隔离式并联CUK推挽拓扑的制作方法

本发明属于电源技术领域，特别是隔离式并联cuk推挽拓扑。

背景技术：

传统非隔离式拓扑有降压型buck、升压型boost、升降压型buck-boost、cuk型、sepic型和zeta型，降压型buck只能降压不能升压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单，应用于各种降压型开关稳压器。升压型boost只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单，应用于升压型开关稳压器、升压型功率因数校正电路(pfc)。升降压型buck-boost能降压能升压，输出与输入极性相反，输入输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单，应用于反相型开关稳压器。cuk型能降压能升压，输出与输入极性相反，输入输出电流脉动小，不能空载工作，结构复杂，应用于对输入输出纹波要求高的反相型开关稳压器。sepic型能降压能升压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构复杂，应用于升降压型功率因数校正(pfc)电路。zeta型能降压能升压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，不能空载工作，结构复杂，应用于对输出纹波要求高的升降压型开关稳压器。

传统隔离式拓扑有正激型、反激型、全桥型、半桥型和推挽型。正激型电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单，缺点是变压器单向励磁，利用率低。功率范围几百瓦～几千瓦，应用于各种中、小功率开关电源。反激型电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单，但难以达到较大的功率，变压器单向励磁，利用率低，功率范围是几瓦～几十瓦，适用于小功率和消费电子设备、计算机设备开关电源。全桥型的优点是变压器双向励磁，容易达到大功率，但是结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题，功率范围是几百瓦～几百千瓦，适用于大功率工业用开关电源、焊接电源、电解电源等。半桥型的优点是变压器双向励磁，无变压器偏磁问题，开关较少，成本低，但有直通问题，可靠性胝，需要复杂的隔离驱动电路，功率范围是几百瓦～几千瓦，适用于各种工业用开关电源，计算机设备用电源等。推挽型的优点是变压器双向励磁，变压器一次电流回路只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单，但有偏磁问题，功率范围是几百瓦～几千瓦，适用于低输入电压的开关电源。

由上可知，在各种拓扑中输入输出纹波最小的是cuk拓扑，但传统cuk拓扑是非隔离式，存在一定的缺陷。

如图1所示，传统非隔离式cuk拓扑工作原理如下：

①当电力电子开关t1未工作之前，输入电源v1n经电感lin和二极管dk，向电容ci充电，电容电压uci＝uin。这时输出电压vout为零。

②当电力电子开关t1，受控于脉冲信号ugs而饱合导通时，由于串联电感lin的作用，电力电子开关t1是零电流导通zct软开关；这是uin输入电源电能转化为lin磁能的时段，也是电容ci经导通的电力电子开关t1放电，拉动电感lo有ilo电流，向电容co充电，同时向负载ro输出uout，(与输入uin反极性)。

③当电力电子开关t1，从导通(on)转变为截止(off)，电感lin的电流大小和方向不能突变，这时磁能转化为电容ci的电能，二极管正向导通压降很小可以忽略，可以认为电力电子开关t1是零电压截止zvt软开关过程。同时电感lo的电流经二极管dk续流，向电容co充电同时向负载r0供电，由于l0-c0滤波作用，所以输出电压vout的纹波较小。

④由以上可知，电力电子开关t1承受最高电压udsm为：

udsm＝uin+uout

电容ck承受最高电压udkm：

udkm＝uin+uout

电压变换的电压比：

⑤缺点：传统非隔离式cuk拓扑，只能输出直流，而且是反极性直流，不能输出交流电，局限了使用的灵活性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能输出交流电、能克服直流偏磁问题、能克服漏电感的负面影响、输入纹波和输出纹波都很小、电功效率达0.95以上的隔离式并联cuk推挽拓扑。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

隔离式并联cuk推挽拓扑，输入直流电源u1n的正极同时连接电力电子开关t1的漏极和变压器tr的初级绕组n12的同名端，初级绕组n12的异名端同时连接电力电子开关t2的漏极和电容ci的一端，电容ci的另一端同时连接变压器tr的初级绕组n11的异名端和电力电子开关t1的源极，初级绕组n11的同名端同时连接电力电子开关t2的源极和输入直流电源u1n的负极；变压器tr的次级绕组n2向负载供电；

所述电力电子开关t1和电力电子开关t2均采用gan晶体管，电力电子开关t1有伴生的体二极管d1，电力电子开关t2有伴生的体二极管d2；电力电子开关t1和电力电子开关t2受控于输入控制脉冲交替导通或截止。

所述电力电子开关t1的栅极和源极之间、电力电子开关t2的栅极和源极之间分别连接输入控制脉冲，由输入控制脉冲控制电力电子开关t1和电力电子开关t2交替导通或截止。

所述电力电子开关t1和电力电子开关t2均采用gs61004b。

本发明的显著优点在于：

1、传统的cuk拓朴是非隔离式的，而本发明的拓扑结构是隔离式的，防触电安全性好。

2、传统的cuk拓朴只用一只电力电子开关，而本发明采用两只电力电子开关，输出较大。

3、传统的cuk拓朴只能输出与输入电压极性相反的直流，而本发明可以输出交流，灵活方便。

4、传统的cuk拓朴的电感存在直流偏磁问题，只使用磁性材料第i象限，而本发明充分使用磁性材料第i至第iii象限，克服直流偏磁问题。

5、传统的cuk拓朴的优点是输入纹波和输出纹波都很小，本发明的输入法纹波也很小，由于是推挽式双向激磁，隔离式次级具有信频作用如需输出直流时，信频的纹波也很容易滤平纹波。能实现输入电流纹波小于50ma，输出电压纹波小于200mv。

6、本发明是零电流导通、零截止的zczvt软开关。

7、本发明能把漏电感在电力电子开关瞬变过程所贮存的磁能，在下一个半波中转化为电能正能量缴磁，能克服漏电感的负面影响。有效提升电功效率，使电功效率e_ff在0.95以上。

8、本发明能把杂散分布电容和寄生电感等相关的杂波电磁能量，全部整流后反馈给输入电源，有效提升电功效率，使电功效率e_ff在0.95以上。

9、本发明的次级如果采用同步整流，则很方便运行于dc-dc双向能量传输方式。有效提升电功效率，使电功效率e_ff在0.95以上。

附图说明

图1是传统非隔离式cuk拓扑的电路原理图。

图2是本发明隔离式并联cuk推挽拓扑的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

如图2所示，本发明隔离式并联cuk推挽拓扑，输入电源u1n的正极同时连接电力电子开关t1的漏极和变压器tr的初级绕组n12的同名端，初级绕组n12的异名端同时连接电力电子开关t2的漏极和电容ci的一端，电容ci的另一端同时连接变压器tr的初级绕组n11的异名端和电力电子开关t1的源极，初级绕组n11的同名端同时连接电力电子开关t2的源极和输入电源u1n的负极；变压器tr的次级绕组n2输出交流电，可以经整流后向负载供电；所述电力电子开关t1和电力电子开关t2均采用gan晶体管gs61004b。所述电力电子开关t1的栅极和源极之间连接输入控制脉冲，由输入控制脉冲的脉冲周波控制导通；而电力电子开关t2的栅极和源极之间也连接输入控制脉冲，由输入控制脉冲的另一脉冲周波q控制导通；输入控制脉冲控制电力电子开关t1和电力电子开关t2交替导通或截止。

本实施例中，输入电源u1n为直流350±50v，采用开关电源技术把可变的输入直流电源变换成600v稳压的直流工作母线电压。相对于原来300v-400v的输入电源，这样变换后变压器tr初级电流能减少到原来的三分之二以下，能使初级铜耗减少到原来的一半。

变压器tr采用普通的铁氧体磁芯，频率为16khz-20khz超音频范围内，无噪音，铁损也不太大；功率密度为每立方英寸10w以上，采用平面磁芯或平面绕组，提高工作频率，可以缩小体积，提升功率密度。

本实施例的隔离式并联cuk推挽拓扑工作原理如下：

①本拓扑结构高压侧采用2片电力电子开关管t1和电力电子开关管t2，低压侧采用同步整流方法。

②当电力电子开关t1和电力电子开关管t2未动作之前，输入电源u1n经初级绕组n12、初级绕组n11给电容ci充电，电容ci电压等于电源电压u1n。

③当电力电子开关t1受控于输入控制脉冲周波而饱和导通(on)时段，电力电子开关t2截止(off)，这时输入电源u1n经电力电子开关t1(导通on)向初级绕组n11激磁，电流从电源u1n正极流出，依次流经电力电子开关t1、初级绕组n11，回到电源u1n负极。同时，电容ci贮能经初级绕组n12由电力电子开关t1形成放电回路，电流从初级绕组n12的同名端流出。这两股电流均同方向分别流出初级绕组n11和初级绕组n12的同名端，所以称为“并联推挽”。

④当t1由导通(on)转为截止(off)时，上述初级绕组n11的电感包括漏电感的能量，经电力电子开关t2伴生的体二极管d2向电容ci续流充电。同时，初级绕组n12的电感包括漏电感的能量，也经体二极管d2向输入电源u1n回馈电能。传统隔离式拓扑的“漏电感”是负面因素，而本发明的隔离式cuk推挽拓扑之中，漏电感也是电感，也起贮能及释入磁能转变为正能量激磁电流的作用。这是十分重要的独特优点，预示本发明拓扑在漏电感较大的平面绕组和平面磁芯应用之中，不再惧怕“漏电感”的负面影响，而有更好的作为。

⑤当电力电子开关t2受控于输入控制脉冲另一个周波q由截止转为导通(on)时段，输入电源u1n向初级绕组n12激磁，电流是从初级绕组n12的同名端流入，经电力电子开关t2回到输入电源u1n的负极。同时，电容ci贮能放电，电流流入初级绕组n11的同名端，经电力电子开关t2构成回路。这两股激磁电流均同方向分别流入初级绕组n11和的初级绕组n12的同名端，所以也是“并联推挽”。

⑥当脉冲周波q时段之后，电力电子开关t2由导通(on)转为截止(off)时，初级绕组n12的电感包括漏电感的能量，向电容ci充电，经电力电子开关t1伴生的体二极管d1形成回路。同时，初级绕组n11的电感包括漏电感的能量，经体二极管d1向输入电源u1n回馈电能。由此可见，所有的寄生电感和杂散分布电容，所有电磁杂波电磁能量，均经体二极管整流后回馈给电源，这是本拓扑独特优点，有利于提升电功效率。

⑦传统隔离式cuk初级绕组不能串入电容，而本发明拓扑结构在两初级绕组之间，串入电容ci，加上每一个初级绕组均为双向激磁，克服了传统推挽结构不对称引起的单向直流偏磁的大问题，这是本发明的又一独特亮点，可预示在大批量工业化生产过程中，正品率能够有效提升。

⑧本发明隔离式cuk推挽拓扑，克服了半桥式、全桥式的直通危险。

⑨当代超级计算机的芯片工作电压愈来愈低，次级电流愈来愈大，次级拓扑多数应用同步整流，把次级交流整流为直流，或用超级电容滤波，使本发明拓扑结构很方便就运行在“双向dc-dc”馈能方式，有效提升系统的电功率。

为降低损耗，本实施例的次级同步整流，可以采用两种方式：

a、全波同步整流，即变压器次级绕组带中心抽头，用两只gan晶体管进行整流。

b、桥式同步整流，即变压器次级绕组不带中心抽头，用四只gan晶体管进行整流。

⑩最新gan电力电子开关的伴生体二极管，由于没有传统二极管反向电荷贮存问题，效率很高，运用于本发明电路之中，实践效果超越单晶硅(si)的mosfet运行效果。这也是本发明gan电力电子开关应用过程中的新创新。