CN112953238A - 一种谐振软开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振软开关变换器，涉及电路设计技术领域。本发明包括谐振电路：串联连接的谐振电感、电容性元件，其中，电容性元件至少包括两个相互并联连接的第一电容、第二电容；两个相互串联并反向接入电源的第二钳位二极管、第一钳位二极管，还包括驱动控制电路，根据第二开关电压的反馈，用于向第二开关提供驱动信号，稳定变压器的输出电压，其中第一电容的电容量远大于第二电容的电容量，第一电容、第二电容电压反馈至驱动控制电路。本发明通过第二开关管以及钳位二极管和的共同作用以及向驱动控制电路提供反馈，并通过驱动控制电路对谐振电路进行调节，大幅提高满载开关频率，有利于高频化高功率密度设计。

Description

一种谐振软开关变换器
技术领域
本发明属于电路设计技术领域，特别是涉及一种谐振软开关变换器。
背景技术
在电源领域，高功率密度、高效率和低成本的驱动电源更加具有竞争力。通常驱动电源会选择谐振电路来达到实现高功率密度及高效率的目的。谐振电路可以实现原边两个或两个以上的开关管的零电压开通和副边整流二极管的零电流关断，可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。
在功率变换器的谐振电路的设计中，如果可以采用高频工作，不仅会使变压器的尺寸大大降低，还会增大功率密度，降低无源器件成本，工作效率也不会降低。
图7为现有技术提供的一种LLC谐振电路图，图8为LLC谐振电路图工作频率、电流曲线图。现有的LLC谐振电路，将输入电压为Vin的输入电源转化成负载需要的形式。但是，在现有技术中，在LLC谐振电路正常工作区间内，随着工作频率的增大，谐振电路的增益会减小，从而输出功率减小。由此可见，现有的LLC谐振电路，其工作频率会随着负载功率的减小而增大，尤其是负载较轻，频率非常高，其曲线如图2所示。一般来说，电路最大工作频率需要被限制，这就使得满载工作频率无法大幅提高。
因此，如何改变谐振电路的工作模态，提高其满载工作频率和功率密度是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种谐振软开关变换器，通过第二开关管S3以及钳位二极管D1和D2的共同作用以及向驱动控制电路提供反馈，并通过驱动控制电路对谐振电路进行调节，大幅提高满载开关频率，有利于高频化高功率密度设计。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种谐振软开关变换器，包括一个桥式电路，藕接于输入电压Vin；
一个谐振电路，藕接于所述桥式电路；
一个变压器T1，藕接于所述谐振电路；
谐振电路包括串联连接的谐振电感Lr、电容性元件，其中，电容性元件至少包括两个相互并联连接的第一电容Cr1、第二电容Cr2；
两个相互串联并反向接入电源的第二钳位二极管D2、第一钳位二极管D1，第二钳位二极管D2并联于第一电容Cr1，第二钳位二极管D2并联于谐振电感Lr、变压器T1，第一电容Cr1的一端串联有第二开关S3，第二开关S3和第二电容Cr2、第二钳位二极管D2并联；
还包括，驱动控制电路，根据电压的反馈，用于向第二开关S3提供驱动信号Vg_s3，其中第一电容Cr1的电容量远大于第二电容Cr2的电容量，第一电容Cr1、第二电容Cr2电压反馈至驱动控制电路。
优选地，变压器T1的原边还是副边串联于谐振电路。
优选地，桥式电路由至少两个第一开关S1，S2构成，驱动控制电路向第一开关S1提供驱动信号Vg_s1、向S2提供驱动信号Vg_s2。
优选地，谐振电路受所述第一开关S1，S2驱动。
优选地，驱动控制电路包括依次串联设置的电阻Rfb、运算放大器Op1、以及比较器Comp3和RS触发器，还包括并联于运算放大器Op1的补偿电容Cfb，其中，运算放大器Op1的反向输入端接电阻Rfb，正向输入端接基准电压Vref，输出端接比较器Comp3的负向输入端，比较器Comp3的正向输入端接锯齿波电压Vsaw，输出端接RS触发器的S端，RS触发器的G端输出供驱动信号Vg_s3。
优选地，运算放大器Op1的输出端还连接有压控振荡器VCO，压控振荡器VCO的输出端连接于对称互补电路，其中对称互补电路提供驱动信号Vg_s1，Vg_s2。
优选地，还包括比较器Comp1、Comp2和或门电路，两比较器Comp1、Comp2的输出端分别连接于或门电路的两个不同的输入端，或门电路的输出端连接于RS触发器的S端；
其中，第一电容Cr1、第二电容Cr2电压分别为第一电容电压Vcr1和第二电容电压Vcr2，比较器Comp1、Comp2反向输入端均接第二电容电压Vcr2，比较器Comp1、Comp2正向输入端依次接迟滞电压Vhyz、第一电容电压Vcr1；
当放大器Vcomp的输出电压Vo小于比较器Comp3的锯齿波电压Vsaw，比较器Comp3输出至高，RS触发器复位，第二开关S3关闭；
当第二电容电压Vcr2小于第一电容电压Vcr1和迟滞电压Vhyz之和时，比较器Comp1输出置高，导通第二开关S3；
第二电容电压Vcr2大于第一电容电压Vcr1减去迟滞电压Vhyz之差时，比较器Comp2输出置高，导通第二开关S3；
优选地，互补驱动电路输出占空比50％的对称互补驱动信号给第一开关S1，S2。
优选地，第二开关S3为反向串联的场效晶体管、三极管、绝缘栅双极型晶体管的一种。
优选地，变压器T1输出端藕接输出整流电路DB1，输出整流电路DB1为中心抽头整流电路，倍压整流电路或全桥整流电路的一种。
本发明具有以下有益效果：
本发明，第二开关管S3以及钳位二极管D1和D2的共同作用，并通过驱动控制电路和驱动控制电路进行调控，能够使得变换器的最高频率维持在第一谐振频率内；
满载时，电路等效于LLC谐振变换器，使其具有较高的转换效率；
当第二开关管S3关断时，后进入电路进入原边限流的钳位工作模式，减轻负载，频率降低。
轻负载时，第二开关管S3工作频率会降低，增加第二开关管的工作寿命。
有别于传统的LLC，轻载频率是降低的，即可相应的增加一定两的负载，有利于高频化高功率密度设计。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明谐振软开关变换器的电路图；
图2为本发明谐振软开关变换器中驱动控制电路图；
图3为本发明的谐振软开关变换器负载和电路工作频率图；
图4为本发明重负载下谐振软开关变换器的波形图；
图5为本发明中负载下谐振软开关变换器的波形图；
图6为本发明轻负载下谐振软开关变换器的波形图；
图7为的LLC谐振电路图；
图8为图7电路图中工作频率、电流曲线图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6所示，本发明为一种谐振软开关变换器：
包括一个桥式电路1，藕接于输入电压Vin；其中，桥式电路1由两个第一开关S1，S2构成，通过第一开关S1，S2驱动谐振电路2。
一个谐振电路2，藕接于桥式电路1；
一个变压器T1，藕接于谐振电路2；
具体的，谐振电路2包括：
串联连接的谐振电感Lr、电容性元件，其中，电容性元件至少包括两个相互并联连接的第一电容Cr1、第二电容Cr2；
两个相互串联并反向接入电源的第二钳位二极管D2、第一钳位二极管D1，第二钳位二极管D2并联于第一电容Cr1，第二钳位二极管D2并联于谐振电感Lr、变压器T1，第一电容Cr1的一端串联有第二开关S3，第二开关S3和第二电容Cr2、第二钳位二极管D2并联；
其中，变压器T1的原边串联于谐振电路2；第一开关S1，S2并联后连接于谐振电感Lr，其中第一钳位二极管D1并联于第一开关S1、谐振电感Lr构成的串联电路，另外的，其中第一电容Cr1的电容量远大于第二电容Cr2的电容量。
还包括，驱动控制电路3，根据第一电容Cr1、第二电容Cr2上电压的反馈，用于向第二开关S3提供驱动信号Vg_s3，第一电容Cr1、第二电容Cr2电压反馈至驱动控制电路3，另外的，驱动控制电路3向第一开关S1，S2分别提供驱动信号Vg_s1，Vg_s2。
驱动控制电路包括依次串联设置的电阻Rfb、运算放大器Op1、比较器Comp3和RS触发器，还包括并联于运算放大器Op1的补偿电容Cfb，其中，运算放大器Op1的反向输入端接电阻Rfb，正向输入端接基准电压Vref，输出端接比较器Comp3的负向输入端，比较器Comp3的正向输入端接锯齿波电压Vsaw，输出端接RS触发器的R端，RS触发器的G端输出供驱动信号Vg_s3。
其中，压控振荡器VCO的工作特性：当输入电压大于基准电压Vref时，输出频率保持Fr1不变。当输入电压小于基准电压Vref时，输入电压越低，输出频率越低。
相应的由电阻Rfb、运算放大器Op1和电阻Rfb构成负反馈电路，当采样电压Vo低于基准电压Vref时，运算放大器Op1输出电压Vcomp升高。反之，当输出电压Vo高于基准电压Vref时，Op1输出电压Vcomp降低。
相应的，运算放大器Op1输出电压Vcomp和比较器Comp3的锯齿波电压Vsaw小时，即Vsaw>Vcomp，比较器Comp3输出置高，复位RS触发器，关闭第二开关S3。
优选地，运算放大器Op1的输出端还连接有压控振荡器VCO，压控振荡器VCO的输出端连接于对称互补电路，其中对称互补电路提供驱动信号Vg_s1，Vg_s2，控制第一开关S1，S2的通断。
优选地，还包括比较器Comp1、Comp2和或门电路，两比较器Comp1、Comp2的输出端分别连接于或门电路的两个不同的输入端，或门电路的输出端连接于RS触发器的S端；
其中，第一电容Cr1、第二电容Cr2电压分别为第一电容电压Vcr1和第二电容电压Vcr2，比较器Comp1、Comp2反向输入端均接第二电容电压Vcr2，比较器Comp1、Comp2正向输入端依次接迟滞电压Vhyz、第一电容电压Vcr1；
当放大器Vcomp的输出电压Vo小于比较器Comp3的锯齿波电压Vsaw，比较器Comp3输出至高，RS触发器复位，第二开关S3关闭，电路进入原边限流的钳位工作模式；
当第二电容电压Vcr2小于第一电容电压Vcr1和迟滞电压Vhyz之和时，比较器Comp1输出置高，导通第二开关S3；
第二电容电压Vcr2大于第一电容电压Vcr1减去迟滞电压Vhyz之差时，比较器Comp2输出置高，导通第二开关S3；
优选地，互补驱动电路输出占空比50％的对称互补驱动信号给第一开关S1，S2。
优选地，第二开关S3为反向串联的场效晶体管、三极管、绝缘栅双极型晶体管的一种。
优选地，变压器T1输出端藕接输出整流电路DB1，输出整流电路DB1为中心抽头整流电路，倍压整流电路或全桥整流电路的一种。
如图3-5所示，上述电路中第二开关的开关频率和谐振频率的关系：
第一谐振频率：
Figure BDA0002952743610000081
第二谐振频率：
Figure BDA0002952743610000082
当满载时，此时，开关频率Fs接近第一谐振频率Fr1：即重载时，第二开关S3一直导通，第一电容电压Cr1参与谐振工作，电路工作状态接近LLC谐振变换器，保证足够的能量输出，该种状态记为第一工作模式；
之后，随着负载电流逐步降低，开关频率Fs保持不变，第二开关S3占空比Ds3逐步降低，工作在第三工作模式；
当Ds3降到0时，关断第二开关S3，电路进入原边限流的钳位工作模式，当负载较轻时，第二开关S3一直关断，第一电容电压Cr1不参与谐振工作，第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D2交替钳位导通，将部分能量反馈回输入，变换器工作于钳位断续状态，负载越轻，断续越明显；
随着负载进一步逐步降低，开关频率Fs也随之逐步降低。
当Ds3在0-1之间时为第三工作模式。
反之，随着负载逐步加大，开关频率Fs会逐步增大到第一谐振频率Fr1，当中等负载时，第二开关S3间歇导通，第一电容电压Cr1在部分时段内参与谐振工作，之后导通第二开关S3并随负载增大逐步增大第二开关S3占空比Ds3，即增加第二开关管S3的开关频率，相应提高开关电源的功率密度。
变换器的最高工作频率为第一谐振频率Fr1,随负载降低，第二开关S3频率相应的降低。
值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种谐振软开关变换器，包括：
一个桥式电路(1)，藕接于输入电压(Vin)；
一个谐振电路(2)，藕接于桥式电路(1)；
一个变压器(T1)，藕接于谐振电路(2)；
其特征在于，谐振电路(2)包括串联连接的谐振电感(Lr)、电容性元件，其中，电容性元件至少包括两个相互并联连接的第一电容(Cr1)、第二电容(Cr2)；
两个相互串联并反向接入电源的第二钳位二极管(D2)、第一钳位二极管(D1)，第二钳位二极管(D2)并联于第一电容(Cr1)，第二钳位二极管(D2)并联于谐振电感(Lr)、变压器(T1)，第一电容(Cr1)的一端串联有第二开关(S3)，第二开关(S3)和第二电容(Cr2)、第二钳位二极管(D2)并联；
还包括驱动控制电路(3)，根据第一电容(Cr1)、第二电容(Cr2)上电压的反馈，用于向第二开关(S3)提供驱动信号(Vg_s3)，其中第一电容(Cr1)的电容量远大于第二电容(Cr2)的电容量，第一电容(Cr1)、第二电容(Cr2)电压反馈至驱动控制电路(3)。
2.根据权利要求1所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，变压器(T1)的原边串联于谐振电路(2)。
3.根据权利要求2所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，桥式电路(1)由至少两个第一开关(S1，S2)构成，驱动控制电路(3)向第一开关(S1)提供驱动信号(Vg_s1)、向第二开关(S2)提供驱动信号(Vg_s2)。
4.根据权利要求3所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，谐振电路(2)受第一开关(S1，S2)驱动。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，驱动控制电路包括依次串联设置的电阻(Rfb)、运算放大器(Op1)、以及比较器(Comp3)和RS触发器，还包括并联于运算放大器(Op1)的补偿电容(Cfb)，其中，运算放大器(Op1)的反向输入端接电阻(Rfb)，正向输入端接基准电压(Vref)，输出端接比较器(Comp3)的负向输入端，比较器(Comp3)的正向输入端接锯齿波电压(Vsaw)，输出端接RS触发器的R端，RS触发器的G端输出供驱动信号(Vg_s3)。
6.根据权利要求5所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，运算放大器(Op1)的输出端还连接有压控振荡器(VCO)，压控振荡器(VCO)的输出端连接于对称互补电路，其中对称互补电路提供驱动信号(Vg_s1，Vg_s2)。
7.根据权利要求6所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，还包括比较器(Comp1、Comp2)和或门电路，两比较器(Comp1、Comp2)的输出端分别连接于或门电路的两个不同的输入端，或门电路的输出端连接于RS触发器的S端；
其中，第一电容(Cr1)、第二电容(Cr2)电压分别为第一电容电压(Vcr1)和第二电容电压(Vcr2)，比较器(Comp1、Comp2)反向输入端均接第二电容电压(Vcr2)，比较器(Comp1、Comp2)正向输入端依次接迟滞电压(Vhyz)、第一电容电压(Vcr1)；
当放大器(Vcomp)的输出电压(Vo)小于比较器(Comp3)的锯齿波电压(Vsaw)，比较器(Comp3)输出至高，RS触发器复位，第二开关(S3) 关闭；
当第二电容电压(Vcr2)小于第一电容电压(Vcr1)和迟滞电压(Vhyz)之和时，比较器(Comp1)输出置高，导通第二开关(S3)；
第二电容电压(Vcr2)大于第一电容电压(Vcr1)减去迟滞电压(Vhyz)之差时，比较器(Comp2)输出置高，导通第二开关(S3)。
8.根据权利要求3所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，互补驱动电路输出占空比50％的对称互补驱动信号给第一开关(S1，S2)。
9.根据权利要求1所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，第二开关(S3)为反向串联的场效晶体管、三极管、绝缘栅双极型晶体管的一种。
10.根据权利要求1所述的一种谐振软开关变换器，其特征在于，变压器(T1)输出端藕接输出整流电路(DB1)，输出整流电路(DB1)为中心抽头整流电路，倍压整流电路或全桥整流电路的一种。
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