需要增加额外器件也不需要复杂控制策略的并联谐振变换器。
发明内容
本发明实施例提供一种并联谐振变换器及电源，用以解决现有技术中两路谐振变换器不均流的问题。
本发明实施例提供一种并联谐振变换器，包括至少两路并联的谐振变换器，其中，至少两路并联的谐振变换器共用谐振电容和谐振电感。
优选地，谐振变换器的拓扑结构具体为：非对称半桥谐振变换器拓扑结构、对称半桥谐振变换器拓扑结构、全桥谐振变换器拓扑结构、三电平半桥谐振变换器拓扑结构、或者三电平全桥谐振变换器拓扑结构。
优选地，谐振变换器具体为：LLC谐振变换器、或者串联谐振变换器。
优选地，谐振电容为谐振电容组。
优选地，谐振电感为谐振电感组。
优选地，谐振电感、至少两路谐振变换器的变压器磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T1。
优选地，至少两路谐振变换器的变压器磁集成在一副磁芯中构成第二变压器T2。
优选地，谐振电感为第二变压器T2的漏感。
优选地，在谐振变换器的为对称半桥谐振变换器拓扑结构时，谐振电容并联有二极管。
本发明实施例还提供一种电源，包括上述任一项的并联谐振变换器。
采用本发明实施例，将谐振电容和谐振电感共用，解决了现有技术中并联谐振变换器不均流的问题，使得两路谐振变换器之间自然均流。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是现有技术中并联谐振变换器的等效电路示意图；
图2是本发明实施例的并联谐振变换器的示意图；
图3是本发明实施例的实例1的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图4是本发明实施例的实例2的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图5是本发明实施例的实例3的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图6是本发明实施例的实例4的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图7是本发明实施例的实例5的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图8是本发明实施例的实例6的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图9是本发明实施例的实例7的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图10是本发明实施例的实例8的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图11是本发明实施例的实例9的并联谐振变换器的等效电路示意图；
图12是本发明实施例的电源的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明实施例，提供了一种并联谐振变换器，图2是本发明实施例的并联谐振变换器的示意图，如图2说是，包括第一谐振变换器20和第二谐振变换器22，第一谐振变换器20和第二谐振变换器22共用谐振电容24和谐振电感26。
在本发明实施例中，谐振变换器的拓扑结构可以为：非对称半桥谐振变换器拓扑结构、对称半桥谐振变换器拓扑结构、全桥谐振变换器拓扑结构、三电平半桥谐振变换器拓扑结构、或者三电平全桥谐振变换器拓扑结构。谐振变换器可以为：LLC谐振变换器、或者串联谐振变换器。
此外，在本发明的实施例中，谐振电容24可以为一个电容，也可以为一个谐振电容组。同理，谐振电感26可以为一个电感，也可以为一个谐振电感组。此外，在另一个实例中，谐振电感26还可以为第二变压器T2的漏感。
此外，在本发明实施例中，为了减小磁性元件的体积和损耗，在一个实例中，谐振电感26、至少两路谐振变换器的变压器磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T1。在另一个实例中，至少两路谐振变换器的变压器磁集成在一副磁芯中构成第二变压器T2。在谐振变换器为对称半桥谐振变换器拓扑结构时，谐振电容24还可以并联二极管。
相较于现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：
能够保证两路谐振变换器之间自然均流；通过磁性元件的集成减小了磁性元件的个数和体积，提高了电源的功率密度；此外，还减小了磁性元件的磁芯损耗，提高了电源的效率；同时降低了磁性元件的成本。
以下结合附图和实例，对本发明实施例的上述技术方案进行举例说明。
实例1：
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路非对称半桥谐振变换器拓扑结构；
2、两路谐振变换器共用的谐振电感和两路变压器的励磁电感及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T；
图3是本发明实施例的实例1的并联谐振变换器的等效电路示意图，为本发明实施例的最优实例，如图3所示，在实例1中，为两路非对称半桥谐振变换器的并联而成，包括第一路的开关器件S1、S2，第一路的整流器件S10、S20，第二路的开关器件S3、S4，第二路的整流器件S30、S40，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr，两路谐振变换器共用的谐振电感Lr和两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成T。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。Io1以及Io2代表两路谐振变换器对应的输出电流。
为了验证本发明实施例的并联谐振变换器的均流效果，本发明实施例提供了如图1所示的现有技术中的并联谐振变换器及附图3所示电路的仿真实验，仿真结果见数据表1。
表1仿真数据表
Figure BDA0002097005780000051
如表1中所示，图1所示电路分别仿真了4种工况：当两路半桥变换器谐振电感和谐振电容的容差都为+/-5％时，两路半桥变换器其中一路输出电流48A，另一路只有12A，两路之间电流严重不均衡；当两路半桥变换器谐振参数只有谐振电感或只有谐振电容的容差为+/-5％时，两路半桥变换器其中一路输出电流40A，另一路只有20A，两路之间电流依然不均衡；当两路半桥变换器谐振参数一致时，两路半桥变换器其中一路输出电流30A，另一路也是30A，两路之间电流均衡。这也说明了，只有当两路半桥谐振变换器参数一致时，两路之间电流才能均衡。图3所示电路因为共用谐振电容以及谐振电感的关系，谐振参数一致。表1中仿真结果也表明，采用图3所示电路，两路之间电流均衡。
从上述实验结果可以看出，在实例1中，因为共用一组谐振电容以及谐振电感，两路变压器磁集成在一副磁芯中，两组谐振变换器的谐振参数一致，两路谐振变换器的电压增益一致，所以两路谐振变换器之间自然均流，不存在均流问题。本发明由于将现有技术的两路谐振变换器的四个磁性元件磁集成在一副磁芯或者两副磁芯上，减小了磁性元件的体积和损耗，同时降低了磁性元件的成本。
实例2
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路非对称半桥谐振变换器拓扑结构；
2、两路变压器的励磁电感及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T；
图4是本发明实施例的实例2的并联谐振变换器的等效电路示意图，如图4所示的并联谐振变换器，为两路非对称半桥谐振变换器的并联而成，包括第一路的开关器件S1、S2，第一路的整流器件S10、S20，第二路的开关器件S3、S4，第二路的整流器件S30、S40，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr及两路谐振变换器共用的谐振电感Lr，两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成T。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。图4和图3相比，磁性元件Lr并没有集成到T中，使得变压器的设计更加简单。
实例3
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路非对称半桥谐振变换器拓扑结构；
2、两路变压器的励磁电感及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T；
3、谐振电感为变压器T的漏感。
图5是本发明实施例的实例3的并联谐振变换器的等效电路示意图，如图5所示的并联谐振变换器，为两路非对称半桥谐振变换器的并联而成，包括第一路的开关器件S1、S2，第一路的整流器件S10、S20，第二路的开关器件S3、S4，第二路的整流器件S30、S40，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr，两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成T，两路谐振变换器的谐振电感为变压器T的漏感，漏感未在图4中示出。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。图5和图3相比，少了一个磁性元件Lr，并且磁集成变压器T的设计使得生产更容易，变压器成本降低。
实例4
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路对称半桥谐振变换器拓扑结构；
2、两路变压器的励磁电感及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T；
3、谐振电容为一个谐振电容组。
图6是本发明实施例的实例4的并联谐振变换器的等效电路示意图，如图6所示的并联谐振变换器，为两路对称半桥谐振变换器的并联而成，包括第一路的开关器件S1、S2，第一路的整流器件S10、S20，第二路的开关器件S3、S4，第二路的整流器件S30、S40，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr1、Cr2，两路谐振变换器共用的谐振电感Lr，两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成T。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。图6和图3相比，输入电容的纹波电流减小。
实例5
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路对称半桥谐振变换器拓扑结构；
2、两路变压器的励磁电感及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T；
3、谐振电容为一个谐振电容组，两个谐振电容分别并联有一个二极管。
图7是本发明实施例的实例5的并联谐振变换器的等效电路示意图，如图7所示的并联谐振变换器，为两路对称半桥谐振变换器的并联而成，包括第一路的开关器件S1、S2，第一路的整流器件S10、S20，第二路的开关器件S3、S4，第二路的整流器件S30、S40，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr1、Cr2，两路谐振变换器共用的箝位二极管D1、D2，两路谐振变换器共用的谐振电感Lr，两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成T。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。图7和图6相比，增加了共用的箝位二极管D1、D2，由于D1、D2的箝位作用，本实例的拓扑结构可以实现短路保护，不再需要额外的短路保护策略。
实例6
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路全桥谐振变换器拓扑结构；
2、两路变压器的励磁电感及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T。
图8是本发明实施例的实例6的并联谐振变换器的等效电路示意图，如图8所示的并联谐振变换器，为两路全桥谐振变换器的并联而成，包括第一路的开关器件S1、S2、S5、S6，第一路的整流器件S10、S20，第二路的开关器件S3、S4、S7、S8，第二路的整流器件S30、S40，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr，两路谐振变换器共用的谐振电感Lr，两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成T。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。图8和图3相比，拓扑由半桥结构更改为全桥结构，输入电容的纹波电流减小，并且适合更大功率应用。
实例7
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路三电平半桥谐振变换器拓扑结构；
2、两路变压器的励磁电感及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T。
图9是本发明实施例的实例7的并联谐振变换器的等效电路示意图，如图9所示的并联谐振变换器，包括第一路的开关器件S1、S2、S3、S4，第一路的整流器件S10、S20，第一路的分压电容C1、C2，第一路的箝位二极管D1、D2，第二路的开关器件S5、S6、S7、S8，第二路的整流器件S30、S40，第二路的分压电容C3、C4，第二路的箝位二极管D3、D4，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr，两路谐振变换器共用的谐振电感Lr，两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器的原副边绕组磁集成在一副磁芯中构成T。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。图9和图3相比，拓扑由半桥结构更改为三电平半桥结构，输入电容的纹波电流减小，并且适合高压输入应用场合。
实例8
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路非对称半桥谐振变换器拓扑结构；
2、采用独立的谐振电感和两个独立的变压器T1和T2。
图10是本发明实施例的实例8的并联谐振变换器的等效电路示意图，如图10所示的并联谐振变换器，为两路非对称半桥谐振变换器的并联而成，包括第一路的开关器件S1、S2，第一路的整流器件S10、S20，第二路的开关器件S3、S4，第二路的整流器件S30、S40，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr及两路谐振变换器共用的谐振电感Lr，两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器原副边绕组分别构成两个独立的变压器T1和T2。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。图10和图3相比，采用独立的谐振电感Lr和两个独立的变压器T1和T2，磁性元件个数增加，占板面积增加，成本增加。
实例9
1、谐振变换器的拓扑结构为：两路非对称半桥谐振变换器拓扑结构；
2、采用独立的谐振电感和两个独立的变压器T1和T2；
3、谐振电感和谐振电容均采用谐振电感组和谐振电容组。
图11是本发明实施例的实例8的并联谐振变换器的等效电路示意图，如图11所示的并联谐振变换器，包括第一路的开关器件S1、S2，第一路的整流器件S10、S20，第二路的开关器件S3、S4，第二路的整流器件S30、S40，两路谐振变换器共用的谐振电容Cr1、Cr2并联连接，两路谐振变换器共用的谐振电感Lr1、Lr2并联连接，两路变压器的励磁电感Lm1、Lm2及两路变压器原副边绕组分别构成两个独立的变压器T1和T2。两路谐振变换器的输入端和直流源Vin并联连接；两路变换器的输出端和输出电容Co及负载电阻Ro并联连接。此种实例可以方便的对模块电源功率进行倍数扩容，不需要对不同功率电源分别设计谐振参数和选择谐振电容、谐振电感、变压器和开关器件。
综上所述，借助于本发明实施例的技术方案，将谐振电容和谐振电感共用，解决了现有技术中并联谐振变换器不均流的问题，减小了磁性元件的个数和体积，提高了电源的功率密度，减小了磁性元件的磁芯损耗，提高了电源的效率，降低了磁性元件的成本。
根据本发明实施例，还提供了一种电源，包括上述的并联谐振变换器。图11是本发明实施例的电源的示意图，如图12所示，具体包括并联谐振变换器110。
该并联谐振变换器120包括至少两路并联的谐振变换器，其中，至少两路并联的谐振变换器共用一个谐振电容和谐振电感。
在本发明实施例中，谐振变换器120的拓扑结构可以为：非对称半桥谐振变换器拓扑结构、对称半桥谐振变换器拓扑结构、全桥谐振变换器拓扑结构、三电平半桥谐振变换器拓扑结构、或者三电平全桥谐振变换器拓扑结构。谐振变换器120可以为：LLC谐振变换器、或者串联谐振变换器。
此外，在本发明的实施例中，谐振电容可以为一个电容，也可以为一个谐振电容组。同理，谐振电感可以为一个电感，也可以为一个谐振电感组。此外，在另一个实例中，谐振电感还可以为第二变压器T2的漏感。
此外，在本发明实施例中，为了减小磁性元件的体积和损耗，在一个实例中，谐振电感、至少两路谐振变换器的变压器磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T1。在另一个实例中，至少两路谐振变换器的变压器磁集成在一副磁芯中构成第二变压器T2。在谐振变换器的为对称半桥谐振变换器拓扑结构时，谐振电容还可以并联二极管。
谐振变换器120的具体实例和细节可以参照上述实施例进行理解，在此不再赘述。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并联谐振变换器，其特征在于，包括：至少两路并联的谐振变换器，其中，所述至少两路并联的谐振变换器共用谐振电容和谐振电感。
2.如权利要求1所述的并联谐振变换器，其特征在于，所述谐振变换器的拓扑结构具体为：非对称半桥谐振变换器拓扑结构、对称半桥谐振变换器拓扑结构、全桥谐振变换器拓扑结构、三电平半桥谐振变换器拓扑结构、或者三电平全桥谐振变换器拓扑结构。
3.如权利要求1所述的并联谐振变换器，其特征在于，所述谐振变换器具体为：LLC谐振变换器、或者串联谐振变换器。
4.如权利要求1所述的并联谐振变换器，其特征在于，所述谐振电容为谐振电容组。
5.如权利要求1所述的并联谐振变换器，其特征在于，所述谐振电感为谐振电感组。
6.如权利要求1所述的并联谐振变换器，其特征在于，所述谐振电感、至少两路谐振变换器的变压器磁集成在一副磁芯中构成第一变压器T1。
7.如权利要求1所述的并联谐振变换器，其特征在于，所述至少两路谐振变换器的变压器磁集成在一副磁芯中构成第二变压器T2。
8.如权利要求7所述的并联谐振变换器，其特征在于，所述谐振电感为第二变压器T2的漏感。
9.如权利要求2所述的并联谐振变换器，其特征在于，在所述谐振变换器为对称半桥谐振变换器拓扑结构时，谐振电容并联有二极管。
10.一种电源，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的并联谐振变换器。
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