高频软开关谐振直流变换器及电压增益计算方法与流程

本发明涉及一种谐振变换器的技术，特别是一种高频软开关谐振直流变换器及电压增益计算方法。

背景技术：

提高变换器的开关频率是提高其功率密度的有效手段。但是对于硬开关电路来说，提高开关频率意味着开关损耗的增加，会大大降低变换器的整体效率。因此研究软开关技术，即在不增加开关损耗的基础上提高变换器的开关频率十分重要。

谐振技术是实现软开关的重要手段。由于目前常用的开关管大多采用mosfet，利用其体二极管实现零电压开关是常用的方法，如llc谐振变换器、移相全桥变换器等。但是这些变换器大多是多管变换器，在一些功率较小的场合，需要研究单管软开关变换器来降低成本以及控制与驱动电路的复杂程度，并且在开关频率不断提高的过程中，多管变换器不能避免浮地驱动，可能导致变换器工作不可靠。目前已有的单管零电压开关准谐振或者多谐振变换器的二极管电压应力均较大，不适合肖特基二极管的应用，使得选择的二极管导通压降较大而增加导通损耗，从而影响变换效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高频软开关谐振直流变换器及电压增益计算方法，本发明实现了开关管和二极管的零电压开关以及二极管的零电流关断，变换器的开关损耗几乎为零，提高了变换器的效率，解决了零电压开关准谐振变换器只能改善开关管和二极管中一个器件开关条件、零电压开关多谐振变换器二极管电压应力过大的技术问题。

一种高频软开关谐振直流变换器，包括直流电源、输入侧电感、开关管、第一谐振电容、隔直电容、谐振电感、隔离变压器、第一二极管、第二二极管、第二谐振电容、第三谐振电容、输出滤波电容；所示隔离变压器包括原边绕组、第一副边绕组、第二副边绕组；输入侧电感第一引脚接直流电源正端，输入侧电感第二引脚分别接开关管的漏极、第一谐振电容的第一引脚、隔直电容的第一引脚，隔直电容的第二引脚接谐振电感第一引脚，谐振电感第二引脚接隔离变压器原边绕组的同名端，直流电源负端、开关管的源极、第一谐振电容的第二引脚和隔离变压器原边绕组的异名端接地，第一二极管阳极分别接第二谐振电容的第一引脚、隔离变压器第一副边绕组的同名端，第二二极管阳极分别接第三谐振电容的第一引脚、隔离变压器第二副边绕组的异名端，第一二极管阴极、第二谐振电容第二引脚、第二二极管阴极、第三谐振电容第二引脚、输出滤波电容第一引脚相连接，输出滤波电容第二引脚、隔离变压器第一副边绕组异名端、隔离变压器第二副边绕组同名端接地。

一种高频软开关谐振直流变换器的电压增益计算方法，包括以下步骤：

步骤1，设置第一个模态为第一谐振电容(cs)、谐振电感(ls)、第二谐振电容(cd1)、第三谐振电容(cd2)四者均参与谐振；

以输入侧电感(lf)电流上升至io的时刻为起始时刻t0，设置初始条件为：il(t0)＝io，vs(t0)＝vs0，vd1(t0)＝2vo，vd2(t0)＝0；

设置输出电压(vo)与第一谐振电容(cs)两端电压(vs)初始值作为迭代变量，vs0、vo分别为预设迭代变量初始值；

在t1时刻，第一谐振电容(cs)两端电压(vs)谐振到0，计算出第一个模态的持续时间t01，同时计算出第二个模态的初始条件il(t1)＝il(t01)，vs(t1)＝0，vd1(t1)＝vd1(t01)，vd2(t1)＝vd2(t01)；

步骤2，变换器进入第二个模态，第二个模态为谐振电感(ls)、第二谐振电容(cd1)、第三谐振电容(cd2)三者参与谐振；

在t2时刻，第二谐振电容(cd1)两端电压(vd1)下降至0，第三谐振电容(cd2)两端电压vd2上升至2vo，计算出第二个模态的持续时间t12；同时计算出第三个模态的初始条件：il(t2)＝il(t12)，vs(t2)＝0，vd1＝0，vd2＝2vo；

步骤3，变换器进入第三个模态，第三个模态为不存在谐振，电感电流线性下降；

在t3时刻，电感电流下降至io，由此可以计算出第三个模态的持续时间t23；同时计算出第四个模态的初始条件：il(t3)＝io，vs(t3)＝0，vd1(t3)＝0，vd2(t3)＝2vo；

步骤4，第四个模态为谐振电感(ls)、第二谐振电容(cd1)、第三谐振电容(cd2)三者参与谐振；

若在t4时刻，第三谐振电容(cd2)两端电压(vd2)先下降至0，则转步骤s401；若在t4时刻，开关管(s)先关断，则转步骤s411；

步骤s401，计算出第四个模态的持续时间t34；同时计算出第五个模态的初始条件：il(t4)＝il(t34)，vs(t4)＝0，vd1(t4)＝2vo，vd2(t4)＝0；转步骤s501；

步骤s501，第五个模态不存在谐振，电感电流线性上升或下降；

在t5时刻，开关管(s)关断，假设第五个模态的持续时间为tx，计算出第六个模态的初始条件：il(t5)＝il(tx)，vs(t5)＝0，vd1(t5)＝2vo，vd2(t5)＝0；转步骤s601；

步骤s601，第六个模态为谐振电感(ls)与第一谐振电容(cs)谐振；

在t6时刻，电感电流上升至io，将回到第一个模态，由此可以计算出第六个模态的持续时间t56；第六个模态的终值：il(t6)＝io，vs(t6)＝vs(t56)，vd1(t6)＝2vo，vd2(t6)＝0；

步骤s701，整个开关周期的持续时间可以计算得到：ts＝t01+t12+t23+t34+tx+t56；通过二极管两端电压vd1或者vd2在一个开关周期内的平均值计算出输出电压vof。

步骤s411，第一谐振电容(cs)开始参与谐振，假设第四个模态的持续时间为tx，可以计算出第五个模态的初始条件：il(t4)＝il(tx)，vs(t4)＝vs(tx)，vd1(t4)＝vd1(tx)，vd2(t4)＝vd2(tx)；转步骤s511；

步骤s511，设置第五个模态参与谐振的元件有第一谐振电容(cs)、谐振电感(ls)、第二谐振电容(cd1)、第三谐振电容(cd2)；在t5时刻，第三谐振电容(cd2)两端电压(vd2)下降至0，由此计算出第五个模态的持续时间为t45，同时计算出第六个模态的初始条件：il(t5)＝il(t45)，vs(t5)＝vs(t45)，vd1(t5)＝2vo，vd2(t5)＝0；转步骤s611，

步骤s611，设置第六个模态为谐振电感(ls)与第一谐振电容(cs)谐振；

在t6时刻，电感电流上升至io，将回到第一个模态，由此可以计算出第六个模态的持续时间t56；第六个模态的终值：il(t6)＝io，vs(t6)＝vs(t56)，vd1(t6)＝2vo，vd2(t6)＝0；

步骤s711，整个开关周期的持续时间可以计算得到：ts＝t01+t12+t23+tx+t45+t56；通过二极管两端电压vd1或者vd2在一个开关周期内的平均值计算出输出电压vof。

如果第一谐振电容(cs)两端电压(vs)不能谐振到0，或者在关断开关管s时，出现输入电流小于电感电流即iin<il的情况，或者第六个模态电感电流不能上升到io，或者分别将输出电压终值vof以及第一谐振电容(cs)两端电压终值vs(t56)分别与预设迭代变量初始值vo与vs0进行比较，两者有任何一项不在误差允许范围内，均认为迭代失败，需改变预设迭代变量初始值vo与vs0重新进行计算。如果没有出现上述情况中的任何一种，则认为迭代成功，记录ts与vo的对应关系，经过多次迭代，即得到电压增益随开关频率(开关周期)变化的曲线。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)高频软开关谐振直流变换器可以同时实现开关管和二极管的零电压开关以及二极管的零电流关断，而且与现有的零电压开关多谐振变换器相比，具有二极管电压应力更低的优点；

(2)高频软开关谐振直流变换器吸收变压器的漏感作为谐振电感的一部分，吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，既解决了高频工作下寄生参数影响明显的问题又提高了变换器效率。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是高频软开关谐振直流变换器电路结构示意图。

图2是高频软开关谐振直流变换器等效电路结构示意图。

图3是高频软开关谐振直流变换器工作模式a主要波形示意图。

图4是高频软开关谐振直流变换器工作模式b主要波形示意图。

图5是工作模式a开关模态1和工作模式b开关模态2的等效电路结构示意图。

图6是工作模式a开关模态2和工作模式b开关模态1、3的等效电路结构示意图。

图7是工作模式a开关模态3、5和工作模式b开关模态4、6的等效电路结构示意图。

图8是工作模式a开关模态4和工作模式b开关模态5的等效电路结构示意图。

图9是工作模式a开关模态6的等效电路结构示意图。

图10是高频软开关谐振直流变换器电压增益计算方法以及模态切换流程图。

具体实施方式

为解决零电压开关准谐振变换器只能改善开关管和二极管中一个器件开关条件、零电压开关多谐振变换器二极管电压应力过大的技术问题，本发明提出了适用于需要电气隔离场合的高频软开关谐振直流变换器。

图1为高频软开关谐振直流变换器的电路基本结构示意图，由直流电源vin、输入侧电感lf、开关管s、开关管寄生体二极管ds、第一谐振电容cs、隔直电容cb、谐振电感ls、隔离变压器tr、第一二极管d1、第二二极管d2、第二谐振电容cd1、第三谐振电容cd2、输出滤波电容co组成。隔离变压器包括原边绕组np、第一副边绕组ns1、第二副边绕组ns2。输入侧电感lf第一引脚接直流电源vin正端，输入侧电感lf第二引脚与开关管s的漏极、第一谐振电容cs的第一引脚、隔直电容cb的第一引脚相连接，隔直电容cb第二引脚接谐振电感ls第一引脚，谐振电感ls第二引脚接隔离变压器原边绕组np的同名端，直流电源vin的负端、开关管s的源极、第一谐振电容cs的第二引脚、隔离变压器原边绕组np的异名端均接地，第一二极管d1阳极与第二谐振电容cd1的第一引脚、隔离变压器第一副边绕组ns1的同名端相连接，第二二极管d2阳极与第三谐振电容cd2的第一引脚、隔离变压器第二副边绕组ns2的异名端相连接，第一二极管d1阴极、第二谐振电容cd1的第二引脚、第二二极管d2阴极、第三谐振电容cd2的第二引脚、输出滤波电容co的第一引脚均相连接，输出滤波电容co的第二引脚、隔离变压器第一副边绕组ns1的异名端、隔离变压器第二副边绕组ns2的同名端均接地。开关管s包括并联在其漏极、源极之间的开关管寄生体二极管ds。第一谐振电容cs包括开关管s本身的结电容以及外加并联在开关管s两端的电容；第二谐振电容cd1包括第一二极管d1本身的结电容以及外加并联在二极管两端的电容；第三谐振电容cd2包括第二二极管d2本身的结电容以及外加并联在二极管两端的电容；谐振电感ls包括变压器的漏感以及外加串联的谐振电感。高频软开关谐振直流变换器吸收隔离变压器的漏感作为谐振电感的一部分，吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，可解决高频工作下寄生参数影响明显的问题。

下面以图1中的变换器为例，结合图2至图9叙述高频软开关谐振直流变换器的具体工作原理。在分析之前，作如下假设：(1)所有电感、电容和变压器均为理想元件；(2)输入电感足够大，可近似认为是一个电流源iin，iin为输入电流；(3)输出滤波电容足够大，可近似认为是一个电压源vo，vo为输出电压；(4)隔直电容足够大，可近似认为是一个电压源vin，vin为输入电压。由此可以得到如图2所示的变换器等效电路。下面对变换器进行模态分析介绍变换器的工作原理。

根据不同的工作情况，变换器共有两种工作模式，主要波形分别如图3和图4所示。

一、工作模式a：

1、开关模态1[t0，t1]

在t0时刻，开关管s关断，第二二极管d2为导通状态，第一谐振电容cs与谐振电感ls谐振，该开关模态的等效电路如图5所示。

2、开关模态2[t1，t2]

在t1时刻，谐振电感电流il上升至io时，流经第二二极管d2的电流下降至0而自然关断，第二谐振电容cd1与第三谐振电容cd2也参与谐振，参与谐振的元件有第一谐振电容cs、谐振电感ls、第二谐振电容cd1、第三谐振电容cd2，第二谐振电容cd1两端电压vd1谐振下降，第三谐振电容cd2两端电压vd2谐振上升，该开关模态的等效电路如图6所示。

3、开关模态3[t2，t3]

在t2时刻，第一谐振电容cs两端电压vs谐振到0而退出谐振，在该时刻之后开通开关管s可以实现零电压开关。该开关模态的等效电路如图7所示，参与谐振的元件有谐振电感ls、第二谐振电容cd1、第三谐振电容cd2，第二谐振电容cd1两端电压vd1继续谐振下降，第三谐振电容cd2两端电压vd2继续谐振上升。

4、开关模态4[t3，t4]

在t3时刻，第三谐振电容cd2两端电压vd2上升至2vo，第二谐振电容cd1两端电压vd1下降至0，第一二极管d1实现零电压开通，第三谐振电容cd2两端电压vd2被钳位至2vo，该开关模态的等效电路如图8所示。该模态不存在任何谐振过程，电感电流il线性下降。

5、开关模态5[t4，t5]

在t4时刻，谐振电感电流il下降至io时，流经第一二极管d1的电流下降至0而自然关断，第二谐振电容cd1与第三谐振电容cd2也参与谐振，参与谐振的元件有谐振电感ls、第二谐振电容cd1、第三谐振电容cd2，第二谐振电容cd1两端电压vd1谐振上升，第三谐振电容cd2两端电压vd2谐振下降，该开关模态的等效电路如图7所示。

6、开关模态6[t5，t6]

在t5时刻，第二谐振电容cd1两端电压vd1上升至2vo，第三谐振电容cd2两端电压vd2下降至0，第二二极管d2实现零电压开通，第二谐振电容cd1两端电压vd1被钳位至2vo，该开关模态的等效电路如图9所示。该模态不存在任何谐振过程，电感电流il线性上升或下降。

在t6时刻，开关管s被关断，回到开关模态1，至此一个开关周期完成。

二、工作模式b：

1、开关模态1[t0，t1]

在t0时刻，开关管s关断，第一谐振电容cs开始参与谐振，该模态参与谐振的元件有第一谐振电容cs、谐振电感ls、第二谐振电容cd1、第三谐振电容cd2，该开关模态的等效电路如图6所示。

2、开关模态2[t1，t2]

在t1时刻，第三谐振电容cd2两端电压vd2下降至0，第二谐振电容cd1两端电压vd1上升至2vo，第二二极管d2实现零电压开通，第二谐振电容cd1两端电压vd1被钳位至2vo，参与谐振的元件有谐振电感ls、第一谐振电容cs、该开关模态的等效电路如图5所示。

3、开关模态3[t2，t3]

在t2时刻，谐振电感电流il上升至io时，流经第二二极管d2的电流下降至0而自然关断，第二谐振电容cd1与第三谐振电容cd2也参与谐振，参与谐振的元件有第一谐振电容cs、谐振电感ls、第二谐振电容cd1、第三谐振电容cd2，第二谐振电容cd1两端电压vd1谐振下降，第三谐振电容cd2两端电压vd2谐振上升，该开关模态的等效电路如图6所示。

4、开关模态4[t3，t4]

在t3时刻，第一谐振电容cs两端电压vs谐振到0而退出谐振，在该时刻之后开通开关管s可以实现零电压开关。该开关模态的等效电路如图7所示，参与谐振的元件有谐振电感ls、第二谐振电容cd1、第三谐振电容cd2，第二谐振电容cd1两端电压vd1继续谐振下降，第三谐振电容cd2两端电压vd2继续谐振上升。

5、开关模态5[t4，t5]

在t4时刻，第二谐振电容cd1两端电压vd1下降至0，第三谐振电容cd2两端电压vd2上升至2vo，第一二极管d1实现零电压开通，第三谐振电容cd2两端电压vd2被钳位至2vo，该开关模态的等效电路如图8所示。该模态不存在任何谐振过程，电感电流il线性下降。

6.开关模态6[t5，t6]

在t5时刻，谐振电感电流il下降至io时，流经第一二极管d1的电流下降至0而自然关断，第二谐振电容cd1与第三谐振电容cd2也参与谐振，参与谐振的元件有谐振电感ls、第二谐振电容cd1、第三谐振电容cd2，第二谐振电容cd1两端电压vd1谐振上升，第三谐振电容cd2两端电压vd2谐振下降，该开关模态的等效电路如图7所示。

在t6时刻，开关管s被关断，回到开关模态1，至此一个开关周期完成。

由以上的分析可知，无论是工作模式a还是工作模式b，高频软开关谐振直流变换器均可以实现开关管s和二极管d1、d2的零电压开通、以及二极管d1、d2的零电流关断。

本发明所述的高频软开关谐振直流变换器可以将二极管d1、d2的电压应力钳位至输出电压的两倍2vo，因此具有电压应力更低的优点。

为了计算变换器的增益，本发明提供结合两种工作模式的增益计算方法，如图10所示。

步骤1，设置第一个模态为第一谐振电容(cs)、谐振电感(ls)、第二谐振电容(cd1)、第三谐振电容(cd2)四者均参与谐振；

以输入侧电感(lf)电流上升至io的时刻为起始时刻t0，设置初始条件为：il(t0)＝io，vs(t0)＝vs0，vd1(t0)＝2vo，vd2(t0)＝0；

设置输出电压(vo)与第一谐振电容(cs)两端电压(vs)初始值作为迭代变量，vs0、vo分别为预设迭代变量初始值；

在t1时刻，第一谐振电容(cs)两端电压(vs)谐振到0，计算出第一个模态的持续时间t01，同时计算出第二个模态的初始条件il(t1)＝il(t01)，vs(t1)＝0，vd1(t1)＝vd1(t01)，vd2(t1)＝vd2(t01)；

步骤2，变换器进入第二个模态，第二个模态为谐振电感(ls)、第二谐振电容(cd1)、第三谐振电容(cd2)三者参与谐振；

在t2时刻，第二谐振电容(cd1)两端电压(vd1)下降至0，第三谐振电容(cd2)两端电压vd2上升至2vo，计算出第二个模态的持续时间t12；同时计算出第三个模态的初始条件：il(t2)＝il(t12)，vs(t2)＝0，vd1＝0，vd2＝2vo；

步骤3，变换器进入第三个模态，第三个模态为不存在谐振，电感电流线性下降；

在t3时刻，电感电流下降至io，由此可以计算出第三个模态的持续时间t23；同时计算出第四个模态的初始条件：il(t3)＝io，vs(t3)＝0，vd1(t3)＝0，vd2(t3)＝2vo；

步骤4，第四个模态为谐振电感(ls)、第二谐振电容(cd1)、第三谐振电容(cd2)三者参与谐振；

若在t4时刻，第三谐振电容(cd2)两端电压(vd2)先下降至0，则转步骤s401；若在t4时刻，开关管(s)先关断，则转步骤s411；

步骤s401，计算出第四个模态的持续时间t34；同时计算出第五个模态的初始条件：il(t4)＝il(t34)，vs(t4)＝0，vd1(t4)＝2vo，vd2(t4)＝0；转步骤s501；

步骤s501，第五个模态不存在谐振，电感电流线性上升或下降；

在t5时刻，开关管(s)关断，假设第五个模态的持续时间为tx，计算出第六个模态的初始条件：il(t5)＝il(tx)，vs(t5)＝0，vd1(t5)＝2vo，vd2(t5)＝0；转步骤s601；

步骤s601，第六个模态为谐振电感(ls)与第一谐振电容(cs)谐振；

在t6时刻，电感电流上升至io，将回到第一个模态，由此可以计算出第六个模态的持续时间t56；第六个模态的终值：il(t6)＝io，vs(t6)＝vs(t56)，vd1(t6)＝2vo，vd2(t6)＝0；

步骤s701，整个开关周期的持续时间可以计算得到：ts＝t01+t12+t23+t34+tx+t56；通过二极管两端电压vd1或者vd2在一个开关周期内的平均值计算出输出电压vof。

步骤s411，第一谐振电容(cs)开始参与谐振，假设第四个模态的持续时间为tx，可以计算出第五个模态的初始条件：il(t4)＝il(tx)，vs(t4)＝vs(tx)，vd1(t4)＝vd1(tx)，vd2(t4)＝vd2(tx)；转步骤s511；

步骤s511，设置第五个模态参与谐振的元件有第一谐振电容(cs)、谐振电感(ls)、第二谐振电容(cd1)、第三谐振电容(cd2)；在t5时刻，第三谐振电容(cd2)两端电压(vd2)下降至0，由此计算出第五个模态的持续时间为t45，同时计算出第六个模态的初始条件：il(t5)＝il(t45)，vs(t5)＝vs(t45)，vd1(t5)＝2vo，vd2(t5)＝0；转步骤s611，

步骤s611，设置第六个模态为谐振电感(ls)与第一谐振电容(cs)谐振；

在t6时刻，电感电流上升至io，将回到第一个模态，由此可以计算出第六个模态的持续时间t56；第六个模态的终值：il(t6)＝io，vs(t6)＝vs(t56)，vd1(t6)＝2vo，vd2(t6)＝0；

步骤s711，整个开关周期的持续时间可以计算得到：ts＝t01+t12+t23+tx+t45+t56；通过二极管两端电压vd1或者vd2在一个开关周期内的平均值计算出输出电压vof。

如果第一谐振电容(cs)两端电压(vs)不能谐振到0，或者在关断开关管s时，出现输入电流小于电感电流即iin<il的情况，或者第六个模态电感电流不能上升到io，或者分别将输出电压终值vof以及第一谐振电容(cs)两端电压终值vs(t56)分别与预设迭代变量初始值vo与vs0进行比较，两者有任何一项不在误差允许范围内，均认为迭代失败，需改变预设迭代变量初始值vo与vs0重新进行计算。如果没有出现上述情况中的任何一种，则认为迭代成功，记录ts与vo的对应关系，经过多次迭代，即得到电压增益随开关频率(开关周期)变化的曲线。