電流源輸入型諧振軟開關DC/DC變換器的制作方法與工藝

本發明涉及一種電力電子電能變換電路，尤其涉及一種隔離型軟開關諧振DC/DC電路。

背景技術：
諧振型DC/DC變流器以其低開關損耗、高開關頻率在中高壓直流變換應用場合受到廣泛應用。其中，諧振型的DC/DC采用固定頻率和占空比的輸出不調整的控制方式時，開關頻率可以在MHz以上，同時效率能夠達到97%以上，如圖1所示，這是一般的PWM變流器所不具有的優勢。采用固定占空比和頻率的控制方式，使串聯諧振電路工作在諧振點，此時開關管的驅動邏輯簡單，磁性元件易于優化，元器件利用率高，環流最小，從而獲得最高效率。但是，由于串聯諧振電路中的諧振電容必須在交流回路中，其等效電路如圖2所示，因此變壓器必須工作在雙端勵磁方式，且采用雙端整流結構，才能夠滿足電容的安秒平衡，這限制了這一拓撲的應用場合，尤其是在小功率場合的應用，對成本很敏感，開關管數量越少越好，因此，半橋結構顯然不合適小功率應用。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種能夠滿足各種功率等級應用場合的電流源輸入型諧振軟開關DC/DC變換器。與現有技術相比，本發明的有益效果是：提供一種電流源輸入型諧振軟開關DC/DC變換器，包括輸入電壓源、變壓器、輸入電感、諧振電容和諧振電感；所述變壓器的副邊整流結構為雙端整流結構或單端整流結構，所述諧振電感與原邊繞組串聯在同一條支路中；所述諧振電容位于變壓器輸入端的直流側，且輸入電感設于諧振電容與輸入電壓源之間作為電流源，利用諧振電容與諧振電感的諧振以實現零電流軟開關。本發明中，所述變壓器輸入端的直流側具有如下結構中的任意一種：（1）輸入電壓源的正端接到輸入電感的一端，兩個諧振電容串聯后跨接至輸入電壓源的負端和輸入電感的另一端；兩個諧振電容之間的中點經諧振電感連接到變壓器原邊繞組的非同名端，原邊繞組的同名端接到兩個開關管構成的橋臂的中點；兩個開關管構成的橋臂與兩個諧振電容串聯后的兩端并聯；（2）輸入電壓源的正端接到輸入電感的一端；諧振電容跨接至輸入電壓源的負端和輸入電感的另一端；分別由兩個開關管組成的兩個橋臂均與諧振電容并聯，變壓器原邊繞組的同名端接到一個橋臂的中點，變壓器原邊繞組的非同名端經諧振電感接到另一個橋臂的中點；（3）輸入電壓源的正端接到輸入電感的一端；諧振電容跨接至輸入電壓源的負端和輸入電感的另一端；變壓器原邊有兩個繞組，第一繞組的同名端與第二繞組的非同名端相連接，且同時連接到輸入電感與諧振電容的連接處；第一繞組的非同名端經諧振電感接到第一開關管的一端，第二繞組的同名端經諧振電感接到第二開關管的一端，兩個開關管的另一端均接到輸入電壓源的負端；（4）輸入電壓源的正端接到輸入電感的一端；第一諧振電容跨接至輸入電壓源的負端和輸入電感的另一端；變壓器原邊有兩個繞組，第一繞組的同名端與第二開關管的一端相連接，且同時連接到輸入電感與諧振電容連接處；第一繞組的非同名端經諧振電感接到第一開關管的一端，第二繞組的非同名端接到第二開關管的另一端；第一開關管的另一端、原邊第二繞組的同名端經諧振電感接到輸入電壓源的負端；第二諧振電容一端接到第二繞組的非同名端，另一端接到第一繞組的非同名端；（5）輸入電壓源的正端接到輸入電感的一端；諧振電容跨接至輸入電壓源的負端和輸入電感的另一端；變壓器原邊繞組的同名端經諧振電感連接到輸入電感與諧振電容的連接處；原邊繞組非同名端接到開關管的一端；開關管的另一端接到輸入電壓源的負端；（6）輸入電壓源的正端接到輸入電感的一端；諧振電容跨接至輸入電壓源的負端和輸入電感的另一端；變壓器原邊繞組的同名端經諧振電感連接到輸入電感與諧振電容的連接處；原邊繞組非同名端接到第一開關管的一端；第一開關管的另一端接到輸入電壓源的負端；箝位電容與箝位輔助開關串聯后并聯在原邊繞組的兩端。本發明中，所述諧振電感是變壓器漏感或者額外的獨立電感。本發明中，所述雙端整流結構是中心抽頭整流結構、全橋整流結構或倍壓整流結構；所述的單端整流結構是半波整流結構。與現有技術相比，本發明的有益效果在于：1、由于在輸入端采用軟開關并聯諧振技術，使功率開關管工作在零電壓開通以及準零電流關斷狀態，減小功率開關管兩端的電壓和通過功率開關管的電流的重疊時間，減小了功率開關管的開關損耗。2、回收寄生電感或電容上的能量，提升能量轉換效率。3、易于實現高頻化，提升功率密度。4、減小功率開關器件的溫升，提高電路的工作可靠性，提高器件和電路的使用壽命。5、相比交流側諧振軟開關拓撲，諧振電容的電流應力降低，也降低了電壓應力。6、本發明提出的方法適合更多拓撲結構，滿足更多應用場合的優化要求。附圖說明圖1傳統的半橋LC串聯諧振DC/DC；圖2諧振電容串聯在交流側的DCX簡化框圖；圖3諧振電容在直流側的隔離型諧振DC/DC原理簡化框圖；圖4諧振電容在直流側的開關導通時諧振模態的簡化等效圖；圖5諧振電容在直流側的開關導通時各電量波形；圖6諧振電容在直流側的電流源輸入占空比固定為0.5半橋諧振DCX；圖7諧振電容在直流側的電流源輸入占空比固定為0.5全橋諧振DCX；圖8諧振電容在直流側的電流源輸入占空比固定為0.5推挽諧振DCX；圖9諧振電容在直流側的電流源輸入占空比固定為0.5推挽正激諧振DCX；圖10諧振電容在直流側的電流源輸入占空比固定的正激諧振DCX；圖11諧振電容在直流側的電流源輸入占空比固定的有源箝位正激諧振DCX；圖12是本發明采用全橋整流的軟開關單相半橋諧振DC/DC變換器電路結構示意圖；圖13是本發明采用倍壓整流的軟開關單相半橋諧振DC/DC變換器電路結構示意圖；圖14是本發明采用全橋整流的軟開關單相全橋諧振DC/DC變換器電路結構示意圖；圖15是本發明采用倍壓整流的軟開關單相全橋諧振DC/DC變換器電路結構示意圖；圖16是本發明采用全橋整流的軟開關單相推挽諧振DC/DC變換器電路結構示意圖；圖17是本發明采用倍壓整流的軟開關單相推挽諧振DC/DC變換器電路結構示意圖；圖18是本發明采用全橋整流的軟開關單相推挽正激諧振DC/DC變換器電路的結構示意圖；圖19是本發明采用倍壓整流的軟開關單相推挽正激諧振DC/DC變換器電路的結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細說明。本發明中提出了構建新型諧振軟開關電路方法，通過將諧振電容移到輸入端的直流側，并在電容與輸入電壓源之間插入一個電感，作為電流源，其余部分與傳統的DC/DC電路相同如圖3所示，然后利用電容Cr與電路中電感Lr諧振，實現軟開關。電感Lr可以是外加的獨立電感，也可以是變壓器的漏感。當開關管導通時，電容Cr和電感Lr開始諧振，輸出電壓等效為Vo，其等效電路為圖4所示，輸入電壓源Vin的一端與輸入電感Lin的一端相連，電感Lin的另一端與諧振電容Cr的一端相連，Cr的另一端連接到Vin的另一端。開關管S1開通時，Cr與Lr構成諧振LC諧振回路，輸出電壓Vo串聯在諧振回路中，因此諧振電流流過輸出電壓源Vo，負載RL并聯在Vo的兩端。各電量典型波形如圖5所示。為了能夠在全負載范圍實現軟開關，簡化控制，其開關管的占空比固定，開關頻率也固定，因此輸出電壓不具有調整能力，可以看作直流變壓器（DCX）。基于該方法，本發明首先提出了一種電流源輸入型半橋諧振DCX，橋臂上、下開關管的導通時間相等，各占50%的開關周期，并考慮橋臂上、下開關管時間。輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；半橋拓撲中要將諧振電容分為兩個，兩個電容串聯后跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；在兩個電容之間構建一個中點，連接到變壓器原邊繞組的非同名端，原邊繞組的同名端接到兩個開關管構成的橋臂的中點；開關管構成的橋臂與兩個諧振電容串聯后的兩端并聯；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中；變壓器副邊的整流結構需要雙端整流結構，可以是中心抽頭整流結構，也可以是全橋整流結構，還可以是倍壓整流結構。圖6中的實施方式以中心抽頭整流結構為例，系雙端整流結構。在上述方法的基礎上，本發明提出了一種電流源輸入型全橋諧振DCX，每個橋臂上、下開關管的導通時間相等，各占50%的開關周期，并考慮橋臂上、下開關管時間。輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；諧振電容跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；兩個橋臂與諧振電容并聯，變壓器原邊繞組兩端，分別接到兩個橋臂的中點；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中；變壓器副邊的整流結構需要雙端整流結構，可以是中心抽頭整流結構，也可以是全橋整流結構，還可以是倍壓整流結構。圖7中的實施方式以中心抽頭整流結構為例，系雙端整流結構。在上述方法的基礎上，本發明提出了一種電流源輸入型推挽諧振DCX，兩個開關管的導通時間相等，各占50%的開關周期，并考慮一定的開關管死區時間；輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；諧振電容跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；變壓器原邊兩個繞組，原邊第一繞組的同名端與第二繞組的非同名端相連接，然后連接到輸入電感與諧振電容連接處；第一繞組的非同名端接到開關管S1的一端，第二繞組的同名端接到第二開關管S2一端，兩個開關的另一端接到輸入負端；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中；變壓器副邊的整流結構需要雙端整流結構，可以是中心抽頭整流結構，也可以是全橋整流結構，還可以是倍壓整流結構。圖8中的實施方式以中心抽頭整流結構為例，系雙端整流結構。在上述方法的基礎上，本發明提出了一種電流源輸入型推挽正激諧振DCX，兩個開關管的導通時間相等，各占50%的開關周期，并考慮一定的開關管死區時間；輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；第一諧振電容Cr1跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；變壓器原邊兩個繞組，原邊第一繞組W1的同名端與第二開關管的一端相連接后，再連接到輸入電感與諧振電容連接處；第一繞組的非同名端接到開關管S1的一端，第二繞組的非同名端接到第二開關管S2的另一端；第一開關的另一端和第二繞組的同名端接到輸入的負端。第二諧振電容Cr2一端接到第二繞組的非同名端，另一端接到第一繞組的非同名端；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中；變壓器副邊的整流結構需要雙端整流結構，可以是中心抽頭整流結構，也可以是全橋整流結構，還可以是倍壓整流結構。圖9中的實施方式以中心抽頭整流結構為例，系雙端整流結構。在上述方法的基礎上，本發明提出了一種電流源輸入型正激諧振DCX；輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；諧振電容Cr1跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；變壓器原邊繞組的同名端連接到輸入電感與諧振電容連接處；繞組非同名端接到開關管S1的一端；開關S1的另一端接到輸入負端；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中；變壓器副邊的整流結構需要單端整流結構，圖10中的實施方式以半波整流結構為例，系單端整流結構。在上述方法的基礎上，本發明提出了一種電流源輸入型有源箝位正激諧振DCX；輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；諧振電容Cr1跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；變壓器原邊繞組的同名端連接到輸入電感與諧振電容連接處；繞組非同名端接到開關管S1的一端；開關S1的另一端接到輸入負端；箝位電容Cc與箝位輔助開關Sa串聯后并聯在變壓器原邊繞組的兩端；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中；變壓器副邊的整流結構需要單端整流結構，圖11中的實施方式以半波整流結構為例，系單端整流結構。采用本發明的諧振軟開關DC/DC變換器電路，可以減小功率開關管兩端的電壓和通過功率開關管的電流的重疊時間，使開關器件的功率損耗減小。本發明能降低電路的能耗，節約能源，提高能量轉化效率，減小功率開關器件的熱能產生，提高電路的工作穩定性，提高器件和電路的使用壽命。本發明適合于DC/DC直流電壓轉換的電源電路。采用軟開關技術，在輸入級利用諧振電感(Lr)和諧振電容(Cr)產生并聯諧振，使功率開關管工作在零電壓開通以及準零電流關斷狀態，減小功率開關管兩端的電壓和通過功率開關管的電流的重疊時間，從而減小了功率開關管的開關損耗。應用實施例1：一種單相隔離型軟開關半橋諧振DC/DC電路，高頻變壓器副邊采用全橋整流結構和倍壓整流結構，其電路結構分別如圖12和圖13所示。具體連接方式為：輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；半橋拓撲中要將諧振電容分為兩個，兩個電容串聯后跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；在兩個電容之間構建一個中點，連接到變壓器原邊繞組的非同名端，原邊繞組的同名端接到兩個開關管構成的橋臂的中點；開關管構成的橋臂與兩個諧振電容串聯后的兩端并聯；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中。如圖12所示，變壓器副邊采用全橋整流結構，整流二極管D1、D2構成一個橋臂，其中點連接到變壓器副邊繞組同名端，整流二極管D3、D4構成另一個橋臂，其中點連接到變壓器副邊繞組非同名端；D1、D4的共陰極和D2、D3的共陽極構成的兩端與輸出濾波電容和負載并聯。如圖13所示變壓器副邊采用倍壓整流結構。變壓器副邊繞組同名端連接到電容C1，C1另一端接到D1、D2構成的橋臂的中點；變壓器副邊繞組非同名端連接到D2的陽極；D1、D2構成的橋臂的兩端與輸出濾波電容和負載并聯。應用實施例2：一種單相隔離型軟開關全橋諧振DC/DC電路，高頻變壓器副邊采用全橋整流結構和倍壓整流結構，其電路結構分別如圖14和圖15所示。具體連接方式為：輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；諧振電容跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；兩個橋臂與諧振電容并聯，變壓器原邊繞組兩端，分別接到兩個橋臂的中點；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中。如圖14所示，變壓器副邊采用全橋整流結構，整流二極管D1、D2構成一個橋臂，其中點連接到變壓器副邊繞組同名端，整流二極管D3、D4構成另一個橋臂，其中點連接到變壓器副邊繞組非同名端；D1、D4的共陰極和D2、D3的共陽極構成的兩端與輸出濾波電容和負載并聯。如圖15所示變壓器副邊采用倍壓整流結構。變壓器副邊繞組同名端連接到電容C1，C1另一端接到D1、D2構成的橋臂的中點；變壓器副邊繞組非同名端連接到D2的陽極；D1、D2構成的橋臂的兩端與輸出濾波電容和負載并聯。應用實施例3：一種單相隔離型軟開關推挽諧振DC/DC電路，高頻變壓器副邊采用全橋整流結構和倍壓整流結構，其電路結構分別如圖16和圖17所示。具體連接方式為：輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；諧振電容跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；變壓器原邊兩個繞組，原邊第一繞組的同名端與第二繞組的非同名端相連接，然后連接到輸入電感與諧振電容連接處；第一繞組的非同名端接到開關管S1的一端，第二繞組的同名端接到第二開關管S2一端，兩個開關的另一端接到輸入負端；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中。如圖16所示，變壓器副邊采用全橋整流結構，整流二極管D1、D2構成一個橋臂，其中點連接到變壓器副邊繞組同名端，整流二極管D3、D4構成另一個橋臂，其中點連接到變壓器副邊繞組非同名端；D1、D4的共陰極和D2、D3的共陽極構成的兩端與輸出濾波電容和負載并聯。如圖17所示變壓器副邊采用倍壓整流結構。變壓器副邊繞組同名端連接到電容C1，C1另一端接到D1、D2構成的橋臂的中點；變壓器副邊繞組非同名端連接到D2的陽極；D1、D2構成的橋臂的兩端與輸出濾波電容和負載并聯。應用實施例4：一種單相隔離型軟開關推挽正激諧振DC/DC電路，高頻變壓器副邊采用全橋整流結構和倍壓整流結構，其電路結構分別如圖18和圖19所示。具體連接方式為：輸入電壓源的正端接到輸入電感Lin的一端；第一諧振電容Cr1跨接在輸入電壓的負端和電感Lin的另一端；變壓器原邊兩個繞組，原邊第一繞組W1的同名端與第二開關管的一端相連接后，再連接到輸入電感與諧振電容連接處；第一繞組的非同名端接到開關管S1的一端，第二繞組的非同名端接到第二開關管S2的另一端；第一開關的另一端和第二繞組的同名端接到輸入的負端。第二諧振電容Cr2一端接到第二繞組的非同名端，另一端接到第一繞組的非同名端；變壓器等效漏感與原邊繞組串聯在一條支路中。如圖18所示，變壓器副邊采用全橋整流結構，整流二極管D1、D2構成一個橋臂，其中點連接到變壓器副邊繞組同名端，整流二極管D3、D4構成另一個橋臂，其中點連接到變壓器副邊繞組非同名端；D1、D4的共陰極和D2、D3的共陽極構成的兩端與輸出濾波電容和負載并聯。如圖19所示變壓器副邊采用倍壓整流結構。變壓器副邊繞組同名端連接到電容C1，C1另一端接到D1、D2構成的橋臂的中點；變壓器副邊繞組非同名端連接到D2的陽極；D1、D2構成的橋臂的兩端與輸出濾波電容和負載并聯。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的若干個具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。