CN103078514A - 一种具有倍压谐振能力的推挽变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有倍压谐振能力的推挽变换器，包括：原边推挽电路、隔离变压器、副边倍压电路和副边谐振电路。本发明在省去滤波电感的基础上，副边利用倍压结构提高了变换器的增益，使得达到相同升压比的条件下，变压器的匝数比减小到原来的一半，有效地减小了变压器的体积和重量；且倍压电容也参与和变压器副边等效漏感的谐振，实现了副边整流二极管的零电流关断，消除了整流二极管的反向恢复问题，减小损耗，提高变换器的整体效率；同时本发明原边采用最少的元器件个数，副边减少了一个电容和一组变压器绕组，实现了变换器的小型化和轻型化，并降低了变换器的成本。

Description

一种具有倍压谐振能力的推挽变换器

技术领域

本发明属于DC-DC(直流-直流)变换技术领域，具体涉及一种具有倍压谐振能力的推挽变换器。

背景技术

推挽变换器是升压变换器中的可选方案之一，省去电感的推挽变压器在成本和体积上都有明显的改善，但是由于其电流断续，常用于小功率等级的电路中，如车载逆变器的前级直流升压电路。

而此类推挽变换器由于没有储能的电感元件，不能通过控制开关管占空比有效调节能量平衡以改变输出电压，其电压增益几乎是靠变压器匝比实现。较高的匝比使得变压器体积增大，漏感增大，损耗加大，不利于变换器效率的提升。另外，由于副边二极管在关断时有一定电流流过，带来了反向恢复的干扰，同时也增加了损耗。

公开号为CN102111075A的中国发明专利提出了一种低压输入高压输出的DC-DC变换器，电路结构如图1所示；其原边电路为正激电路，包含两组原边变压器绕组、两个开关管和一个箝位电容；副边电路为倍压整流的谐振推挽电路，包含一组次级变压器绕组、两个二极管和三个电容，将全波整流一个桥臂上的两个二极管替换成两个电容以实现倍压整流效果；但该结构由于其原边有一个开关管浮地不利于驱动电路的设计；

公开号为CN102624245A的中国发明专利提出了一种小型化、轻量化的准谐振推挽变换器，电路结构如图2所示；其原边电路包含两组原边变压器绕组、两个开关管和一个输入滤波电容；副边电路在开关K1和K2截止时包含两组次级变压器绕组、四个二极管、两个输出滤波电感和三个电容，利用变压器副边等效漏感和并联的谐振电容产生谐振以实现软开关特性。但其输出侧需串联滤波电感，且变压器匝比较高，使得变换器体积增大；且副边元器件数量较多不利于变换器的小型化和轻量化。图3为现有技术省去副边滤波电感的变换器结构；此推挽变换器在原边开关管S₁、S₂都关断时，副边全波整流桥的二极管存在反向恢复问题；另外，由于省去了调节能量平衡的滤波电感，而且变压器副边等效漏感相对很小，所以此推挽变换器的增益几乎全靠变压器匝比实现，故需要很多的变压器匝数，增大了变压器体积、变压器漏感，增加了损耗。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有倍压谐振能力的推挽变换器，能够减小器件体积成本的同时，提升变换器的效率。

一种具有倍压谐振能力的推挽变换器，包括：

原边推挽电路，用于将直流输入电压转换为交流电压；

隔离变压器，用于对所述的交流电压进行升压，将能量从原边传递到副边，并起到电气隔离作用，其原边绕组中间抽头；

副边倍压电路，用于对升压后的交流电压进行倍压整流，产生直流输出电压；

副边谐振电路，用于产生谐振以对所述的副边倍压电路实现软开关。

优选地，所述的原边推挽电路包括一电解电容C_in和两个开关管S₁～S₂；其中，电解电容C_in的正极与隔离变压器原边绕组的中间抽头点相连，电解电容C_in的负极与开关管S₁的源极和开关管S₂的源极相连并接地，开关管S₁的漏极与隔离变压器原边绕组的同名端相连，开关管S₂的漏极与隔离变压器原边绕组的异名端相连，开关管S₁和开关管S₂的栅极均接收外部设备提供的开关控制信号，电解电容C_in的正负极两端加载所述的直流输入电压；其作为推挽变换器的前级，能够实现电平转换和能量传输，同时具有最少的元器件。

所述的开关管S₁的开关控制信号与开关管S₂的开关控制信号相位互补。

所述的开关管采用NMOS管。

优选地，所述的隔离变压器原边绕组的同名端至中间抽头点的绕组匝数与中间抽头点至异名端的绕组匝数相同；能够保证变压器的磁平衡，使得变压器在传输能量的时候不会因为饱和而降低传输效率和影响推挽变换器的整体性能。

优选地，所述的副边谐振电路包括一谐振电感和一谐振电容；其中，谐振电感的一端与隔离变压器副边绕组的同名端相连，谐振电感的另一端与谐振电容的一端相连，谐振电容的另一端与副边倍压电路相连；谐振电感与谐振电容构成LC串联谐振，通过选取合适的谐振参数，能够使得副边二极管零电流关断，达到软开关的效果，减小了电路的损耗。

优选地，所述的谐振电感为隔离变压器副边绕组的等效漏感；谐振电感由变压器副边的等效漏感来代替，从而节省了一个元器件，有利于变化器的小型化和轻量化，也降低了成本。

优选地，所述的副边倍压电路包括一电解电容C_out一倍压电容和两个二极管D₁～D₂；其中，倍压电容的一端与副边谐振电路相连，倍压电容的另一端与二极管D₁的阴极和二极管D₂的阳极相连，二极管D₁的阳极与隔离变压器副边绕组的异名端和电解电容C_out的负极相连，二极管D₂的阴极与电解电容C_out的正极相连，电解电容C_out正负极两端的电压即为所述的直流输出电压；副边倍压电路在变压器升压的基础上又进一步提高了输出电压，使得在同等升压比要求下变换器的变压器的匝比可以减小一半，从而减小了变压器的体积和重量，使得变换器小型化、轻量化。

优选地，所述的倍压电容为所述的谐振电容；从而减少了一个元器件，降低了***的体积成本。

优选地，所述的谐振电容的电容值满足以下关系式：

$C_s\≤\frac{D^2{T}_s^2}{{\mathrm{\π}}^2{L}_k}$

其中，C_s为谐振电容的电容值，D为开关管的占空比，T_s为开关管的开关周期，L_k为谐振电感的电感值。

谐振电感和谐振电容构成LC串联谐振，通过选取合适的谐振参数，使得副边二极管零电流关断，达到软开关的效果，减小了电路的损耗。而谐振电感是变压器的副边等效漏感，在变压器型号、匝比和绕制方法确定的情况下，同等工艺绕制出来的变压器的副边等效漏感基本相同，所以只能通过选择谐振电容的容值来优化LC串联谐振参数，使得副边二极管零电流关断，达到软开关的效果，减小了电路的损耗。

本发明的工作原理为：输入直流电压经过输入电解电容滤波后通过原边的两个开关管交替导通作用于变压器的原边绕组，通过变压器实现第一级升压，升压比为变压器原副边绕组的匝比；变压器副边绕组接收到的交变电压通过副边的倍压整流电路转化成输出直流电压，实现第二级升压，升压比为2。副边倍压电路的倍压电容同时和变压器副边的等效漏感形成LC串联谐振，通过选取合适的谐振参数，使得副边二极管零电流关断，具有软开关的效果，从而减小了电路的损耗。

本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明在省去滤波电感的基础上，副边利用倍压结构提高了变换器的增益，使得达到相同升压比的条件下，变压器的匝数比减小到原来的一半，有效地减小了变压器的体积和重量。

(2)本发明中倍压电容也参与和变压器副边等效漏感的谐振，实现了副边整流二极管的零电流关断，消除了整流二极管的反向恢复问题，减小损耗，提高变换器的整体效率。

(3)本发明原边采用最少的元器件个数，副边减少了一个电容和一组变压器绕组，实现了变换器的小型化和轻量化，并降低了变换器的成本。

附图说明

图1为现有低压输入高压输出DC-DC变换器的结构示意图。

图2为现有准谐振推挽变换器的结构示意图。

图3为现有省去副边滤波电感的推挽变换器的结构示意图。

图4为本发明推挽变换器的结构示意图。

图5为本发明推挽变换器的原理示意图。

图6为本发明推挽变换器各工作信号的时序波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图4所示，一种具有倍压谐振能力的推挽变换器，包括：原边推挽电路、隔离变压器T、副边倍压电路和副边谐振电路；其中：

原边推挽电路用于将直流输入电压V_in(12V)转换为交流电压；本实施方式中，其包括一电解电容C_in和两个NMOS管S₁～S₂；其中，电解电容C_in的正极与隔离变压器T原边绕组的中间抽头点相连，电解电容C_in的负极与NMOS管S₁的源极和NMOS管S₂的源极相连并接地，NMOS管S₁的漏极与隔离变压器T原边绕组的同名端相连，NMOS管S₂的漏极与隔离变压器T原边绕组的异名端相连，NMOS管S₁和NMOS管S₂的栅极均接收外部设备提供的开关控制信号，电解电容C_in的正负极两端加载直流输入电压V_in；NMOS管S₁的开关控制信号V_gs1与NMOS管S₂的开关控制信号V_gs2相位互补。

隔离变压器T用于对交流电压进行升压，将能量从原边传递到副边，并起到电气隔离作用，其原边绕组中间抽头；本实施方式中，隔离变压器T的原副绕组匝数比为6∶48，原边绕组的同名端至中间抽头点的绕组匝数N₁与中间抽头点至异名端的绕组匝数N₂相同(3∶3)。

副边谐振电路用于产生谐振以对副边倍压电路实现软开关；本实施方式中，其包括一谐振电感L_k和一谐振电容C_s；其中，谐振电感L_k的一端与隔离变压器T副边绕组的同名端相连，谐振电感L_k的另一端与谐振电容C_s的一端相连；谐振电感L_k为隔离变压器T副边绕组的等效漏感。

副边倍压电路用于对升压后的交流电压进行倍压整流，产生直流输出电压V_out(384V)；本实施方式中，其包括一电解电容C_out、一倍压电容C_s和两个二极管D₁～D₂；其中，倍压电容C_s为副边谐振电路中的谐振电容C_s，其另一端与二极管D₁的阴极和二极管D₂的阳极相连，二极管D₁的阳极与隔离变压器T副边绕组的异名端和电解电容C_out的负极相连，二极管D₂的阴极与电解电容C_out的正极相连，电解电容C_out正负极两端的电压即为直流输出电压V_out。

如图5和图6所示，本实施方式的具体工作原理如下：

t₀～t₁：开关管S₁导通、S₂关断，原边电流经过原边绕组N₁流向地，副边电流经过副边绕组N₃、整流二极管D₁、倍压谐振电容C_s形成回路，倍压谐振电容C_s充电，同时其与变压器副边等效漏感L_k发生谐振，副边电流近似于正弦的半波，谐振持续时间为

t₁～t₂：开关管保持S₁导通、S₂关断，t₁时刻副边电流谐振至零，整流二极管D₁自然关断，无反向恢复问题，副边停止动作。

t₂～t₃：t₂时刻开关管S₁关断，没有能量从变压器原边传递向副边，副边无动作。

t₃～t₄：t₃时刻开关管S₂导通、S₁保持关断，原边电流经过原边绕组N₂流向地，副边电流经过副边绕组N₃、倍压谐振电容C_s、整流二极管D₂、输出电解电容C_o形成回路，倍压谐振电容C_s向输出端放电，同时其与变压器副边等效漏感L_k发生谐振，副边电流近似于正弦的半波，其方向与t₀～t₁阶段相反，谐振持续时间为 $\mathrm{\Δt}=\mathrm{\π}\sqrt{L_k{C}_s}.$

t₄～t₅：开关管保持S₂导通、S₁关断，t₄时刻副边电流谐振至零，整流二极管D₂自然关断，无反向恢复问题，副边停止动作。

t₅～t₀’：t₅时刻开关管S₂关断，没有能量从变压器原边传递向副边，副边无动作。工作过程如上述6个阶段往复。

本实施方式引入了副边倍压谐振结构，倍压电容提高了变换器的增益，从而可减小变压器匝比，同时其参与和变压器副边等效漏感的谐振。从图5的波形中可以看出，倍压谐振电容C_s的电位以输出电压V_out的一半为基准反复充放电，在合适的谐振参数匹配下，副边整流二极管自然关断，消除反向恢复问题；可见，这种变换器可以减小变压器体积并且消除整流二极管反向恢复带来的损耗。

关于谐振参数的匹配设计：由于副边的倍压结构，变压器匝数比只需要原来的一半，变压器绕制工艺不变条件下，其副边等效漏感变动很小，设为L_k。若原边开关管S₁、S₂的占空比为D，开关周期为T_s，则为实现整流二极管D₁、D₂自然关断，倍压谐振电容C_s大小应满足以下关系式：

$\mathrm{\Δt}=\mathrm{\π}\sqrt{L_k{C}_s}\≤{\mathrm{DT}}_s$

即

$C_s\≤\frac{D^2{T}_s^2}{{\mathrm{\π}}^2{L}_k}$

本实施方式中，占空比D＝0.46，开关周期T_s＝35kHz，L_k＝20μH，C_s＝440nF。

Claims (8)

1.一种具有倍压谐振能力的推挽变换器，其特征在于，包括：

原边推挽电路，用于将直流输入电压转换为交流电压；

隔离变压器，用于对所述的交流电压进行升压，其原边绕组中间抽头；

副边倍压电路，用于对升压后的交流电压进行倍压整流，产生直流输出电压；

副边谐振电路，用于产生谐振以对所述的副边倍压电路实现软开关。

2.根据权利要求1所述的推挽变换器，其特征在于：所述的原边推挽电路包括一电解电容C_in和两个开关管S₁～S₂；其中，电解电容C_in的正极与隔离变压器原边绕组的中间抽头点相连，电解电容C_in的负极与开关管S₁的源极和开关管S₂的源极相连并接地，开关管S₁的漏极与隔离变压器原边绕组的同名端相连，开关管S₂的漏极与隔离变压器原边绕组的异名端相连，开关管S₁和开关管S₂的栅极均接收外部设备提供的开关控制信号，电解电容C_in的正负极两端加载所述的直流输入电压。

3.根据权利要求1所述的推挽变换器，其特征在于：所述的副边谐振电路包括一谐振电感和一谐振电容；其中，谐振电感的一端与隔离变压器副边绕组的同名端相连，谐振电感的另一端与谐振电容的一端相连，谐振电容的另一端与副边倍压电路相连。

4.根据权利要求1或3所述的推挽变换器，其特征在于：所述的副边倍压电路包括一电解电容C_out一倍压电容和两个二极管D₁～D₂；其中，倍压电容的一端与副边谐振电路相连，倍压电容的另一端与二极管D₁的阴极和二极管D₂的阳极相连，二极管D₁的阳极与隔离变压器副边绕组的异名端和电解电容C_out的负极相连，二极管D₂的阴极与电解电容C_out的正极相连，电解电容C_out正负极两端的电压即为所述的直流输出电压。

5.根据权利要求4所述的推挽变换器，其特征在于：所述的倍压电容为所述的谐振电容。

6.根据权利要求1～3任一权利要求所述的推挽变换器，其特征在于：所述的隔离变压器原边绕组的同名端至中间抽头点的绕组匝数与中间抽头点至异名端的绕组匝数相同。

7.根据权利要求3所述的推挽变换器，其特征在于：所述的谐振电感为隔离变压器副边绕组的等效漏感。

8.根据权利要求3所述的推挽变换器，其特征在于：所述的谐振电容的电容值满足以下关系式：

$C_s=\frac{D^2{T}_s^2}{{\mathrm{\π}}^2{L}_k}$

其中，C_s为谐振电容的电容值，D为开关管的占空比，T_s为开关管的开关周期，L_k为谐振电感的电感值。

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