双向隔离型谐振变换器的制作方法

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种双向隔离型谐振变换器。

背景技术：

随着开关电源技术的高速发展，越来越多的电源产品朝着高效率(higherefficiency)，高功率密度(higherpowerdensity),高可靠性(higherreliability)和低成本(lowercost)的方向发展。而用于汽车电子的电源模块，除了上面所述的要求，还要求在更高环境温度(higherambienttemperature)条件下工作。

在汽车电子的电源模块中，具有双向充电功能的车载充电器obc(onboardcharger)是重要的组成部分。双向充电是指该obc既可以用于充电，也可以用于放电。充电是指将obc接入市电，给车载高压电池充电；其中，输入电压范围为85～265vac，输出电压范围为275～450vdc(或更宽范围)。放电是指obc从车载高压电池中取直流电，经过电路转换后变成交流电，供给一些车载设备应用或回馈给电网；其中，输入电压范围为275～450vdc(或更宽范围)，输出电压可为220vac。

磁性元件在obc中占有很大比例的体积、重量和损耗，而现有的磁性元件多为分离式结构，即obc电路中的电感和变压器是分离的，互相之间没有任何磁的关联。这样的结构使得磁性元件的尺寸较大，重量较重且损耗也较高。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种双向隔离型谐振变换器，解决了现有的双向隔离型谐振变换器中磁性元件体积大、重量重和损耗高的技术问题。

本发明实施例提供一种双向隔离型谐振变换器，其中，包括第一侧电路、第二侧电路和谐振腔电路，所述谐振腔电路电性耦接于所述第一侧电路与所述第二侧电路之间，

所述谐振腔电路包括第一谐振电容、谐振电感、隔离变压器和第二电容，所述第一谐振电容、所述谐振电感和所述隔离变压器的第一侧绕组串联连接，所述隔离变压器的第二侧绕组和所述第二电容串联连接；

其中，所述谐振电感和所述隔离变压器集成为一集成磁性元件，所述集成磁性元件的磁芯包括电感磁芯部、变压器磁芯部和公共磁芯部，所述谐振电感的电感绕组绕设于所述电感磁芯部上，所述隔离变压器的第一侧绕组和第二侧绕组绕设于所述变压器磁芯部上，所述谐振电感和所述隔离变压器共用所述公共磁芯部以分别形成闭合磁路；

其中，当在所述电感绕组和所述第一侧绕组中通以相同的电流时，所述谐振电感产生的磁通和所述隔离变压器产生的磁通在所述公共磁芯部上的方向相同。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述第一侧电路为全桥电路，包括第一桥臂及第二桥臂，所述第一侧绕组的一端依次通过所述谐振电感和所述第一谐振电容电连接到所述第一桥臂的中点，所述第一侧绕组的另一端电连接到所述第二桥臂的中点。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述第二侧电路为全桥电路，包括第三桥臂及第四桥臂，所述第二侧绕组的一端电连接到所述第三桥臂的中点，所述第二侧绕组的另一端通过所述第二电容电连接到所述第四桥臂的中点。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂及所述第四桥臂均包括串联连接的两个开关管组，中点均位于两个所述开关管组之间。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述双向隔离型谐振变换器的输入电压为vin，所述双向隔离型谐振变换器的输出电压为vo，所述隔离变压器的原副边匝数比为n，当vo>vin/n(定义为升压状态，下同)时，所述隔离变压器的磁通变化滞后于所述谐振电感的磁通变化，滞后的相位间于90度到180度。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述隔离变压器产生的磁通与所述谐振电感产生的磁通在所述公共磁芯部上至少部分抵消。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述电感磁芯部上开设有至少一个气隙。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述电感绕组和所述第一侧绕组由同一线材不断线绕制而成。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述电感绕组和所述第一侧绕组均由三层绝缘线、litz线(利兹线)和膜包线(如pi线，即聚酰亚胺膜包线)中的任一者绕制而成。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述公共磁芯部位于所述电感磁芯部与所述变压器磁芯部之间，当在所述电感绕组和所述第一侧绕组中通以相同的电流时，所述谐振电感产生的磁通和所述隔离变压器产生的磁通中，一个磁通方向为顺时针方向，另一个磁通方向为逆时针方向。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述公共磁芯部位于所述电感磁芯部与所述变压器磁芯部的一侧，当在所述电感绕组和所述第一侧绕组中通以相同的电流时，所述谐振电感产生的磁通和所述隔离变压器产生的磁通方向均为顺时针方向或均为逆时针方向。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述集成磁性元件包括一第一磁芯及两个第二磁芯，所述第一磁芯包括两个第一立柱及连接所述两个第一立柱的第一背部，每一所述第二磁芯均包括两个第二立柱及连接所述两个第二立柱的第二背部，一所述第二磁芯的所述两个第二立柱与另一所述第二磁芯的所述两个第二立柱对应连接，所述第一磁芯的所述两个第一立柱连接于一所述第二磁芯的所述第二背部。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述集成磁性元件包括一第一磁芯及两个第二磁芯，所述第一磁芯包括两个第一立柱及连接所述两个第一立柱的第一背部，每一所述第二磁芯均包括两个第二立柱及连接所述两个第二立柱的第二背部，一所述第二磁芯的所述两个第二立柱与另一所述第二磁芯的所述两个第二立柱对应连接，所述第一磁芯的所述两个第一立柱连接于两个对应连接的所述第二立柱。

上述的双向隔离型谐振变换器，其中，所述集成磁性元件包括第一磁芯及第二磁芯，所述第一磁芯包括三个第一立柱及连接所述三个第一立柱的第一背部，所述第二磁芯包括三个第二立柱及连接所述三个第二立柱的第二背部，其中，所述三个第一立柱与所述三个第二立柱对应连接。

本发明提供的双向隔离型谐振变换器，通过将谐振电感与隔离变压器集成为一体的集成磁性元件，从而减小变换器的体积。同时，通过设置谐振电感和隔离变压器的磁芯结构和绕组绕制方式，使得当在电感绕组和隔离变压器的第一侧绕组中通以相同的电流时，谐振电感产生的磁通和隔离变压器产生的磁通在所述公共磁芯部上的方向相同；进而当该变换器正常工作在升压状态时，使谐振电感产生的磁通和隔离变压器产生的磁通能够至少部分抵消，从而减小该变换器的损耗。

附图说明

图1为本发明双向隔离型谐振变换器的电路示意图；

图2为本发明集成磁性元件第一实施例的连接示意图；

图3为图2中集成磁性元件的结构示意图；

图4为本发明双向隔离型谐振变换器各阶段磁通变化示意图；

图5为本发明集成磁性元件第二实施例的连接示意图；

图6为本发明集成磁性元件第三实施例的连接示意图；

图7为本发明集成磁性元件第四实施例的连接示意图；

图8为本发明集成磁性元件第五实施例的连接示意图；

图9为本发明集成磁性元件第六实施例的连接示意图；

图10为本发明集成磁性元件第七实施例的连接示意图；

图11为本发明集成磁性元件第八实施例的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参照图1至图3，图1为本发明双向隔离型谐振变换器的电路示意图；图2为本发明集成磁性元件第一实施例的连接示意图，图3为图2中集成磁性元件的结构示意图。

如图1至图3所示，本发明实施例的双向隔离型谐振变换器包括：第一侧电路1、第二侧电路2和谐振腔电路3；谐振腔电路3电性耦接于第一侧电路1与第二侧电路2之间；谐振腔电路3包括第一谐振电容c1、谐振电感lr、隔离变压器tx和第二电容c2，第一谐振电容c1、谐振电感lr和隔离变压器tx的第一侧绕组n1串联连接，隔离变压器tx的第二侧绕组n2和第二电容c2串联连接。其中，谐振电感lr和隔离变压器tx集成为一集成磁性元件31，集成磁性元件31的磁芯包括电感磁芯部311、变压器磁芯部312和公共磁芯部313，谐振电感lr的电感绕组lr1绕设于电感磁芯部311上，隔离变压器tx的第一侧绕组n1和第二侧绕组n2绕设于变压器磁芯部312上，谐振电感lr和隔离变压器tx共用公共磁芯部313以分别形成闭合磁路。当在电感绕组lr1和第一侧绕组n1中通以相同的电流时，谐振电感lr产生的磁通和隔离变压器tx产生的磁通在公共磁芯部313上的方向相同。

图2中箭头d1表示为谐振电感lr产生的磁通方向，箭头d2表示为隔离变压器tx产生的磁通方向。按照图2所示的磁芯结构、绕组绕制方式及电流流入方向，在图2视角下，d1、d2均为朝右。但本公开并不以此为限。

值得说明的是，上述“相同的电流”是指流经电感绕组lr1的电流和流经第一侧绕组n1的电流大小和相位相同。

进一步地，电感磁芯部311上开设有至少一个气隙ag，以获得谐振腔电路所需的谐振电感量。

进一步地，第一侧电路1为全桥电路，包括第一桥臂11及第二桥臂12，第一侧绕组n1的一端c依次通过谐振电感lr和第一谐振电容c1电连接到第一桥臂11的中点，第一侧绕组n1的另一端d电连接到第二桥臂12的中点(连接顺序并不以此为限)。第二侧电路2为全桥电路，包括第三桥臂21及第四桥臂22，第二侧绕组n2的一端e电连接到第三桥臂21的中点，第二侧绕组n2的另一端f通过第二电容c2电连接到第四桥臂22的中点。第一侧与第二侧电路也不限于全桥拓扑。

其中，第一桥臂11、第二桥臂12、第三桥臂21及第四桥臂22均包括串联连接的两个开关管组q，中点均位于两个开关管组q之间。在本实施例中，每一开关管组q分别包括一个开关管，如第一桥臂11包括两个串联连接的开关管sp1与开关管sp2，中点为o1；第二桥臂12包括两个串联连接的开关管sp3与开关管sp4，中点为o2；第三桥臂21包括两个串联连接的开关管ss1与开关管ss2，中点为o3；第四桥臂22包括两个串联连接的开关管ss3与开关管ss4，中点为o4。但本发明并不以此为限，在其他实施例中，每一开关管组还可包括并联或串联或混联(各种串并联组合方案)连接的多个开关管，或还包括与开关管反并联的外加二极管。

又进一步地，公共磁芯313部位于电感磁芯部311与变压器磁芯部312之间，当在电感绕组lr1和第一侧绕组n1中通以相同的电流时，谐振电感lr产生的磁通和隔离变压器tx产生的磁通中，一个磁通方向为顺时针方向，另一个磁通方向为逆时针方向。例如，在图2所示的视角下，电感绕组lr1与第一侧绕组n1依次从左至右缠绕于磁芯部上；电流从电感绕组lr1的a端流入，b端流出；再从第一侧绕组n1的c端流入，d端流出。谐振电感lr产生的磁通方向为逆时针方向，隔离变压器tx产生的磁通方向为顺时针方向。

更进一步地，集成磁性元件31包括一第一磁芯cx1及两个第二磁芯cx2，第一磁芯cx1及两个第二磁芯cx2均呈u型，第一磁芯cx1包括两个第一立柱lz1及连接两个第一立柱lz1的第一背部b1，每一第二磁芯cx2均包括两个第二立柱lz2及连接两个第二立柱lz2的第二背部b2，一第二磁芯cx2的两个第二立柱lz2与另一第二磁芯cx2的两个第二立柱lz2对应连接，第一磁芯cx1的两个第一立柱lz1连接于一第二磁芯cx2的第二背部b2。在本实施例中，电感绕组lr1缠绕于第一磁芯cx1的一个第一立柱lz1上，第一侧绕组n1与第二侧绕组n2分别缠绕于两个第二立柱lz2上，且位于上方的第二磁芯cx2的第二背部b2为公共磁芯部313，但本发明并不以此为限，其他实施例容后详述。

进一步地，上述的电感绕组lr1和第一侧绕组n1可由同一线材不断线绕制而成。需要说明的是，电感绕组lr1和第一侧绕组n1可均由三层绝缘线、litz线和pi线中的任一者绕制而成，本发明并不对绕组的材料进行限制。

再进一步地，双向隔离型谐振变换器的输入电压为vin，双向隔离型谐振变换器的输出电压为vo，隔离变压器tx的原副边匝比为n，即第一侧绕组n1与第二侧绕组n2的匝比为n，当vo>vin/n时，隔离变压器tx的磁通变化滞后于谐振电感lr的磁通变化，滞后的相位间于90度到180度。因此，隔离变压器tx的磁通与谐振电感lr的磁通在公共磁芯部313上至少部分抵消，进而减小变换器的损耗。

请参照图4，图4为本发明双向隔离型谐振变换器各阶段磁通变化示意图，周期t＝t1+t2+t3+t4+t5，图4中曲线s1表示谐振电感lr产生的磁通，曲线s2表示隔离变压器tx产生的磁通，曲线s3表示隔离变压器tx产生的磁通与谐振电感lr产生的磁通之和。再结合图1至图3，具体说明本发明实施例双向隔离型谐振变换器的工作过程。

在第一阶段t1，开关管sp1和开关管sp4导通，开关管sp2和开关管sp3断开；开关管ss2和开关管ss4导通，开关管ss1和开关管ss3断开，隔离变压器tx的副边绕组n2短路；此时相当于vin给谐振电感lr充电。具体地，原边电路1的电流沿vin→sp1→c1→lr→n1→sp4→vin流动，电压vo1o2＝vin，副边电路的电流沿n2→ss2→ss4→c2→n2流动，电压vo3o4＝0，即副边绕组n2被短接。谐振电感lr产生的磁通近似从0线性增大，隔离变压器tx的磁通维持负的最大值。

在第二阶段t2，开关管ss1和开关管ss4导通，开关管ss2和开关管ss3断开，原边电路1的开关管状态不变，电压vin与谐振电感lr联合向副边电路传递能量。具体地，副边电路的电流沿n2→ss1→vo→ss4→c2→n2流动，电压vo＝vo3o4，即隔离变压器tx向副边传递能量。其中，隔离变压器tx产生的磁通由负方向的最大线性变化到正方向的最大；谐振电感lr产生的磁通以正弦变化方式先继续增大再逐步减小。

在第三阶段t3，开关管sp2和开关管sp3导通，开关管sp1和开关管sp4断开，副边电路2的开关管状态不变，电压vin与谐振电感lr联合向副边电路传递能量。具体地，原边电路的电流沿vin→sp2→c1→lr→n1→sp3→vin流动，电压vo1o2＝-vin，即隔离变压器tx向副边传递能量。其中，隔离变压器tx产生的磁通保持不变，谐振电感lr产生的磁通从正方向逐步减小至零后，再往负方向逐步变大。

在第四阶段t4，开关管ss2和开关管ss3导通，开关管ss1和开关管ss4断开，原边电路1的开关管状态不变，电压-vin与谐振电感lr联合向副边电路传递能量。具体地，副边电路的电流沿n2→c2→ss3→vo→ss2→n2流动，电压vo＝vo3o4，即隔离变压器tx向副边传递能量。其中，隔离变压器tx产生的磁通由正方向的最大线性变化到负方向的最大；谐振电感lr产生的磁通以正弦变化方式沿负方向先继续增大至最大，再逐步减小。

在第五阶段t5，开关管sp1和开关管sp4导通，开关管sp2和开关管sp3断开，vin给谐振电感lr充电；开关管ss2和开关管ss4导通，开关管ss1和开关管ss3断开，隔离变压器tx的副边绕组n2短路。具体地，原边电路1的电流沿vin→sp1→c1→lr→n1→sp4→vin流动，电压vo1o2＝vin，副边电路的电流沿n2→ss2→ss4→c2→n2流动，电压vo3o4＝0，即副边绕组n2被短接；谐振电感lr产生的磁通沿负方向近似线性减小到0，隔离变压器tx产生的磁通维持负的最大值。

变换器在一个周期内的工作状态包括上述五个阶段，图示中的第五阶段t5与下一周期的第一阶段t1相衔接。其中，以曲线s1上的点ds1和曲线s2上的点ds2的磁通进行说明，点ds1的磁通为正，点ds2的磁通为负，则它们在公共磁芯部313上的磁通相加后会至少部分抵消。此外，从图4中也可以看出，隔离变压器tx的磁通变化滞后于谐振电感lr的磁通变化，滞后的时间为t1+(t2+t3)/2,折算成相位为π/2<π(t1+(t2+t3)/2)/(t1+t2+t3)<π，即滞后的相位间于90度～180度。从而使得在公共磁芯部313上，隔离变压器tx产生的磁通与谐振电感lr产生的磁通整体上至少部分抵消，二者之和s3会较小，从而降低变换器的损耗。

值得说明的是，上述实施例中，是将隔离变压器tx的第一侧绕组n1用作原边绕组，第二侧绕组n2用作副边绕组；相应的，第一侧电路1用作原边电路，第二侧电路2用作副边电路；能量从第一侧电路1经谐振腔电路3传递到第二侧电路2。但这只是本公开中双向隔离型谐振变换器的一种工作模式，在另一种工作模式下，可将隔离变压器tx的第二侧绕组n2用作原边绕组，第一侧绕组n1用作副边绕组；相应的，第二侧电路2用作原边电路，第一侧电路1用作副边电路；能量从第二侧电路2经谐振腔电路3传递到第一侧电路1。例如，在一种工作模式下，该变换器将输入的市电用于给车载高压电池充电；在另一种工作模式下，该变换器将从车载高压电池中取得的直流电经逆变为交流电后供给一些车载设备应用或回馈给电网。

请参照图5，图5为本发明集成磁性元件第二实施例的连接示意图。图5所示的集成磁性元件与图3所示的集成磁性元件的结构大致相同，因此相同部分在此就不再赘述了，现将不同部分说明如下。在本实施例中，不同的是，电感绕组lr1缠绕于第一磁芯cx1的一个第一立柱lz1上，第一侧绕组n1与第二侧绕组n2缠绕于两个第二立柱lz2上，且电感绕组lr1、第一侧绕组n1与第二侧绕组n2的设置位置为同一水平线上。

请参照图6，图6为本发明集成磁性元件第三实施例的连接示意图。图6所示的集成磁性元件与图5所示的集成磁性元件的结构大致相同，因此相同部分在此就不再赘述了，现将不同部分说明如下。在本实施例中，不同的是，集成磁性元件还包括另一电感绕组lr1’、另一第一侧绕组n1’与另一第二侧绕组n2’；电感绕组lr1’、第一侧绕组n1’与第二侧绕组n2’分别对应地绕设于另一侧的第一立柱lz1与第二立柱lz2上，电感绕组lr1’、第一侧绕组n1’与第二侧绕组n2’与图5中感绕组lr1、第一侧绕组n1与第二侧绕组n2的连接结构及绕制方式相同。

请参照图7，图7为本发明集成磁性元件第四实施例的连接示意图。图7所示的集成磁性元件与图6所示的集成磁性元件的结构大致相同，因此相同部分在此就不再赘述了，现将不同部分说明如下。在本实施例中，不同的是，集成磁性元件包括一个电感绕组lr1，两个第一侧绕组n1、n1’与两个第二侧绕组n2、n2’，电感绕组lr1缠绕于第一磁芯cx1的背部b1上，电感绕组lr1的第二端b电性连接两个第一侧绕组n1、n1’的第一端c。

请参照图8，图8为本发明集成磁性元件第五实施例的连接示意图。如图8所示，在本实施例中，集成磁性元件31包括一第一磁芯cx1及两个第二磁芯cx2，第一磁芯cx1及第二磁芯cx2的结构与前述实施例中的结构相同，不同的是，第一磁芯cx1的两个第一立柱lz1连接于两个对应连接的第二立柱lz2。其中，电感绕组lr1缠绕于第二磁芯cx2的外侧的第二立柱lz2上，第一侧绕组n1与第二侧绕组n2缠绕于第一磁芯cx1的背部上，两个第二磁芯cx2的内侧的两个第二立柱lz2为公共磁芯部313。

请参照图9，图9为本发明集成磁性元件第六实施例的连接示意图。如图9所示，在本实施例中，公共磁芯部313位于电感磁芯部311与变压器磁芯部312的一侧，当在电感绕组lr1和第一侧绕组n1中通以相同的电流时，谐振电感lr产生的磁通和隔离变压器tx产生的磁通方向均为顺时针方向或均为逆时针方向。其中，集成磁性元件31包括一第一磁芯cx1及两个第二磁芯cx2，第一磁芯cx1及第二磁芯cx2的结构与前述实施例中的结构相同，不同的是，第一磁芯cx1的两个第一立柱lz1连接于两个对应连接的第二立柱lz2。其中，电感绕组lr1缠绕于第二磁芯cx2的内侧的立柱lz2上，第一侧绕组n1缠绕于第二磁芯cx2的外侧的立柱lz2上；第二侧绕组n2缠绕于第二磁芯cx2的外侧的立柱lz2上，第一磁芯cx1为公共磁芯部313。

请参照图10，图10为本发明集成磁性元件第七实施例的连接示意图。如图10所示，在本实施例中，集成磁性元件包括第一磁芯cx1及第二磁芯cx2，第一磁芯cx1及第二磁芯cx2均呈e型。第一磁芯cx1包括三个第一立柱lz1及连接三个第一立柱lz1的第一背部b1，第二磁芯cx2，包括三个第二立柱lz2及连接三个第二立柱lz2的第二背部b2，三个第一立柱lz1与三个第二立柱lz2对应连接。其中，电感绕组lr1缠绕于lz1和/或对应的lz2上，变压器的绕组n1和n2缠绕于lz1和/或对应的lz2上，未缠绕有绕组的第一立柱lz1、与该第一立柱lz1连接的第二立柱lz2、第一背部b1的部分及第二背部b2的部分为公共磁芯部313。

请参照图11，图11为本发明集成磁性元件第八实施例的连接示意图。图11所示的集成磁性元件与图10所示的集成磁性元件的结构大致相同，因此相同部分在此就不再赘述了，现将不同部分说明如下。在本实施例中，不同的是，电感绕组lr1缠绕于lz1和/或对应的lz2上，变压器的绕组n1和n2缠绕于lz1和/或对应的lz2上，位于中间的第一立柱lz1与对应的第二立柱lz2为公共磁芯部313。

值得注意的是，本发明虽然以u型磁性以及e型磁芯进行说明，但并不对磁芯的形状及立柱的形状进行限制，磁芯还可为pq形等，同时立柱的形状也可是圆形，方形，椭圆形等。

综上所述，本发明实施例提供的双向隔离型谐振变换器，通过将谐振电感与隔离变压器集成为一体的集成磁性元件，从而减小变换器的体积。同时，通过设置谐振电感和隔离变压器的磁芯结构和绕组绕制方式，使得当在电感绕组和隔离变压器的第一侧绕组中通以相同的电流时，谐振电感产生的磁通和隔离变压器产生的磁通在所述公共磁芯部上的方向相同；进而当变换器正常工作在vo>vin/n时，使谐振电感产生的磁通和隔离变压器产生的磁通能够至少部分抵消，从而可进一步减小变换器的损耗。

虽然本发明已以上述实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在本发明所属技术领域中的相关技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的保护范围为准。