谐振变换器和电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种谐振变换器和电源，谐振变换器包括：依次电连接的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管、谐振电感、谐振电容、变压器组及整流电路，变压器组由至少两个变压器组成，至少两个变压器的初级绕组串联、次级绕组并联；第一开关管的漏极与正输入电压端连接，负输入电压端与第四开关管的源极连接；第二开关管的源极与谐振电感、变压器组的初级绕组、谐振电容及地依次连接；变压器组的次级绕组的两端分别与整流电路的两个输入端连接。谐振变换器中采用至少两个变压器组成的变压器组，有利于谐振变换器的内部布局，提高谐振变换器的空间利用率，同时由于变压器组的温升较低，为整机功率密度的增加提供了条件。
【专利说明】
谐振变换器和电源
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电源变换技术，尤其涉及一种谐振变换器和电源，属于电力电子【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着电源变换技术的发展，高效率高功率密度成为一个重要的发展趋势。谐振变换器以其软开关、效率高等优点在开关电源中得到广泛的应用和关注。
[0003]通常，用于直流电源的谐振变换器，主要包含开关管、谐振电容、谐振电感、变压器等元器件，在制作大功率、高功率密度的谐振变换器时，需要使用电压和电流应力较大的开关管、大容量谐振电容、大感抗谐振电感、体积较大的变压器。
[0004]但是，大体积的变压器会导致变压器的空间利用率低，内部温升大，从而限制了谐振变换器功率密度的增加。
实用新型内容
[0005]本实用新型提供一种谐振变换器和电源，用于解决现有技术中大功率谐振变换器中由于变压器体积增大限制谐振变换器功率密度增加的问题。
[0006]本实用新型提供一种谐振变换器，包括依次电连接的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管、谐振电感、谐振电容、变压器组及整流电路，所述变压器组由至少两个变压器组成，所述至少两个变压器的初级绕组串联、次级绕组并联；
[0007]所述第一开关管的漏极与正输入电压端连接，负输入电压端与所述第四开关管的源极连接；
[0008]所述第二开关管的源极与所述谐振电感、所述变压器组的初级绕组、所述谐振电容及地依次连接；
[0009]所述变压器组的次级绕组的两端分别与所述整流电路的两个输入端连接。
[0010]在本实用新型的一种可能的实现形式中，上述谐振变换器还包括:第一电容；
[0011]所述第一电容的两端分别与所述第一开关管的源极及第三开关管的源极连接。
[0012]在本实用新型的另一种可能的实现形式中，上述谐振变换器还包括:第一二极管和第二二极管；
[0013]所述第一二极管的阴极与所述第一开关管的源极及第二开关管的漏极连接，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极及地连接；
[0014]所述第二二极管的阳极与所述第三开关管的源极及第四开关管的漏极连接。
[0015]在本实用新型的又一种可能的实现形式中，上述谐振变换器还包括:第三二极管和第四二极管；
[0016]所述第三二极管的阴极与所述第一开关管的漏极连接，所述第三二极管的阳极与所述第四二极管的阴极、所述谐振电容的一端及变压器组的初级绕组的一端连接；
[0017]所述第四二极管的阳极与所述第四开关管的源极连接。
[0018]在本实用新型的再一种可能的实现形式中，上述谐振变换器还包括:第二电容和第三电容；
[0019]所述第二电容的两端分别与所述第一开关管的漏极及地连接；
[0020]所述第三电容的两端分别与所述第四开关管的源极及地连接。
[0021]在本实用新型的又一种可能的实现形式中，上述谐振变换器中组成所述变压器组的各变压器的磁芯、绕组匝数相同。
[0022]在本实用新型的又一种可能的实现形式中，上述谐振变换器中所述整流电路为半桥整流电路或全桥整流电路。
[0023]本实用新型提供一种电源，包括N个上述的谐振变换器，所述N个谐振变换器的输入和输出并联连接，N为大于1的正整数。
[0024]本实用新型提供的谐振变换器和电源，谐振变换器中采用至少两个变压器组成的变压器组，有利于谐振变换器的内部布局，提高谐振变换器的空间利用率，同时由于变压器组的温升较低，为整机功率密度的增加提供了条件。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型提供的谐振变换器实施例一的电路结构示意图；
[0026]图2为本实用新型提供的谐振变换器实施例二的电路结构示意图；
[0027]图3为本实用新型提供的谐振变换器的工作波形图；
[0028]图4为本实用新型提供的电源结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]图1为本实用新型提供的谐振变换器实施例一的电路结构示意图。如图1所示，该谐振变换器包括:依次电连接的第一开关管102、第二开关管103、第三开关管104和第四开关管105、谐振电感106、谐振电容107、变压器组108及整流电路109。
[0030]其中，所述变压器组108由至少两个变压器组成，所述至少两个变压器的初级绕组串联、次级绕组并联；所述第一开关管102的漏极与正输入电压端连接，负输入电压端与所述第四开关管105的源极连接；所述第二开关管103的源极与所述谐振电感106、所述变压器组108的初级绕组、所述谐振电容107及地GND依次连接；所述变压器组108的次级绕组的两端分别与所述整流电路109的两个输入端连接。
[0031]具体的，上述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管可以为高频率的功率场效应管，各场效应管都内部寄生有反并联二极管及节电容。
[0032]由于小变压器磁芯器件的选型容易，成本低，且小体积的变压器热阻小，内部温升低，空间利用率高，同时，各变压器的体积小，方便布局，有利于提高谐振变换器的空间利用率，提高整机的功率密度。
[0033]本实施例一种较优的实现形式中，组成所述变压器组的各变压器的磁芯、绕组匝数相同。
[0034]具体的，变压器组中的各变压器的初级绕组串联，即各变压器的初级绕组工作电流相同，又因为各变压器的次级绕组并联，当各变压器采用相同的磁芯，绕组匝数及绕制工艺时，各变压器可实现次级绕制电流自动均分、负载均分，相应的热应力也均分。
[0035]进一步地，上述整流电路可以为半桥整流电路，或全桥整流电路，本实施例对此不做限定。
[0036]本实施例提供的谐振变换器中，采用至少两个变压器组成的变压器组，有利于谐振变换器的内部布局，提高谐振变换器的空间利用率，同时由于变压器组的温升较低，为整机功率密度的增加提供了条件。
[0037]图2为本实用新型提供的谐振变换器实施例二的电路结构示意图。如图2所示，在图1所示的基础上，该谐振变换器还包括:第一电容201。
[0038]其中，所述第一电容的两端分别与所述第一开关管的源极及第三开关管的源极连接。
[0039]具体的，在图2中所示的第一开关管与第二开关管同时导通，第一开关管比第二开关管提前关断，第三开关管与第四开关管同时导通，第四开关管比第三开关管提前关断，第一开关管和第四开关管称为超前管，第二开关管和第三开关管称为滞后管，第一电容可使超前管和滞后管间实现零电压开通(Zero Voltage Switching,简称ZVS)过程的解f禹，当谐振变换器在稳态工作时，第一电容两端的电压为输入电压的一半。
[0040]优选的，该谐振变换器还包括:第一二极管202和第二二极管203。
[0041 ] 其中，所述第一二极管202的阴极与所述第一开关管102的源极及第二开关管103的漏极连接，所述第一二极管202的阳极与所述第二二极管203的阴极及地GND连接；所述第二二极管203的阳极与所述第三开关管104的源极及第四开关管105的漏极连接。
[0042]具体的，电路稳态工作时，为限制各开关管的寄生电容上的电压过高，引入第一二极管202、第二二极管203进行箝位，从而限制开关管的最大电压应力，防止开关管因电压应力过大损坏，增大电路的可靠性。
[0043]进一步的，还包括:第三二极管204和第四二极管205 ；
[0044]所述第三二极管204的阴极与所述第一开关管102的漏极连接，所述第三二极管204的阳极与所述第四二极管205的阴极、所述谐振电容107的一端及变压器组108的初级绕组的一端连接；
[0045]所述第四二极管205的阳极与所述第四开关管的源极连接。
[0046]具体的，在电路异常时，比如输出端短路或者过流时，为防止开关管两端的电压应力过大，引入第三二极管和第四二极管来限制此时开关管上的电压应力，从而保护开关管不被损坏，增大电路的可靠性。
[0047]另外，为保证电路工作过程中，输入的电压稳定，本实施例中还包括:第二电容206和第三电容207。
[0048]其中，所述第二电容206的两端分别与所述第一开关管的漏极及地连接；所述第三电容207的两端分别与所述第四开关管的源极及地连接。
[0049]若整流电路为全桥整流电路，即整流电路包括第五二极管208、第六二极管209、第七二极管210和第八二极管211。
[0050]假定谐振变换器中各开关管的开关频率小于电路的谐振频率，且电路已工作在稳态情况。图3为本实用新型提供的谐振变换器的工作波形图。其中，图3中a为第一开关管的PWM时序图,b为第一开关管的PWM时序图，c为第一开关管的漏源电压波形图，d为第二开关管的漏源电压波形图，e为第三开关管的漏源电压波形图，f为第四开关管的漏源电压波形图，g为变压器组一次侧电流波形图，h为第五二极管的电流波形图。
[0051]该变换器在一个周期内可以细分为12个开关状态，因为变换器在一个开关周期内的工作状态具有对称性，这里仅描述前6个工作模态。
[0052]图3中的tO-tl时刻为模态1,在t0时刻，第一开关管和第二开关管同时开通，第三开关管和第四开关管关断，第五二极管导通，此时变压器原边电压被输出电压钳位为nVo，其中，η为变压器组的变比，Vo为输出电压，因此变压器组的励磁电感不能够参与谐振过程，励磁电流在输出电压的钳位作用下线性上升，其斜率为斜率nVo/Lm，Lm为变压器组的等效励磁电感值，谐振过程发生在谐振电感和谐振电容之间，变压器组初级绕组的谐振电流以正弦形式上升，流过变压器的原边电流为谐振电流与励磁电流之差，二次侧整流二极管电流大小取决于原边谐振电感电流与励磁电感电流之差。
[0053]tl-t2时刻为模态2，第一开关管和第二开关管继续导通。随着原边谐振电流达到谐振峰值并且慢慢减小，而励磁电流在输出电压的钳位作用下线性上升，在tl时刻两者相等，副边整流二极管电流降为零，第五二极管实现零电流关断。此时刻励磁电感Lm不再被输出电压钳位，Lm，谐振电感和谐振电容一起谐振。因为Lm的数值远大于谐振电感的值，谐振周期变得很大，此模态下谐振电流近似不变。此时负载处的滤波电容来给负载提供其所需的能量。
[0054]t2-t3时刻为模态3，第一开关在t2时刻关断。由于有谐振电感存在，谐振电流并未立刻减小到零，谐振电流需要保持原电流方向续流，因此在谐振电流的作用下，第一开关的寄生电容开始充电，同时通过第一电容，第四开关的寄生电容开始放电，来形成谐振电流的续流回路。
[0055]t3-t4时刻为模态4，在谐振电流的续流作用下，在t3时刻，第一开关的的寄生电容上的电压上升为Vin/2，导致第一二极管导通，从而限制了第一开关管的漏源两端电压继续上升，同时第四开关管的寄生电容上的电压下降为零且被钳位为零。此时谐振电流通过第一二极管，第二开关和谐振网络进行续流。
[0056]t4-t5时刻为模态5，在t4时刻，第二开关管关断。谐振电流数值很大，仍旧需要保持原电流方向续流。谐振电流开始对第二开关管的寄生电容充电，并对第三开关管的寄生电容放电。由于在上一模态第四开关管的反并联二极管导通，随着第三开关管的寄生电容上电压的减小，变压器上的电压开始反向，使第六二极管导通。励磁电感Lm再次被输出电压钳位而脱离谐振网络。
[0057]t5-t6时刻为模态6，t5时刻，在谐振电流的续流作用下，第二开关管的寄生电容上的电压上升为Vin/2，同时第三开关管的寄生电容上的电压下降为零，第三开关管的反并联二极管导通，此后谐振电流流经第三开关管与第四开关管的反并联二极管，将第三开关管与第四开关管的电压钳位在零，从而为第三开关管与第四开关管的零电压开通提供了条件。第三开关管与第四开关管的驱动信号需要在谐振电流未减小到零之前开通，t6时刻，开通第三开关管与第四开关管，实现第三开关管与第四开关管的ZVS，变换器进入后半个工作周期。即开关管在开通之前，其寄生反并联二极管流过反向电流，使得开关管两端电压被钳位为零，从而实现开关管的零电压开通。
[0058]本实用新型提供的谐振变换器，采用至少两个变压器组成的变压器组，有利于谐振变换器的内部布局，提高谐振变换器的空间利用率，同时由于变压器组的温升较低，为整机功率密度的增加提供了条件，且实现了开关管ZVS的解耦，使得电路更加可靠。
[0059]图4为本实用新型提供的电源结构示意图。如图4所示，该电源包括N个如上述任一实施例中的谐振变换器，所述N个谐振变换器的输入和输出并联连接，N为大于1的正整数。
[0060]本实施例提供的电源，通过将谐振变换器交错并联而成，降低了电源输出电压纹波，且各谐振变换器的变压器采用多个小功率变压器串、并联实现，为提高产品的功率密度提供了条件。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。
【权利要求】
1.一种谐振变换器，其特征在于，包括依次电连接的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管、谐振电感、谐振电容、变压器组及整流电路，所述变压器组由至少两个变压器组成，所述至少两个变压器的初级绕组串联、次级绕组并联； 所述第一开关管的漏极与正输入电压端连接，负输入电压端与所述第四开关管的源极连接； 所述第二开关管的源极与所述谐振电感、所述变压器组的初级绕组、所述谐振电容及地依次连接； 所述变压器组的次级绕组的两端分别与所述整流电路的两个输入端连接。
2.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，还包括:第一电容； 所述第一电容的两端分别与所述第一开关管的源极及第三开关管的源极连接。
3.根据权利要求1或2所述的谐振变换器，其特征在于，还包括:第一二极管和第二二极管； 所述第一二极管的阴极与所述第一开关管的源极及第二开关管的漏极连接，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极及地连接； 所述第二二极管的阳极与所述第三开关管的源极及第四开关管的漏极连接。
4.根据权利要求3所述的谐振变换器，其特征在于，还包括:第三二极管和第四二极管； 所述第三二极管的阴极与所述第一开关管的漏极连接，所述第三二极管的阳极与所述第四二极管的阴极、所述谐振电容的一端及变压器组的初级绕组的一端连接； 所述第四二极管的阳极与所述第四开关管的源极连接。
5.根据权利要求4所述的谐振变换器，其特征在于，还包括:第二电容和第三电容； 所述第二电容的两端分别与所述第一开关管的漏极及地连接； 所述第三电容的两端分别与所述第四开关管的源极及地连接。
6.根据权利要求5所述的谐振变换器，其特征在于，组成所述变压器组的各变压器的磁芯、绕组匝数相同。
7.根据权利要求4所述的谐振变换器，其特征在于，所述整流电路为半桥整流电路或全桥整流电路。
8.一种电源，其特征在于，包括N个如权利要求1?7任一所述的谐振变换器，所述N个谐振变换器的输入和输出并联连接，N为大于I的正整数。
【文档编号】H02M3/28GK204145303SQ201420408635
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】陈冀生, 刘亚峰, 马海涛, 刘明, 仇雷 申请人:河北先控捷联电源设备有限公司