本發(fā)明屬于超高頻DC/DC功率變換器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：在超高頻DC/DC功率變換器領(lǐng)域，功率密度和瞬態(tài)響應(yīng)速度是評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，提高變換器的開(kāi)關(guān)頻率能使這兩項(xiàng)指標(biāo)得到有效提升，因此，高頻化是DC/DC功率變換器發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前超高頻DC/DC功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)普遍由逆變環(huán)節(jié)、匹配網(wǎng)絡(luò)、整流環(huán)節(jié)三部分構(gòu)成，如圖1所示，在設(shè)計(jì)變換器時(shí)一般先設(shè)計(jì)整流環(huán)節(jié)，使其在電壓電流基波情況下呈現(xiàn)阻性，而匹配網(wǎng)絡(luò)的作用則是提高逆變環(huán)節(jié)的帶載能力，即降低整流環(huán)節(jié)的等效電阻?，F(xiàn)在較常用的是L型匹配網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，該型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單利于設(shè)計(jì)，但也存在一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：1、輸出功率變化時(shí)，整流環(huán)節(jié)的等效電阻發(fā)生變化，等效為阻性的整流環(huán)節(jié)經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)后，匹配網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)感性化或容性化的趨勢(shì)，該種趨勢(shì)下電壓和電流重疊，使逆變環(huán)節(jié)中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，從而降低功率變換器的輸出效率。2、匹配網(wǎng)絡(luò)同后級(jí)整流環(huán)節(jié)相互耦合，使整體電路的調(diào)試變得復(fù)雜化。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明是為了解決當(dāng)輸出功率變化時(shí)，現(xiàn)有L型匹配網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)感性化或容性化的趨勢(shì)，從而降低超高頻DC/DC功率變換器的輸出效率及現(xiàn)有L型匹配網(wǎng)絡(luò)同后級(jí)整流環(huán)節(jié)相互耦合時(shí)，使整體電路的調(diào)試變得復(fù)雜化的問(wèn)題。本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于超高頻DC/DC功率變換器的T型阻抗匹配電路及該匹配電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用于超高頻DC/DC功率變換器的T型阻抗匹配電路，它包括諧振電容C1、諧振電容Cs和諧振電感Ls；諧振電感Ls的一端與諧振電容C1的一端和諧振電容Cs的一端同時(shí)連接，諧振電容C1的另一端和諧振電感Ls的另一端用于與逆變電路的兩個(gè)輸出端連接，諧振電容Cs的另一端和諧振電感Ls的另一端用于與整流電路的兩個(gè)輸入端連接。一種T型阻抗匹配電路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，該方法是基于所述的應(yīng)用于超高頻DC/DC功率變換器的T型阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)的，該方法中參數(shù)諧振電容C1、諧振電容Cs和諧振電感Ls求取的具體過(guò)程為：步驟一，將所述T型阻抗匹配電路進(jìn)行等效，獲得T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL；其中，將s＝j(luò)ω代入公式一，獲得：s表示復(fù)頻率，j表示復(fù)數(shù)單位，ω表示諧振角頻率，ZR表示整流電路的等效電阻，步驟二，保證T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL呈現(xiàn)阻性，則定義公式二表達(dá)式中，分子的實(shí)部與分母的實(shí)部之比等于分子的虛部與分母的虛部之比，具體如公式三和公式四所示：步驟三，設(shè)定C1＝kCS，并對(duì)公式四進(jìn)行整理，獲得其中，k表示比例系數(shù)；將公式五代入公式三，獲得對(duì)公式六進(jìn)行整理，獲得將公式七代入C1＝kCS，獲得將公式八代入公式五，獲得從而完成對(duì)T型阻抗匹配電路中參數(shù)諧振電容C1、諧振電容Cs和諧振電感Ls的設(shè)計(jì)。所述的k的取值為1。本發(fā)明帶來(lái)的有益效果是，1、對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提出新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該新型匹配網(wǎng)絡(luò)能在輸出功率變化時(shí)，使等效為阻性的整流環(huán)節(jié)經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)后依舊呈現(xiàn)為阻性，提高整體電路的抗干擾能力。2、實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)和整流環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)上的完全解耦，提高變換器設(shè)計(jì)精度。附圖說(shuō)明圖1為超高頻DC/DC功率變換器原理框圖；VIN表示輸入電壓，VO表示輸出電壓，RL表示輸出電阻；圖2為L(zhǎng)型匹配網(wǎng)絡(luò)的原理示意圖；其中，L表示L型匹配網(wǎng)絡(luò)諧振電感，C表示L型匹配網(wǎng)絡(luò)諧振電感，ZL表示匹配網(wǎng)絡(luò)帶有負(fù)載時(shí)的等效阻抗，ZR表示整流環(huán)節(jié)的等效電阻；圖3為本發(fā)明所述的應(yīng)用于DC/DC功率變換器的T型阻抗匹配電路的等效電路圖；圖4為采用本發(fā)明T型阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)的DC/DC功率變換器的原理示意圖；圖5為本發(fā)明所述的T型阻抗匹配電路用于ClassE電路的原理示意圖；圖6為L(zhǎng)型阻抗匹配電路用于ClassE電路的原理示意圖；圖7為L(zhǎng)型阻抗匹配電路應(yīng)用于ClassE電路時(shí)，開(kāi)關(guān)管S兩端電壓波形的波形圖；附圖標(biāo)記1表示等效電阻ZR＝30Ω時(shí)，開(kāi)關(guān)管S兩端電壓的波形，附圖標(biāo)記2表示等效電阻ZR＝25Ω時(shí)，開(kāi)關(guān)管S兩端電壓的波形，附圖標(biāo)記3表示等效電阻ZR＝17Ω時(shí)，開(kāi)關(guān)管S兩端電壓的波形；圖8為T(mén)型阻抗匹配電路用于ClassE電路時(shí)，開(kāi)關(guān)管S兩端電壓波形的波形圖；圖9為開(kāi)關(guān)頻率f＝20MHz，k取0.8，整流電路的等效電阻ZR取不同值時(shí)，T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL的Bode圖；圖10為開(kāi)關(guān)頻率f＝20MHz，k取1，整流電路的等效電阻ZR取不同值時(shí)，T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL的Bode圖；圖11為開(kāi)關(guān)頻率f＝20MHz，k取1.3，整流電路的等效電阻ZR取不同值時(shí)，T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL的Bode圖；圖12為開(kāi)關(guān)頻率f＝30MHz，k取0.8，整流電路的等效電阻ZR取不同值時(shí)，T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL的Bode圖；圖13為開(kāi)關(guān)頻率f＝30MHz，k取1，整流電路的等效電阻ZR取不同值時(shí)，T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL的Bode圖；圖14為開(kāi)關(guān)頻率f＝30MHz，k取1.3，整流電路的等效電阻ZR取不同值時(shí)，T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL的Bode圖。具體實(shí)施方式具體實(shí)施方式一：參見(jiàn)圖3和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的應(yīng)用于超高頻DC/DC功率變換器的T型阻抗匹配電路，它包括諧振電容C1、諧振電容Cs和諧振電感Ls；諧振電感Ls的一端與諧振電容C1的一端和諧振電容Cs的一端同時(shí)連接，諧振電容C1的另一端和諧振電感Ls的另一端用于與逆變電路的兩個(gè)輸出端連接，諧振電容Cs的另一端和諧振電感Ls的另一端用于與整流電路的兩個(gè)輸入端連接。具體實(shí)施方式二：參見(jiàn)圖3和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種T型阻抗匹配電路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，該方法是基于具體實(shí)施方式一所述的應(yīng)用于超高頻DC/DC功率變換器的T型阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)的，該方法中參數(shù)諧振電容C1、諧振電容Cs和諧振電感Ls求取的具體過(guò)程為：步驟一，將所述T型阻抗匹配電路進(jìn)行等效，獲得T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL；其中，將s＝j(luò)ω代入公式一，獲得：s表示復(fù)頻率，j表示復(fù)數(shù)單位，ω表示諧振角頻率，ZR表示整流電路的等效電阻，步驟二，保證T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL呈現(xiàn)阻性，則定義公式二表達(dá)式中，分子的實(shí)部與分母的實(shí)部之比等于分子的虛部與分母的虛部之比，具體如公式三和公式四所示：步驟三，設(shè)定C1＝kCS，并對(duì)公式四進(jìn)行整理，獲得其中，k表示比例系數(shù)，k的取值范圍為：將公式五代入公式三，獲得對(duì)公式六進(jìn)行整理，獲得將公式七代入C1＝kCS，獲得將公式八代入公式五，獲得從而完成對(duì)T型阻抗匹配電路中參數(shù)諧振電容C1、諧振電容Cs和諧振電感Ls的設(shè)計(jì)。本實(shí)施方式中，由于CS、C1、LS的值都為正數(shù)，所以k的取值范圍為：具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二所述的應(yīng)用于超高頻DC/DC功率變換器的T型阻抗匹配電路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法的區(qū)別在于，所述的k的取值為1。一、由于匹配網(wǎng)絡(luò)(即：匹配電路)一般都是應(yīng)用于超高頻功率變換器領(lǐng)域，因此在計(jì)算T型阻抗匹配電路中無(wú)源元件參數(shù)值大小的時(shí)候，頻率都應(yīng)在兆赫茲以上，所以分以下兩種情況對(duì)本發(fā)明所述的T型阻抗匹配電路的可行性進(jìn)行驗(yàn)證：1、開(kāi)關(guān)頻率f＝20MHz令ZR＝17Ω，ZL＝5Ω，將k＝0.8、1、1.3帶入公式七至公式九，可得表1中的三組參數(shù)，將以上參數(shù)帶入ZL表達(dá)式，繪制T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL的Bode圖。表1k取不同值時(shí)T型阻抗匹配電路參數(shù)值kCSC1LS0.81157.0pF925.6pF74.1nH1863.1pF863.1pF73.4nH1.3560.4pF728.6pF76.1nH圖9為k取0.8，ZR分別取17Ω，25Ω，30Ω時(shí)的Bode圖，從Bode圖中看出，只有ZR取17Ω，在20MHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)ZL依然呈阻性。圖10為k取1，ZR分別取17Ω，25Ω，30Ω時(shí)的Bode圖，從Bode圖中看出，即使ZR值改變，ZL在20MHz開(kāi)關(guān)頻率下依然呈阻性。圖11為k取1.3，ZR分別取17Ω，25Ω，30Ω時(shí)的Bode圖，從Bode圖中看出，依舊只有ZR取17時(shí)ZL才能呈阻性。2、開(kāi)關(guān)頻率f＝30MHz再次令ZR＝17Ω，ZL＝5Ω，將k＝0.8、1、1.3帶入公式七至公式九，可得表2中的三組參數(shù)，將以上參數(shù)帶入ZL表達(dá)式，繪制T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL的Bode圖。表2k取不同值時(shí)T型匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值kCSC1LS0.8771.3pF617.1pF49.4nH1575.4pF575.4pF48.9nH1.3373.6pF485.7pF50.7nH圖12至圖14分別是k取0.8、1、1.3時(shí)，改變ZR得出ZL的Bode圖，從以上三幅圖可以看出，依舊只有k取1時(shí)，ZR大小的改變不會(huì)對(duì)ZL的相位產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)以上分析，開(kāi)關(guān)頻率分別為20MHz和30MHz，從ZL的Bode圖可以看出，當(dāng)k<1時(shí)，ZR的變化會(huì)使ZL幅值與相位都發(fā)生改變，幅值減小，相位呈感性，k>1時(shí)，ZR對(duì)ZL的幅值與相位也會(huì)產(chǎn)生影響，幅值在減小的同時(shí)，相位逐漸呈容性，只有當(dāng)k＝1時(shí)，ZR的變化不會(huì)對(duì)ZL的相位產(chǎn)生影響，即此時(shí)的ZL依舊呈阻性，因此在使用T型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行超高頻功率變換器的電路設(shè)計(jì)時(shí)，若想實(shí)現(xiàn)ZL保持阻性不變，k值必須取1。二、將本發(fā)明所述的T型阻抗匹配電路應(yīng)用于ClassE電路上，具體參見(jiàn)圖5，ClassE諧振變換器拓?fù)湟话阌梢粋€(gè)開(kāi)關(guān)管結(jié)合一個(gè)合適的阻抗網(wǎng)絡(luò)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，能使得開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓)導(dǎo)通，由于ClassE電路能實(shí)現(xiàn)高頻下高效率和高功率密度，而且不論窄帶寬還是寬帶寬都能實(shí)現(xiàn)電路的功率變化，因此ClassE功率放大器的研究一直是國(guó)際上的熱點(diǎn)。T型阻抗匹配電路用于ClassE電路拓?fù)淙鐖D5所示，當(dāng)?shù)刃щ娮鑊R呈現(xiàn)為阻性時(shí)，在開(kāi)關(guān)頻率下經(jīng)過(guò)T型阻抗匹配電路的等效阻抗ZL也會(huì)呈現(xiàn)為阻性，此時(shí)對(duì)于諧振在某一特定開(kāi)關(guān)頻率下的電感LF與電容CF，開(kāi)關(guān)管能實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓導(dǎo)通)，即：使輸出功率變化，等效阻抗ZL依舊呈現(xiàn)為阻性，同時(shí)開(kāi)關(guān)管S保持ZVS，因此T型阻抗匹配電路能保證開(kāi)關(guān)管S實(shí)現(xiàn)ZVS，減小損耗，提高電路整體效率。驗(yàn)證試驗(yàn)：要驗(yàn)證本發(fā)明所述T型阻抗匹配電路的可行性，需借助完整的超高頻電路拓?fù)洌赃@里采用ClassE電路來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。ClassE逆變電路的特點(diǎn)是對(duì)阻性負(fù)載大小變化并不敏感，但當(dāng)負(fù)載表現(xiàn)出感性或容性時(shí)，其開(kāi)關(guān)管兩端的電壓波形則會(huì)有較大的變化，因此在這里采用ClassE電路進(jìn)行驗(yàn)證T型阻抗匹配電路的可行性非常適合，正常情況下超高頻電路拓?fù)鋺?yīng)由逆變環(huán)節(jié)、匹配網(wǎng)絡(luò)、整流環(huán)節(jié)三部分構(gòu)成，但本申請(qǐng)重點(diǎn)在于介紹新型的T型阻抗匹配電路，所以把整流環(huán)節(jié)等效為電阻ZR，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)用L型匹配網(wǎng)絡(luò)的ClassE電路如圖6所示，與之進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了T型阻抗匹配電路的實(shí)用性。本發(fā)明給出了在20MHz開(kāi)關(guān)頻率下兩種匹配電路的Pspice仿真對(duì)比圖，首先根據(jù)公式十一、公式十二求出L型匹配電路的電感LS、電容CS的值，再分別仿真負(fù)載變化時(shí)兩種不同拓?fù)溟_(kāi)關(guān)管漏源極的電壓波形，進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論。1、L型匹配電路的ClassE電路仿真L型匹配電路的仿真電路如圖6所示，各元件參數(shù)如表3，整流環(huán)節(jié)的等效電阻ZR＝17Ω時(shí)，開(kāi)關(guān)管S兩端的電壓為半正弦波，且在開(kāi)關(guān)管S即將關(guān)斷時(shí)其兩端的電壓平穩(wěn)降為零，實(shí)現(xiàn)ZVS，但從圖7的仿真波形中可以看出，當(dāng)?shù)刃щ娮鑊R分別取25Ω、30Ω時(shí)，開(kāi)關(guān)管S兩端電壓vDS的波形則不能實(shí)現(xiàn)ZVS。表3L型匹配電路主要器件參數(shù)元件參數(shù)開(kāi)關(guān)管SSI7454DDPLF22nHCF1500pFLS87.3nHCS1027.3pFVIN5Vf20MHzD0.52、T型匹配電路的ClassE電路仿真首先,列出仿真參數(shù)如表4所示，再對(duì)如圖5所示T型匹配電路的ClassE電路進(jìn)行Pspice仿真，仿真結(jié)果如圖8所示，從仿真圖中可以看出，在額定電阻ZR＝17Ω，及整流環(huán)節(jié)等效電阻ZR分別取25Ω和30Ω時(shí)，開(kāi)關(guān)管S兩端的半正弦電壓vDS都能較好的實(shí)現(xiàn)ZVS。表4T型匹配電路主要器件參數(shù)通過(guò)對(duì)以上兩種匹配電路的仿真對(duì)比，很明顯得出T型匹配電路在ClassE型超高頻電路應(yīng)用中的優(yōu)越性及可行性。在實(shí)際應(yīng)用中，T型匹配電路能增加電阻變化率，同時(shí)減小開(kāi)關(guān)損耗，提升系統(tǒng)的效率，在超高頻領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3