CN211701855U - 用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，包括交错并联BOOST和开关并联电路、一个桥式电路、一个LLC谐振网络、两个高频隔离变压器、两个整流电路，所述两个高频隔离变压器的原边串联后接入一个LLC谐振网络，LLC谐振网络的另一端接入一个桥式电路，桥式电路的另一端接入交错并联BOOST并上一个开关电路，所述两个高频隔离变压器的副边连接两个整流电路。该两级变换器的高频隔离变压器一次侧串联/二次侧并联，使两个高频隔离变压器均分输入功率，实现了高频隔离变压器磁均衡分布，同时能使散热均衡。输入端交错并联，能减小输入电流纹波，从而减小BOOST电感的大小，同时能使散热更加均衡。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及宽输入电压、输出低压 / 大电流、高频、高
功率密度模块电源的相关技术，尤其涉及一种用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器。
背景技术
高功率密度 DC-DC 模块电源广泛应用于现代工业和国防等领域，随着现代科技的发展，对模块电源的功率等级、电压等级、效率以及体积与重量等要求不断提高。目前，国内的大功率全砖模块电源产品主要被国外公司垄断，如美国VICOR、SYNQOR 以及日本LAMBDA、COSEL 等。相比于国外，国内模块电源的研究起步较晚，总体技术水平相对落后，研究形势相当迫切，已引起国内相关行业及研究者的重视。
传统的高功率密度模块电源电路拓扑多采用正激、半桥和全桥等变换器结构，但它们无法实现真正的软开关，使得在高频、高压工作条件下损耗严重，因而制约了开关频率及功率密度的进一步提高。近年来，由于 LLC 谐振变换器既能彻底实现一次侧开关管的零电压开通（ ZVS），又能实现二次侧整流管的零电流关断（ZCS），使之开始大量应用于模块电源中。
而在宽输入电压范围应用场合，由于单级LLC 谐振变换器频率变化范围较大，不利于谐振参数的优化，还增大了磁心体积，降低了效率。因此，通常采用级联结构。目前模块电源这种级联结构主要采用输入交错并联BOOST加单变压器LLC方案。在隔离型 LLC 谐振变换器中，相较于采用单变压器，多变压器的一次侧串联 /二次侧并联方式，能有效减小变压器绕组的磁动势，减小变压器漏感，便于优化谐振参数；同时还可有效分散磁芯发热，提高高频隔离变压器的性能及可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，包括交错并联BOOST和开关并联电路、两个高频隔离变压器，所述两个高频隔离变压器的原边串联后接入一个 LLC 谐振网络，LLC 谐振网络的另一端接入一个桥式电路，桥式电路的另一端接入交错并联BOOST( 升压斩波电路 )并上一个开关电路，所述两个高频隔离变压器的副边连接一个整流电路。
进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且变压器副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流电路整流管为二极管。
进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且变压器副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流电路整流管为 MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）。
进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且变压器副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流电路整流管为二极管。
进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且变压器副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流电路整流管为 MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）。
进一步地，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且变压器副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流电路整流管为二极管。
进一步地，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且变压器副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流电路整流管为MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）。
进一步地，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且变压器副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流电路整流管为二极管。
进一步地，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且变压器副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流电路整流管为 MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）。
本发明的有益效果是：用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器的高频隔离变压器一次侧串联 /二次侧并联，输出端并联能使两个高频隔离变压器均分输入功率，实现了高频隔离变压器磁均衡分布，同时能使散热均衡，从而提高变换器的可靠性。输入端交错并联，能减小输入电流纹波，从而减小BOOST( 升压斩波电路 )电感的大小，同时能使散热更加均衡。
附图说明
图 1 为本发明两级级联变换器的第一种实施方式的电路原理图。
图 2 为本发明两级级联变换器的第二种实施方式的电路原理图。
图 3 为本发明两级级联变换器的第三种实施方式的电路原理图。
图 4 为本发明两级级联变换器的第四种实施方式的电路原理图。
图 5 为本发明两级级联变换器驱动信号 4-9 时序图。
图 6 为本发明两级级联变换器驱动信号 1-2 时序图。
具体实施方式
如图1所示，作为本发明的第一种实施方式，主电路包括前级交错并联Boost电路单元和后级半桥LLC谐振电路单元：
变换器中的前级交错并联Boost电路由两个储能电感L1、L2、三个开关管S1、S2、S3、两个二极管D1、D2和一个母线电容C1构成，其中：
输入Vin正极、开关管S3的漏极、Boost电感L1的第一端、Boost电感L2的第一端相连，
输入Vin负极、开关管S1的源极、开关管S2的源极、母线电容C1的负端和母线Vbus负端相连；Boost电感L1的第二端、开关管S1的漏极、二极管D1阳极相连；Boost电感L2的第二端、开关管S2的漏极、二极管D2阳极相连；二极管D1阴极、二极管D2阴极、开关管T3的源极、母线电容C1的正端和母线Vbus正端相连。
变换器中后级半桥LLC谐振电路单元由一个半桥桥式电路 HP，一个谐振网络LLC，两个高频隔离变压器T1、T2，两个整流电路 HS1、HS2，一个输出滤波电容C4组成。半桥桥式电路 HP 由开关管 S4、S5组成，谐振网络 LLC 由一个串联谐振电感 L3、两个串联谐振电容C2、C3、两个嵌位二极管D3、D4和变压器T1、T2的原边串联组成，HS1 由同步整流管S6、S7组成，HS2 由同步整流管 S8、S9 组成。其中
母线Vbus正端、开关管S4漏极、串联谐振电容C2一端、嵌位二极管D3阴极相连；母线Vbus负端、开关管S5源极、串联谐振电容C3二端、嵌位二极管D4阳极相连；开关管S4源极、开关管S5漏极和串联谐振电感 L3第一端相连；高频隔离变压器 T1、T2 的原边为单绕组，副边为双绕组，且高频隔离变压器 T1、T2 的两个原边绕组串联，高频隔离变压器 T1与串联谐振电感 L3第二端相连的端口记为端口 1，高频隔离变压器 T1 与副边同步整流管 S6漏极相连的端口记为端口 2，高频隔离变压器 T1 与同步整流管 S7漏极相连的端口记为端口3，高频隔离变压器 T1 副边剩余的一个端口记为端口 4，则端口 1、端口 2、端口 4为高频隔离变压器 T1 的一组同名端；高频隔离变压器 T2 与高频隔离变压器 T1 相连的端口记为端口5，高频隔离变压器 T2 与副边同步整流管 S8 漏极相连的端口记为端口 6，高频隔离变压器T2 与同步整流管 S9 漏极相连的端口记为端口 7，高频隔离变压器 T2副边剩余的一个端口记为端口 8，则端口 5、端口 6、端口 8 为高频隔离变压器 T2 的一组同名端；高频隔离变压器 T2原边与高频隔离变压器T1原边不相连的一端、串联谐振电容C3一端、嵌位二极管D4阴极、串联谐振电容C2二端、嵌位二极管D3阳极相连；在高频隔离变压器 T1、T2 的副边分别接一个同步整流电路 HS1、HS2，同步整流管 S6、同步整流管 S7、同步整流管 S8、同步整流管 S9 的源极和滤波电容C4负端相连后接输出地；高频隔离变压器 T1、T2的端口4、端口8和滤波电容C4正端相连后接输出正。
开关管 S1 使用驱动信号 1，开关管 S2 使用驱动信号 2， S4 使用驱动信号4，同步整流管 S5 使用驱动信号 5，同步整流管 S6 使用驱动信号6，同步整流管 S7 使用驱动信号 7，开关管 S8 使用驱动信号 8，开关管 S9 使用驱动信号 9。
如图2所示，作为本发明的第2种实施方式，主电路包括前级交错并联Boost电路单元和后级半桥LLC谐振电路单元：
变换器中的前级交错并联Boost电路由两个储能电感L1、L2、三个开关管S1、S2、S3、两个二极管D1、D2和一个母线电容C1构成，其中：
输入Vin正极、开关管S3的漏极、Boost电感L1的第一端、Boost电感L2的第一端相连，
输入Vin负极、开关管S1的源极、开关管S2的源极、母线电容C1的负端和母线Vbus负端相连；Boost电感L1的第二端、开关管S1的漏极、二极管D1阳极相连；Boost电感L2的第二端、开关管S2的漏极、二极管D2阳极相连；二极管D1阴极、二极管D2阴极、开关管T3的源极、母线电容C1的正端和母线Vbus正端相连。
变换器中后级半桥LLC谐振电路单元由一个半桥桥式电路 HP，一个谐振网络LLC，两个高频隔离变压器T1、T2，两个整流电路 HS1、HS2，一个输出滤波电容C4组成。半桥桥式电路 HP 由开关管 S4、S5组成，谐振网络 LLC 由一个串联谐振电感 L3、两个串联谐振电容C2、C3、两个嵌位二极管D3、D4、变压器T1、T2的原边串联组成，HS1 由同步整流管S6、S7、S8、S9组成，HS2 由同步整流管 S10、S11、S12、S13 组成。其中
母线Vbus正端、开关管S4漏极、串联谐振电容C2一端、嵌位二极管D3阴极相连；母线Vbus负端、开关管S5源极、串联谐振电容C3二端、嵌位二极管D4阳极相连；开关管S4源极、开关管S5漏极和串联谐振电感 L3第一端相连；高频隔离变压器 T1、T2 的原边副均为单绕组且高频隔离变压器 T1、T2 的两个原边绕组串联，高频隔离变压器 T1与串联谐振电感L3第二端相连的端口记为端口 1，高频隔离变压器 T1 与副边同步整流管 S6 源极S8漏极相连的端口记为端口 2，高频隔离变压器 T1 与同步整流管 S7源极、S9的漏极相连的端口记为端口3，则端口 1、端口 2为高频隔离变压器 T1 的一组同名端；高频隔离变压器 T2与高频隔离变压器 T1 相连的端口记为端口5，高频隔离变压器 T2 与副边同步整流管S10 源极、S12漏极相连的端口记为端口 6，高频隔离变压器T2 与同步整流管 S11 源极、S13漏极相连的端口记为端口 7，则端口 5、端口 6为高频隔离变压器 T2 的一组同名端；高频隔离变压器 T2原边与高频隔离变压器T1原边不相连的一端、串联谐振电容C3一端、嵌位二极管D4阴极、串联谐振电容C2二端、嵌位二极管D3阳极相连；在高频隔离变压器 T1、T2的副边分别接一个同步整流电路 HS1、HS2，同步整流管 S6、同步整流管 S7、同步整流管S10、同步整流管 S11 的漏极和滤波电容C4正端相连后接输出正；同步整流管 S8、同步整流管 S9、同步整流管 S12、同步整流管 S13 的漏极和滤波电容C4负端相连后接输出负。
开关管 S1 使用驱动信号 1，开关管 S2 使用驱动信号 2，开关管 S4 使用驱动信号4，开关管 S5使用驱动信号 5，同步整流管 S6、S9 共用驱动信号6，同步整流管 S7、S8共用驱动信号7，同步整流管 S10、S13 共用驱动信号 8，同步整流管 S11、S12 共用驱动信号 9。
如图3所示，作为本发明的第三种实施方式，主电路包括前级交错并联Boost电路单元和后级半桥LLC谐振电路单元：
变换器中的前级交错并联Boost电路由两个储能电感L1、L2、三个开关管S1、S2、S3、两个二极管D1、D2和一个母线电容C1构成，其中：
输入Vin正极、开关管S3的漏极、Boost电感L1的第一端、Boost电感L2的第一端相连，
输入Vin负极、开关管S1的源极、开关管S2的源极、母线电容C1的负端和母线Vbus负端相连；Boost电感L1的第二端、开关管S1的漏极、二极管D1阳极相连；Boost电感L2的第二端、开关管S2的漏极、二极管D2阳极相连；二极管D1阴极、二极管D2阴极、开关管T3的源极、母线电容C1的正端和母线Vbus正端相连。
变换器中后级半桥LLC谐振电路单元由一个全桥桥式电路 HP，一个谐振网络LLC，两个高频隔离变压器T1、T2，两个整流电路 HS1、HS2，一个输出滤波电容C4组成。全桥桥式电路 HP 由开关管 S4、S5、S6、S7组成，谐振网络 LLC 由串联谐振电感 L3、串联谐振电容C2和变压器T1、T2的原边串联组成，HS1 由同步整流管 S8、S9组成，HS2 由同步整流管S10、S11 组成。其中
母线Vbus正端、开关管S4漏极、开关管S6漏极相连；母线Vbus负端、开关管S5源极、开关管S7源极相连；开关管S4源极、开关管S5漏极和串联谐振电感 L3第一端相连；开关管S6源极、开关管S7漏极和串联谐振电容 C2第一端相连；高频隔离变压器 T1、T2 的原边为单绕组，副边为双绕组，且高频隔离变压器 T1、T2 的两个原边绕组串联，高频隔离变压器T1与串联谐振电感 L3第二端相连的端口记为端口 1，高频隔离变压器 T1 与副边同步整流管 S8 漏极相连的端口记为端口 2，高频隔离变压器 T1 与同步整流管 S9漏极相连的端口记为端口3，高频隔离变压器 T1 副边剩余的一个端口记为端口 4，则端口 1、端口 2、端口 4 为高频隔离变压器 T1 的一组同名端；高频隔离变压器 T2 与高频隔离变压器 T1相连的端口记为端口5，高频隔离变压器 T2 与副边同步整流管 S10 漏极相连的端口记为端口 6，高频隔离变压器T2 与同步整流管 S11 漏极相连的端口记为端口 7，高频隔离变压器 T2 副边剩余的一个端口记为端口 8，则端口 5、端口 6、端口 8 为高频隔离变压器T2 的一组同名端；高频隔离变压器 T2原边与高频隔离变压器T1原边不相连的一端和串联谐振电容C2第二端相连；在高频隔离变压器 T1、T2 的副边分别接一个同步整流电路 HS1、HS2，同步整流管 S6、同步整流管 S8、同步整流管 S9、同步整流管 S10的源极和滤波电容C4负端相连后接输出地；高频隔离变压器 T1、T2的端口4、端口8和滤波电容C4正端相连后接输出正。
开关管 S1 使用驱动信号 1，开关管 S2 使用驱动信号 2， S4、S7 使用驱动信号 4，同步整流管 S5、S6使用驱动信号 5，同步整流管 S8 使用驱动信号6，同步整流管 S9使用驱动信号 7，开关管 S10 使用驱动信号 8，开关管 S11 使用驱动信号 9。
如图4所示，作为本发明的第4种实施方式，主电路包括前级交错并联Boost电路单元和后级半桥LLC谐振电路单元：
变换器中的前级交错并联Boost电路由两个储能电感L1、L2、三个开关管S1、S2、S3、两个二极管D1、D2和一个母线电容C1构成，其中：
输入Vin正极、开关管S3的漏极、Boost电感L1的第一端、Boost电感L2的第一端相连，
输入Vin负极、开关管S1的源极、开关管S2的源极、母线电容C1的负端和母线Vbus负端相连；Boost电感L1的第二端、开关管S1的漏极、二极管D1阳极相连；Boost电感L2的第二端、开关管S2的漏极、二极管D2阳极相连；二极管D1阴极、二极管D2阴极、开关管T3的源极、母线电容C1的正端和母线Vbus正端相连。
变换器中后级半桥LLC谐振电路单元由一个全桥桥式电路 HP，一个谐振网络LLC，两个高频隔离变压器T1、T2，两个整流电路 HS1、HS2，一个输出滤波电容C4组成；全桥桥式电路 HP 由开关管 S4、S5、S13、S14组成；谐振网络 LLC 由串联谐振电感 L3、串联谐振电容C2和变压器T1、T2的原边串联组成；HS1 由同步整流管 S6、S7、S8、S9组成，HS2 由同步整流管 S10、S11、S12、S13 组成。其中
母线Vbus正端、开关管S4漏极、开关管S13漏极相连；母线Vbus负端、开关管S5源极、开关管S14源极相连；开关管S4源极、开关管S5漏极和串联谐振电感 L3第一端相连；高频隔离变压器 T1、T2 的原边副均为单绕组且高频隔离变压器 T1、T2 的两个原边绕组串联，高频隔离变压器 T1与串联谐振电感 L3第二端相连的端口记为端口 1，高频隔离变压器 T1 与副边同步整流管 S6 源极S8漏极相连的端口记为端口 2，高频隔离变压器 T1 与同步整流管 S7源极、S9的漏极相连的端口记为端口3，则端口 1、端口 2为高频隔离变压器T1 的一组同名端；高频隔离变压器 T2 与高频隔离变压器 T1 相连的端口记为端口5，高频隔离变压器 T2 与副边同步整流管 S10 源极、S12漏极相连的端口记为端口 6，高频隔离变压器T2 与同步整流管 S11 源极、S13漏极相连的端口记为端口 7，则端口 5、端口 6为高频隔离变压器 T2 的一组同名端；高频隔离变压器 T2原边与高频隔离变压器T1原边不相连的一端、串联谐振电容C2第二端相连；在高频隔离变压器 T1、T2 的副边分别接一个同步整流电路 HS1、HS2，同步整流管 S6、同步整流管 S7、同步整流管 S10、同步整流管S11 的漏极和滤波电容C4正端相连后接输出正；同步整流管 S8、同步整流管 S9、同步整流管 S12、同步整流管 S13 的漏极和滤波电容C4负端相连后接输出负。
开关管 S1 使用驱动信号 1，开关管 S2 使用驱动信号 2，开关管 S4、S14 使用驱动信号4，开关管 S5、S13使用驱动信号 5，同步整流管 S6、S9 共用驱动信号6，同步整流管 S7、S8 共用驱动信号7，同步整流管 S10、S13 共用驱动信号 8，同步整流管 S11、S12共用驱动信号 9。
所述功率开关管为金属氧化物硅场效应晶体管或者绝缘双极晶体管；所述功率开关管及其反并二极管由独立开关晶体管和独立二极管反并联后构成，或由其内部自带反并二极管的开关晶体管构成；所述谐振网络中的串联谐振电容为无极性电容；母线电容、输出滤波电容为无极性电容或有极性电容，或为两者的结合使用；输入Boost电感、串联谐振电感和高频隔离变压器的磁芯材料为铁氧体。
本发明中，共使用9个驱动信号，分别为驱动信号 1、驱动信号 2、驱动信号 3、驱动信号 4、驱动信号 5、驱动信号 6、驱动信号 7、驱动信号 8、驱动信号 9。如图 5所示，驱动信号4、6、8相同，驱动信号5、7、9相同，且驱动信号 4和 5 互补，驱动信号6 和 7 互补，驱动信号8、9互补各导通半个周期。如图 6 所示，驱动信号1 和驱动信号 2 互补，驱动信号 1 和驱动信号2交错半个周期导通。驱动信号3是为了提高宽范围输入变化时高压段的效率，当输入电压高于某个设定值时，它为常开，低于这个值时它为常闭。驱动信号 1、2、驱动信号 3和驱动信号4、5、6 、7、8、9 之间没有相位要求。
Claims (9)
1.用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征是，包括交错并联BOOST和开关并联电路、一个桥式电路、一个LLC谐振网络、两个高频隔离变压器、两个整流电路，所述两个高频隔离变压器的原边串联后接入一个 LLC 谐振网络，LLC 谐振网络的另一端接入一个桥式电路，桥式电路的另一端接入交错并联BOOST并上一个开关电路，所述两个高频隔离变压器的副边连接两个整流电路。
2.根据权利要求1所述的用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征在于，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流电路整流管为二极管。
3.根据权利要求1所述的用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征在于，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流电路整流管为 MOSFET。
4.根据权利要求1所述的用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征在于，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流电路整流管为二极管。
5.根据权利要求1所述的用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征在于，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流电路整流管为 MOSFET。
6.根据权利要求1所述的用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征在于，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流电路整流管为二极管。
7.根据权利要求1所述的用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征在于，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流电路整流管为 MOSFET。
8.根据权利要求1所述的用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征在于，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流电路整流管为二极管。
9.根据权利要求1所述的用于超薄高功率密度模块电源的输入级升压两级变换器，其特征在于，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频隔离变压器的原边单绕组且副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流电路整流管为 MOSFET。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023272809A1 (zh) * | 2021-06-28 | 2023-01-05 | 天津铁路信号有限责任公司 | 一种用于铁路信号电源屏的acac交流电源模块 |
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2020
- 2020-03-04 CN CN202020248206.7U patent/CN211701855U/zh not_active Expired - Fee Related
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