一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器，属于谐振功率变换【技术领域】，包括由逆变电路、谐振电路、变压器、整流滤波电路和反馈控制电路构成，该串联谐振变换器工作定频工作模式下，谐振电感采用平板型电感设计，平板型电感上集成了谐振电感L1和反馈控制线圈L2，反馈控制线圈中流过电流大小可控制平板型电感磁路的饱和程度，进而控制电感线圈的电感量大小，通过控制谐振工作点位置来改变谐振网络在工作频率处的增益值。本发明设计了一种新型的平板型电感，促进了电感的平面化和集成化，提出了一种新的定频串联谐振变换器的设计方法，采取的串联谐振变换器闭环控制方式无需引入隔离，输出负载直接反馈完成闭环控制。
【专利说明】一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器。
【背景技术】
[0002]随着现代电力电子技术的发展、高频开关器件的诞生，通常人们采用提高工作频率的办法实现开关电源的小型化，但是受到磁性元件特性的限制，会使磁性器件的铁芯损耗显著增加，因此开关电源工作于高频时，铁芯的工作磁密选取要远小于其饱和磁密，这将限制磁性器件体积的进一步缩小。
[0003]另一方面谐振变换器由于使用软开关技术可以更加高效，且具有输入输出范围宽等优点，因此得到了广泛的关注与研究。由于串联变换器具有谐振电容，可避免高频变压器饱和、轻载效率高、设计简单等优点，其得到广泛应用。但是串联谐振变换器常用的控制方式是变频控制，其存在调频范围宽、启动电流大等问题。
[0004]虽然有文献采用基于铁氧体正交变压器(PRT)实现定频方式的控制，但由于PRT本身结构如体积较大等原因，其电感的改变需要较大的控制电流，所以损耗也会增大，因此采用定频方式实现谐振变换器控制非常有必要。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器，通过将平板型电感上集成了电感线圈和反馈控制线圈，实现了电感的平面化和集成化，解决了传统变频串联谐振变换器调频范围宽、启动电流大问题，本发明采取的串联谐振变换器闭环控制方式无需引入隔离，输出负载直接反馈完成闭环控制。
[0006]本发明具体是通过以下技术方案来实现的:
一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器，包括由逆变电路、谐振电路、变压器、整流滤波电路和反馈控制电路构成，
所述逆变电路采用由开关管M1、开关管M2、电容C1和电容C2组成的半桥逆变电路，通过固定频率的控制信号驱动开关管M1、开关管M2的互补通断，完成直流电逆变成交流电；所述谐振电路由谐振电感L1和谐振电容C3构成；
所述变压器T1由磁芯、原边绕组、副边绕组构成，磁芯材料选用软磁铁氧体，原边绕组由漆包线绕制，连接谐振电路和逆变电路构成串联谐振网络，副边绕组由漆包线绕制，连接整流滤波电路；
所述整流滤波电路由二极管D1、二极管仏、二极管队、二极管队和输出电容C4构成全桥整流滤波电路，该整流滤波电路输入端连接变压器T1的副边，输出端连接输出负载R i，将交流电变换成直流电形成输出端Uout ；
反馈控制电路的输入端连接输出端Uout，且反馈控制电路的反馈控制线圈L2连接至谐振电路。
[0007]优选地，所述谐振电感L1采用平板型电感结构，该结构由带有圆孔结构的平板型磁芯、谐振电感L1、反馈控制线圈L2构成，平板型磁芯由通过谐振电感L1的两排圆孔和一个通过反馈控制线圈L2的圆孔构成，通过谐振电感L1的两排圆孔关于平板型磁芯中心线对称分布，通过反馈控制线圈L2的圆孔分布在平板型磁芯边缘处的中心线上，谐振电感L1的线圈沿同一绕制方向顺次穿过两排圆孔，反馈控制线圈L2垂直穿过圆孔。
[0008]优选地，通过谐振电感L1的圆孔的边缘处开有缝隙。
[0009]优选地，反馈控制电路至少包括通过电路连接的PI控制电路、PID调节电路和反馈控制线圈L2，第二电阻R2的一端连接所述输出端Uout，另一端连接连接点E ;第三电阻R3的一端连接连接点E，另一端连接地点G1 ；
PI控制电路由第四电阻R4和第五电容C5并联连接组成，所述PI控制电路的一端连接第连接点E，另一端连接连接点F ；
PID调节电路由第五电阻R5、第六电容C6和第七电容C7组成，第五电阻R5和第六电容C6串联连接后再与第七电容C7并联连接，所述PID调节电路的一端连接连接点F，另一端连接连接点H ;第六电阻R6的一端连接输出端Uout，另一端连接连接点H ；
芯片TL431的阴极连接连接点H，阳极连接接地点G1,参考极连接连接点F ;第七电阻R7的一端连接输出端Uout，另一端连接三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的基极连接连接点H，该三极管Q1的发射极连接稳压管D5的阴极，稳压管D5阳极连接连接点N，第八电阻R8的一端连接连接点N，另一端连接接地点G1 ;第九电阻R9的一端连接连接点N，另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极连接反馈控制电路的输出第一端口 A ;第十电阻Rltl连接三极管Q2集电极，另一端连接输出端Uout，反馈控制电路的输出第二端口 B连接接地点G1 ；所述反馈控制电路的输出第一端口A和输出第二端口B分别连接平板型电感的反馈控制线圈L2的两端。
[0010]本发明产生的有益效果为:本发明通过将平板型电感上集成了电感线圈和反馈控制线圈，实现了电感的平面化和集成化，解决了传统变频串联谐振变换器调频范围宽、启动电流大问题，本发明采取的串联谐振变换器闭环控制方式无需引入隔离，输出负载直接反馈完成闭环控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
[0012]图1为本发明的整体结构框架示意图；
图2为本发明的电路结构不意图；
图3为本发明的平板电感结构示意图；
图4为本发明本发明串联谐振变换器的等效电路图；
图5为本发明谐振网络的增益曲线三维一图；
图6为本发明谐振网络的增益曲线三维二图；
图7为本发明谐振网络的增益曲线二维图；
图8为本发明谐振网络的谐振电容电压曲线图。【具体实施方式】
[0013]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0014]图f 2中，一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器，包括由输入直流电源I和输出负载6，以及两者之间连接的逆变电路2、谐振电路3、变压器4、整流滤波电路5和反馈控制电路7构成，所述逆变电路采用由开关管M1、开关管M2、电容C1和电容C2组成的半桥逆变电路，通过固定频率的控制信号驱动开关管M1、开关管M2的互补通断，完成直流电逆变成交流电；所述谐振电路由谐振电感L1和谐振电容C3构成；所述变压器T1由磁芯、原边绕组、副边绕组构成，磁芯材料选用软磁铁氧体，原边绕组由漆包线绕制，连接谐振电路和逆变电路构成串联谐振网络，副边绕组由漆包线绕制，连接整流滤波电路；所述整流滤波电路由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和输出电容C4构成全桥整流滤波电路，该整流滤波电路输入端连接变压器T1的副边，输出端连接输出负载R工，将交流电变换成直流电形成输出端Uout ；反馈控制电路的输入端连接输出端Uout,且反馈控制电路的反馈控制线圈L2连接至谐振电路，反馈信号。
[0015]如图3所示谐振电感L1采用平板型电感结构，该结构由带有圆孔结构的平板型磁芯、谐振电感L1、反馈控制线圈L2构成，平板型磁芯由通过谐振电感L1的两排圆孔8和一个通过反馈控制线圈L2的圆孔9构成，通过谐振电感L1的两排圆孔8关于平板型磁芯中心线对称分布，通过反馈控制线圈L2的圆孔9分布在平板型磁芯边缘处的中心线上，谐振电感L1的线圈沿同一绕制方向顺次穿过两排圆孔，反馈控制线圈L2垂直穿过圆孔，且通过谐振电感L1的圆孔的边缘处开有缝隙10。
[0016]反馈控制电路至少包括通过电路连接的PI控制电路、PID调节电路和反馈控制线圈L2，第二电阻R2的一端连接所述输出端Uout，另一端连接连接点E ;第三电阻R3的一端连接连接点E，另一端连接地点G1 ；PI控制电路由第四电阻R4和第五电容C5并联连接组成，所述PI控制电路的一端连接第连接点E，另一端连接连接点F ;PID调节电路由第五电阻R5、第六电容C6和第七电容C7组成，第五电阻R5和第六电容C6串联连接后再与第七电容C7并联连接，所述PID调节电路的一端连接连接点F，另一端连接连接点H ;第六电阻R6的一端连接输出端Uout，另一端连接连接点H ；
芯片TL431的阴极连接连接点H，阳极连接接地点G1,参考极连接连接点F ;第七电阻R7的一端连接输出端Uout，另一端连接三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的基极连接连接点H，该三极管Q1的发射极连接稳压管D5的阴极，稳压管D5阳极连接连接点N，第八电阻R8的一端连接连接点N，另一端连接接地点G1 ;第九电阻R9的一端连接连接点N，另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极连接反馈控制电路的输出第一端口 A ;第十电阻Rltl连接三极管Q2集电极，另一端连接输出端Uout，反馈控制电路的输出第二端口 B连接接地点G1 ；所述反馈控制电路的输出第一端口A和输出第二端口B分别连接平板型电感的反馈控制线圈L2的两端。
[0017]本发明的实施例中，所述的平板型电感结构实现控制谐振电感L1电感量的原理是:根据磁通的产生及分布规律，随着反馈控制线圈L2中的控制电流IC改变，其周围的磁通也将随之改变，影响谐振电感L1原磁通分布，进而导致平板型电感的电感量改变；通常情况下，铁氧体材料的磁滞回线非常狭长，工作时容易饱和，当反馈控制线圈L2中的控制电流IC使其周围的磁通饱和时，此处将近似于开气隙的状态，电感量将达到最小值；当谐振电感L1中流过的电流增大，会导致电感磁通饱和，电感量降低。
[0018]本发明带有圆孔结构的平板型磁芯设计可分成三个方面实现:
a、流过控制电流的孔位
流过控制电流的孔位，也就是，通过反馈控制线圈L2的圆孔在平板型磁芯上的位置；根据磁通的分布规律，通过反馈控制线圈L2的圆孔分布在矩形平板型磁芯的中心线上，该圆孔距离与中心线垂直的边缘线相对距离不同，会影响电感线圈L1原磁通分布，进而影响平板型电感结构的电感量；
b、流过控制电流孔径的大小和数量
流过控制电流孔径的大小和数量，也就是，通过反馈控制线圈L2的圆孔在平板型磁芯上的大小和数量；根据磁通的分布规律，通过反馈控制线圈L2的圆孔分布在矩形平板型磁芯上的大小或者数量不同，会影响谐振电感L1原磁通分布，进而影响平板型电感的电感量;
C、通过电感线圈的圆孔周围开气隙的设计
通过谐振电感L1的圆孔周围开缝隙后，在圆孔周围的磁场分布发生变化，根据安培环路定律，圆孔周围磁路的等效磁导率减小，圆孔周围磁路磁感应强度变小，从而使得圆孔周围的铁心损耗减小，且谐振电感L1的电感量也减小。
[0019]本发明提出了一种定频串联谐振变换器的设计方法，定频串联谐振变换器设计方法是:给定电路工作频率fs，利用电路的给定电气参数，设计出串联谐振变换器的谐振元件参数值；通过调节平板型电感结构的电感值，使得串联谐振变换器的谐振点变化，进而改变串联谐振变换器工作于fs处时谐振网络的电压增益，最终调节负载输出端的直流电压，实现稳压功能。定频串联谐振变换器设计具体流程是:
A.给定电气参数
给定:工作频率fs，输出电压Uout，输出功率变化范围，输入电压范围；
B.作出谐振网络增益曲线
在图4中，所述定频串联谐振变换器采用基波等效法分析作出等效电路，等效电路由I个输入电压源VAC、谐振电感Lr、谐振电容Cr和负载电阻Req组成，谐振网络的输出电压增益函数为
【权利要求】
1.一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器，其特征在于:包括由逆变电路、谐振电路、变压器、整流滤波电路和反馈控制电路构成， 所述逆变电路采用由开关管M1、开关管M2、电容C1和电容C2组成的半桥逆变电路，通过固定频率的控制信号驱动开关管M1、开关管M2的互补通断，完成直流电逆变成交流电； 所述谐振电路由谐振电感L1和谐振电容C3构成； 所述变压器T1由磁芯、原边绕组、副边绕组构成，磁芯材料选用软磁铁氧体，原边绕组由漆包线绕制，连接谐振电路和逆变电路构成串联谐振网络，副边绕组由漆包线绕制，连接整流滤波电路； 所述整流滤波电路由二极管D1、二极管仏、二极管队、二极管队和输出电容C4构成全桥整流滤波电路，该整流滤波电路输入端连接变压器T1的副边，输出端连接输出负载R i，将交流电变换成直流电形成输出端Uout ； 反馈控制电路的输入端连接输出端Uout，且反馈控制电路的反馈控制线圈L2连接至谐振电路。
2.如权利要求1所述的一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器，其特征在于，所述谐振电感L1采用平板型电感结构，该结构由带有圆孔结构的平板型磁芯、谐振电感L1、反馈控制线圈L2构成，平板型磁芯由通过谐振电感L1的两排圆孔和一个通过反馈控制线圈L2的圆孔构成，通过谐振电感L1的两排圆孔关于平板型磁芯中心线对称分布，通过反馈控制线圈L2的圆孔分布在平板型磁芯边缘处的中心线上，谐振电感L1的线圈沿同一绕制方向顺次穿过两排圆孔，反 馈控制线圈L2垂直穿过圆孔。
3.如权利要求2所述的一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器，其特征在于，通过谐振电感L1的圆孔的边缘处开有缝隙。
4.如权利要求1所述的一种基于平板型电感的定频串联谐振变换器，其特征在于，反馈控制电路至少包括通过电路连接的PI控制电路、PID调节电路和反馈控制线圈L2，第二电阻R2的一端连接所述输出端Uout，另一端连接连接点E ;第三电阻R3的一端连接连接点E，另一端连接地AG1 ； PI控制电路由第四电阻R4和第五电容C5并联连接组成，所述PI控制电路的一端连接第连接点E，另一端连接连接点F ； PID调节电路由第五电阻R5、第六电容C6和第七电容C7组成，第五电阻R5和第六电容C6串联连接后再与第七电容C7并联连接，所述PID调节电路的一端连接连接点F，另一端连接连接点H ;第六电阻R6的一端连接输出端Uout，另一端连接连接点H ； 芯片TL431的阴极连接连接点H，阳极连接接地点G1,参考极连接连接点F ;第七电阻R7的一端连接输出端Uout，另一端连接三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的基极连接连接点H，该三极管Q1的发射极连接稳压管D5的阴极，稳压管D5阳极连接连接点N，第八电阻R8的一端连接连接点N，另一端连接接地点G1 ;第九电阻R9的一端连接连接点N，另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极连接反馈控制电路的输出第一端口 A ;第十电阻Rltl连接三极管Q2集电极，另一端连接输出端Uout，反馈控制电路的输出第二端口 B连接接地点G1 ；所述反馈控制电路的输出第一端口A和输出第二端口B分别连接平板型电感的反馈控制线圈L2的两端。
【文档编号】H02M3/28GK103997217SQ201410249220
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】郑峰, 张钰, 饶仲海, 邹托武, 严敏 申请人:西安电子科技大学, 武汉市欧力普能源与自动化技术有限公司