CN112421962B - 一种具有部分功率调节功能的两级dc-dc变换器 - Google Patents

一种具有部分功率调节功能的两级dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种具有部分功率调节功能的两级DC‑DC变换器，包括：输入电源；初级变换单元；中间电容单元；谐振变换单元；输出整流单元；负载单元。所述输入电源与所述ACF变换单元相连，所述中间电容单元与所述输入电源、所述ACF变换单元、所述输出整流单元相连，所述负载单元连接到所述输出整流单元的输出端。本发明解决了传统的两级DC‑DC变换器效率低的问题，高效高功率密度，能够满足不同的输出电压需求。

Description

一种具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及变压器领域，具体涉及一种具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器。
背景技术
高电平直流电压有广泛的引用，例如光伏系统，医疗和工业x射线和电信设备与行波管。传统的单级转换器，电路结构简单，在较宽的输入电压范围内，不能实现信号接地与电源接地之间的电气隔离和软开关。传统的二级或多级变换器，所有的输入功率要经过第一级和第二级变换器处理，并且总体来看，二级或多级变换器转化效率较低，在第一级变换器上的损耗较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种采用部分功率调节，不增加有源或者无源分量的两级直流变换器结构。本发明中，具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器包括：
输入电源；
初级变换单元；
中间电容单元；
谐振变换单元；
输出整流单元，负载单元；
所述输入电源与所述初级变换单元相连，所述中间电容单元与所述输入电源、所述初级变换单元、所述输出整流单元相连，所述负载单元连接到所述输出整流单元的输出端。
优选地，所述具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的输出电压V0的计算公式为：
Figure BDA0002757381100000021
Figure BDA0002757381100000022
Figure BDA0002757381100000023
G＝n2(1+f(n1,d)) (4)
其中，Vin为输入电源输入电压，Vm为中间母线电压，Vt为初级变换单元的输出电压，V0为所述具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的输出电压，n2为LCLC谐振变换器的电压变化率，f(n1,d)为初级变换单元的电压变化率，n1为初级变换单元的电压变化率，d为初级变换单元的占空比，G为所述具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的电压增益。
优选地，所述具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的系统总效率的计算公式为：
Figure BDA0002757381100000024
Figure BDA0002757381100000025
Figure BDA0002757381100000026
Figure BDA0002757381100000027
其中，Pt为初级变换单元输出到下一级的输出功率，Pb为直接从输入电源传递到下一级的功率，Pin为整个变换器总的输入功率，ηACF为初级变换单元的效率，ηLCLC为谐振单元的效率。Rtb是Pt与Pb的功率比。
优选地，所述初级变换单元包括第一电容Cr1、第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第一变压器及第七功率开关SR，所述第一电容Cr1第一端与第二功率开关Q2的漏极相连，第二端与第一变压器一次侧的第一端连接，变压器一次侧的第二端与第二功率开关Q2的源极、第一功率开关Q1的漏极连接，第一变压器二次侧的第一端与第七功率开关SR的漏极相连，第一功率开关Q1的源极、第一电容Cr1的第二端与输入电源连接；
优选地，所述中间电容单元包括第三电容Ct、第四电容Cb、第五电容C1，第三电容Ct第一端与第一变压器二次侧的第二端、第五电容C1第一端均相连，第三电容Ct第二端与第七功率开关SR的源极、第四电容Cb第一端连接，第四电容Cb第二端与第一功率开关Q1的源极、第五电容C1第二端连接；
优选地，所述谐振单元为LCLC谐振变换器，谐振单元包括第三功率开关Q3、第四功率开关Q4、第五功率开关Q5、第六功率开关Q6、第二电容Cr2、第二变压器，第三功率开关Q3的漏极与第五功率开关Q5的漏极、第三电容Ct第一端相连，第三功率开关Q3的源极与第四功率开关Q4的漏极相连，第五功率开关Q5的源极与第六功率开关Q6的漏极相连，第四功率开关Q4的源极与第六功率开关Q6的源极、第四电容Cb第二端相连，第二电容Cr2第一端与第三功率开关Q3的源极连接，第二端与第二变压器一次侧的第一端相连，第二变压器一次侧的第二端与第五功率开关Q5的源极连接；
优选地，所述输出整流单元包括二极管D1、D2、D3、D4，第二变压器二次侧的第一端与二极管D1的正极、二极管D2的负极均相连，第二变压器二次侧的第二端与二极管D3的正极、二极管D4的负极均相连，二极管D1的负极与二极管D3的负极连接，二极管D2的正极与二极管D4的正极连接，第六电容C0第一端与二极管D3的负极连接，第二端与二极管D4的正极连接，负载单元连接到二极管D3的负极、二极管D4的正极；
优选地，所述第一变压器包括第一电感Lr1、励磁电感Lm1、初级绕组线圈、次级绕组线圈，所述第一励磁电感Lm1为第一变压器等效到第一初级绕组的励磁电感，所述第一电容Cr1第二端与第一电感Lr1的第一端相连，第一电感Lr1的第二端与第一励磁电感Lm1的第一端、第一初级绕组的第一端相连，第一励磁电感Lm1、初级绕组线圈并联，第二功率开关Q2的源极与励磁电感Lm1的第二端、第一初级绕组的第二端、第一功率开关Q1的漏极相连，第一次级绕组的第一端与第七功率开关SR的漏极相连；
优选地，所述第二变压器包括第二电感Lr2、第六电容Cp、第二励磁电感Lm2、第二初级绕组、第二次级绕组，所述第二励磁电感Lm2为第二变压器等效到第二初级绕组的励磁电感，第二电容Cr2第二端与第二电感Lr2的第一端相连，第二电感Lr2的第二端与第六电容Cp的第一端、第二励磁电感Lm2的第一端、第二初级绕组的第一端连接，第六电容Cp、第二励磁电感Lm2、第二初级绕组与第六电容Cp并联，第六电容Cp的第二端、第二励磁电感Lm2的第二端、第二初级绕组的第二端与第五功率开关Q5的源极连接。
与传统的两级直流变换器总系统效率在前后两级都有较明显的功率损失不同，本发明的改进两级DC-DC变换器，通过部分功率调节的方式，提高了两级直流变换器的效率。部分输入功率由初级变换单元处理，实现输出电压的调节，大部分的输入功率直接通过高频高效的第二级输送给负载，提供了电偶隔离和高升压比。初级变换单元选择ACF电路，第二级选择LCLC谐振变换器，有利于降低ACF变换器的二次设备额定值。经初级变换单元处理的功率相对较小时，系统效率能够达到和单级几乎相同，比传统的两级结构更高，实现了高功率密度，能够满足不同的输出电压需求。
附图说明
图1为实施例一提供的部分功率调节功能的两级DC-DC变换器；
图2为实施例一提供的部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的潮流分析图；
图3功率分布图；
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
实施例一
本实施例提供一种具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，如图1-2所示，包括
输入电源；
ACF变换单元；
中间电容单元；
谐振变换单元；
输出整流单元；
负载单元。
所述输入电源与所述ACF变换单元相连，所述中间电容单元与所述输入电源、所述ACF变换单元、所述输出整流单元相连，所述负载单元连接到所述输出整流单元的输出端。
ACF变换单元包括：第一电容Cr1、第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第一电感Lr1、励磁电感Lm1、初级绕组线圈、次级绕组线圈及第七功率开关SR，所述第一电容Cr1第一端与第二功率开关Q2的漏极相连，第二端与第一电感Lr1的第一端相连，第一电感Lr1的第二端与第一励磁电感Lm1的第一端、第一初级绕组的第一端相连，第一励磁电感Lm1、初级绕组线圈并联，第二功率开关Q2的源极与励磁电感Lm1的第二端、第一初级绕组的第二端、第一功率开关Q1的漏极相连，第一次级绕组的第一端与第七功率开关SR的漏极相连，所述第一励磁电感Lm1为第一变压器等效到第一初级绕组的励磁电感。
中间电容单元包括：第三电容Ct、第四电容Cb、第五电容C1，第三电容Ct第一端与第一次级绕组的第二端、第五电容C1第一端均相连，第三电容Ct第二端与第七功率开关SR的第二端相连，第四电容Cb第一端与第一电容Cr1的第二端、第三电容Ct的第二端相连，第四电容Cb第二端与第一功率开关Q1的源极、第五电容C1第二端相连。
谐振单元为LCLC谐振变换器，包括：第三功率开关Q3、第四功率开关Q4、第五功率开关Q5、第六功率开关Q6、第二电容Cr2、第二电感Lr2、第六电容Cp、第二励磁电感Lm2、第二初级绕组、第二次级绕组，第三功率开关Q3的漏极与第五功率开关Q5的漏极、第三电容Ct第一端相连，第三功率开关Q3的源极与第四功率开关Q4的漏极相连，第五功率开关Q5的源极与第六功率开关Q6的漏极相连，第四功率开关Q4的源极与第六功率开关Q6的源极、第四电容Cb第二端相连，第二电容Cr2第一端与第三功率开关Q3的源极连接，第二端与第二电感Lr2的第一端相连，第二电感Lr2的第二端与第六电容Cp的第一端连接，第六电容Cp的第二端与第五功率开关Q5的源极连接，第二励磁电感Lm2、第二初级绕组与第六电容Cp并联，所述第二励磁电感Lm2为第二变压器等效到第二初级绕组的励磁电感。
输出整流单元包括二极管D1、D2、D3、D4，第二次级绕组的第一端与二极管D1的正极、二极管D2的负极均相连，第二次级绕组的第二端与二极管D3的正极、二极管D4的负极均相连，二极管D1的负极与二极管D3的负极连接，二极管D2的正极与二极管D4的正极连接，输出电容第一端与二极管D3的负极连接，第二端与二极管D4的正极连接，负载单元连接到二极管D3的负极、二极管D4的正极。
输入电压Vin直接加在第四电容Cb两端，第四电容Cb直接与第三电容Ct串联，第二级的LCLC谐振变换器直接连接到第五电容C1两端，提供了电偶隔离和高升压比，LCLC谐振变换器的串联输入有利于降低ACF单元的二次器件额定值，ACF变换器的开关频率与LCLC谐振变换器无关，能够在整个输入电压范围内实现软开关和输出电压调节。通过控制ACF变换器的占空比，可以调节输出电压Vt，中间母线电压Vm也可以得到有效调节。
根据图2所示的电力潮流分析等效电路图，输出电压V0的计算公式为：
Figure BDA0002757381100000071
Figure BDA0002757381100000072
Figure BDA0002757381100000073
G＝n2(1+f(n1，d)) (4)
其中，Vin为输入电源输入电压，Vm为中间母线电压，Vt为ACF单元的输出电压，V0为所述具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的输出电压，n2为LCLC谐振变换器的电压变化率，f(n1,d)为ACF单元的电压变化率，n1为ACF单元的电压变化率，d为ACF单元的占空比，G为所述具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的电压增益。
由上述公式可以看出，如果n1和n2确定，输出电压V0则成为了ACF单元的电压变化率f(n1,d)的因变量，其可由ACF单元的占空比调节。
本实施例提供的具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器整个系统的总效率η的计算公式为：
Figure BDA0002757381100000074
Figure BDA0002757381100000075
Figure BDA0002757381100000076
Figure BDA0002757381100000077
其中，Pt为ACF单元输出到下一级的输出功率，Pb为直接从输入电源传递到下一级的功率，Pin为整个变换器总的输入功率，ηACF为ACF单元的效率，ηLCLC为谐振单元的效率。Rtb是Pt与Pb的功率比。
将本发明的两级DC-DC变换器进行计算和验证，电路参数如表1、2，输入电压从24-32V不等，中间母线电压Vm是36V，当输入电压变化时，ACF单元传递的功率发生变化，功率分布如图3所示。可以看出当Vin＝24V时，ACF单元传递的功率最大，当Vin＝32V时，ACF单元传递的功率最小，为48W。可以看出很大一部分功率直接传输到了第二级，而无需进行功率处理，而ACF单元只传递部分输入功率来实现其输出电压的调节。
改进的两级DC-DC变换器，不增加有源或者无源分量，部分输入功率由ACF单元处理，大部分的输入功率直接传递到第二级，高频高效的LCLC谐振变换器处理全输入功率。初级变换单元可以是其他隔离的PWM变换器，采用ACF变换电路时，输入电压Vin直接加在第四电容Cb两端，并且第四电容Cb直接与第三电容Ct串联，因此能够为第七功率开关SR选择较低的额定参数。经ACF单元处理的功率相对较小时，系统效率能够达到和单级几乎相同，比传统的两级DC-DC结构效率更高，实现了更高的功率密度。
表1电气参数
Figure BDA0002757381100000081
表2器件参数
Figure BDA0002757381100000091
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，其特征在于，包括：
输入电源；
初级变换单元；
中间电容单元；
谐振变换单元；
输出整流单元，负载单元；
所述输入电源与所述初级变换单元相连，所述中间电容单元与所述输入电源、所述初级变换单元、所述谐振变换单元相连，所述负载单元连接到所述输出整流单元的输出端；
所述初级变换单元为ACF电路，包括第一电容Cr1、第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第一变压器及第七功率开关SR，所述第一电容Cr1第一端与第二功率开关Q2的漏极相连，第二端与第一变压器一次侧的第一端连接，变压器一次侧的第二端与第二功率开关Q2的源极、第一功率开关Q1的漏极连接，第一变压器二次侧的第一端与第七功率开关SR的漏极相连，第一功率开关Q1的源极、第一电容Cr1的第二端分别与输入电源的负极、正极对应连接；
所述电容单元包括第三电容Ct、第四电容Cb、第五电容C1，第三电容Ct第一端与第一变压器二次侧的第二端、第五电容C1第一端均相连，第三电容Ct第二端与第七功率开关SR的源极、第四电容Cb第一端连接，第四电容Cb第二端与第一功率开关Q1的源极、第五电容C1第二端连接；
所述第三电容Ct第二端和所述第四电容Cb第一端与所述输入电源的正极连接。
2.根据权利要求1所述的具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，其特征在于，所述两级DC-DC变换器的输出电压V0的计算公式为：
Figure 267125DEST_PATH_IMAGE001
Figure 770918DEST_PATH_IMAGE002
Figure 10270DEST_PATH_IMAGE003
Figure 42948DEST_PATH_IMAGE004
其中， Vin为输入电源输入电压，Vm为中间母线电压，Vt为初级变换单元的输出电压，V0为所述具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的输出电压，n 2 为LCLC谐振变换器的电压变化率，f(n 1 ,d)为初级变换单元的电压变化率，n 1 为初级变换单元的电压变化率，d为初级变换单元的占空比，G为所述具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器的电压增益，所述谐振变换单元为LCLC谐振变换器。
3.根据权利要求2所述的具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，其特征在于，所述两级DC-DC变换器的系统总效率的计算公式为：
Figure 164488DEST_PATH_IMAGE005
Figure 483691DEST_PATH_IMAGE006
Figure 187336DEST_PATH_IMAGE007
Figure 125336DEST_PATH_IMAGE008
其中，P t 为初级变换单元的输出到下一级的输出功率，P b 为直接从输入电源传递到中间电容单元的功率，P in 为整个变换器总的输入功率，η ACF 为初级变换单元的效率，η LCLC 为谐振单元的效率，Rtb是P t 与P b 的功率比。
4.根据权利要求1所述的具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，其特征在于，所述谐振单元为LCLC谐振变换器，谐振单元包括第三功率开关Q3、第四功率开关Q4、第五功率开关Q5、第六功率开关Q6、第二电容Cr2、第二变压器，第三功率开关Q3的漏极与第五功率开关Q5的漏极、第三电容Ct第一端相连，第三功率开关Q3的源极与第四功率开关Q4的漏极相连，第五功率开关Q5的源极与第六功率开关Q6的漏极相连，第四功率开关Q4的源极与第六功率开关Q6的源极、第四电容Cb第二端相连，第二电容Cr2第一端与第三功率开关Q3的源极连接，第二端与第二变压器一次侧的第一端相连，第二变压器一次侧的第二端与第五功率开关Q5的源极连接。
5.根据权利要求4所述的具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，其特征在于，所述输出整流单元包括二极管D1、D2、D3、D4，第二变压器二次侧的第一端与二极管D1的正极、二极管D2的负极均相连，第二变压器二次侧的第二端与二极管D3的正极、二极管D4的负极均相连，二极管D1的负极与二极管D3的负极连接，二极管D2的正极与二极管D4的正极连接，第六电容C0第一端与二极管D3的负极连接，第二端与二极管D4的正极连接，负载单元连接到二极管D3的负极、二极管D4的正极。
6.根据权利要求1所述的具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，其特征在于，所述第一变压器包括第一电感Lr1、第一励磁电感Lm1、第一初级绕组、第一次级绕组，所述第一励磁电感Lm1为第一变压器等效到第一初级绕组的励磁电感，所述第一电容Cr1第二端与第一电感Lr1的第一端相连，第一电感Lr1的第二端与第一励磁电感Lm1的第一端、第一初级绕组的第一端相连，第一励磁电感Lm1、第一初级绕组并联，第二功率开关Q2的源极与第一励磁电感Lm1的第二端、第一初级绕组的第二端、第一功率开关Q1的漏极相连，第一次级绕组的第一端与第七功率开关SR的漏极相连。
7.根据权利要求4所述的具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，其特征在于，所述第二变压器包括第二电感Lr2、第六电容Cp、第二励磁电感Lm2、第二初级绕组、第二次级绕组，所述第二励磁电感Lm2为第二变压器等效到第二初级绕组的励磁电感，第二电容Cr2第二端与第二电感Lr2的第一端相连，第二电感Lr2的第二端与第六电容Cp的第一端、第二励磁电感Lm2的第一端、第二初级绕组的第一端连接，第六电容Cp、第二励磁电感Lm2、第二初级绕组三者并联连接，第六电容Cp的第二端、第二励磁电感Lm2的第二端、第二初级绕组的第二端与第五功率开关Q5的源极连接。
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