两级功率变换电路及方法与流程

本发明涉及电子电路领域，尤其是涉及一种适用于宽输入电压范围的两级功率变换电路拓扑结构及方法，可以实现高效率的功率转换。

背景技术：

目前，在典型的中间总线架构（Intermediate Bus Architecture，简称IBA）供电系统中，一般供电电路的前级采用隔离变换器进行降压，后级采用非隔离变换器进行稳压，从而实现不同电压等级的能量转换。供电电路后级的效率可以做的很高，而前级的效率则直接决定了整个供电系统的效率。对于前级变换电路，目前现有技术中有两种方案，一种是采用单级变换方式，另外一种是采用两级变换方式。

采用单级变换方式以VICOR公司的零电流开关拓扑为代表，以机车用电源（输入电压：66VDC～154VDC；输出电压：24VDC；输出功率：150W）为例，在25℃环境温度，额定输入，满载条件下的效率为89.2%。单级变换方案的电路原理示意图如附图1所示。

采用两级变换方式以SynQor公司的Buck+InterLeaved Forward（降压电路+交错正激电路）拓扑为代表。由Fische，LLC于1998年1月23日申请，并于1999年11月7日公开，公开号为US5999417的美国发明专利申请《High efficiency power converter》（高效功率转换器）公开了该技术方案。在该技术方案中，第一级电路实现降压功能，第二级电路实现隔离功能。以机车用电源（输入电压：66VDC～154VDC；输出电压:24VDC；输出功率：144W）为例，在25℃环境温度，满载条件下的效率为89%，半载效率为91%。两级变换方案的电路原理示意图如附图2和附图3所示。

在现有技术中，供电系统的前级变换电路无论是采用单级变换方式，还是采用两极变换方式，均存在电路结构复杂、元件众多、电路可靠性较低、功率转换效率不高的技术缺陷。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种两级功率变换电路及方法，采用前级隔离、后级不隔离结构，不但结构简单、可靠性高，而且能够实现更高效率的功率转换。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种两级功率变换电路的技术实现方案，两级功率变换电路，包括：一种两级功率变换电路，其特征在于，包括：

用于实现输入直流电压逆变后隔离整流输出功能，完成第一级能量变换的前级电路；

以及与所述前级电路相连，用于实现稳压功能，完成第二级能量变换的后级电路。

优选的，所述前级电路包括：

桥式电路，用于将输入直流信号转换为周期性变化的方波信号；

与所述桥式电路相连的LLC谐振电路，用于对经过逆变的直流输入信号进行隔离输出。

以及与所述LLC谐振电路相连的同步整流电路，用于对经过所述LLC谐振电路隔离后输出的周期性变化的方波信号进行整流，转变为直流信号；

优选的，所述后级电路包括：

与所述同步整流电路相连的DC/DC变换电路，用于对所述同步整流电路输出的直流信号进行DC/DC变换，最终输出直流稳压信号至负载。

优选的，所述LLC谐振电路工作于定频定占空比模式。

优选的，所述DC/DC变换电路工作于定频开关模式。

优选的，所述桥式电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管组成半桥电路。所述LLC谐振电路包括第一电感、第一电容和变压器，所述第一电感、第一电容和变压器组成串并联谐振电路。所述同步整流电路包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管组成整流电路。所述DC/DC变换电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二电容、第三电容和第二电感，所述第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二电容、第三电容和第二电感组成四开关Buck-Boost电路。

对于所述前级电路，当所述第一开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第三开关管存储在所述第二电容中。当所述第二开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第四开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

对于所述后级电路，当所述DC/DC变换电路工作于降压模式时，所述第七开关管始终关断，所述第八开关管始终开通，所述第五开关管、第六开关管交替导通调节输出直流电压。当所述DC/DC变换电路工作于升压模式时，所述第五开关管始终开通，所述第六开关管始终关断，所述第七开关管、第八开关管交替导通调节输出电压。当所述DC/DC变换电路工作于临界模式时，所述第五开关管、第七开关管开通，所述第六开关管、第八开关管关断，所述第二电感充电，然后所述第七开关管关断，所述第八开关管开通，所述第二电感根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，所述第五开关管关断，所述第六开关管开通，所述第二电感向负载供电，最后所述第五开关管再次开通，所述第六开关管关断，实现后级能量变换。

优选的，所述桥式电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和第二开关管、第三开关管和第四开关管组成全桥电路。所述LLC谐振电路包括第一电感、第一电容和变压器，所述第一电感、第一电容和变压器组成串并联谐振电路。所述同步整流电路包括第五开关管和第六开关管，所述第五开关管和第六开关管组成整流电路。所述DC/DC变换电路包括第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第二电容、第三电容和第二电感，所述第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第二电容、第三电容和第二电感组成四开关Buck-Boost电路。

对于所述前级电路，当所述第一开关管、第四开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第五开关管存储在所述第二电容中。所述第二开关管、第三开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第六开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

对于所述后级电路，当所述DC/DC变换电路工作于降压模式时，所述第九开关管始终关断，所述第十开关管始终开通，所述第七开关管、第八开关管交替导通调节输出电压。当所述DC/DC变换电路工作于升压模式时，所述第七开关管始终开通，所述第八开关管始终关断，所述第九开关管、第十开关管交替导通调节输出电压。当所述DC/DC变换电路工作于临界模式时，所述第七开关管、第九开关管开通，所述开关第八开关管、第十开关管关断，所述第二电感充电，然后所述第九开关管关断，所述第十开关管开通，所述第二电感根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，所述第七开关管关断，所述第八开关管开通，所述第二电感向负载供电，最后所述第七开关管再次开通，所述第八开关管关断，实现后级能量变换。

优选的，所述桥式电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管组成半桥电路。所述LLC谐振电路包括第一电感、第一电容和变压器，所述第一电感、第一电容和变压器组成串并联谐振电路。所述同步整流电路包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管组成整流电路。所述DC/DC变换电路包括第五开关管、第六开关管、第二电容、第三电容和第二电感，所述第五开关管、第六开关管、第二电容、第三电容和第二电感组成两开关Buck电路。

对于所述前级电路，所述第一开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第三开关管存储在所述第二电容中。所述第二开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第四开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

对于所述后级电路，当所述第五开关管开通、第六开关管关断时，所述第二电容在向负载传递能量的同时为所述第二电感充电。当所述第五开关管关断、所述第六开关管开通时，所述第二电感通过所述第六开关管向负载传递能量，完成后级能量变换。

优选的，所述桥式电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管组成半桥电路。所述LLC谐振电路包括第一电感、第一电容和变压器，所述第一电感、第一电容和变压器组成串并联谐振电路。所述同步整流电路包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管组成整流电路。所述DC/DC变换电路包括第五开关管、第六开关管、第二电容、第三电容和第二电感，所述第五开关管、第六开关管、第二电容、第三电容和第二电感组成两开关Boost电路。

对于所述前级电路，当所述第一开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第三开关管存储在所述第二电容中。当所述第二开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第四开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

对于所述后级电路，当所述第五开关管开通、第六开关管关断时，所述第二电容为所述第二电感充电。当所述第五开关管关断、第六开关管开通时，所述第二电容、第二电感通过所述第六开关管一同向负载传递能量，完成后级能量变换。

优选的，所述桥式电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管组成半桥电路。所述LLC谐振电路包括第一电感、第一电容和变压器，所述第一电感、第一电容和变压器组成串并联谐振电路。所述同步整流电路包括第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，所述第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管组成全桥整流电路。所述DC/DC变换电路包括第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第二电容、第三电容和第二电感，所述第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第二电容、第三电容和第二电感组成四开关Buck-Boost电路。

对于所述前级电路，当所述第一开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第三开关管、第六开关管存储在所述第二电容中。当所述第二开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第四开关管、第五开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

对于所述后级电路，当所述DC/DC变换电路工作于降压模式时，所述第九开关管始终关断，所述第十开关管始终开通，所述第七开关管、第八开关管交替导通调节输出电压。当所述DC/DC变换电路工作于升压模式时，所述第七开关管始终开通，所述第八开关管始终关断，所述第九开关管、第十开关管交替导通调节输出电压。当所述DC/DC变换电路工作于临界模式时，所述第七开关管、第九开关管开通，所述第八开关管、第十开关管关断，所述第二电感充电，然后所述第九开关管关断，所述第十开关管开通，所述第二电感根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，所述第七开关管关断，所述第八开关管开通，所述第二电感向负载供电，最后所述第七开关管再次开通，所述第八开关管关断，实现后级能量变换。

本发明还另外具体提供了一种两级功率变换方法的技术实现方案，该方法包括以下过程：

第一级能量变换过程：将输入直流电压进行逆变后再隔离整流输出；

第二级能量变换过程：将经过第一级能量变换步骤隔离输出的电压经过稳压后输出至负载。

优选的，所述第一级能量变换过程还包括以下步骤：

S10：将输入直流信号逆变为周期性变化的方波信号；

S20：对步骤S10中经过逆变后周期性变化的方波信号进行隔离输出；

S30：对步骤S20中经过隔离输出的方波信号进行整流，转变为直流信号。

优选的，所述第二级能量变换过程还包括以下步骤：

S40：对步骤S30中的直流信号进行DC/DC变换，最终输出直流稳压信号至负载。

优选的，所述步骤S20中经过隔离输出的为定频定占空比的方波信号。

优选的，所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用定频开关模式。

优选的，两级功率变换电路包括第一开关管、第二开关管、第一电感、第一电容、变压器、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二电容、第三电容和第二电感。

所述第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述第一开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第三开关管存储在所述第二电容中。当所述第二开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第四开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

所述第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用降压模式时，所述第七开关管始终关断，所述第八开关管始终开通，所述第五开关管、第六开关管交替导通调节输出直流电压。当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用升压模式时，所述第五开关管始终开通，所述第六开关管始终关断，所述第七开关管、第八开关管交替导通调节输出电压。当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用临界模式时，所述第五开关管、第七开关管开通，所述第六开关管、第八开关管关断，所述第二电感充电，然后所述第七开关管关断，所述第八开关管开通，所述第二电感根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，所述第五开关管关断，所述第六开关管开通，所述第二电感向负载供电，最后所述第五开关管再次开通，所述第六开关管关断，实现后级能量变换。

优选的，两级功率变换电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感、第一电容、变压器、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第二电容、第三电容和第二电感。

所述第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述第一开关管、第四开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第五开关管存储在所述第二电容中。所述第二开关管、第三开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第六开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换；

所述第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用降压模式时，所述第九开关管始终关断，所述第十开关管始终开通，所述第七开关管、第八开关管交替导通调节输出电压。当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用升压模式时，所述第七开关管始终开通，所述第八开关管始终关断，所述第九开关管、第十开关管交替导通调节输出电压。当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用临界模式时，所述第七开关管、第九开关管开通，所述开关第八开关管、第十开关管关断，所述第二电感充电，然后所述第九开关管关断，所述第十开关管开通，所述第二电感根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，所述第七开关管关断，所述第八开关管开通，所述第二电感向负载供电，最后所述第七开关管再次开通，所述第八开关管关断，实现后级能量变换。

优选的，两级功率变换电路包括第一开关管、第二开关管、第一电感、第一电容、变压器、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第二电容、第三电容和第二电感。

所述第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

所述第一开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第三开关管存储在所述第二电容中。所述第二开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第四开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

所述第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述第五开关管开通、第六开关管关断时，所述第二电容在向负载传递能量的同时为所述第二电感充电。当所述第五开关管关断、所述第六开关管开通时，所述第二电感通过所述第六开关管向负载传递能量，完成后级能量变换。

优选的，两级功率变换电路包括第一开关管、第二开关管、第一电感、第一电容、变压器、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第二电容、第三电容和第二电感。

所述第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述第一开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第三开关管存储在所述第二电容中。当所述第二开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第四开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

所述第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述第五开关管开通、第六开关管关断时，所述第二电容为所述第二电感充电。当所述第五开关管关断、第六开关管开通时，所述第二电容、第二电感通过所述第六开关管一同向负载传递能量，完成后级能量变换。

优选的，两级功率变换电路包括第一开关管、第二开关管、第一电感、第一电容、变压器、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第二电容、第三电容和第二电感。

所述第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述第一开关管开通时，输入直流电压Vin经所述第一电感、所述变压器的原边，将能量存储在所述第一电容中。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第三开关管、第六开关管存储在所述第二电容中。当所述第二开关管开通时，所述第一电容通过所述变压器的原边、所述第一电感释放能量。同时，能量通过所述变压器的线圈耦合到次边，并通过所述第四开关管、第五开关管存储在所述第二电容中，实现前级能量变换。

所述第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用降压模式时，所述第九开关管始终关断，所述第十开关管始终开通，所述第七开关管、第八开关管交替导通调节输出电压。当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用升压模式时，所述第七开关管始终开通，所述第八开关管始终关断，所述第九开关管、第十开关管交替导通调节输出电压。当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用临界模式时，所述第七开关管、第九开关管开通，所述第八开关管、第十开关管关断，所述第二电感充电，然后所述第九开关管关断，所述第十开关管开通，所述第二电感根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，所述第七开关管关断，所述第八开关管开通，所述第二电感向负载供电，最后所述第七开关管再次开通，所述第八开关管关断，实现后级能量变换。

通过实施上述本发明提供的两级功率变换电路及方法，具有如下有益效果：

本发明具体实施例描述的两级功率变换电路及方法采用前级隔离、后级不隔离结构，电路简单、元件少、可靠性高。通过前级桥式电路1的开关管实现软开关，LLC谐振电路2的原边工作在定频定占空比模式、LLC谐振电路2的次边采用同步整流，后级的DC/DC变换电路4采用定频开关控制模式，相较于现有功率变换电路可以实现更高效率的功率转换。

附图说明

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的介绍。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实施例。

图1是现有技术1中采用单级变换方式的供电系统原理图；

图2是现有技术2中采用双级变换方式的供电系统前级变换中降压电路的原理图；

图3是现有技术2中采用双级变换方式的供电系统前级变换中交错正激电路的原理图；

图4是本发明两级功率变换电路的电路结构框图；

图5是本发明实施例1中两级功率变换电路的电路结构框图；

图6是本发明实施例1中两级功率变换电路的电路拓扑结构图；

图7是本发明实施例1中两级功率变换电路中的关键信号波形图；

图8是本发明实施例2中两级功率变换电路的电路结构框图；

图9是本发明实施例2中两级功率变换电路的电路拓扑结构图；

图10是本发明实施例2中两级功率变换电路中的关键信号波形图；

图11是本发明实施例3中两级功率变换电路的电路结构框图；

图12是本发明实施例3中两级功率变换电路的电路拓扑结构图；

图13是本发明实施例3中两级功率变换电路中的关键信号波形图；

图14是本发明实施例4中两级功率变换电路的电路结构框图；

图15是本发明实施例4中两级功率变换电路的电路拓扑结构图；

图16是本发明实施例4中两级功率变换电路中的关键信号波形图；

图17是本发明实施例5中两级功率变换电路的电路结构框图；

图18是本发明实施例5中两级功率变换电路的电路拓扑结构图；

图19是本发明实施例5中两级功率变换电路中的关键信号波形图；

图中：1-桥式电路，2-LLC谐振电路，3-同步整流电路，4-DC/DC变换电路，Q1-第一开关管，Q2-第二开关管，Q3-第三开关管，Q4-第四开关管，Q5-第五开关管，Q6-第六开关管，Q7-第七开关管，Q8-第八开关管，Q9-第九开关管，Q10-第十开关管，L1-第一电感，L2-第二电感，C1-第一电容，C2-第二电容，C3-第三电容，T1-变压器。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

IBA：中间总线架构；

Buck：降压电路；

Boost：升压电路；

Buck-Boost：升降压电路；

InterLeaved Forward：交错正激；

LLC：两个电感和一个电容构成的串并联谐振拓扑；

MOSFET：绝缘栅场效应晶体管。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

如附图4至附图19所示，给出了本发明两级功率变换电路及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图4所示，一种两级功率变换电路的具体实施例，包括：

用于实现输入直流电压逆变后隔离整流输出的功能，完成第一级能量变换的前级电路；

以及与前级电路相连，用于实现稳压功能，完成第二级能量变换的后级电路。

前级电路包括：

桥式电路1，用于将输入直流信号转换为周期性变化的方波信号；

与桥式电路1相连的LLC谐振电路2，用于对经过逆变的直流输入信号进行隔离输出；

以及与LLC谐振电路2相连的同步整流电路3，用于对经过LLC谐振电路2隔离后输出的周期性变化的方波信号进行整流，转变为直流信号。

后级电路包括：

与同步整流电路3相连的DC/DC变换电路4，用于对同步整流电路3输出的直流信号进行DC/DC变换，最终输出直流稳压信号至负载。

其中，LLC谐振电路2工作于定频定占空比模式，DC/DC变换电路4工作于定频开关模式。

本发明上述具体实施例描述的技术方案给出了一种适用于宽输入电压范围的两级变换电路拓扑，可实现高效率的功率转换。通过LLC（两个电感加一个电容构成的串并联谐振电路）+DC/DC变换（包括升降压、升压和降压）电路，LLC次边采用同步整流方案，在一个电路模块上同时实现了隔离和稳压的功能。其中，前级采用隔离结构，实现逆变、隔离和整流功能，完成第一级的能量变换。后级采用不隔离结构，实现稳压功能，完成第二级的能量变换。

下述的实施例1-5给出了本发明两级功率变换电路五种不同的电路拓扑结构，以及电路工作原理和过程的具体描述。其中，电路中包括的主要标号及其定义如下：

Vin+为输入正，Vin-为输入地，Vout+为输出正，Vout-为输出地，Q1～Q10为功率开关管，L1、L2为电感，C1～C3为电容，T1为变压器。

实施例1

半桥逆变LLC+同步整流+四开关Buck-Boost拓扑结构，如附图5、6和7所示。

桥式电路1包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管Q1和第二开关管Q2组成半桥电路。

LLC谐振电路2包括第一电感L1、第一电容C1和变压器T1，第一电感L1、第一电容C1和变压器T1组成串并联谐振电路。

同步整流电路3包括第三开关管Q3和第四开关管Q4，第三开关管Q3和第四开关管Q4组成整流电路。

DC/DC变换电路4包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2组成四开关Buck-Boost电路。

对于前级电路，当第一开关管Q1开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第三开关管Q3存储在第二电容C2中。当第二开关管Q2开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第四开关管Q4存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

对于后级电路，当DC/DC变换电路4工作于降压模式时，第七开关管Q7始终关断，第八开关管Q8始终开通，第五开关管Q5、第六开关管Q6交替导通调节输出直流电压。当DC/DC变换电路4工作于升压模式时，第五开关管Q5始终开通，第六开关管Q6始终关断，第七开关管Q7、第八开关管Q8交替导通调节输出电压。当DC/DC变换电路4工作于临界模式时，第五开关管Q5、第七开关管Q7开通，第六开关管Q6、第八开关管Q8关断，第二电感L2充电，然后第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通，第二电感L2根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，第五开关管Q5关断，第六开关管Q6开通，第二电感L2向负载供电，最后第五开关管Q5再次开通，第六开关管Q6关断，实现后级能量变换。

实施例2

全桥逆变LLC+同步整流+四开关Buck-Boost拓扑结构，如附图8、9和10所示。

桥式电路1包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，第一开关管Q1和第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4组成全桥电路。

LLC谐振电路2包括第一电感L1、第一电容C1和变压器T1，第一电感L1、第一电容C1和变压器T1组成串并联谐振电路。

同步整流电路3包括第五开关管Q5和第六开关管Q6，第五开关管Q5和第六开关管Q6组成整流电路。

DC/DC变换电路4包括第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2组成四开关Buck-Boost电路。

对于前级电路，当第一开关管Q1、第四开关管Q4开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第五开关管Q5存储在第二电容C2中。第二开关管Q2、第三开关管Q3开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第六开关管Q6存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

对于所述后级电路，当DC/DC变换电路4工作于降压模式时，第九开关管Q9始终关断，第十开关管Q10始终开通，第七开关管Q7、第八开关管Q8交替导通调节输出电压。当DC/DC变换电路4工作于升压模式时，第七开关管Q7始终开通，第八开关管Q8始终关断，第九开关管Q9、第十开关管Q10交替导通调节输出电压。当DC/DC变换电路4工作于临界模式时，第七开关管Q7、第九开关管Q9开通，开关第八开关管Q8、第十开关管Q10关断，第二电感L2充电，然后第九开关管Q9关断，第十开关管Q10开通，第二电感L2根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通，第二电感L2向负载供电，最后第七开关管Q7再次开通，第八开关管Q8关断，实现后级能量变换。

实施例3

半桥逆变LLC+同步整流+Buck拓扑结构，如附图11、12和13所示。

桥式电路1包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管Q1和第二开关管Q2组成半桥电路。

LLC谐振电路2包括第一电感L1、第一电容C1和变压器T1，第一电感L1、第一电容C1和变压器T1组成串并联谐振电路。

同步整流电路3包括第三开关管Q3和第四开关管Q4，第三开关管Q3和第四开关管Q4组成整流电路。

DC/DC变换电路4包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。第五开关管Q5、第六开关管Q6、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2组成两开关Buck电路。

对于前级电路，第一开关管Q1开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第三开关管Q3存储在第二电容C2中。第二开关管Q2开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第四开关管Q4存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

对于后级电路，当第五开关管Q5开通、第六开关管Q6关断时，第二电容C2在向负载传递能量的同时为第二电感L2充电。当第五开关管Q5关断、第六开关管Q6开通时，第二电感L2通过第六开关管Q6向负载传递能量，完成后级能量变换。

实施例4

全桥逆变LLC+同步整流+ Boost拓扑结构，如附图14、15和16所示。

桥式电路1包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管Q1和第二开关管Q2组成半桥电路。

LLC谐振电路2包括第一电感L1、第一电容C1和变压器T1，第一电感L1、第一电容C1和变压器T1组成串并联谐振电路。

同步整流电路3包括第三开关管Q3和第四开关管Q4，第三开关管Q3和第四开关管Q4组成整流电路。

DC/DC变换电路4包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2，第五开关管Q5、第六开关管Q6、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2组成两开关Boost电路。

对于前级电路，当第一开关管Q1开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第三开关管Q3存储在第二电容C2中。当第二开关管Q2开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第四开关管Q4存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

对于后级电路，当第五开关管Q5开通、第六开关管Q6关断时，第二电容C2为第二电感L2充电。当第五开关管Q5关断、第六开关管Q6开通时，第二电容C2、第二电感L2通过第六开关管Q6一同向负载传递能量，完成后级能量变换。

实施例5

半桥逆变LLC（次边采用桥式整流）+四开关Buck-Boost拓扑结构，如附图17、18和19所示。

桥式电路1包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管Q1和第二开关管Q2组成半桥电路。

LLC谐振电路2包括第一电感L1、第一电容C1和变压器T1，第一电感L1、第一电容C1和变压器T1组成串并联谐振电路。

同步整流电路3包括第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6组成全桥（桥式）整流电路。作为本发明一种典型的具体实施例，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6均采用二极管，组成二极管全桥整流电路。

DC/DC变换电路4包括第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2组成四开关Buck-Boost电路。

对于前级电路，当第一开关管Q1开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第三开关管Q3、第六开关管Q6存储在第二电容C2中。当第二开关管Q2开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第四开关管Q4、第五开关管Q5存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

对于后级电路，当DC/DC变换电路4工作于降压模式时，第九开关管Q9始终关断，第十开关管Q10始终开通，第七开关管Q7、第八开关管Q8交替导通调节输出电压。当DC/DC变换电路4工作于升压模式时，第七开关管Q7始终开通，第八开关管Q8始终关断，第九开关管Q9、第十开关管Q10交替导通调节输出电压。当DC/DC变换电路4工作于临界模式时，第七开关管Q7、第九开关管Q9开通，第八开关管Q8、第十开关管Q10关断，第二电感L2充电，然后第九开关管Q9关断，第十开关管Q10开通，第二电感L2根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通，第二电感L2向负载供电，最后第七开关管Q7再次开通，第八开关管Q8关断，实现后级能量变换。

上述实施例1-5中的两级功率变换电路划分为四个基本的功能模块电路，分别是桥式电路（可以采用半桥或全桥）1、LLC谐振电路2、同步整流电路（可以采用同步整流或全桥整流）3和DC/DC变换电路4（可以采用括Buck-Boost、Buck或Boost中的任意一种）。桥式电路1实现逆变功能，LLC谐振电路2中的变压器T1实现隔离功能，同步整流电路3实现整流功能，DC/DC变换电路4实现稳压功能。其中，作为本发明一种典型的具体实施例，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10可以采用MOSFET。

一种两级功率变换方法的具体实施例，包括以下过程：

第一级能量变换过程：将输入直流电压进行逆变后再隔离整流输出；

第二级能量变换过程：将经过第一级能量变换步骤隔离输出的电压经过稳压后输出至负载。

第一级能量变换过程还包括以下步骤：

S10：将输入直流信号逆变为周期性变化的方波信号；

S20：对步骤S10中经过逆变后周期性变化的方波信号进行隔离输出；

S30：对步骤S20中经过隔离输出的方波信号进行整流，转变为直流信号。

第二级能量变换过程还包括以下步骤：

S40：对步骤S30中的直流信号进行DC/DC变换，最终输出直流稳压信号至负载。

步骤S20中经过隔离输出的为定频定占空比的方波信号，步骤S40中的DC/DC变换过程采用定频开关模式。

实施例6

两级功率变换电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电感L1、第一电容C1、变压器T1、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。

第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当第一开关管Q1开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第三开关管Q3存储在第二电容C2中。当第二开关管Q2开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第四开关管Q4存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当步骤S40中的DC/DC变换过程采用降压模式时，第七开关管Q7始终关断，第八开关管Q8始终开通，第五开关管Q5、第六开关管Q6交替导通调节输出直流电压。当步骤S40中的DC/DC变换过程采用升压模式时，第五开关管Q5始终开通，第六开关管Q6始终关断，第七开关管Q7、第八开关管Q8交替导通调节输出电压。当步骤S40中的DC/DC变换过程采用临界模式时，第五开关管Q5、第七开关管Q7开通，第六开关管Q6、第八开关管Q8关断，第二电感L2充电，然后第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通，第二电感L2根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，第五开关管Q5关断，第六开关管Q6开通，第二电感L2向负载供电，最后第五开关管Q5再次开通，第六开关管Q6关断，实现后级能量变换。

实施例7

两级功率变换电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电感L1、第一电容C1、变压器T1、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。

第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当第一开关管Q1、第四开关管Q4开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第五开关管Q5存储在第二电容C2中。第二开关管Q2、第三开关管Q3开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第六开关管Q6存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当步骤S40中的DC/DC变换过程采用降压模式时，第九开关管Q9始终关断，第十开关管Q10始终开通，第七开关管Q7、第八开关管Q8交替导通调节输出电压。当步骤S40中的DC/DC变换过程采用升压模式时，第七开关管Q7始终开通，第八开关管Q8始终关断，第九开关管Q9、第十开关管Q10交替导通调节输出电压。当步骤S40中的DC/DC变换过程采用临界模式时，第七开关管Q7、第九开关管Q9开通，开关第八开关管Q8、第十开关管Q10关断，第二电感L2充电，然后第九开关管Q9关断，第十开关管Q10开通，第二电感L2根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通，第二电感L2向负载供电，最后第七开关管Q7再次开通，第八开关管Q8关断，实现后级能量变换。

实施例8

两级功率变换电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电感L1、第一电容C1、变压器T1、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。

第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

第一开关管Q1开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第三开关管Q3存储在第二电容C2中。第二开关管Q2开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第四开关管Q4存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当第五开关管Q5开通、第六开关管Q6关断时，第二电容C2在向负载传递能量的同时为第二电感L2充电。当第五开关管Q5关断、第六开关管Q6开通时，第二电感L2通过第六开关管Q6向负载传递能量，完成后级能量变换。

实施例9

两级功率变换电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电感L1、第一电容C1、变压器T1、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。

第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当第一开关管Q1开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第三开关管Q3存储在第二电容C2中。当第二开关管Q2开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第四开关管Q4存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当第五开关管Q5开通、第六开关管Q6关断时，第二电容C2为第二电感L2充电。当第五开关管Q5关断、第六开关管Q6开通时，第二电容C2、第二电感L2通过第六开关管Q6一同向负载传递能量，完成后级能量变换。

实施例10

两级功率变换电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电感L1、第一电容C1、变压器T1、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第二电容C2、第三电容C3和第二电感L2。

第一级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当第一开关管Q1开通时，输入直流电压Vin经第一电感L1、变压器T1的原边，将能量存储在第一电容C1中。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第三开关管Q3、第六开关管Q6存储在第二电容C2中。当第二开关管Q2开通时，第一电容C1通过变压器T1的原边、第一电感L1释放能量。同时，能量通过变压器T1的线圈耦合到次边，并通过第四开关管Q4、第五开关管Q5存储在第二电容C2中，实现前级能量变换。

第二级能量变换过程进一步包括以下步骤：

当步骤S40中的DC/DC变换过程采用降压模式时，第九开关管Q9始终关断，第十开关管Q10始终开通，第七开关管Q7、第八开关管Q8交替导通调节输出电压。当步骤S40中的DC/DC变换过程采用升压模式时，第七开关管Q7始终开通，第八开关管Q8始终关断，第九开关管Q9、第十开关管Q10交替导通调节输出电压。当所述步骤S40中的DC/DC变换过程采用临界模式时，第七开关管Q7、第九开关管Q9开通，第八开关管Q8、第十开关管Q10关断，第二电感L2充电，然后第九开关管Q9关断，第十开关管Q10开通，第二电感L2根据输入输出电压关系决定充电或放电。其后，第七开关管Q7关断，第八开关管Q8开通，第二电感L2向负载供电，最后第七开关管Q7再次开通，第八开关管Q8关断，实现后级能量变换。

需要特别说明的是，虽然本发明具体实施例只给出了五种两级功率变换电路的具体拓扑结构，但是从本发明具体实施例上述技术方案的描述可以知晓，除此之外，上述桥式电路（可以采用半桥或全桥）1、LLC谐振电路2、同步整流电路（可以采用同步整流或全桥整流）3和DC/DC变换电路4（可以采用括Buck-Boost、Buck或Boost中的任意一种）四个基本功能模块采用实施例1-5之外的其它拓扑结构的任意组合也是可以实现本发明目的的，因此本发明要求保护的两级功率变换电路拓扑结构至少包括2×2×3共12种方式。对于实施例6-10描述的两级功率变换方法来说亦是如此。

通过实施本发明具体实施例描述的两级功率变换电路及方法，能够达到以下技术效果：

本发明具体实施例描述的两级功率变换电路及方法采用前级隔离、后级不隔离结构，电路简单、元件少、可靠性高。通过桥式电路1的开关管实现软开关，LLC谐振电路2的原边工作在定频定占空比模式、LLC谐振电路2的次边采用同步整流，DC/DC变换电路4采用定频开关控制模式，相较于现有供电系统可以实现更高效率的功率转换。以机车用电源（输入电压：66VDC～154VDC；输出电压：24VDC；输出功率：150W）为例，经实际测试，在25℃环境温度、额定输入、满载条件下，本发明上述具体实施例描述的两级功率变换电路及方法的功率转换效率超过了92%。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。