一种串联谐振电路的制作方法

本实用新型涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种串联谐振电路。

背景技术：

随着开关电源的发展，软开关技术得到了广泛的发展和应用。目前基于软开关技术研究出的电路拓扑主要包括谐振型的软开关拓扑和脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)型的软开关拓扑。

其中，谐振型的软开关拓扑能够使拓扑中包含的MOS管在死区时间内实现零电压开通，从而有效降低谐振型的软开关拓扑的损耗。

然而，在MOS管实现零电压开通的死区时间内，谐振型的软开关拓扑中的电流会产生震荡现象，从而影响了谐振型软开关拓扑的性能。

技术实现要素：

本实用新型提供的一种串联谐振电路，有效改善了谐振型软开关拓扑在死区时间内电流震荡的现象。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种串联谐振电路，包括：谐振模块和震荡控制模块，

所述谐振模块的第一死区电压控制端、第二死区电压控制端、第三死区电压控制端和第四死区电压控制端分别与所述震荡控制模块的第一端、第二端、第三端和第四端相连；

所述震荡控制模块用于调整所述谐振模块的谐振腔回路内的等效电阻，以实现所述谐振腔回路内的过阻尼震荡；所述谐振模块用于根据驱动控制信号调整输出电压。

可选的，所述谐振模块，包括：方波产生单元、谐振单元和整流单元；

所述方波产生单元的第一电压控制端、第二电压控制端、第三电压控制端和第四电压控制端分别与所述震荡控制模块的第一端、第二端、第三端和第四端相连，所述方波产生单元的方波输出端与所述谐振单元的输入端相连，所述谐振单元的第一谐振输出端与所述整流单元的第一整流输入端相连，所述谐振单元的第二谐振输出端与所述整流单元的第二整流输入端相连；

所述方波产生单元，用于根据输入电压和驱动控制信号输出方波信号；所述谐振单元，用于根据所述方波信号产生分压信号；所述整流单元，用于对所述分压信号进行整流得到输出电压。

可选的，所述方波产生单元，包括：直流电源、第一开关管、第二开关管、第一吸收电容和第二吸收电容；

所述直流电源的第一端分别与所述第一开关管的第一端和所述第一吸收电容的第一吸收端相连，所述第一开关管的第二端分别与第二开关管的第一端、所述第二吸收电容的第一电容端、所述谐振单元的输入端和所述震荡控制模块的第二端相连，所述第一吸收电容第二吸收端与所述震荡控制模块的第一端相连，所述第二吸收电容的第二电容端与所述震荡控制模块的第三端相连，所述第二开关管的第二端与所述震荡控制模块的第四端相连。

可选的，所述驱动控制信号包括第一驱动控制信号和第二驱动控制信号，所述第一驱动控制信号和所述第二驱动控制信号为互补式脉冲信号；

所述第一开关管的第一控制端输入所述第一驱动控制信号，所述第二开关管的第二控制端输入所述第二驱动控制信号。

可选的，所述谐振单元，包括：谐振电容、谐振电感和变压器；

所述谐振电容的第一端与所述方波输出端相连，所述谐振电容的第二端与所述谐振电感的第一端相连，所述谐振电感的第二端与所述变压器的输入端相连，所述变压器的第一输出端与所述第一整流输入端相连，所述变压器的第二输出端与所述第二整流输入端相连。

可选的，所述整流单元，包括：

第一二极管和第二二极管；

所述第一二极管的第一端与所述第一谐振输出端相连，所述第一二极管的第二端与所述第二二极管的第一端相连后输出所述输出电压，所述第二二极管的第二端与所述第二谐振输出端相连。

可选的，所述整流单元还包括：滤波电容，所述滤波电容的第一端与所述第一二极管的第二端相连。

可选的，所述震荡控制模块，包括：第一电阻和第二电阻，

所述第一电阻的第一端与所述第一死区电压控制端相连，所述第一电阻的第二端与所述第二死区电压控制端相连，所述第二电阻的第一端与所述第三死区电压控制端相连，所述第二电阻的第二端与所述第四死区电压控制端相连。

可选的，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值根据所述谐振腔回路内的等效电容和等效电感确定。

可选的，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值满足以下公式：

其中，R为所述第一电阻和所述第二电阻的阻值，L为所述谐振腔回路内的等效电感，C为所述谐振腔回路内的等效电容。

本实用新型实施例提供了一种串联谐振电路，利用上述技术方案，能够通过将谐振模块的第一死区电压控制端、第二死区电压控制端、第三死区电压控制端和第四死区电压控制端分别与所述震荡控制模块的第一端、第二端、第三端和第四端相连，使得震荡控制单元能够调整谐振模块谐振腔回路内的等效电阻，避免谐振腔在死区时间内产生自由震荡，从而保证谐振模块能够有效的根据驱动控制信号调整输出电压，提高了串联谐振电路的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的一种串联谐振电路的结构框图；

图2是本实用新型实施例中的另一种串联谐振电路的结构框图；

图3是本实用新型实施例中的一种串联谐振电路的原理图；

图4为本实施例中第一驱动控制信号和第二控制信号的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例

图1是本实用新型实施例中的一种串联谐振电路的结构框图，本实施例可适用于改善串联谐振电路在死区时间内电流震荡现象的情况，该串联谐振电路可以作为开关电源使用。该串联谐振电路能够在全负载内实现零电压开通，即ZVS，满足高效率高功率密度。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种串联谐振电路，包括：谐振模块11和震荡控制模块12，

谐振模块11的第一死区电压控制端、第二死区电压控制端、第三死区电压控制端和第四死区电压控制端分别与震荡控制模块12的第一端、第二端、第三端和第四端相连；

震荡控制模块12用于调整谐振模块11的谐振腔回路内的等效电阻，以实现所述谐振腔回路内的过阻尼震荡；谐振模块11用于根据驱动控制信号调整输出电压。

在本实施例中，该串联谐振电路的工作原理是：通过将震荡控制模块12的第一端与谐振模块11的第一死区电压控制端相连，震荡控制模块12的第二端与谐振模块11的第二死区电压控制端相连，震荡控制模块12的第三端与谐振模块11的第三死区电压控制端相连，震荡控制模块12的第四端与谐振模块11的第四死区电压控制端相连，从而将震荡控制模块12串联至谐振模块11谐振腔的闭合回路中，以调整谐振模块11的谐振腔回路内的等效电阻，有效的避免了在死区时间内，由于变压器绕组没有钳位，能量在谐振腔回路内震荡。谐振模块11则根据外部输入的驱动控制信号调整输出电压。

在本实施例中，谐振模块11可以理解为串联谐振电路中通过控制开关频率(频率调节)实现调整输出电压的模块。震荡控制模块12可以理解为串联谐振电路中避免谐振模块11在死区时间内电流产生震荡的模块。

其中，谐振模块11的死区电压控制端可以理解为为了实现谐振模块11的零电压开通的控制端。第一死区电压控制端、第二死区电压控制端、第三死区电压控制端和第四死区电压控制端仅用于区分谐振模块11中不同的死区电压控制端。

本实施例中的谐振模块11可以设置有四个死区电压控制端，该四个死区电压控制端两两一对实现对谐振模块11中相应器件，如MOS管，的电压进行控制，从而保证谐振模块11的零电压开通。

示例性的，本实施例中串联谐振电路可以包括有两个MOS管，各MOS管两端可以并联吸收电容，为了实现MOS管的零电压开通，需在死区时间内使得各吸收电容的电压降到零。故，本实施例中死区电压控制端可以设置在吸收电容与MOS管的连接处。

相应的，震荡控制模块12的第一端、第二端、第三端和第四端，两两一对分别连接至第一死区电压控制端、第二死区电压控制端、第三死区电压控制端和第四死区电压控制端，即，将震荡控制模块12串联至谐振模块11的谐振腔回路内，以实现对谐振模块11的谐振腔回路内的等效电阻进行调整，保证该谐振腔回路内发生过阻尼震荡，消除震荡。

可以理解的是，调节等效电阻的手段不作限定，本领域技术人员可以根据实际情况选用相应的手段，只要能够改变谐振腔回路内的等效电阻，以实现过阻尼震荡即可。如，可以通过滑动变阻器改变谐振腔回路内的等效电阻。

此外，谐振模块11可以根据外部输入的驱动控制信号调整输出电压，其中，驱动控制信号可以为脉冲信号，通过改变驱动控制信号的频率，能够调整输出电压的大小。

本实施例提供了一种串联谐振电路，利用该电路能够通过将谐振模块的第一死区电压控制端、第二死区电压控制端、第三死区电压控制端和第四死区电压控制端分别与所述震荡控制模块的第一端、第二端、第三端和第四端相连，使得震荡控制单元能够调整谐振模块谐振腔回路内的等效电阻，避免谐振腔在死区时间内产生自由震荡，从而保证谐振模块能够有效的根据驱动控制信号调整输出电压，提高了串联谐振电路的可靠性。

图2是本实用新型实施例中的另一种串联谐振电路的结构框图，参见图2，可选的，谐振模块11，包括：方波产生单元111、谐振单元112和整流单元113；

方波产生单元111的第一电压控制端、第二电压控制端、第三电压控制端和第四电压控制端分别与震荡控制模块12的第一端、第二端、第三端和第四端相连，方波产生单元111的方波输出端与谐振单元112的输入端相连，谐振单元112的第一谐振输出端与整流单元113的第一整流输入端相连，谐振单元112的第二谐振输出端与整流单元113的第二整流输入端相连；

方波产生单元111，用于根据输入电压和驱动控制信号输出方波信号；谐振单元112，用于根据所述方波信号产生分压信号；整流单元113，用于对所述分压信号进行整流得到输出电压。

图2中将谐振模块11优化包括了方波产生单元111、谐振单元112和整流单元113。方波产生单元111与谐振单元112相连，为谐振单元112提供方波信号，谐振单元112与整流单元113相连，为整流单元113提供分压信号。

具体的，方波产生单元111在驱动控制信号的控制下，将输入电压以方波的形式输出，其所包括的具体器件不作限定，如可以包括MOS管。此外，方波产生单元111的电压控制端可以认为是谐振模块11的死区电压控制端，即实现谐振模块11的零电压开通的控制端。第一电压控制端、第二电压控制端、第三电压控制端和第四电压控制端仅用于区分方波产生单元111不同的电压控制端。

方波产生单元111的第一电压控制端可以连接至震荡控制模块12的第一端、第二电压控制端可以连接至震荡控制模块12的第二端、第三电压控制端可以连接至震荡控制模块12的第三端和第四电压控制端可以连接至震荡控制模块12的第四端。方波产生单元111的方波输出端可以认为是进行方波输出的端口，方波输出端可以连接至谐振单元112的输入端，以供谐振单元112对方波信号进行处理。

谐振单元112的输入端接收到方波信号后产生分压信号，其所包括的器件不作限定，可以包括能够产生谐振的电子元器件，如，电容和电感，整流单元113接收到分压信号进行整流得到输出电压，其所包括的器件不作限定，如可以包括整流二极管。可以理解的是，整流单元113所包括整流二极管的个数不同，整流输出的电压值不同。如果整流单元113由两个整流管组成输出电压为Vo，则当整流单元113由四个整流管组成时，输出电压变为2Vo。

图3是本实用新型实施例中的一种串联谐振电路的原理图，参见图3，可选的，方波产生单元111，包括：直流电源、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一吸收电容Coss1和第二吸收电容Coss2；

直流电源的第一端分别与第一开关管Q1的第一端和第一吸收电容Coss1的第一吸收端相连，第一开关管Q1的第二端分别与第二开关管Q2的第一端、第二吸收电容Coss2的第一电容端、谐振单元112的输入端和震荡控制模块12的第二端相连，第一吸收电容Coss1第二吸收端与震荡控制模块12的第一端相连，第二吸收电容Coss2的第二电容端与震荡控制模块12的第三端相连，第二开关管Q2的第二端与震荡控制模块12的第四端相连。

参见图3，直流电源的第一端可以为正端，用于为串联谐振电路提供输入电压。第一开关管Q1和第二开关管Q2可以为MOS管，即金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管。第一吸收电容Coss1和第二吸收电容Coss2用于保证第一开关管Q1和第二开关管Q2实现零电压开通。

其中，第一开关管Q1的第一端和第二开关管Q2的第一端可以为漏极。即，直流电源的正极连接第一开关管Q1的漏极和第一吸收电容Coss1的第一吸收端，直流电源的负极接地。第一吸收电容Coss1的第二吸收端与震荡控制模块12的第一端相连。第一开关管Q1的源极接第二开关功率管的漏极、谐振单元112的输入端、第二吸收电容Coss2的第一电容端和震荡控制模块12的第二端相连。第二开关管Q2的第二端与震荡控制模块12的第四端相连后可以连接至输出电压低于直流电源的供给电压Vin的输入源，如地。

第一二极管Q1的第一控制端和第二二极管Q2的第二控制端基于接收到的驱动控制信号确定相应二极管的开通状态。

可以理解的是，图3中第一体二极管Doss1和第二体二极管Doss2可以认为是第一开关管Q1和第二开关管Q2的内部二极管。

可选的，驱动控制信号包括第一驱动控制信号和第二驱动控制信号，第一驱动控制信号和第二驱动控制信号为互补式脉冲信号；

第一开关管Q1的第一控制端输入第一驱动控制信号，第二开关管Q2的第二控制端输入第二驱动控制信号。

参见图3，方波产生单元111根据驱动控制信号产生方波信号。方波产生单元111的第一开关管Q1和第二开关管Q2分别接入互补式的第一驱动控制信号和第二驱动控制信号，以控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的开通状态。其中，第一开关管Q1的第一控制端可以认为是第一开关管Q1的栅极，第二开关管Q2的第二控制端可以认为是第二开关管Q2的栅极。

具体的，第一驱动控制信号和第二驱动控制信号是互补的脉冲信号，即可以理解为当第一驱动控制信号的电压为高电平，即由电压供给时，第二驱动控制信号的电压为低电平，如为零。示例性的，当第一驱动控制信号为高电平时，第一开关管Q1导通，方波输出端电压值为直流电源的供给电压Vin。当第二驱动控制信号为低电平时，第二开关管Q2导通，方波输出端连接至地，方波输出端输出零。

可选的，谐振单元112，包括：谐振电容Cr、谐振电感Lr和变压器T；

谐振电容Cr的第一端与方波输出端相连，谐振电容Cr的第二端与谐振电感Lr的第一端相连，谐振电感Lr的第二端与变压器T的输入端相连，变压器T的第一输出端与所述第一整流输入端相连，变压器T的第二输出端与所述第二整流输入端相连。

其中，变压器T的输入端可以为同名输入端，变压器T的第一输出端可以为同名输出端，变压器T的第二输出端可以为异名输出端。即，变压器T原边绕组的同名端连接谐振电感Lr的第二端，原边绕组的异名端接地，变压器T的第一副边绕组Ns1的异名端和第二副边绕组Ns2的同名端相连后接地。变压器T的第一副边绕组Ns1的同名端作为谐振单元112的第一谐振输出端与第一整流输入端相连，变压器T的第二副边绕组Ns2的异名端作为谐振单元112的第二谐振输出端与整流单元113的第二整流输入端相连。

谐振电容Cr、谐振电感Lr和变压器T构成了谐振单元112，通过改变方波信号，改变谐振单元112的阻抗，从而起到分压器的作用。

可选的，整流单元113，包括：

第一二极管D1和第二二极管D2；

第一二极管D1的第一端与所述第一谐振输出端相连，第一二极管D1的第二端与第二二极管D2的第一端相连后输出所述输出电压，第二二极管D2的第二端与所述第二谐振输出端相连。

其中，第一二极管D1的第一端可以为阳极，第二二极管D2的第一端可以为阴极。即，第一谐振输出端与第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阴极连接后将输出电压输出至负载Ro。第二二极管D2的阳极连接第二谐振输出端。

第一二极管D1和第二二极管D2分别将从第一谐振输出端和第二谐振输出端接收到的分压信号进行整流，稳定将输出电压输出。

可选的，整流单元113还包括：滤波电容Co，滤波电容Co的第一端与第一二极管D1的第二端相连。

其中，滤波电容Co一端可以与第一二极管D1的阴极相连，另一端与地相连，实现滤波效果。

可选的，震荡控制模块12，包括：第一电阻R1和第二电阻R2，

第一电阻R1的第一端与第一死区电压控制端相连，第一电阻R1的第二端与第二死区电压控制端相连，第二电阻R2的第一端与第三死区电压控制端相连，第二电阻R2的第二端与第四死区电压控制端相连。

在对谐振模块11谐振腔回路的等效电阻进行调节时，可以将震荡控制模块12优化包括第一电阻R1和第二电阻R2。震荡控制模块12所包括的电阻的个数可以根据谐振模块11所包括的MOS管的个数确定。如，谐振模块11包括了第一开关管Q1和第二开关管Q2，即在第一开关管Q1和第二开关管Q2相应位置处设置电阻。

具体的，第一电阻R1的第一端和第二端可以分别连接第一死区电压控制端和第二死区电压控制端。第二电阻R2的第一端和第二电阻R2的第二端可以分别连接第三死区电压控制端和第四死区电压控制端。其中，第一死区电压控制端和第二死区电压控制端可以为一对，控制谐振模块11中的一个MOS管，即第一开关管Q1。第三死区电压控制端和第四死区电压控制端可以为一对，控制谐振模块11中的另一个MOS管，即第二开关管Q2。

可以理解的是，第一电阻R1和第二电阻R2分别串联至谐振腔回路中。参见图3，可以将第一电阻R1和第二电阻R2串联至第一吸收电容Coss1和第二吸收电容Coss2的支路上，以防对输出电压产生影响。

可选的，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值根据所述谐振腔回路内的等效电容和等效电感确定。

参见图3，为了实现零电压开通，在死区时间内第一吸收电容Coss1和第二吸收电容Coss2的电压要降到零，故需要满足其中，Tdead为死区时间，Vin为直流电源的供给电压，Ir为流经谐振电容Cr的电流。在串联谐振电路实际测试过程中，第一开关管Q1的电流波形会发生明显的震荡，该震荡发生在死区时间内。在死区时间内，变压器T绕组没有钳位，能量在谐振腔内震荡。而此时第一开关管Q1和第二开关管Q2是截止的，因此第一开关管Q1和第二开关管Q2的结电容、第一吸收电容Coss1、第二吸收电容Coss2会与线路中的寄生参数产生自由振荡。此电流震荡会影响EMI、上下管共通(炸机)等一系列问题。需要注意的是，谐振腔回路包括了谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器T原边绕组Np、第一吸收电容Coss1和第二吸收电容Coss2。

故，通过增设第一电阻R1和第二电阻R2实现谐振腔闭合回路内的过阻尼震荡。其中，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值需要根据谐振腔回路中的等效电容和等效电感确定。

可选的，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值满足以下公式：

其中，R为第一电阻R1和第二电阻R2的阻值，L为所述谐振腔回路内的等效电感，C为所述谐振腔回路内的等效电容。

串联谐振电路产生的震荡情况依赖于串联电阻的大小，即：

为非震荡放电过程，称为过阻尼情况；

为震荡放电过程，称为欠阻尼情况；

为临界阻尼情况。

第一吸收电容Coss1和第二吸收电容Coss2本身有寄生参数ESR，但是其本身等效电阻很小，满足条件，就会发生震荡。通过外部串联电阻来增加R，达到的条件，使得发生过阻尼震荡，消除串联谐振电路的震荡。即，通过在第一开关管Q1和第二开关管Q2的吸收电容上串联电阻，改善第一开关管Q1和第二开关管Q2在死区时间内电流震荡发生，达到提高EMI余量，改善MOS管共通等可靠性问题。

其中，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值可以根据谐振腔回路中所包括的谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器T原边绕组Np、第一吸收电容Coss1和第二吸收电容Coss2确定。

以下对串联谐振电路的工作原理进行说明：

对于串联谐振电路，存在两个谐振频率：

和

通常将串联谐振电路设计工作在区域1(工作频率fs大于fr1)和区域2中(fs大于fr2小于fr1)。

以串联谐振电路工作在区域1为例，图4为本实施例中第一驱动控制信号和第二控制信号的关系示意图。第一开关管Q1的第一控制端接入第一驱动控制信号Vgs1，第二开关管Q2的第二控制端接入第二驱动控制信号Vgs2。在t＝to时，第一开关管Q1开通，第一二极管D1导通，由输入端传递能量给负载Ro，并对谐振电容Cr和谐振电感Lr充电。由于变压器T的原边绕组Np被箝制在nVo，所以只有谐振电容Cr和谐振电感Lr谐振，流经谐振电感Lr的电流以正弦波上升。

在t＝t1时，第一开关管Q1关断，谐振电感Lr上的电流连续，对第一吸收电容Coss1充电，对第二吸收电容Coss2放电。由于开关周期小于谐振周期，流经谐振电感Lr的电流持续传递能量给二次侧负载Ro，变压器T原边绕组Np被箝制在nVo，只有谐振电容Cr和谐振电感Lr谐振。当第一吸收电容Coss1充电至直流电源对应的供给电压Vin，第二吸收电容Coss2放电至零时结束。

在t＝t2时，第一吸收电容Coss1充电至供给电压Vin，第二吸收电容Coss2放电至零，第二开关管Q2寄生二极管开通，使二次侧第一二极管D1导通，变压器T原边绕组Np被箝制在nVo，只有谐振电容Cr和谐振电感Lr谐振。当t＝t3时，第二开关管Q2开通，由谐振电容Cr提供能量给二次侧，二次侧第二二极管D2开通，变压器T原边绕组Np被箝制在-nVo，流经谐振电感Lr的电流以正弦波下降，只有谐振电容Cr和谐振电感Lr谐振。

当t＝t4时，第二开关管Q2关断，谐振电流保持连续，对第一吸收电容Coss1放电，对第二吸收电容Coss2充电，谐振电容Cr持续放电至负载Ro，使第二二极管D2导通。变压器T原边绕组Np被箝制在-nVo，流经谐振电感Lr的电流以正弦波下降，只有谐振电容Cr和谐振电感Lr谐振。当第一吸收电容Coss1放电至零，第二吸收电容Coss2充电至供给电压Vin。

当t＝t5时，第一吸收电容Coss1放电至零，第二吸收电容Coss2充电至供给电压Vin，第一开关管Q1寄生二极管导通，第二二极管D2导通，只有谐振电容Cr和谐振电感Lr谐振。当t＝t6时结束，第一开关管Q1开通，零电压切换完成，并持续下一周期。

本实施例在串联谐振电路死区时间内，通过在第一吸收电容Coss1和第二吸收电容Coss2上串联电阻，改善第一开关管Q1和第二开关管Q2在死区时间内电流震荡发生。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。