諧振變換器和電源的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種諧振變換器和電源，諧振變換器包括：依次電連接的第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管、諧振電感、諧振電容、變壓器組及整流電路，變壓器組由至少兩個(gè)變壓器組成，至少兩個(gè)變壓器的初級繞組串聯(lián)、次級繞組并聯(lián)；第一開關(guān)管的漏極與正輸入電壓端連接，負(fù)輸入電壓端與第四開關(guān)管的源極連接；第二開關(guān)管的源極與諧振電感、變壓器組的初級繞組、諧振電容及地依次連接；變壓器組的次級繞組的兩端分別與整流電路的兩個(gè)輸入端連接。諧振變換器中采用至少兩個(gè)變壓器組成的變壓器組，有利于諧振變換器的內(nèi)部布局，提高諧振變換器的空間利用率，同時(shí)由于變壓器組的溫升較低，為整機(jī)功率密度的增加提供了條件。
【專利說明】
諧振變換器和電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電源變換技術(shù)，尤其涉及一種諧振變換器和電源，屬于電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電源變換技術(shù)的發(fā)展，高效率高功率密度成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢。諧振變換器以其軟開關(guān)、效率高等優(yōu)點(diǎn)在開關(guān)電源中得到廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。
[0003]通常，用于直流電源的諧振變換器，主要包含開關(guān)管、諧振電容、諧振電感、變壓器等元器件，在制作大功率、高功率密度的諧振變換器時(shí)，需要使用電壓和電流應(yīng)力較大的開關(guān)管、大容量諧振電容、大感抗諧振電感、體積較大的變壓器。
[0004]但是，大體積的變壓器會(huì)導(dǎo)致變壓器的空間利用率低，內(nèi)部溫升大，從而限制了諧振變換器功率密度的增加。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型提供一種諧振變換器和電源，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中大功率諧振變換器中由于變壓器體積增大限制諧振變換器功率密度增加的問題。
[0006]本實(shí)用新型提供一種諧振變換器，包括依次電連接的第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管、諧振電感、諧振電容、變壓器組及整流電路，所述變壓器組由至少兩個(gè)變壓器組成，所述至少兩個(gè)變壓器的初級繞組串聯(lián)、次級繞組并聯(lián)；
[0007]所述第一開關(guān)管的漏極與正輸入電壓端連接，負(fù)輸入電壓端與所述第四開關(guān)管的源極連接；
[0008]所述第二開關(guān)管的源極與所述諧振電感、所述變壓器組的初級繞組、所述諧振電容及地依次連接；
[0009]所述變壓器組的次級繞組的兩端分別與所述整流電路的兩個(gè)輸入端連接。
[0010]在本實(shí)用新型的一種可能的實(shí)現(xiàn)形式中，上述諧振變換器還包括:第一電容；
[0011]所述第一電容的兩端分別與所述第一開關(guān)管的源極及第三開關(guān)管的源極連接。
[0012]在本實(shí)用新型的另一種可能的實(shí)現(xiàn)形式中，上述諧振變換器還包括:第一二極管和第二二極管；
[0013]所述第一二極管的陰極與所述第一開關(guān)管的源極及第二開關(guān)管的漏極連接，所述第一二極管的陽極與所述第二二極管的陰極及地連接；
[0014]所述第二二極管的陽極與所述第三開關(guān)管的源極及第四開關(guān)管的漏極連接。
[0015]在本實(shí)用新型的又一種可能的實(shí)現(xiàn)形式中，上述諧振變換器還包括:第三二極管和第四二極管；
[0016]所述第三二極管的陰極與所述第一開關(guān)管的漏極連接，所述第三二極管的陽極與所述第四二極管的陰極、所述諧振電容的一端及變壓器組的初級繞組的一端連接；
[0017]所述第四二極管的陽極與所述第四開關(guān)管的源極連接。
[0018]在本實(shí)用新型的再一種可能的實(shí)現(xiàn)形式中，上述諧振變換器還包括:第二電容和第三電容；
[0019]所述第二電容的兩端分別與所述第一開關(guān)管的漏極及地連接；
[0020]所述第三電容的兩端分別與所述第四開關(guān)管的源極及地連接。
[0021]在本實(shí)用新型的又一種可能的實(shí)現(xiàn)形式中，上述諧振變換器中組成所述變壓器組的各變壓器的磁芯、繞組匝數(shù)相同。
[0022]在本實(shí)用新型的又一種可能的實(shí)現(xiàn)形式中，上述諧振變換器中所述整流電路為半橋整流電路或全橋整流電路。
[0023]本實(shí)用新型提供一種電源，包括N個(gè)上述的諧振變換器，所述N個(gè)諧振變換器的輸入和輸出并聯(lián)連接，N為大于1的正整數(shù)。
[0024]本實(shí)用新型提供的諧振變換器和電源，諧振變換器中采用至少兩個(gè)變壓器組成的變壓器組，有利于諧振變換器的內(nèi)部布局，提高諧振變換器的空間利用率，同時(shí)由于變壓器組的溫升較低，為整機(jī)功率密度的增加提供了條件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實(shí)用新型提供的諧振變換器實(shí)施例一的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本實(shí)用新型提供的諧振變換器實(shí)施例二的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3為本實(shí)用新型提供的諧振變換器的工作波形圖；
[0028]圖4為本實(shí)用新型提供的電源結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]圖1為本實(shí)用新型提供的諧振變換器實(shí)施例一的電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該諧振變換器包括:依次電連接的第一開關(guān)管102、第二開關(guān)管103、第三開關(guān)管104和第四開關(guān)管105、諧振電感106、諧振電容107、變壓器組108及整流電路109。
[0030]其中，所述變壓器組108由至少兩個(gè)變壓器組成，所述至少兩個(gè)變壓器的初級繞組串聯(lián)、次級繞組并聯(lián)；所述第一開關(guān)管102的漏極與正輸入電壓端連接，負(fù)輸入電壓端與所述第四開關(guān)管105的源極連接；所述第二開關(guān)管103的源極與所述諧振電感106、所述變壓器組108的初級繞組、所述諧振電容107及地GND依次連接；所述變壓器組108的次級繞組的兩端分別與所述整流電路109的兩個(gè)輸入端連接。
[0031]具體的，上述第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管可以為高頻率的功率場效應(yīng)管，各場效應(yīng)管都內(nèi)部寄生有反并聯(lián)二極管及節(jié)電容。
[0032]由于小變壓器磁芯器件的選型容易，成本低，且小體積的變壓器熱阻小，內(nèi)部溫升低，空間利用率高，同時(shí)，各變壓器的體積小，方便布局，有利于提高諧振變換器的空間利用率，提高整機(jī)的功率密度。
[0033]本實(shí)施例一種較優(yōu)的實(shí)現(xiàn)形式中，組成所述變壓器組的各變壓器的磁芯、繞組匝數(shù)相同。
[0034]具體的，變壓器組中的各變壓器的初級繞組串聯(lián)，即各變壓器的初級繞組工作電流相同，又因?yàn)楦髯儔浩鞯拇渭壚@組并聯(lián)，當(dāng)各變壓器采用相同的磁芯，繞組匝數(shù)及繞制工藝時(shí)，各變壓器可實(shí)現(xiàn)次級繞制電流自動(dòng)均分、負(fù)載均分，相應(yīng)的熱應(yīng)力也均分。
[0035]進(jìn)一步地，上述整流電路可以為半橋整流電路，或全橋整流電路，本實(shí)施例對此不做限定。
[0036]本實(shí)施例提供的諧振變換器中，采用至少兩個(gè)變壓器組成的變壓器組，有利于諧振變換器的內(nèi)部布局，提高諧振變換器的空間利用率，同時(shí)由于變壓器組的溫升較低，為整機(jī)功率密度的增加提供了條件。
[0037]圖2為本實(shí)用新型提供的諧振變換器實(shí)施例二的電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，在圖1所示的基礎(chǔ)上，該諧振變換器還包括:第一電容201。
[0038]其中，所述第一電容的兩端分別與所述第一開關(guān)管的源極及第三開關(guān)管的源極連接。
[0039]具體的，在圖2中所示的第一開關(guān)管與第二開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，第一開關(guān)管比第二開關(guān)管提前關(guān)斷，第三開關(guān)管與第四開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，第四開關(guān)管比第三開關(guān)管提前關(guān)斷，第一開關(guān)管和第四開關(guān)管稱為超前管，第二開關(guān)管和第三開關(guān)管稱為滯后管，第一電容可使超前管和滯后管間實(shí)現(xiàn)零電壓開通(Zero Voltage Switching,簡稱ZVS)過程的解f禹，當(dāng)諧振變換器在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，第一電容兩端的電壓為輸入電壓的一半。
[0040]優(yōu)選的，該諧振變換器還包括:第一二極管202和第二二極管203。
[0041 ] 其中，所述第一二極管202的陰極與所述第一開關(guān)管102的源極及第二開關(guān)管103的漏極連接，所述第一二極管202的陽極與所述第二二極管203的陰極及地GND連接；所述第二二極管203的陽極與所述第三開關(guān)管104的源極及第四開關(guān)管105的漏極連接。
[0042]具體的，電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，為限制各開關(guān)管的寄生電容上的電壓過高，引入第一二極管202、第二二極管203進(jìn)行箝位，從而限制開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力，防止開關(guān)管因電壓應(yīng)力過大損壞，增大電路的可靠性。
[0043]進(jìn)一步的，還包括:第三二極管204和第四二極管205 ；
[0044]所述第三二極管204的陰極與所述第一開關(guān)管102的漏極連接，所述第三二極管204的陽極與所述第四二極管205的陰極、所述諧振電容107的一端及變壓器組108的初級繞組的一端連接；
[0045]所述第四二極管205的陽極與所述第四開關(guān)管的源極連接。
[0046]具體的，在電路異常時(shí)，比如輸出端短路或者過流時(shí)，為防止開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力過大，引入第三二極管和第四二極管來限制此時(shí)開關(guān)管上的電壓應(yīng)力，從而保護(hù)開關(guān)管不被損壞，增大電路的可靠性。
[0047]另外，為保證電路工作過程中，輸入的電壓穩(wěn)定，本實(shí)施例中還包括:第二電容206和第三電容207。
[0048]其中，所述第二電容206的兩端分別與所述第一開關(guān)管的漏極及地連接；所述第三電容207的兩端分別與所述第四開關(guān)管的源極及地連接。
[0049]若整流電路為全橋整流電路，即整流電路包括第五二極管208、第六二極管209、第七二極管210和第八二極管211。
[0050]假定諧振變換器中各開關(guān)管的開關(guān)頻率小于電路的諧振頻率，且電路已工作在穩(wěn)態(tài)情況。圖3為本實(shí)用新型提供的諧振變換器的工作波形圖。其中，圖3中a為第一開關(guān)管的PWM時(shí)序圖,b為第一開關(guān)管的PWM時(shí)序圖，c為第一開關(guān)管的漏源電壓波形圖，d為第二開關(guān)管的漏源電壓波形圖，e為第三開關(guān)管的漏源電壓波形圖，f為第四開關(guān)管的漏源電壓波形圖，g為變壓器組一次側(cè)電流波形圖，h為第五二極管的電流波形圖。
[0051]該變換器在一個(gè)周期內(nèi)可以細(xì)分為12個(gè)開關(guān)狀態(tài)，因?yàn)樽儞Q器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作狀態(tài)具有對稱性，這里僅描述前6個(gè)工作模態(tài)。
[0052]圖3中的tO-tl時(shí)刻為模態(tài)1,在t0時(shí)刻，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管同時(shí)開通，第三開關(guān)管和第四開關(guān)管關(guān)斷，第五二極管導(dǎo)通，此時(shí)變壓器原邊電壓被輸出電壓鉗位為nVo，其中，η為變壓器組的變比，Vo為輸出電壓，因此變壓器組的勵(lì)磁電感不能夠參與諧振過程，勵(lì)磁電流在輸出電壓的鉗位作用下線性上升，其斜率為斜率nVo/Lm，Lm為變壓器組的等效勵(lì)磁電感值，諧振過程發(fā)生在諧振電感和諧振電容之間，變壓器組初級繞組的諧振電流以正弦形式上升，流過變壓器的原邊電流為諧振電流與勵(lì)磁電流之差，二次側(cè)整流二極管電流大小取決于原邊諧振電感電流與勵(lì)磁電感電流之差。
[0053]tl-t2時(shí)刻為模態(tài)2，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管繼續(xù)導(dǎo)通。隨著原邊諧振電流達(dá)到諧振峰值并且慢慢減小，而勵(lì)磁電流在輸出電壓的鉗位作用下線性上升，在tl時(shí)刻兩者相等，副邊整流二極管電流降為零，第五二極管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。此時(shí)刻勵(lì)磁電感Lm不再被輸出電壓鉗位，Lm，諧振電感和諧振電容一起諧振。因?yàn)長m的數(shù)值遠(yuǎn)大于諧振電感的值，諧振周期變得很大，此模態(tài)下諧振電流近似不變。此時(shí)負(fù)載處的濾波電容來給負(fù)載提供其所需的能量。
[0054]t2-t3時(shí)刻為模態(tài)3，第一開關(guān)在t2時(shí)刻關(guān)斷。由于有諧振電感存在，諧振電流并未立刻減小到零，諧振電流需要保持原電流方向續(xù)流，因此在諧振電流的作用下，第一開關(guān)的寄生電容開始充電，同時(shí)通過第一電容，第四開關(guān)的寄生電容開始放電，來形成諧振電流的續(xù)流回路。
[0055]t3-t4時(shí)刻為模態(tài)4，在諧振電流的續(xù)流作用下，在t3時(shí)刻，第一開關(guān)的的寄生電容上的電壓上升為Vin/2，導(dǎo)致第一二極管導(dǎo)通，從而限制了第一開關(guān)管的漏源兩端電壓繼續(xù)上升，同時(shí)第四開關(guān)管的寄生電容上的電壓下降為零且被鉗位為零。此時(shí)諧振電流通過第一二極管，第二開關(guān)和諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行續(xù)流。
[0056]t4-t5時(shí)刻為模態(tài)5，在t4時(shí)刻，第二開關(guān)管關(guān)斷。諧振電流數(shù)值很大，仍舊需要保持原電流方向續(xù)流。諧振電流開始對第二開關(guān)管的寄生電容充電，并對第三開關(guān)管的寄生電容放電。由于在上一模態(tài)第四開關(guān)管的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，隨著第三開關(guān)管的寄生電容上電壓的減小，變壓器上的電壓開始反向，使第六二極管導(dǎo)通。勵(lì)磁電感Lm再次被輸出電壓鉗位而脫離諧振網(wǎng)絡(luò)。
[0057]t5-t6時(shí)刻為模態(tài)6，t5時(shí)刻，在諧振電流的續(xù)流作用下，第二開關(guān)管的寄生電容上的電壓上升為Vin/2，同時(shí)第三開關(guān)管的寄生電容上的電壓下降為零，第三開關(guān)管的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，此后諧振電流流經(jīng)第三開關(guān)管與第四開關(guān)管的反并聯(lián)二極管，將第三開關(guān)管與第四開關(guān)管的電壓鉗位在零，從而為第三開關(guān)管與第四開關(guān)管的零電壓開通提供了條件。第三開關(guān)管與第四開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號需要在諧振電流未減小到零之前開通，t6時(shí)刻，開通第三開關(guān)管與第四開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)第三開關(guān)管與第四開關(guān)管的ZVS，變換器進(jìn)入后半個(gè)工作周期。即開關(guān)管在開通之前，其寄生反并聯(lián)二極管流過反向電流，使得開關(guān)管兩端電壓被鉗位為零，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通。
[0058]本實(shí)用新型提供的諧振變換器，采用至少兩個(gè)變壓器組成的變壓器組，有利于諧振變換器的內(nèi)部布局，提高諧振變換器的空間利用率，同時(shí)由于變壓器組的溫升較低，為整機(jī)功率密度的增加提供了條件，且實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管ZVS的解耦，使得電路更加可靠。
[0059]圖4為本實(shí)用新型提供的電源結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，該電源包括N個(gè)如上述任一實(shí)施例中的諧振變換器，所述N個(gè)諧振變換器的輸入和輸出并聯(lián)連接，N為大于1的正整數(shù)。
[0060]本實(shí)施例提供的電源，通過將諧振變換器交錯(cuò)并聯(lián)而成，降低了電源輸出電壓紋波，且各諧振變換器的變壓器采用多個(gè)小功率變壓器串、并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，為提高產(chǎn)品的功率密度提供了條件。最后應(yīng)說明的是:以上各實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種諧振變換器，其特征在于，包括依次電連接的第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管、諧振電感、諧振電容、變壓器組及整流電路，所述變壓器組由至少兩個(gè)變壓器組成，所述至少兩個(gè)變壓器的初級繞組串聯(lián)、次級繞組并聯(lián)； 所述第一開關(guān)管的漏極與正輸入電壓端連接，負(fù)輸入電壓端與所述第四開關(guān)管的源極連接； 所述第二開關(guān)管的源極與所述諧振電感、所述變壓器組的初級繞組、所述諧振電容及地依次連接； 所述變壓器組的次級繞組的兩端分別與所述整流電路的兩個(gè)輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振變換器，其特征在于，還包括:第一電容； 所述第一電容的兩端分別與所述第一開關(guān)管的源極及第三開關(guān)管的源極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的諧振變換器，其特征在于，還包括:第一二極管和第二二極管； 所述第一二極管的陰極與所述第一開關(guān)管的源極及第二開關(guān)管的漏極連接，所述第一二極管的陽極與所述第二二極管的陰極及地連接； 所述第二二極管的陽極與所述第三開關(guān)管的源極及第四開關(guān)管的漏極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的諧振變換器，其特征在于，還包括:第三二極管和第四二極管； 所述第三二極管的陰極與所述第一開關(guān)管的漏極連接，所述第三二極管的陽極與所述第四二極管的陰極、所述諧振電容的一端及變壓器組的初級繞組的一端連接； 所述第四二極管的陽極與所述第四開關(guān)管的源極連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的諧振變換器，其特征在于，還包括:第二電容和第三電容； 所述第二電容的兩端分別與所述第一開關(guān)管的漏極及地連接； 所述第三電容的兩端分別與所述第四開關(guān)管的源極及地連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的諧振變換器，其特征在于，組成所述變壓器組的各變壓器的磁芯、繞組匝數(shù)相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的諧振變換器，其特征在于，所述整流電路為半橋整流電路或全橋整流電路。
8.一種電源，其特征在于，包括N個(gè)如權(quán)利要求1?7任一所述的諧振變換器，所述N個(gè)諧振變換器的輸入和輸出并聯(lián)連接，N為大于I的正整數(shù)。
【文檔編號】H02M3/28GK204145303SQ201420408635
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】陳冀生, 劉亞峰, 馬海濤, 劉明, 仇雷 申請人:河北先控捷聯(lián)電源設(shè)備有限公司