CN220087151U - 低电压应力电源转换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低电压应力电源转换系统，包括谐振电容C_r、变压器、并联在输入正极接口、输入负极接口间的近端功率变换单元和远端功率变换单元，近端功率变换单元包括串联的功率开关件S1、S2、S3、S4，远端功率变换单元包括串联的功率开关件Q1、Q2、Q3、Q4，变压器包含原边绕组T₁和两个匝数相同的副边绕组T₂₁、T₂₂，谐振电容C_r和原边绕组T₁串联后一端连接在S1、S2间，另一端连接在Q1、Q2间；两个副边绕组T₂₁、T₂₂相串联后一端连接在S3、S4间，另一端连接在Q3、Q4间；近端功率变换单元S2、S3间节点与远端功率变换单元Q2、Q3间节点相连；两个副边绕组T₂₁、T₂₂间的连线上连接输出正极端口，输出负极端口通过接线与输入负极端口相连。

Description

低电压应力电源转换系统

技术领域

本实用新型涉及一种低电压应力电源转换系统。

背景技术

现有的降压大电流输出直流低电压应力电源转换系统应用多采用混合开关电容变换电路，如图1、图2所示。混合开关电容变换电路具有开关损耗小，开关管电流应力小等优势，因此变换器能以较高开关频率(几百千赫兹到几兆赫兹)工作，从而显著减小变换器磁元件的体积，大幅提升变换器的功率密度。

然而，图1和图2中的两种现有电路存在无法实现灵活电压变比的问题。对于图1的电路，其只能固定输入输出电压变比为4:1，对于图2的电路，其输入输出电压变比最小为6:1，虽然可以通过改变变压器绕组的匝数比，以实现7:1、8:1等更大电压变比。但是实际上，3:1，4:1，5:1等输入输出电压变比对于数据中心及车载应用中的固定电压变比母线变换器更有价值。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术的低电压应力电源转换系统，实为目前迫切的需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种功率开关件的损耗小的低电压应力电源转换系统，且该低电压应力电源转换系统可灵活实现X:1直流电压变比，其中X可为大于2的任意整数，同时该低电压应力电源转换系统具有开关损耗低、导通损耗低等技术优势，适合应用于数据中心、车载中的母线变换器。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：一种低电压应力电源转换系统，包括输入正极接口、输入负极接口、输出正极接口、输出负极接口、谐振电容Cr、变压器、并联在输入正极接口、输入负极接口之间的近端功率变换单元和远端功率变换单元，输入正极接口、输入负极接口间设有输入电容；输出正极接口、输出负极接口间设有输出电容；近端功率变换单元包括串联的近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3、近端第四功率开关件S4，远端功率变换单元包括串联的远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3、远端第四功率开关件Q4；

所述变压器包含一个原边绕组T₁和两个副边绕组T₂₁、T₂₂，两个副边绕组匝数相同，谐振电容C_r和原边绕组T₁串联后一端连接在近端功率变换单元的近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2之间，另一端连接在远端功率变换单元远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2之间；且变压器原边绕组T₁的同名端连接到远端第一功率开关件Q1和远端第二功率开关件Q2之间；一个变压器副边绕组T₂₁的异名端与另一个变压器副边绕组T₂₂的同名端相连，且该变压器副边绕组T₂₁的同名端连接到远端第三功率开关件Q3和远端第四功率开关件Q4之间,另一个变压器副边绕组T₂₂的异名端连接到近端第三功率开关件S3和近端第四功率开关件S4之间；

近端功率变换单元的近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3之间节点与远端功率变换单元的远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3之间节点通过导线相连；

两个副边绕组T₂₁、T₂₂之间的连线上连接输出正极端口，输出负极端口通过接线与输入负极端口相连，输出负极端口与输入负极端口间的接线还连接有接地线。

作为一种优选的方案，所述近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2、近端第三功率开关件S3，远端第四功率开关件Q4由控制信号一控制同时开通及关断，远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2、远端第三功率开关件Q3、近端第四功率开关件S4由控制信号二控制同时开通及关断，控制信号一和控制信号二错相180度。

作为一种优选的方案，所述近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3、远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3都为Si MOSFET或GaN HEMT或SiC MOSFET。

作为一种优选的方案，所述近端第四功率开关件S4、远端第四功率开关件Q4为SiMOSFET或GaN HEMT或SiC MOSFET或二极管。

作为一种优选的方案，所述原边绕组T₁与两个副边绕组T₂₁、T₂₂绕制在同一磁芯柱上。

本实用新型的有益效果是：

本低电压应力电源转换系统通过控制功率开关件动作，谐振电容Cr与变压器的谐振电感产生谐振，从而实现所有功率开关件软开关运行，具体而言，功率开关件S1、S2、S3、Q1、Q2、Q3可实现零电压开通，因此无开通损耗；关断损耗被大幅降低。功率开关件S4、Q4可以实现零电流开通和零电流关断，无开关损耗。且近端第二功率开关件S2和远端第二功率开关件Q2可以分别用两个较低电压应力的功率开关件，低耐压的功率开关件具有导通损耗小、开关损耗小、驱动简单等明显优势,减小了功率开关件的损耗,且提升了系统效率。

由于所有功率开关件工作于以软开关运行，变换器开关频率可以提升到高频段(几百千赫兹到几兆赫兹)，从而可以显著减小磁元件体积，获得更高的功率密度。

本技术方案可灵活实现X:1直流电压变比，其中X可为大于2的任意整数，使得本技术方案在数据中心48V母线变换器和车载48V母线变换器应用领域具备明显优势。

本技术方案的变压器绕组耦合方式更简单，显著降低了高频变压器设计难度。且本技术方案的谐振电容无直流电压偏置，因此可以选用能量密度更高的第二类陶瓷电容作为谐振电容，从而进一步提升变换器的功率密度。

附图说明

图1为现有的一种混合开关电容变换电路；

图2为现有的另一种混合开关电容变换电路；

图3为本低电压应力电源转换系统的电路拓扑示意图；

图4为本低电压应力电源转换系统的等效电路示意图；

图5为本低电压应力电源转换系统的正半周期等效电路示意图；

图6为本低电压应力电源转换系统的负半周期等效电路示意图；

图7为本低电压应力电源转换系统的波形图；

图8为本低电压应力电源转换系统的实施例2的电路示意图；

图9为本低电压应力电源转换系统的实施例3外加电感放置位置的电路示意图；

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本实用新型的具体实施方案。

如图3所示，一种低电压应力电源转换系统，包括输入正极接口V_in+、输入负极接口V_in-、输出正极接口V_o+、输出负极接口V_o-、谐振电容Cr、变压器、两个并联在输入正极接口V_in+、输入负极接口V_in-的近端功率变换单元和远端功率变换单元，输入正极接口V_in+、输入负极接口V_in-间设有输入电容Cin；输出正极接口V_o+、输出负极接口V_o-间设有输出电容Co；近端功率变换单元包括串联的近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3，近端第四功率开关件S4；远端功率变换单元包括串联的远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3，远端第四功率开关件Q4。

所述变压器包含一个原边绕组T₁和两个副边绕组T₂₁、T₂₂，两个副边绕组匝数相同，谐振电容C_r和原边绕组T₁串联后一端连接在近端功率变换单元的近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2之间，另一端连接在远端功率变换单元远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2之间；且变压器原边绕组T₁的同名端连接到远端第一功率开关件Q1和远端第二功率开关件Q2之间；一个变压器副边绕组T₂₁的异名端与另一个变压器副边绕组T₂₂的同名端相连，且该变压器副边绕组T₂₁的同名端连接到远端第三功率开关件Q3和远端第四功率开关件Q4之间,另一个变压器副边绕组T₂₂的异名端连接到近端第三功率开关件S3和近端第四功率开关件S4之间；

近端功率变换单元的近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3之间节点与远端功率变换单元的远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3之间节点通过导线相连；

近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3、远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3都为Si MOSFET。近端第四功率开关件S4、远端第四功率开关件Q4为Si MOSFET。

两个副边绕组T₂₁、T₂₂之间的连线上连接输出正极端口，输出负极端口通过接线与输入负极端口相连，输出负极端口与输入负极端口间的接线还连接有接地线。原边绕组T₁与两个副边绕组T₂₁、T₂₂绕制在同一磁芯柱上。

功率开关件依循开关周期进行周期性动作，通过控制功率开关件的开通或关断而使谐振电容与谐振电感产生谐振。近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2、近端第三功率开关件S3、远端第四功率开关件Q4由控制信号一控制同时开通及关断，远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2、远端第三功率开关件Q3、近端第四功率开关件S4由控制信号二控制同时开通及关断，控制信号一和控制信号二错相180度。

图4为图3的等效电路，其中由绕组T₁ T₂₁ T₂₂构成的变压器等效为匝数比为N₁:N₂:N₂的理想变压器、折算到原边的激磁电感L_m、折算到原边的漏感L_k。

通过控制功率开关件动作，谐振电容C_r与谐振电感L_r产生谐振，从而使功率开关件实现软开关运行，其中谐振电感可为例如但不限于变压器的漏感及走线的寄生电感。

本低电压应力电源转换系统的t0～t1阶段工作原理具体如下：

如图5、图7所示，t₀时刻远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2、远端第三功率开关件Q3、近端第四功率开关件S4开通，电路运行于谐振正半周期，电路谐振频率f_r如式(1)所示：

式中，Cr为谐振电容；Lr为谐振电感；

变换器的开关频率f_s等于谐振频率f_r，即f_s＝f_r，谐振状态下谐振电容与谐振电感串联阻抗为0，根据基尔霍夫电压定律，且令n为N₁/N₂，得到电压变比如式(2)所示：

式中，V_o为输出电压；V_in为输入电压；N₁为变压器原边绕组匝数；N₂为变压器副边绕组匝数。根据公式(2)，该电路可以实现输入输出电压X:1变比，

激磁电感电流线性增加，电流变化率如式(3)所示：

式中，i_Lm为激磁电流；L_m为激磁电感；

变压器副边绕组T₂₁电流与原边谐振电流相等，即i_w1＝i_p，根据变压器磁动势平衡，可得变压器副边绕组T₂₂的电流i_w2如式(4)所示：

i_w2＝i_p+ni_s＝i_w1+ni_s (4)

式中，i_p为原边谐振电流；i_w2为变压器副边绕组T₂₂电流；i_s为副边谐振电流；

t₁时刻远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2、远端第三功率开关件Q₃以及近端第四功率开关件S4关断。由于变压器副边绕组T₂₂的电流i_w2谐振到0，近端第四功率开关件S4实现零电流关断；根据公式(3)和(4)，计算得到远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2、远端第三功率开关件Q3关断电流Ip为：

式中fs为开关频率。

低电压应力电源转换系统的t1～t2阶段的工作原理如下：

远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2、远端第三功率开关件Q₃以及近端第四功率开关件S4在t1时刻关断之后，电路运行于t1～t2死区阶段，持续时间定义为td。一般地，死区时间td远小于电路运行的开关周期，近似认为死区阶段内激磁电流、谐振电流大小不变；恒流源I_p给远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2以及远端第三功率开关件Q3的输出电容充电，给近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2以及近端第三功率开关件S3的输出电容放电，充放电完成后近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2以及近端第三功率开关件S3的体二极管导通续流，桥臂电压v_p实现平滑换相。该过程完成后，t₂时刻近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2以及近端第三功率开关件S3实现零电压开通，远端第四功率开关件Q4实现零电流开通。

通过合理设计开关频率fs，死区时间td，以及激磁电感感值Lm，使得端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2以及近端第三功率开关件S3实现零电压开通，远端第四功率开关件Q4实现零电流开通。

本低电压应力电源转换系统的t2～t3阶段工作原理与t0～t1阶段对称，利用同样的分析可以得到：近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2，近端第三功率开关件S₃以及远端第四功率开关件Q4于t2时刻开通，电路运行于谐振状态，谐振频率如公式(1)所示。t3时刻远端第四功率开关件Q4实现零电流关断；近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2以及近端第三功率开关件S₃关断电流大小Ip如公式(5)所示。

本低电压应力电源转换系统的t3～t4阶段工作原理与t1～t2阶段对称，利用同样的分析可以得到：近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2，近端第三功率开关件S₃以及远端第四功率开关件Q4于t3时刻关断，电路运行于t3～t4死区阶段，一般地，死区时间td远小于电路运行的开关周期，近似认为死区阶段内激磁电流、谐振电流大小不变；恒流源I_p给近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2以及近端第三功率开关件S₃的输出电容充电，给远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2以及远端第三功率开关件Q3的输出电容放电，充放电完成后远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2以及远端第三功率开关件Q3的体二极管导通续流，桥臂电压v_p实现平滑换相。该过程完成后，t₃时刻远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2以及远端第三功率开关件Q3实现零电压开通，近端第四功率开关件S4实现零电流开通。此过程电路软开关条件如公式(6)所示。

本低电压应力电源转换系统功率开关件的电压、电流应力分析如下：

采用基波等效模型对图7中变压器绕组电流进行分析，可得：

式中i_w,p1、i_w,p2为变压器副边绕组电流峰值，如图7中所标；I_o,dc为输出电流平均值。进而由式(7)可以推导得到各功率开关件的电流应力。

下表为本低电压应力电源转换系统功率开关件的特性总结：

实施例2如图8所示，其与实施例1的不同之处在于：近端第四功率开关件S4、远端第四功率开关件Q4为二极管。

实施例3如图9所示，其与实施例1的不同之处在于：原边绕组T₁两端分别设有外接电感连接模块A、B，两个副边绕组T₂₁、T₂₂相远离的端部设有外接电感连接模块C。

上述实施例中变换器的开关频率与谐振频率相等，于另一些实施例中，可以在变压器副边绕组电流未谐振到0时关断对应的功率开关件。由于谐振电容Cr容值较大且谐振电感Lr的感量较小，虽然功率器件开关不是零电流关断，但一般关断损耗较小并可以忽略。一般地，开关频率不会超过两倍谐振频率。

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本实用新型；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种低电压应力电源转换系统，包括输入正极接口、输入负极接口、输出正极接口、输出负极接口、谐振电容C_r、变压器、并联在输入正极接口、输入负极接口之间的近端功率变换单元和远端功率变换单元，输入正极接口、输入负极接口间设有输入电容；输出正极接口、输出负极接口间设有输出电容；近端功率变换单元包括串联的近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3、近端第四功率开关件S4，远端功率变换单元包括串联的远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3、远端第四功率开关件Q4，其特征在于：所述变压器包含一个原边绕组T₁和两个副边绕组T₂₁、T₂₂，两个副边绕组匝数相同，谐振电容C_r和原边绕组T₁串联后一端连接在近端功率变换单元的近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2之间，另一端连接在远端功率变换单元远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2之间；且变压器原边绕组T₁的同名端连接到远端第一功率开关件Q1和远端第二功率开关件Q2之间；

一个变压器副边绕组T₂₁的异名端与另一个变压器副边绕组T₂₂的同名端相连，且该变压器副边绕组T₂₁的同名端连接到远端第三功率开关件Q3和远端第四功率开关件Q4之间,另一个变压器副边绕组T₂₂的异名端连接到近端第三功率开关件S3和近端第四功率开关件S4之间；

近端功率变换单元的近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3之间节点与远端功率变换单元的远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3之间节点通过导线相连；

两个副边绕组T₂₁、T₂₂之间的连线上连接输出正极端口，输出负极端口通过接线与输入负极端口相连，输出负极端口与输入负极端口间的接线还连接有接地线。

2.如权利要求1所述的一种低电压应力电源转换系统，其特征在于：所述近端第一功率开关件S1、远端第二功率开关件Q2、近端第三功率开关件S3、远端第四功率开关件Q4，由控制信号一控制同时开通及关断，远端第一功率开关件Q1、近端第二功率开关件S2、远端第三功率开关件Q3、近端第四功率开关件S4由控制信号二控制同时开通及关断，控制信号一和控制信号二错相180度。

3.如权利要求2所述的一种低电压应力电源转换系统，其特征在于：所述近端第一功率开关件S1、近端第二功率开关件S2、近端第三功率开关件S3、远端第一功率开关件Q1、远端第二功率开关件Q2、远端第三功率开关件Q3都为Si MOSFET或GaN HEMT或SiC MOSFET。

4.如权利要求2所述的一种低电压应力电源转换系统，其特征在于：所述近端第四功率开关件S4、远端第四功率开关件Q4为Si MOSFET或GaN HEMT或SiC MOSFET或二极管。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种低电压应力电源转换系统，其特征在于：所述原边绕组T₁与两个副边绕组T₂₁、T₂₂绕制在同一磁芯柱上。