电感电容复合利用的级联型谐振dc-dc变换电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电力电子电能变换电路，旨在提供一种电感电容复合利用的级联型谐振DC-DC变换电路。前后级电路共用同一套电感和电容，即PWM型DC-DC电路本身固有的滤波电感同时作为后级DCX电路的输入解耦电感，而DCX电路的谐振电容则同时作为PWM型DC-DC的输出电容；PWM型DC-DC电路的开关频率与DCX电路的开关频率同步。本发明中，前后级电感电容复合，提升功率密度；两级级联的拓扑结构使得DC-DC输出电压可灵活调整；采用软开关并联谐振技术，减小了功率开关管的开关损耗；收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率；降低电路的能耗，节约能源；减小功率开关器件的热能广生，提局电路的工作稳定性，提高器件和电路的使用寿命。
【专利说明】电感电容复合利用的级联型谐振DC-DC变换电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力电子电能变换电路，尤其涉及一种电感复合的两级级联电流 源输入型谐振DC-DC电路。
【背景技术】
[0002] 电流源输入型直流变压器（以下称电流源输入型直流变压电路为DCX电路）拓扑 如图1所示，是一种构建谐振软开关电路方法，通过将谐振电容移到输入端的直流侧，并在 电容与输入电压源之间插入一个电感，作为电流源，其余部分与传统的DC-DC电路相同，利 用电容Cr与电路中电感Lr谐振，实现软开关。其中，电感Lr可以是外加的独立电感，也可 以是变压器的漏感。当开关管导通时，电容Cr和电感Lr开始谐振，输出电压等效为Vo,其 等效电路为图2所示，为了能够在全负载范围实现软开关，简化控制，其开关管的占空比固 定，开关频率也固定，因此输出电压不具有调整能力。
[0003] 为了满足大多数DC-DC转换应用的场合需要输出侧能够紧调整的要求，传统方案 可以通过在DCX的输入侧增加一级级联的可调整不隔离PWM控制的DC-DC，对输出进行调 整。普通前级级联DCX拓扑如图3所示。
[0004] 普通的两级级联方案中，两级独立工作，因此每一级都需要各自的无源储能元件， 如滤波电感和电容，导致元器件数量多，体积大，功率密度降低，尤其是前级PWM型DC-DC的 电感和后级电流源电感体积大，严重影响功率密度。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种电感电容复合利 用的级联型谐振DC-DC变换电路。
[0006] 为解决技术问题，本发明的解决方案是：
[0007] 提供一种电感电容复合利用的级联型谐振DC-DC变换电路，是由作为前级的PWM 型DC-DC电路和作为后级的DCX电路组成，这两个电路均各自包括一套电感和电容；所述级 联型谐振DC-DC变换电路是通过将前后级电路中的电感和电容复合使用而实现的；S卩，前 后级电路共用同一套电感和电容，PWM型DC-DC电路本身固有的滤波电感同时作为后级DCX 电路的输入解耦电感，而DCX电路的谐振电容则同时作为PWM型DC-DC的输出电容；PWM型 DC-DC电路的开关频率与DCX电路的开关频率同步。
[0008] 本发明中，所述作为前级的PWM型DC-DC电路具有下述拓扑结构中的任意一种：单 开关的Buck、Boost、Buck_Boost、Cuk或Zeta拓扑；或者是多开关的级联型Buck-Boost拓 扑。
[0009] 本发明中，在所述DCX电路中，谐振电感与变压器的原边绕组串联在一条支路中， 是变压器的等效漏感，或者是外加的独立电感。
[0010] 本发明中，所述DCX电路中的开关网络是单管正激或双管正激的单端开关网络， 或者是半桥、推挽、全桥结构的双端开关网络；DCX电路中变压器的副边整流结构与其开关 网络的拓扑相对应，是单端整流结构或双端整流结构。
[0011] 本发明中，所述双端整流结构是指中心抽头整流结构、全桥整流结构或倍压整流 结构。
[0012] 与现有技术相比，本发明产生的有益效果包括：
[0013] 1、前后级电感电容复合，提升功率密度。
[0014] 2、两级级联的拓扑结构使得DC-DC输出电压可灵活调整。
[0015] 3、采用软开关并联谐振技术，减小了功率开关管的开关损耗。
[0016] 4、回收寄生电感或电容上的能量，提升能量转换效率。
[0017] 5、降低电路的能耗，节约能源。
[0018] 6、减小功率开关器件的热能广生，提商电路的工作稳定性，提商器件和电路的使 用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1谐振电容在直流侧的隔离型谐振DC-DC原理简化框图；
[0020] 图2谐振电容在直流侧的开关导通时谐振模态的简化等效图；
[0021] 图3普通两级级联的DC-DC拓扑；
[0022] 图4电感复合后的两级级联电路；
[0023] 图5复合式Buck级联全桥谐振DC-DC变换器；
[0024] 图6复合式Boost级联全桥谐振DC-DC变换器；
[0025] 图7复合式Buck-Boost级联全桥谐振DC-DC变换器；
[0026] 图8是全桥整流的复合式Boost级联全桥谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0027] 图9是倍压整流的复合式Boost级联全桥谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0028] 图10是全桥整流的复合式Buck级联全桥谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0029] 图11是倍压整流的复合式Buck级联全桥谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0030] 图12是全桥整流的复合式Boost级联推挽谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0031] 图13是倍压整流的复合式Boost级联推挽谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0032] 图14是全桥整流的复合式Buck级联推挽谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0033] 图15是倍压整流的复合式Buck级联推挽谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0034] 图16是全桥整流的复合式Boost级联推挽正激谐振DC-DC变换器电路的示意图；
[0035] 图17是倍压整流的复合式Boost级联推挽正激谐振DC-DC变换器电路的示意图；
[0036] 图18是全桥整流的复合式Buck级联推挽正激谐振DC-DC变换器电路的示意图；
[0037] 图19是倍压整流的复合式Buck级联推挽正激谐振DC-DC变换器电路的示意图；
[0038] 图20是复合式Boost级联双管正激谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0039] 图21是复合式Buck级联双管正激谐振DC-DC变换器电路的结构示意图；
[0040] 图22是复合式Buck级联正激谐振DC-DC变换器电路的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041] 本发明提出了构建新型复合式两级级联电流源输入型谐振DC-DC电路的新思路。 通过将前后级电路中电感、电容复合，借用前级PWM型DC-DC拓扑本身固有的电感，作为后 级DCX的输入解耦电感，而后级DCX的谐振电容可以作为前级PWM型DC-DC的输出电容，从 拓扑层面将无源元件复合。
[0042] 图4是电感和电容复合后的两级级联拓扑，其中电感Lin既作为前级PWM型DC-DC 的储能电感又作为后级谐振DCX的输入解耦电感，电容Cr作为前级DC-DC的输出滤波电 容，又作为DCX的谐振电容；Lin和Cr构成了前级PWM型DC-DC的典型LC电感电容输出滤 波电路，并联在PWM型DC-DC输出侧；谐振电容Cr同时并联到DCX中开关网络的输入端，谐 振电感Lr与变压器的原边绕组串联在一条支路中，变压器副边的输出经过整流电路后电 容滤波，得到直流输出。
[0043] PWM 型 DC-DC 可以是 Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk 和 Zeta 单开关拓扑，也可以是 级联型Buck-Boost多开关DC-DC拓扑。PWM型DC-DC的直流增益为Vin*f(D)，f(D)为占 空比D的函数，具体数学表达式取决于不同的PWM型DC-DC拓扑；
[0044] DCX拓扑中，开关网络可以是单端开关网络，如单管正激，双管正激，也可以是双端 开关网络，如半桥，推挽，全桥；
[0045] 基于该方法，本发明首先提出了一种复合式Buck级联全桥谐振DC-DC变换器（如 图5)，前级为Buck电路，后级为全桥谐振电路，前后级电感电容复合，后级每个桥臂上、下 开关管的导通时间相等，并考虑一定的开关管死区时间；谐振电容为前级输出电容；两个 桥臂与谐振电容并联，变压器原边绕组两端，分别接到两个桥臂的中点；谐振Lr与原边绕 组串联在一条支路中；变压器副边整流结构采用双端整流结构，可以是中心抽头整流结构 (图5)，也可以是全桥整流结构（图10)，还可以是倍压整流结构（图11)。
[0046] 在上述方法的基础上，本发明首先提出了一种复合式Boost级联全桥谐振DC-DC 变换器如图6,前级为Boost电路，后级为全桥谐振电路,前后级电感电容复合，后级每个桥 臂上、下开关管的导通时间相等，并考虑一定的开关管死区时间；输入电压源的正端接到输 入电感Lin的一端；谐振电容为前级输出电容；两个桥臂与谐振电容并联，变压器原边绕组 两端，分别接到两个桥臂的中点；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中；变压器 副边整流结构采用双端整流结构，可以是中心抽头整流结构，也可以是全桥整流结构（图 8)，还可以是倍压整流结构（图9)，图6中的实施方式以中心抽头整流结构为例。
[0047] 在上述方法的基础上，本发明首先提出了一种复合式Buck-Boost级联全桥谐振 DC-DC变换器如图7,前级为Buck-Boost电路,后级为全桥谐振电路，前后级电感电容复合， 后级每个桥臂上、下开关管的导通时间相等，并考虑一定的开关管死区时间；谐振电容为前 级输出电容；两个桥臂与谐振电容并联，变压器原边绕组两端，分别接到两个桥臂的中点； 变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中；变压器副边整流结构采用双端整流结构， 可以是中心抽头整流结构，也可以是全桥整流结构，还可以是倍压整流结构，图7中的实施 方式以中心抽头整流结构为例。
[0048] 采用本发明的两级级联DC-DC变换器电路，可以实现输出电压可调，提高功率密 度，减小开关器件的功率损耗。本发明能降低电路的能耗，节约能源，提高能量转化效率，减 小功率开关器件的热能广生，提1?电路的工作稳定性，提1?器件和电路的使用寿命。本发明 适合于DC-DC直流电压转换的电源电路。实施例1 :一种复合式Boost级联全桥谐振DC-DC 电路，高频变压器副边采用全桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图8和图9所 /_J、1 〇
[0049] 具体连接方式为：输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容为前级 输出电容；两个桥臂与谐振电容并联，变压器原边绕组两端，分别接到两个桥臂的中点；变 压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。如图8所示，变压器副边采用全桥整流结构， 整流二极管D1、D2构成一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组同名端，整流二极管D3、D4 构成另一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组非同名端；D1、D4的共阴极和D2、D3的共阳 极构成的两端与输出滤波电容和负载并联。
[0050] 如图9所示变压器副边采用倍压整流结构。变压器副边绕组同名端连接到电容 Cl，C1另一端接到Dl、D2构成的桥臂的中点；变压器副边绕组非同名端连接到D2的阳极； D1、D2构成的桥臂的两端与输出滤波电容和负载并联。
[0051] 与上述电路类似的复合式Buck级联全桥谐振DC-DC电路，高频变压器副边采用全 桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图10和图11所示。
[0052] 实施例2 :-种复合式Boost级联推挽谐振DC-DC电路，高频变压器采用全桥整流 结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图12和图13所示。
[0053] 具体连接方式为：输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容为前级 输出电容；变压器原边两个绕组，原边第一绕组的同名端与第二绕组的非同名端相连接； 第一绕组的非同名端接到开关管S1的一端，第二绕组的同名端接到第二开关管S2-端，两 个开关的另一端接到输入负端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。如图12所 示，变压器副边采用全桥整流结构，整流二极管Dl、D2构成一个桥臂，其中点连接到变压器 副边绕组同名端，整流二极管D3、D4构成另一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组非同 名端；D1、D4的共阴极和D2、D3的共阳极构成的两端与输出滤波电容和负载并联。
[0054] 如图13所示变压器副边采用倍压整流结构。变压器副边绕组同名端连接到电容 Cl，C1另一端接到Dl、D2构成的桥臂的中点；变压器副边绕组非同名端连接到D2的阳极； D1、D2构成的桥臂的两端与输出滤波电容和负载并联。
[0055] 与上述电路类似的复合式Buck级联推挽谐振DC-DC电路，高频变压器副边采用全 桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图14和图15所示。
[0056] 实施例3 :-种复合式Boost级联推挽正激谐振DC-DC电路，高频变压器副边采用 全桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图16和图17所示。
[0057] 具体连接方式为：输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；第一谐振电容Crl 为前级输出电容；变压器原边两个绕组，原边第一绕组W1的同名端与第二开关管的一端相 连接后；第一绕组的非同名端接到开关管S1的一端，第二绕组的非同名端接到第二开关管 S2的另一端；第一开关的另一端和第二绕组的同名端接到输入的负端。两个开关的另一端 接到输入负端；第二谐振电容Cr2 -端接到第二绕组的非同名端，另一端接到第一绕组的 非同名端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。如图16所示，变压器副边采用 全桥整流结构，整流二极管Dl、D2构成一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组同名端，整 流二极管D3、D4构成另一个桥臂，其中点连接到变压器副边绕组非同名端；D1、D4的共阴极 和D2、D3的共阳极构成的两端与输出滤波电容和负载并联。
[0058] 如图17所示变压器副边采用倍压整流结构。变压器副边绕组同名端连接到电容 Cl，C1另一端接到Dl、D2构成的桥臂的中点；变压器副边绕组非同名端连接到D2的阳极； D1、D2构成的桥臂的两端与输出滤波电容和负载并联。
[0059] 与上述电路类似的复合式Buck级联推挽正激谐振DC-DC电路，高频变压器副边采 用全桥整流结构和倍压整流结构，其电路结构分别如图18和图19所示。
[0060] 实施例4 :一种复合式Boost级联双管正激谐振DC-DC电路，高频变压器副边采用 单端整流结构，其电路结构分别如图20所示。
[0061] 具体连接方式为：输入电压源的正端接到输入电感Lin的一端；谐振电容为前级 输出电容；两个桥臂与谐振电容并联，变压器原边绕组同名端接到S1与D1连接处，非同名 端接到S2与D2连接处；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。
[0062] 与上述电路类似的复合式Buck级联双管正激谐振DC-DC变换器如图21。
[0063] 实施例5 :-种复合式Buck级联正激谐振DC-DC电路，高频变压器副边采用单端 整流结构，其电路结构分别如图22所示。
[0064] 具体连接方式为：谐振电容为前级输出电容；变压器原边绕组的同名端连接到输 入电感与谐振电容连接处；绕组非同名端接到开关管S1的一端；开关S1的另一端接到输 入负端；变压器等效漏感与原边绕组串联在一条支路中。
[0065] 最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发 明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容 直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种电感电容复合利用的级联型谐振DC-DC变换电路，是由作为前级的PWM型 DC-DC电路和作为后级的DCX电路组成，这两个电路均各自包括一套电感和电容；其特征在 于，所述级联型谐振DC-DC变换电路是通过将前后级电路中的电感和电容复合使用而实现 的；即，前后级电路共用同一套电感和电容，PWM型DC-DC电路本身固有的滤波电感同时作 为后级DCX电路的输入解耦电感，而DCX电路的谐振电容则同时作为PWM型DC-DC的输出 电容；PWM型DC-DC电路的开关频率与DCX电路的开关频率同步。
2. 根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述作为前级的PWM型DC-DC电路具有下 述拓扑结构中的任意一种：单开关的仙〇1^、13〇〇81:、1311〇1^-13〇〇81:、(^^或26〖&拓扑 ；或者是多 开关的级联型Buck-Boost拓扑。
3. 根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在所述DCX电路中，谐振电感与变压器的 原边绕组串联在一条支路中，是变压器的等效漏感，或者是外加的独立电感。
4. 根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述DCX电路中的开关网络是单管正激或 双管正激的单端开关网络，或者是半桥、推挽、全桥结构的双端开关网络；DCX电路中变压 器的副边整流结构与其开关网络的拓扑相对应，是单端整流结构或双端整流结构。
5. 根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述双端整流结构是指中心抽头整流结 构、全桥整流结构或倍压整流结构。
【文档编号】H02M3/337GK104218813SQ201410504221
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】吴新科, 朱波 申请人:浙江大学