專利名稱：交錯串聯dc/dc變換器電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種交錯串聯DC/DC變換器電路。
背景技術：
在專用設備市場，如大電壓小電流充電器以及電動汽車充電站等方面，對具有幾百伏的電源設備需求越來越大，且對于轉換效率能夠達到90%以上，功率因數大于0. 99，符合EMC要求的小型化開關電源更為難得。常規輸出大電壓小電流的開關電源(如中國專利 CN03150858. 8公開的三電平LLC串聯諧振DC/DC變換器)，雖然具有LLC串聯諧振型DC/DC 變換器的優點，并且通過降低每個開關管的電壓應力實現了輸出大電壓的要求，但是在大電壓輸出時，存在著很大的紋波，降低了整個系統的穩定性，同時也不可避免的增大了輸入電容和輸出電容的體積，導致整個DC/DC變換器的體積受到了限制，難以實現小型化的目的。 綜上所述，目前現有技術里的DC/DC變換器存在著紋波大、轉換效率低、不易小型化的缺陷。
發明內容
本發明所要解決的問題是克服上述現有技術的缺陷，提供一種采用交錯串聯技術構成的紋波小，轉換效率高，且便于制作更小型化的高性能的DC/DC變換器電路。本發明的技術方案是一種交錯串聯DC/DC變換器電路，它包括輸入直流電壓、至少兩個DC/DC模塊、濾波電路和負載，它還包括控制電路，所述DC/DC模塊包括第一模塊和第二模塊，所述第一模塊和第二模塊結構相同，所述第一模塊的輸入端與第二模塊的輸入端并聯連接所述輸入直流電壓，所述第一模塊的輸出端與第二模塊的輸出端串聯后連接所述濾波電路和負載，所述控制電路與所述DC/DC模塊連接，所述控制電路對第一模塊和第二模塊的控制信號錯開一定角度。所述第一模塊及第二模塊的實施電路包括分壓電路、箝位電路、開關電路、諧振電路、隔離變壓器和整流電路，所述分壓電路包括第一分壓電容和第二分壓電容，所述第一分壓電容和第二分壓電容串聯后并聯在所述輸入直流電壓兩端成為所述第一模塊的輸入端，所述箝位電路包括第一二極管和第二二極管，所述第一二極管的正極與第二二極管的負極連接并與所述第一分壓電容和第二分壓電容的串聯點和地線相連接，所述開關電路包括第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管串聯而成，所述開關電路與所述分壓電路并聯，所述第一開關管與第二開關管的串聯點連接所述第一二極管的負極，所述第三開關管與第四開關管的串聯點連接所述第二二極管的正極，所述諧振電路包括第一諧振電容、第二諧振電容、諧振電感和勵磁電感，所述第一諧振電容與第二諧振電容串聯后與所述開關電路并聯，所述諧振電感的一端連接所述第二開關管與第三開關管的串聯點，所述諧振電感的另一端連接所述勵磁電感的一端，所述勵磁電感的另一端連接所述第一諧振電容與第二諧振電容的串聯點，所述整流電路由四個整流二極管組成橋式整流電路，所述隔離變壓器的初級與所述勵磁電感并聯，所述隔離變壓器的次級連接所述橋式整流電路的交流輸入端，所述橋式整流電路的直流輸出端連接濾波電路和負載。所述第一模塊及第二模塊的另一實施電路包括開關電路、諧振電路、隔離變壓器和整流電路，直流電壓兩端并聯所述第一模塊的輸入端，所述開關電路包括第一開關管、 第二開關管串聯而成，所述開關電路與所述直流電壓兩端并聯為所述第一模塊的輸入端， 所述諧振電路包括第一諧振電容、第二諧振電容、諧振電感和勵磁電感，所述第一諧振電容與第二諧振電容串聯后與所述開關電路并聯，所述諧振電感的一端連接所述第一開關管與第二開關管的串聯點，所述諧振電感的另一端連接所述勵磁電感的一端，所述勵磁電感的另一端連接所述第一諧振電容與第二諧振電容的串聯點，所述整流電路由四個整流二極管組成橋式整流電路，所述隔離變壓器的初級與所述勵磁電感并聯，所述隔離變壓器的次級連接所述橋式整流電路的交流輸入端，所述橋式整流電路的直流輸出端連接濾波電路和負載。上述兩種實施方案中，所述開關電路與所述控制電路連接，所述控制電路對第一模塊和第二模塊的控制信號錯開角度為90度。上述兩種實施方案中，所述濾波電路由電容器構成。本發明的有益效果是由于本發明包括輸入直流電壓、DC/DC模塊、濾波電路和負載，它還包括控制電路，所述DC/DC模塊包括第一模塊和第二模塊，所述第一模塊和第二模塊結構相同，所述第一模塊的輸入端與第二模塊的輸入端并聯連接所述輸入直流電壓，所述第一模塊的輸出端與第二模塊的輸出端串聯后連接所述濾波電路和負載，所述控制電路與所述DC/DC模塊連接，所述控制電路對第一模塊和第二模塊的控制信號錯開一定角度； 又由于現有LLC諧振半橋DC/DC變換器在整個電源的組成中占有大部分空間位置，而盡可能減小這部分電路的空間占有率，提供這部分元件的自然散熱面積是縮小整個電源體積的主要方式，而且盡可能減小紋波是提高DC/DC變換器性能和效率的保證，本發明正是將單個大功率的DC/DC變換器，拆成兩個DC/DC變換器通過交錯串聯的方式來實現其功率輸出， 所以該變換器輸入、輸出紋波小，轉換效率高，且便于制作成為更小型化的大電壓小電流、 高性能的DC/DC變換器。
圖1為本發明電路的三電平LLC諧振半橋DC/DC變換器的示意圖； 圖2為本發明交錯串聯DC/DC變換器的驅動波形圖3為本發明電路的二電平LLC諧振半橋DC/DC變換器的示意圖； 圖Γ圖9為本發明交錯串聯DC/DC變換器在不同模式下的工作原理圖。
具體實施例方式本發明包括輸入直流電壓、DC/DC模塊、濾波電路和負載，所述DC/DC模塊包括第一模塊DCl和第二模塊DC2，所述第一模塊DCl和第二模塊DC2結構相同，所述第一模塊DCl 的輸入端與第二模塊DC2的輸入端并聯連接所述輸入直流電壓，所述第一模塊DCl的輸出端與第二模塊DC2的輸出端串聯后連接所述濾波電路和負載，所述控制電路與所述DC/DC 模塊連接，所述第一模塊DCl和第二模塊DC2的控制信號錯開一定角度。所述的第一模塊 DCl的輸出與第二模塊DC2的輸出進行串聯，即第一模塊的輸出電壓Vol的負極與第二模塊的輸出電壓Vo2的正極相連，經濾波電路160后得到總的輸出電壓Vo，所述的濾波電路 160由電容器C5組成，用于將脈沖電流轉化成一直流電壓對輸出負載電路提供能量。可以理解，交錯串聯的模塊實施可以為兩個或兩個以上結構相同的DC/DC模塊，所述兩個或兩個以上結構相同的DC/DC模塊中的所述開關電路與所述控制電路連接，所述兩個或兩個以上結構相同的DC/DC模塊的控制信號在具體實施時錯開角度可為90度。下面結合附圖1來說明，本實施例采用交錯串聯LLC諧振半橋DC/DC變換器，由兩個結構相同的DC/DC模塊組成，兩個模塊控制信號錯開90度以實現交錯輸入，輸出通過串聯方式經濾波電路后得到總的輸出電壓。交錯串聯LLC諧振半橋DC/DC變換器中的DC/DC 模塊主要由分壓電路，開關電路，箝位電路，諧振電路，隔離變壓器，整流電路組成，且諧振電路部分采用了兩個電容串聯后與開關電路并聯的接入方式。其中兩個模塊的組成結構及工作模式相同，故僅對第一個模塊DCl進行詳細闡述。第一模塊DC1，用于產生第一路輸出電壓Vol，其包括分壓電路110、箝位電路120、 開關電路130、諧振電路140、隔離變壓器Tl和整流電路150，所述分壓電路110由第一分壓電容Cl和第二分壓電容C2串聯組成，并聯在輸入端，用于將輸入電壓Vin均分，產生兩個僅為輸入電壓一半的電壓源，所述箝位電路120由兩個二極管D1、D2組成，其中第一二極管 Dl陽極連接于分壓電容的中點，陰極連接第一開關管Sl源極與第二開關管S2漏極的接點之間，第二二極管D2陰極連接于分壓電容的中點，陽極連接第三開關管S3源極與第四開關管S4漏極的接點之間，所述開關電路130由4個開關管S1、S2、S3、S4串聯而成，用于將直流電壓逆變成方波電壓或階梯狀電壓，所述諧振電路140包括諧振電容C11、C12、諧振電感 Lsl和勵磁電感Lml，其中，諧振電容由兩個電容Cll和C12串聯構成，并聯于開關電路130， 其中點與隔離變壓器Tl原邊一端相連，兩個諧振電容Cll和諧振電容C12交替工作，即諧振電容C12充電的同時對諧振電容Cl 1放電，諧振電容C12放電的同時對諧振電容Cl 1充電。諧振電感Lsl —端與第二開關管S2的源極相連，另一端與隔離變壓器Tl原邊另一端相連，勵磁電感Lml并聯在所述隔離變壓器Tl的原邊，所述隔離變壓器Tl的副邊與整流電路150相連，所述的整流電路150由4個二極管D11、D12、D13、D14組成，其中Dll和D14為整流電路的對管，D12和D13為整流電路的對管，Dll和D12串聯，D13和D14串聯，隔離變壓器Tl的副邊一端接Dll的陽極，另一端接D14的陰極，Dll和D13的陰極接輸出電壓Vol 的正極，D12和D14的陽極接輸出電壓Vol的負極。其中，整流電路150可以采用全橋整流電路或者中心抽頭整流電路，諧振電感Lsl、k為變壓器原邊串聯的外加電感，勵磁電感Lml、 Lm2為變壓器大的勵磁電感。第一個模塊DCl中4個開關管Si、S2、S3、S4以及第二個模塊DC2中4個開關管 S5、S6、S7、S8的驅動信號如圖2所示，Sl和S2基本是同一驅動信號，只是Sl比S2略微提早一點關斷，S3和S4基本是同一驅動信號，只是S4比S3略微提早一點關斷，S1、S2和 S3、S4的驅動信號為互補信號，且占空比都為50%，Sl (S2)和S4 (S3)驅動信號之間存在一定死區；S5 S8具有和S1 S4相同性質的驅動信號，但S5 S8與S1 S4的控制信號總體錯開90°，以實現交錯控制，通過改變驅動信號的開關頻率實現對輸出電壓的控制，第一模塊 DCl輸出端Vol的負極與第二模塊DC2輸出端Vo2的正極相連，以實現Vo的輸出。如圖3所示，本發明的另一個實施例是略去了分壓電路110、箝位電路120，所述第一模塊DCl包括開關電路130、諧振電路140、隔離變壓器Tl和整流電路150，直流電壓兩端并聯所述第一模塊DCl的輸入端，所述開關電路130包括第一開關管Si、第二開關管S2串聯而成，所述開關電路130與所述直流電壓兩端并聯為所述第一模塊DCl的輸入端，所述諧振電路140包括第一諧振電容C11、第二諧振電容C12、諧振電感Lsl和勵磁電感Lml，所述第一諧振電容Cll與第二諧振電容C12串聯后與所述開關電路130并聯，所述諧振電感Lsl 的一端連接所述第一開關管Sl與第二開關管S2的串聯點，所述諧振電感Lsl的另一端連接所述勵磁電感Lml的一端，所述勵磁電感Lml的另一端連接所述第一諧振電容Cll與第二諧振電容C12的串聯點，所述整流電路150由四個整流二極管組成橋式整流電路，所述隔離變壓器Tl的初級與所述勵磁電感Lml并聯，所述隔離變壓器Tl的次級連接所述橋式整流電路的交流輸入端，所述橋式整流電路的直流輸出端連接濾波電路160和負載。參見圖4 圖9，下面以上述圖1所述的交錯串聯三電平諧振變換器介紹其工作原理
交錯串聯三電平諧振變換器的一個開關周期可以分成6個工作模式，不同模式下的電流流向已通過箭頭的方式在圖中標出。6個工作模式的工作原理分別描述如下
模式1，如圖4所示=Sp S2同時開通。諧振網絡中的一次電流ipl流經上述開關管，并以正弦規律正向增加到最大然后減小，流過電感Lml的電流線性增加；S5A6錯開SpS2IAf 周期也同時開通，其工作情況與S1A2同時開通的方式相同，流過電感Lm2的電流線性增加； 同時副邊二極管Dn、D14, D21, D23正向導通，為負載提供能量，其流過的電流取決于一次電流 ip和勵磁電流im之差。模式2，如圖5所示諧振電感Lsi的電流ipl與電感Lml的電流iml相等，諧振電感 Ls2的電流ip2與電感Lm2的電流im2相等，變壓器原邊電流降為零，副邊電流也降為零，副邊整流二極管Dn、D14, D21, D23零電流關斷。此時勵磁電感Lml、Lffl2脫離輸出電壓的箝位作用， 分別參與諧振電容和諧振電感三者之間的諧振過程。由于Lml、Lffl2比LS1、Lsi大很多，諧振周期較長，在此模式下，可近似認為諧振電流不變。模式3，如圖6所示=S1先于&關斷，S5先于&關斷。一次諧振電流ipl開始對諧振電容C11進行放電，同時對C12進行充電，C12上的電壓上升到了 Vin/2，箝位二極管D1導通， 從而限制了電壓進一步上升。同時C11上的電壓被箝位為零。此時一次諧振電流流經&、 C12、C2以及D1。一次諧振電流ip2開始對諧振電容C21進行放電，同時對C22進行充電，C^2上的電壓上升到了 Vin/2，箝位二極管D3導通，從而限制了電壓進一步上升。同時C21上的電壓被箝位為零。此時一次諧振電流流經S6、C22, C4以及D3。模式4，如圖7所示S3、&同時開通。諧振網絡中的一次電流ipl反向流經上述開關管，并以正弦規律正向增加到最大然后減小，流過電感Lml的電流線性增加；S5A6錯開S7、 S8 1/4個周期也同時開通，其工作情況與S1A2同時開通的方式相同，流過電感Lm2的電流線性增加；同時副邊二極管D12、D13、D22, D24正向導通，為負載提供能量，其流過的電流取決于一次電流ip和勵磁電流im之差。模式5，如圖8所示諧振電感Lsi的電流ipl與電感Lml的電流iml相等，諧振電感 Ls2的電流ip2與電感Lm2的電流im2相等，變壓器原邊電流降為零，副邊電流也降為零，副邊整流二極管D12、D13、D22, D24零電流關斷。此時勵磁電感Lml、Lffl2脫離輸出電壓的箝位作用， 分別參與諧振電容和諧振電感三者之間的諧振過程。由于Lml、Lffl2比LS1、Lsi大很多，諧振周期較長，在此模式下，可近似認為諧振電流不變。
模式6，如圖9所示 先于&關斷，S8先于S7關斷。一次諧振電流ipl開始對諧振電容C11進行充電，同時對C12進行放電，C11上的電壓上升到了 Vin/2，箝位二極管D2導通， 從而限制了電壓進一步上升。同時C12上的電壓被箝位為零。此時一次諧振電流流經&、 C11W1以及D2。一次諧振電流ip2開始對諧振電容C22進行放電，同時對C21進行充電，C21上的電壓上升到了 Vin/2，箝位二極管D4導通，從而限制了電壓進一步上升。同時C22上的電壓被箝位為零。此時一次諧振電流流經S7、C21, C3以及D4。以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍之中。
權利要求
1.一種交錯串聯DC/DC變換器電路，它包括輸入直流電壓、至少兩個DC/DC模塊、濾波電路和負載，其特征在于它還包括控制電路，所述至少兩個DC/DC模塊包括第一模塊 (DCl)和第二模塊(DC2)，所述第一模塊(DCl)和第二模塊(DC2)結構相同，所述第一模塊(DCl)的輸入端與第二模塊(DC2)的輸入端并聯連接所述輸入直流電壓，所述第一模塊 (DCl)的輸出端與第二模塊(DC2)的輸出端串聯后連接所述濾波電路和負載，所述控制電路與所述DC/DC模塊連接，所述控制電路對第一模塊(DCl)和第二模塊(DC2)的控制信號錯開一定角度。
2.根據權利要求1所述的交錯串聯DC/DC變換器電路，其特征在于所述第一模塊 (DCl)包括分壓電路(110)、箝位電路(120)、開關電路(130)、諧振電路(140)、隔離變壓器 (Tl)和整流電路(150)，所述分壓電路(110)包括第一分壓電容(Cl)和第二分壓電容(C2)， 所述第一分壓電容(Cl)和第二分壓電容(C2)串聯后并聯在所述輸入直流電壓兩端成為所述第一模塊(DCl)的輸入端，所述箝位電路(120)包括第一二極管(Dl)和第二二極管(D2)， 所述第一二極管(Dl)的正極與第二二極管(D2)的負極連接并與所述第一分壓電容(Cl)和第二分壓電容(C2)的串聯點和地線相連接，所述開關電路(130)包括第一開關管(Si)、第二開關管(S2)、第三開關管(S3)、第四開關管(S4)串聯而成，所述開關電路(130)與所述分壓電路(110)并聯，所述第一開關管(Si)與第二開關管(S2)的串聯點連接所述第一二極管(Dl)的負極，所述第三開關管(S3)與第四開關管(S4)的串聯點連接所述第二二極管 (D2)的正極，所述諧振電路(140)包括第一諧振電容(C11)、第二諧振電容(C12)、諧振電感(Lsl)和勵磁電感(Lml)，所述第一諧振電容(Cll)與第二諧振電容(C12)串聯后與所述開關電路(130)并聯，所述諧振電感(Lsl)的一端連接所述第二開關管(S2)與第三開關管 (S3)的串聯點，所述諧振電感(Ls 1)的另一端連接所述勵磁電感(Lml)的一端，所述勵磁電感(Lml)的另一端連接所述第一諧振電容(Cll)與第二諧振電容(C12)的串聯點，所述整流電路(150)由四個整流二極管組成橋式整流電路，所述隔離變壓器(Tl)的初級與所述勵磁電感(Lml)并聯，所述隔離變壓器(Tl)的次級連接所述橋式整流電路的交流輸入端，所述橋式整流電路的直流輸出端連接濾波電路(160)和負載。
3.根據權利要求1所述的交錯串聯DC/DC變換器電路，其特征在于所述第一模塊 (DCl)包括開關電路(130)、諧振電路(140)、隔離變壓器(Tl)和整流電路(150)，直流電壓兩端并聯所述第一模塊(DCl)的輸入端，所述開關電路(130)包括第一開關管(Sl )、第二開關管(S2)串聯而成，所述開關電路(130)與所述直流電壓兩端并聯為所述第一模塊(DCl) 的輸入端，所述諧振電路(140)包括第一諧振電容(C11)、第二諧振電容(C12)、諧振電感 (Lsl)和勵磁電感(Lml)，所述第一諧振電容(Cll)與第二諧振電容(C12)串聯后與所述開關電路(130)并聯，所述諧振電感(Lsl)的一端連接所述第一開關管(Si)與第二開關管 (S2)的串聯點，所述諧振電感(Ls 1)的另一端連接所述勵磁電感(Lml)的一端，所述勵磁電感(Lml)的另一端連接所述第一諧振電容(Cll)與第二諧振電容(C12)的串聯點，所述整流電路(150)由四個整流二極管組成橋式整流電路，所述隔離變壓器(Tl)的初級與所述勵磁電感(Lml)并聯，所述隔離變壓器(Tl)的次級連接所述橋式整流電路的交流輸入端，所述橋式整流電路的直流輸出端連接濾波電路(160)和負載。
4.根據權利要求2或3所述的交錯串聯DC/DC變換器電路，其特征在于所述開關電路(130 )與所述控制電路連接，所述控制電路對第一模塊(DCl)和第二模塊(DC2 )的控制信號錯開角度為90度。
5.根據權利要求2或3所述的交錯串聯DC/DC變換器電路，其特征在于所述濾波電路(160)由電容器(C5)構成。
全文摘要
本發明公開了一種交錯串聯DC/DC變換器電路，旨在提供一種紋波小，轉換效率高，且便于制作更小型化的高性能的DC/DC變換器電路。它包括輸入直流電壓、DC/DC模塊、濾波電路和負載，它還包括控制電路，所述DC/DC模塊包括第一模塊(DC1)和第二模塊(DC2)，所述第一模塊(DC1)和第二模塊(DC2)結構相同，所述第一模塊(DC1)的輸入端與第二模塊(DC2)的輸入端并聯連接所述輸入直流電壓，所述第一模塊(DC1)的輸出端與第二模塊(DC2)的輸出端串聯后連接所述濾波電路和負載，所述控制電路與所述DC/DC模塊連接，所述第一模塊(DC1)和第二模塊(DC2)的控制信號錯開一定角度。
文檔編號H02M3/338GK102361403SQ201110156718
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月13日 優先權日2011年6月13日
發明者李永富 申請人:珠海泰坦新能源系統有限公司