一种大功率高效率直流变换拓扑结构的制作方法

1.本实用新型涉及大功率、高效率电源技术领域，尤其是涉及一种大功率高效率直流变换拓扑结构。


背景技术：

2.现阶段，在机载、车载供电系统中大多使用直流28v供电体制，来源通常为电池组的输出或是整流后的高压直流。目前，直流电源拓扑机构有多种形式，按功率三极开关管连接方式的不同分为单端反激电路、单端正激电路、半桥电路、全桥电路和推挽电路。单端反激电路能量间接传输和变压器单相限工作的特点决定了其只适应于100-200w小功率场所；单端正激电路变压器同样为单相磁化，利用率低且需考虑磁复位问题；半桥电路功率三极开关管电压应力小，变压器磁芯利用率高，但均压电容的不平衡问题不易解决；全桥电路虽克服了上述局限，但其功率器件较多，不适合大功率场合；推挽电路使用的功率器件较少，但其效率较低。
3.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种大功率高效率直流变换拓扑结构，以解决传统直流电源拓扑功率等级小、能量利用率低的问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.本实用新型提供一种大功率高效率直流变换拓扑结构，包括：前级 buck降压电路、中间级全桥谐振电路以及后级同步整流电路。
7.进一步，所述前级buck降压电路包括第一功率三极开关管s1、续流二极管d1、第一滤波电容c1、第二滤波电容c2以及滤波电感l1；所述第一功率三极开关管(s1)的源极与所述第一滤波电容(c1)的负端连接；第一功率三极开关管(s1)的漏极与所述续流二极管(d1)的阳极连接后，与所述滤波电感l1的一端相接；第一滤波电容c1的正端与续流二极管d1的阴极连接后，与第二滤波电容c2的正端、第二功率三极开关管s2的漏极、第四功率三极开关管s4的漏极相接；所述滤波电感l1的另一端与所述第二滤波电容c2的负端连接后，与第三功率三极开关管s3的源极、第五功率三极开关管s5的源极相接。
8.进一步，所述中间级全桥谐振电路包括第二功率三极开关管s2、第三功率三极开关管s3、第四功率三极开关管s4、第五功率三极开关管s5、谐振电感l2、谐振电容c3以及原边绕组t
p
；所述第二功率三极开关管s2的源极与所述第三功率三极开关管s3的漏极连接后，与所述谐振电感l2的一端相连；谐振电感l2的另一端与所述谐振电容c3的一端相连；谐振电容c3的另一端与所述原边绕组t
p
的同名端相连；第四功率三极开关管s4的源极与第五功率三极开关管s5的漏极连接后，与原边绕组t
p
的异名端相连。
9.进一步，所述后级同步整流电路包括第六功率三极开关管s6、第七功率三极开关管s7、第一副边绕组t
s1
、第二副边绕组t
s2
以及输出滤波电容 c4；所述第一副边绕组t
s1
的异名端与所述第二副边绕组t
s2
的同名端相连后，与所述输出滤波电容c4的正端连接；第一副边绕组t
s1
的同名端与所述第七功率三极开关管s7的漏极相接；第二副边绕组t
s2
的同名端与所述第六功率三极开关管s6的漏极相接；第七功率三极开关管(s7)的源极与第六功率三极开关管(s6)的源极相接后，与输出滤波电容(c4)的负端连接。
10.采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：
11.本实用新型是可实现大功率高效率的直流电源拓扑，具有如下优点： (1)两级式级联结构，提高了输入输出的适应范围；(2)前级buck降压电路采用闭环控制策略，保证较宽的输入输出适应能力；(3)中间级全桥谐振电路工作在开环状态，不仅提高了电路输出功率等级，还可实现第二功率三极开关管s2、第三功率三极开关管s3、第四功率三极开关管s4、第五功率三极开关管s5的软开关，进一步提高电路转换效率。
附图说明
12.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本实用新型的一种大功率高效率直流变换拓扑结构示意图；
14.图2a-2h为本实用新型的一种大功率高效率直流变换拓扑结构各开关模态示意图；
15.图3为本实用新型的一种大功率高效率直流变换拓扑结构采用的控制框图。
16.图标：1-前级buck降压电路；2-中间级全桥谐振电路；3-后级同步整流电路；s1～s
7-第一～第七功率三极开关管；d
1-续流二极管；c1、c
2-第一、第二滤波电容；t
p-原边绕组；t
s1
、t
s2-第一、第二副边绕组；l
1-滤波电感； l
2-谐振电感；c
3-谐振电容；c
4-输出滤波电容；r
o-输出负载；u
in-外接电源。
具体实施方式
17.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
18.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
19.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地
连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
20.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
21.如图1所示，本实施例的大功率高效率直流变换拓扑结构，包括第一功率三极开关管(s1)的源极与第一滤波电容(c1)的负端连接；第一功率三极开关管(s1)的漏极与续流二极管(d1)的阳极连接后，与滤波电感 l1的一端相接；第一滤波电容c1的正端与续流二极管d1的阴极连接后，与第二滤波电容c2的正端、第二功率三极开关管s2的漏极、第四功率三极开关管s4的漏极相接；滤波电感l1的另一端与第二滤波电容c2的负端连接后，与第三功率三极开关管s3的源极、第五功率三极开关管s5的源极相接；第二功率三极开关管s2的源极与第三功率三极开关管s3的漏极连接后，与谐振电感l2的一端相连；谐振电感l2的另一端与谐振电容c3的一端相连；谐振电容c3的另一端与原边绕组t
p
的同名端相连；第四功率三极开关管s4的源极与第五功率三极开关管s5的漏极连接后，与原边绕组t
p
的异名端相连；第一副边绕组t
s1
的异名端与第二副边绕组t
s2
的同名端相连后，与输出滤波电容c4的正端连接；第一副边绕组t
s1
的同名端与第七功率三极开关管s7的漏极相接；第二副边绕组t
s2
的同名端与第六功率三极开关管 s6的漏极相接；第七功率三极开关管s7的源极与第六功率三极开关管s6的源极相接后，与输出滤波电容c4的负端连接。
22.本实用新型的一种大功率高效率直流变换拓扑可分为两个工作区间： 1.中间级全桥谐振电路正半周期工作，变压器正向磁化；2.推挽电路负半周期工作，变压器负向磁化。
23.下面以图1所示为主电路结构，结合图2叙述本实用新型的一种大功率高效率直流变换拓扑结构的工作原理和工作模态。
24.1.工作区间1：中间级全桥谐振电路正半周期工作，变压器正向磁化，第一功率三极开关管s1、第二功率三极开关管s2、第五功率三极开关管s5、第六功率三极开关管s6调制工作，续流二极管d1起续流作用，此阶段共包含4个工作模态：
25.工作模态i：如图2(a)所示，第一功率三极开关管s1、第二功率三极开关管s2、第五功率三极开关管s5、第六功率三极开关管s6导通，第四功率三极开关管s4、第三功率三极开关管s3截止，原边绕组tp正向激励，续流二极管d1截止，输出同时为输出滤波电容c4和负载ro供电。
26.工作模态ii：如图2(b)所示，第二功率三极开关管s2、第五功率三极开关管s5、第六功率三极开关管s6导通，第一功率三极开关管s1、第四功率三极开关管s4、第三功率三极开关管s3截止，原边绕组tp正向激励，续流二极管d1导通，输出同时为输出滤波电容c4和负载ro供电。
27.工作模态iii：如图2(c)所示，第一～第七功率三极开关管s1～s7截止，原边绕组tp截止，续流二极管d1导通，输出通过输出滤波电容c4为负载ro供电。
28.工作模态iv：如图2(d)所示，第一功率三极开关管s1导通、第二～第七功率三极开关管s2～s7截止，原边绕组tp截止，续流二极管d1截止，输出通过输出滤波电容c4为负载ro供电。
29.2.工作区间2：中间级全桥谐振电路负半周期工作，变压器负向磁化，第一功率三极开关管s1、第三功率三极开关管s3、第四功率三极开关管s4、第七功率三极开关管s7调制工作，续流二极管d1起续流作用，此阶段共包含4个工作模态：
30.工作模态v：如图2(e)所示，第一功率三极开关管s1、第三功率三极开关管s3、第四功率三极开关管s4、第七功率三极开关管s7导通，第二功率三极开关管s2、第五功率三极开关管s5截止，原边绕组tp负向激励，续流二极管d1截止，输出同时为输出滤波电容c4和负载ro供电。
31.工作模态vi：如图2(f)所示，第三功率三极开关管s3、第四功率三极开关管s4、第七功率三极开关管s7导通，第一功率三极开关管s1、第二功率三极开关管s2、第五功率三极开关管s5截止，原边绕组tp负向激励，续流二极管d1导通，输出同时为输出滤波电容c4和负载ro供电。
32.工作模态vii：，第一～第七功率三极开关管s1～s7截止，原边绕组tp 截止，续流二极管d1导通，输出通过输出滤波电容c4为负载ro供电。
33.工作模态viii：如图2(h)所示，第一功率三极开关管s1导通、第二～第七功率三极开关管s2～s7截止，原边绕组tp截止，续流二极管d1截止，输出通过输出滤波电容c4为负载ro供电。
34.为实现以上工作原理，采用控制方案如图3所示：同步时序脉冲cp分别送入控制芯片sg3525的sync脚和控制芯片uc3842的r
t
/c
t
脚；控制芯片sg3525的输出outa、outb通过延时电路和驱动电路后得到第一功率三极开关管s1和第二功率三极开关管s2的驱动信号drv1、drv2，其为满脉宽控制，占空比固定在45％左右；将第三功率三极开关管s3电流采样信号送入控制芯片uc3842的isense脚与输出电压uo和电压基准ur经电压环调节器运算得到信号进行峰值比较，输出信号经驱动电路后得到第三功率三极开关管s3的驱动信号drv3。
35.由以上描述可知，本实用新型是一种大功率高效率直流变换拓扑，该电路具有如下优点：
36.1.两级式级联结构，提高了输入输出的适应范围；
37.2.前级buck降压电路采用闭环控制策略，保证较宽的输入输出适应能力；
38.3.中间级全桥谐振电路工作在开环状态，不仅提高了电路输出功率等级，还可实现第二功率三极开关管s2、第三功率三极开关管s3、第四功率三极开关管s4、第五功率三极开关管s5的软开关，进一步提高电路转换效率。
39.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。