CN217883231U - 一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造 - Google Patents

一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造 Download PDF

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胡松
汪锐
杨浩东
吕庭
黄欢
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Abstract

本实用新型公开了一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器，包括直流电压源Vin、开关管S1‑S6、体二极管D1‑D6、寄生电容C1‑C6、均压电容Co1和Co2、谐振电容Ceq、谐振电感Ls和隔离变压器Tr组成。在一次侧全桥中，谐振电容Ceq由可控开关电容Cscc串联电容Cs得到，使得变换器能够实现谐振频率的动态调整，使变换器控制变量得到增加，从而可以实现对电流RMS值的优化。结合脉宽调制方法，一次侧全桥可在全桥和半桥之间转换，与二次侧半桥相匹配，能够实现宽范围的ZVS，降低了导通损耗从而提高了变换器效率。

Description

一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造
技术领域
本实用新型涉及开关电源技术领域，具体为一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造。
背景技术
传统LC串联谐振变换器通过谐振电容和谐振电感产生谐振。采用变频控制仅能改变开关频率，会造成开关频率与谐振频率失配，导致磁性损耗增大，电路环流增大，电路调压特性差等问题，基于此，本实用新型设计了一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造，以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器，通过对可控开关电容的调节，改变谐振频率，实现变频调制中，开关频率和谐振频率同步可调。结合脉宽调制策略，不仅能够在宽电压范围下实现软开关范围，而且可以实现电流RMS值的优化，提高了变换器的性能和效率。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造，全半桥谐振变换器拓扑结构包括输入电路和输出电路；
所述输入电路即一次侧的全桥电路，由直流电压源Vin，开关管S1、S2、S3、S4，体二极管D1、D2、D3、D4，寄生电容C1、C2、C3、C4，谐振电容Ceq由可控开关电容Cscc和电容Cs串联等效，高频变压器Tr和谐振电感Ls构成，其中，Cscc包括开关管Sa、Sb和电容Ca；
所述输出电路即二次侧的半桥电路，由输出负载Vout，开关管S5、S6，体二极管D5、D6，寄生电容C5、C6，均压电容Co1和Co2组成。
优选的，所述体二极管D1反并联开关管S1上；
寄生电容C1并联开关管S1上,体二极管D2反并联开关管S2上；
寄生电容C2并联开关管S2上,体二极管D3反并联开关管S3上；
寄生电容C3并联开关管S3上,体二极管D4反并联开关管S4上；
寄生电容C4并联开关管S4上，体二极管D5反并联开关管S5上；
寄生电容C5并联开关管S5上，体二极管D6反并联开关管S6上；
寄生电容C6并联开关管S6上。
优选的，可控开关电容Cscc由开关管Sa和Sb反向串联和电容Ca并联组成，然后与电容Cs串联等价为电容Ceq，电容Ceq串联电感Ls，高频隔离变压器匝数比为1：n，均压电容Co1和Co2并联在输出负载Vout上，一次侧中点高频交流电压vAB正电位连接在开关S1和S2的中间，负电位连接在开关S3和S3的中间，二次侧中点高频交流电压vCD正电位连接在开关S5和S6之间，负电位连接在均压电容Co1和Co2之间。
优选的，变换器结合调制策略可以实现宽电压范围下的ZVS，能够在额定功率下，电压增益为0.5-1之间实现全部开关的ZVS。
优选的，所有开关管均选用MOSFET或IGBT。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型电路拓扑一次侧为全桥，二次侧为半桥，采用脉宽调制能够使得一次侧全桥在全桥状态和半桥状态之间转换，从而扩大了变换器电压范围，能够在额定功率下，电压增益为0.5-1之间实现所有开关的ZVS，提高了变换器的效率。并且本实用新型通过可控开关电容来调节谐振频率，实现开关频率与谐振频率的动态调整。避免变频调制时，开关频率与谐振频率失配问题，减少磁性元件的损耗，同时为变换器增加了一个可调节的自由度，可对电流RMS值进行优化。本实用新型电路比较简单，具有良好的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造的电路原理图；
图2为本实用新型基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造调制策略的波形图；
图3为本实用新型基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造可控开关电容的波形图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供一种技术方案：
如图1所示，是基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造的电路原理图，所述变换器拥有一共6个开关管S1-S6,且每个开关管都有相对应的反并联二极管D1-D6和并联寄生电容C1-C6，其中一次侧由开关管S1-S4、D1-D4和C1-C4组成全桥，二次侧半桥由S5-S6、D5-D6、C5-C6和均压电容Co1-Co2组成。此外，一次侧通过谐振电容Ceq和谐振电感Ls组成谐振单元，其中Ceq由可控开关电容Cscc串联电容Cs组成，而可控开关电容Cscc由开关Sa和Sb反串联并联电容Ca组成，通过调节可控开关电容中开关的占空比可以改变谐振频率，从而减小对磁性元件的影响，降低了设计的复杂度，可以调控变换器输出，同时为变换器增加一个可调节的自由度，可针对电流RMS值进行优化。
直流源Vin用于为电池组提供充电电源、Vout为直流输出、高频隔离变压器Tr用来电器隔离，且匝数比为1：n、一次侧中点高频交流电压为vAB、二次侧中点高频交流电压为vCD。
如图2所示，是基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造调制策略波形图，通过对开关管占空比的调节，配合所述变换器新颖的结构，可以做到让一次侧在全桥和半桥之间转换，从而拓展了电压范围。
如图2所示变换器构造波形图，调制方法包括：
步骤1：首先，需要调节各开关的脉冲宽度，从而得出用于高脉宽控制器的门控信号方案。
步骤2：将开关S1和S2的工作周期调节至50％，开关S4的脉冲宽度减小到δ，S3脉冲宽度增大到2π-δ。因此，产生了一个三电平PWM电压波形，这就是一次侧中点高频交流电压vAB的波形。
步骤3：接下来，使得开关S1和开关S5之间有一个相位延迟φ。在一个周期内，开关S5闭合，脉冲宽度为π；开关S6闭合，脉冲宽度也为π。因此，产生了二次侧中点高频交流电压vCD的波形。
如图3所示变换器构造波形图，可控开关电容波形图：
通过对开关管Sa和Sb占空比β的调控，可以调节vca的电压，从而有效调节可调开关电容Cscc，从而可以改变谐振电容Ceq的大小，继而控制谐振频率，使谐振频率与开关频率ωs同步调整，避免开关频率与谐振频率失配问题。
通过调制策略的控制和本实用新型新颖的电路响结合，本实用新型能够在额定功率下，电压增益0.5-1处实现ZVS，从而拓宽了电压范围；此外，通过增加可控开关电容，实现变频调制，不仅减少了对磁性元件的影响，还为变换器增加了一个自由度，通过调整可控开关电容Cscc改变谐振频率，不仅可以更灵活调节谐振变换器输出电压和功率，而且可针对电流RMS值进行优化。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型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实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造，其特征在于：全半桥谐振变换器拓扑结构包括输入电路和输出电路；
所述输入电路即一次侧的全桥电路，由直流电压源Vin，开关管S1、S2、S3、S4，体二极管D1、D2、D3、D4，寄生电容C1、C2、C3、C4，谐振电容Ceq由可控开关电容Cscc和电容Cs串联等效，高频变压器Tr和谐振电感Ls构成，其中，Cscc包括开关管Sa、Sb和电容Ca；
所述输出电路即二次侧的半桥电路，由输出负载Vout，开关管S5、S6，体二极管D5、D6，寄生电容C5、C6，均压电容Co1和Co2组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造，其特征在于：所述体二极管D1反并联开关管S1上；寄生电容C1并联开关管S1上,体二极管D2反并联开关管S2上；寄生电容C2并联开关管S2上,体二极管D3反并联开关管S3上；寄生电容C3并联开关管S3上,体二极管D4反并联开关管S4上；寄生电容C4并联开关管S4上，体二极管D5反并联开关管S5上；寄生电容C5并联开关管S5上，体二极管D6反并联开关管S6上；寄生电容C6并联开关管S6上。
3.根据权利要求2所述的一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造，其特征在于：可控开关电容Cscc由开关管Sa和Sb反向串联和电容Ca并联组成，然后与电容Cs串联等价为电容Ceq，电容Ceq串联电感Ls，高频隔离变压器匝数比为1：n，均压电容Co1和Co2并联在输出负载Vout上，一次侧中点高频交流电压vAB正电位连接在开关S1和S2的中间，负电位连接在开关S3和S3的中间，二次侧中点高频交流电压vCD正电位连接在开关S5和S6之间，负电位连接在均压电容Co1和Co2之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造，其特征在于：变换器结合调制策略可以实现宽电压范围下的ZVS，能够在额定功率下，电压增益为0.5-1之间实现全部开关的ZVS。
5.根据权利要求4所述的一种基于可控开关电容的全半桥谐振变换器构造，其特征在于：所有开关管均选用MOSFET或IGBT。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114465489A (zh) * 2022-01-28 2022-05-10 常熟理工学院 全半桥谐振变换器及其电压平衡控制方法

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