一种直流变换器的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种直流变换器。


背景技术：

2.目前，buck电路是开关电源领域应用最为广泛的一种基础电路。
3.然而，在传统的buck电路中，由于各开关管均为硬开关动作，即在开关过程中电压和电流均不为零，所以在能量转换过程中会产生较大的开关损耗，尤其在频率较高的场合下，开关损耗出现明显增加，从而导致buck的能量转换效率降低。
4.因此，如何提高buck电路的能量转换效率，是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种直流变换器，以提高buck电路的能量转换效率。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
7.本技术提供一种直流变换器，其特征在于，包括：buck电路和至少一个谐振网络；其中：
8.所述buck电路的输入端作为所述直流变换器的输入端，所述buck电路的输出端作为所述直流变换器的一个输出端；
9.所述谐振网络输入侧并联于所述buck电路中开关管的输入端与输出端之间；
10.全部所述谐振网络的谐振电流之和为谐振总电流，所述谐振总电流的绝对值在上开关管导通前大于等于临界电流的绝对值；所述上开关管为与所述buck电路的输入端正极相连的开关管；
11.所述临界电流为在所述上开关管导通前使其结电容完成放电且绝对值最小的所述谐振总电流。
12.可选的，所述谐振网络，包括：谐振电路和整流电路；其中：
13.所述谐振电路的输入侧作为所述谐振网络的输入侧；所述整流电路的交流侧从所述谐振电路的输出侧取电；所述整流电路的直流侧作为所述谐振整流电路的输出侧。
14.可选的，所述谐振电路，包括：谐振电容、谐振电感、励磁电感和变压器；其中：
15.所述谐振电容、所述谐振电感、所述励磁电感串联连接，形成的串联支路的两端作为所述谐振电路的输入侧；
16.所述变压器的原边绕组从所述励磁电感上取电，所述变压器的副边绕组作为所述谐振电路的输出侧。
17.可选的，在所述谐振电路中，通过设置各所述励磁电感的电感值和/或各所述变压器的匝数比，使所述谐振总电流的绝对值在所述上开关管导通前大于等于所述临界电流的绝对值。
18.可选的，所述谐振电路，包括：谐振电容、谐振电感和变压器；其中：
19.所述谐振电容、所述谐振电感和所述变压器的原边绕组串联连接，形成的串联支
路的两端作为所述谐振电路的输入侧；
20.所述变压器的副边绕组作为所述谐振电路的输出侧。
21.可选的，在所述谐振电路中，通过设置各所述变压器的匝数比，使所述谐振总电流的绝对值在上开关管导通前大于等于所述临界电流的绝对值。
22.可选的，若所述谐振电路包括变压器，且，所述变压器的副边绕组，包括：第一副边绕组和第二副边绕组，则所述整流电路，包括：滤波电容和两个整流二极管；其中：
23.第一整流二极管的阴极与所述第一副边绕组的同名端相连，第二整流二极管的阴极与所述第二副边绕组的异名端相连；
24.所述第一整流二极管和所述第二整流二极管的阳极相连，连接点作为所述整流电路的直流侧负极；
25.所述第一副边绕组的异名端和所述第二副边绕组的同名端相连，连接点作为所述整流电路的直流侧正极；
26.所述滤波电容的两端分别与所述整流电路的直流侧正极、所述整流电路的直流侧负极相连。
27.可选的，所述谐振网络的输出端，作为所述直流变换器的另一输出端。
28.可选的，还包括：控制器；其中：
29.所述上开关管的控制端、下开关管的控制端均与所述控制器相连；所述下开关管为与所述buck电路的输入端负极相连的开关管；
30.所述控制器用于控制所述上开关管、所述下开关管交替导通。
31.可选的，所述控制器采用调频控制策略或脉宽调制策略实现对所述buck电路的输出调节。
32.由上述技术方案可知，本技术提供一种直流变换器。在该直流变换器中，由于谐振总电流的绝对值在上开关管导通前大于等于临界电流的绝对值，而临界电流为在上开关管导通前使其结电容完成放电且绝对值最小的谐振总电流，所以在上开关管导通前，其结电容完成放电，从而在上开关管导通时，其结电容的两端电压为零，即上开关管的输入端与输出端之间的电压为零，进而实现了上开关管的零电压导通；另外，由于在上开关管导通前谐振总电流与buck电路中的电感电流反向，而在下开关管导通前谐振总电流与buck电路中的电感电流同向，所以在下开关管导通前，其结电容同样可以完成放电，即实现下开关管的零电压导通，因此本技术提供的直流变换器可以实现buck电路中各开关管的软开关，从而降低了buck电路的开关损耗，进而提高了buck电路的能量转换效率。
附图说明
33.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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1-图6分别为本技术实施例提供的直流变换器的六种实施方式的结构示意图；
35.图7a和图7b分别为在不同死区时间内，电流iab的状态示意图；
36.图8为图5所示电路在只有buck电路对外输出且上开关管q1的控制信号的占空比
等于0.5时，理想情况下，谐振电感电流ilr、电感电流ilb、电流iab、电压vab在不同阶段的变化示意图；
37.图9为图5所示电路在只有buck电路对外输出且上开关管q1的控制信号的占空比大于0.5时，仿真试验下，励磁电感电流ilm、谐振电感电流ilr、电感电流ilb、电流iab、电压vab在不同阶段的变化示意图；
38.图10为图5所示电路在只有buck电路对外输出且上开关管q1的控制信号的占空比等于0.5时，仿真试验下，励磁电感电流ilm、谐振电感电流ilr、电感电流ilb、电流iab、电压vab在不同阶段的变化示意图；
39.图11为图5所示电路在只有buck电路对外输出且上开关管q1的控制信号的占空比小于0.5时，仿真试验下，励磁电感电流ilm、谐振电感电流ilr、电感电流ilb、电流iab、电压vab在不同阶段的变化示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
41.在本技术中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
42.为了提高buck电路的能量转换效率，本技术实施例提供一种直流变换器，其具体结构可参见图1至图3，其具体包括：buck电路和至少一个谐振网络20；其中，谐振网络20的个数可视具体情况而定，此处不做具体限定。
43.各器件之间的连接关系如下所述：
44.buck电路的输入端作为直流变换器的输入端，buck电路的输出端作为直流变换器的一个输出端。
45.在实际应用中，buck电路的具体结构如图1至图3所示，其中的半桥结构10包括上开关管q1、下开关管q2、第一二极管d1、第二二极管d2。
46.上开关管q1的输入端与buck电路的输入端正极相连，上开关管q1的输出端与下开关管q2的输入端相连，第一二极管d1的阳极与上开关管q1的输出端相连，第一二极管d1的阴极与上开关管q1的输入端相连。
47.下开关管q2的输入端与上开关管q1的输出端相连，下开关管q2的输出端与buck电路的输入端负极相连，第二二极管d2的阳极与下开关管q2的输出端相连，第二二极管d2的阴极与下开关管q2的输入端相连。
48.需要说明的是，图1至图3中的cj1为上开关管q1的结电容，图1至图3中的cj2为下
开关管q2的结电容。
49.在该直流变换器中，每个谐振网络20输入侧，可以并联于buck电路中的任一开关管的输入端与输出端之间。
50.比如，如图1所示，仅下开关管q2的输入端与输出端之间并联有谐振网络20；或者，如图2所示，仅在上开关管q1的输入端与输出端之间并联有谐振网络20；或者，如图3所示，在上开关管q1的输入端与输出端之间以及下开关管q2的输入端与输出端之间均并联有谐振网络20；另外，在上开关管q1的输入端与输出端之间或在下开关管q2的输入端与输出端之间，所并联的谐振网络20可以是一个，也可以是多个。
51.在该直流变换器中，全部谐振网络20的谐振电流之和为谐振总电流，当该直流变换器运行时，谐振总电流的绝对值在上开关管q1导通前大于等于临界电流的绝对值。
52.其中，临界电流为在上开关管q1导通前使其结电容完成放电的最小的谐振总电流。
53.由于谐振总电流的绝对值在上开关管q1导通前大于等于临界电流的绝对值，而临界电流为在上开关管q1导通前使其结电容cj1完成放电的最小的谐振总电流，所以在上开关管q1导通前，其结电容cj1完成放电，从而在上开关管q1导通时，其结电容cj1的两端电压为零，即上开关管q1的输入端与输出端之间的电压为零，进而实现了上开关管q1的零电压导通；另外，由于在上开关管q1导通前谐振总电流与buck电路中的电感电流反向，而在下开关管q2导通前谐振总电流与buck电路中的电感电流同向，所以在下开关管q2导通前，其结电容cj2同样可以完成放电，即实现下开关管q2的零电压导通，因此本技术提供的直流变换器可以实现buck电路中各开关管的软开关，从而降低了buck电路的开关损耗，进而提高了buck电路的能量转换效率。另外，该直流变换器通过开关器件的复用，减少了器件使用量，从而节约了成本。
54.可选的，各谐振网络20的输出侧，可以作为直流变换器的另一个输出端，即与负载相连；也可以不作为直流变换器的输出端，即不与负载相连；此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本技术的保护范围内。
55.需要说明的是，当谐振网络20的输出侧不作为直流变换器的输出端时，可以提高谐振网络20的输出电压和/或在谐振网络20的输出侧的两端之间并联一个阻值较大的电阻作为假负载，以使谐振网络20在轻载环境下工作，从而谐振网络20的输出功率降低，进而谐振网络20的相应器件所需承受的电流应力降低，因此使得谐振网络20的整体成本和体积也有所降低。
56.本技术另一实施例提供谐振网络20的一种实施方式，其具体结构可参见图4(图4仅在图1的基础上进行展示)，其具体包括：谐振电路21和整流电路22。
57.谐振电路21的输入侧作为谐振网络20的输入侧；整流电路的交流侧从谐振电路21的输出侧取电；整流电路22的直流侧作为谐振整流电路22的输出侧。
58.本实施例提供谐振电路21的一种实施方式，其具体结构如图5(图5仅在图1的基础上进行展示)所示，具体包括：谐振电容cr、谐振电感lr、励磁电感lm和变压器211；各器件之间的连接关系，如下所述：
59.谐振电容cr、谐振电感lr、励磁电感lm串联连接，形成的串联支路的两端作为谐振电路21的输入侧；变压器211的原边绕组从励磁电感lm上取电，变压器211的副边绕组作为
谐振电路21的输出侧。
60.在谐振电路21的此实施方式中，通过设置各励磁电感lm的电感值和/或各变压器211的匝数比，使谐振总电流的绝对值在上开关管q1导通前大于等于临界电流的绝对值。
61.需要说明的是，谐振电路21的此实施方式结合整流电路以及buck电路中的半桥结构10，构成llc谐振变换电路；不过需要注意的是，通常情况下，llc谐振变换电路的半桥结构10包括两个开关管，因此在该直流变换器中，优选半桥结构10包括两个开关管的buck电路。
62.本实施例提供谐振电路21的另一种实施方式，其具体结构如图6(图6仅在图1的基础上进行展示)所示，具体包括：谐振电容cr、谐振电感lr和变压器211；各器件之间的连接关系，如下所述：
63.谐振电容cr、谐振电感lr和变压器211的原边绕组串联连接，形成的串联支路的两端作为谐振电路21的输入侧；变压器211的副边绕组作为谐振电路21的输出侧。
64.在谐振电路21的此实施方式中，通过设置各变压器211的匝数比，使谐振总电流的绝对值在上开关管q1导通前大于等于临界电流的绝对值。
65.需要说明的是，谐振电路21的此实施方式结合整流电路以及bcuk电路中的半桥结构10，构成串联谐振变换电路；不过需要注意的是，通常情况下，llc谐振变换电路的半桥结构10包括两个开关管，因此在该直流变换器中，优选半桥结构10包括两个开关管的buck电路。
66.上述仅为谐振电路的两种实施方式，在实际应用中，包括但不限于此，此处不做具体下定，可视具体情况而定，均在本技术的保护范围内。
67.下面以图5所示电路为例，详细解释本技术提供的直流变换器如何实现buck中各开关管的软开关；具体如下所述：
68.1)当仅有谐振网络20的输出侧对外输出时，由上述可知，图5所示的谐振网络20与buck电路中的半桥结构10构成llc谐振变换电路，其与传统的llc谐振变换电路相同，输出特性相同，控制策略通用，因此半桥结构10中的开关管可以实现软开关。
69.2)当buck电路的输出侧对外输出而谐振网络20的输出侧未对外输出时，如何实现buck中各开关管的软开关，具体如下所述：
70.下面先介绍一下上开关管q1和下开关管q2的软开关的实现过程：
71.图7a所示为下开关管q2关断而上开关管q1未导通的阶段，即第一死区时间，此时电流iab为负值，即为负方向；图7b所示为上开关管q1关断而下开关管q2未导通的阶段，即第二死区时间，此时电流iab为正值，即为正方向。
72.由于在下开关管q2导通而上开关管q1关断时，第一结电容cj1的电压为vin、第二结电容cj2的电压为零，所以当进入图7a所示阶段时，电流iab使第一结电容cj1放电、使第二结电容cj2充电，并在上开关管q1导通前使第一结电容cj1的电压降低到零、使第二结电容cj2的电压充电至vin。
73.由于第一结电容cj1的电容降低到零，所以第一二极管d1导通，电流从第一二极管d1中流过，从而此时上开关管q1的输入端与输出端之间的电压为零，因此当上开关管q1接收到导通信号时，上开关管q1就可以零电压导通，即实现软开关。
74.同理，与上述过程相似，当进入图7b所示阶段，电流iab使第一结电容cj1充电、使
第二结电容cj2放电，并在下开关管q2导通前使一结电容cj1的电压充电至vin、使第二结电容cj2的电压降低到零。
75.由于第二结电容cj2的电容降低到零，所以第二二极管d2导通，电流从第二二极管d2中流过，从而此时下开关管q2的输入端与输出端之间的电压为零，因此当下开关管q2接收到导通信号时，下开关管q2就可以零电压导通，即实现软开关。
76.由上述软开关实现过程可知，软开关实现条件为：1)电流iab在图7a所示阶段为负方向，在图7b所示阶段为正方向；2)电流iab能够使相应开关管的结电容完成充放电，即存在一个保证实现软开关的电流阈值i
zvs
，i
zvs
电流阈值的表达式如下：
[0077][0078]
其中，i
zvs
为电流阈值，coss为相应开关管的结电容的容值，td为相应死区时间。
[0079]
在该阈值计算过程中，未考虑寄生电容，因此要保证软开关的实现，必须在图7a和图7b所示阶段内满足电流iab的绝对值大于等于电流阈值i
zvs
。
[0080]
在本技术提供的直流变换器中，如图5所示，电流iab等于电感电流ilb与谐振电感电流ilr之和，即iab＝ilb+ilr；当在图7b所示阶段时，谐振电感电流ilr和电感电流ilb均为正值，当在图7a所示阶段时，谐振电感电流ilr为负值、电感电流ilb为正值，因此，要使q1实现软开关，即在图7a阶段，电流iab方向为负方向，且其绝对值大于等于阈值电流i
zvs
。
[0081]
当上开关管q1的控制信号的占空比为0.5时，理想情况下，励磁电感电流ilm、谐振电感电流ilr、电感电流ilb、电流iab、电压vab在不同阶段的变化如图8所示；在图7a所示阶段，谐振电感电流ilr与励磁电感电流ilm相等，即iab＝ilb+ilr＝ilb+ilm，因此此时通过调整励磁电感电流ilm的幅值，即可保证电流iab的绝对值大于等于阈值电流i
zvs
。
[0082]
当上开关管q1的控制信号的占空比大于0.5时，或者，当上开关管q1的控制信号的占空比小于0.5时，在图7a所示阶段，谐振电感电流ilr大于等于励磁电感电流ilm，因此此时通过调整励磁电感电流ilm的幅值，即可保证电流iab的绝对值大于等于阈值电流i
zvs
。
[0083]
由此可知，无论上开关管q1的控制信号的占空比为何值，通过调整励磁电感电流ilm的幅值，即可在图7a阶段时保证电流iab的绝对值大于等于阈值电流i
zvs
。
[0084]
分别在上开关管q1的控制信号的占空比大于0.5时、等于0.5时、小于0.5时对图5所示的谐振网络20进行仿真试验，得到的励磁电感电流ilm、谐振电感电流ilr、电感电流ilb、电流iab分别如图9、图10、图11所示。
[0085]
而励磁电感电流ilm的表达式如下所述：
[0086][0087]
由此可知，通过设置谐振网络20中励磁电感lm的电感值以及变压器的匝数比即可使iab的绝对值大于等于电流阈值i
zvs
。
[0088]
3)当buck电路的输出侧对外输出且谐振网络20的输出侧也对外输出时，如何实现buck中各开关管的软开关与第二点相同，此处不再赘述。
[0089]
在此种情况下，不仅实现了各开关管的软开关，降低了开关损耗，而且使得该直流变换器可以两端口输出，甚至多端口输出。
[0090]
需要说明的是，当相应开关管的输入端与输出端之间并联有多个谐振网络20时，或者，当两个开关管的输入端与输出端之间均并联有谐振网络20时，电流iab等于多个谐振电感电流与电感电流ilb之和，所以由上述推导得到：通过设置各励磁电感的电感值和/或各变压器的匝数比，使谐振总电流的绝对值在上开关管q1导通前大于等于临界电流的绝对值。
[0091]
当直流变换器的结构为图6所示的结构时，其原理与上述相似，只是在图6所示的结构中，由于没有励磁电感，所以不能在通过设置各励磁电感来使谐振总电流的绝对值在上开关管q1导通前大于等于临界电流的绝对值，而是可以通过设置变压器的匝数比来使谐振总电流的绝对值在上开关管q1导通前大于等于临界电流的绝对值。
[0092]
本技术另一实施例提供整流电路22的一种实施方式，适用于谐振电路21包括变压器211，且，变压器211的副边绕组包括第一副边绕组和第二副边绕组的情况；其具体结构如图5或图6所示，具体包括：滤波电容cv和两个整流二极管。
[0093]
各器件之间的连接关系具体如下所述：
[0094]
第一整流二极管dz1的阴极与第一副边绕组的同名端相连，第二整流二极管dz2的阴极与第二副边绕组的异名端相连；第一整流二极管dz1和第二整流二极管dz2的阳极相连，连接点作为整流电路22的直流侧负极；第一副边绕组的异名端和第二副边绕组的同名端相连，连接点作为整流电路22的直流侧正极；滤波电容的两端分别与整流电路22的直流侧正极、整流电路22的直流侧负极相连。
[0095]
需要说明的是，上述仅为整流电路22的一种具体实施方式，在实际应用中，包括但不限于此，此处不做具体下定，可视具体情况而定，均在本技术的保护范围内。
[0096]
本技术另一实施例提供控制器的另一种实施方式，在上述实施方式的此基础上，还包括：控制器。
[0097]
上开关管的控制端、下开关管的控制端均与控制器相连；控制器用于控制上开关管、下开关管交替导通。
[0098]
可选的，控制器采用调频控制策略或脉宽调制策略实现对buck电路的输出调节。
[0099]
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。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露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，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、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。