CN106533382B - 应用于超高频dc/dc功率变换器的t型阻抗匹配电路及该匹配电路参数设计方法 - Google Patents
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Abstract
应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路及该匹配电路参数设计方法,属于超高频DC/DC功率变换器领域。解决了当输出功率变化时,现有L型匹配网络会出现感性化或容性化的趋势,从而降低超高频DC/DC功率变换器的输出效率及现有L型匹配网络同后级整流环节相互耦合时,使整体电路的调试变得复杂化的问题。T型阻抗匹配电路,它包括谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls;谐振电感Ls的一端与谐振电容C1的一端和谐振电容Cs的一端同时连接,谐振电容C1的另一端和谐振电感Ls的另一端用于与逆变电路的两个输出端连接,谐振电容Cs的另一端和谐振电感Ls的另一端用于与整流电路的两个输入端连接。本发明主要用于超高频功率变换领域。
Description
技术领域
本发明属于超高频DC/DC功率变换器领域。
背景技术
在超高频DC/DC功率变换器领域,功率密度和瞬态响应速度是评价其性能优劣的两项重要指标,提高变换器的开关频率能使这两项指标得到有效提升,因此,高频化是DC/DC功率变换器发展的必然趋势。
目前超高频DC/DC功率变换器的拓扑结构普遍由逆变环节、匹配网络、整流环节三部分构成,如图1所示,在设计变换器时一般先设计整流环节,使其在电压电流基波情况下呈现阻性,而匹配网络的作用则是提高逆变环节的带载能力,即降低整流环节的等效电阻。
现在较常用的是L型匹配网络如图2所示,该型匹配网络结构简单利于设计,但也存在一些缺点,主要表现为:
1、输出功率变化时,整流环节的等效电阻发生变化,等效为阻性的整流环节经匹配网络后,匹配网络会出现感性化或容性化的趋势,该种趋势下电压和电流重叠,使逆变环节中产生开关损耗,从而降低功率变换器的输出效率。
2、匹配网络同后级整流环节相互耦合,使整体电路的调试变得复杂化。
发明内容
本发明是为了解决当输出功率变化时,现有L型匹配网络会出现感性化或容性化的趋势,从而降低超高频DC/DC功率变换器的输出效率及现有L型匹配网络同后级整流环节相互耦合时,使整体电路的调试变得复杂化的问题。本发明提供了一种应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路及该匹配电路参数设计方法。
应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路,它包括谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls;
谐振电感Ls的一端与谐振电容C1的一端和谐振电容Cs的一端同时连接,
谐振电容C1的另一端和谐振电感Ls的另一端用于与逆变电路的两个输出端连接,
谐振电容Cs的另一端和谐振电感Ls的另一端用于与整流电路的两个输入端连接。
一种T型阻抗匹配电路的参数设计方法,该方法是基于所述的应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路实现的,该方法中参数谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls求取的具体过程为:
步骤一,将所述T型阻抗匹配电路进行等效,获得T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL;
其中,
将s=jω代入公式一,获得:
s表示复频率,j表示复数单位,ω表示谐振角频率,ZR表示整流电路的等效电阻,
步骤二,保证T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL呈现阻性,则定义公式二表达式中,分子的实部与分母的实部之比等于分子的虚部与分母的虚部之比,具体如公式三和公式四所示:
步骤三,设定C1=kCS,并对公式四进行整理,获得
其中,k表示比例系数;
将公式五代入公式三,获得
对公式六进行整理,获得
将公式七代入C1=kCS,获得
将公式八代入公式五,获得
从而完成对T型阻抗匹配电路中参数谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls的设计。
所述的k的取值为1。
本发明带来的有益效果是,1、对匹配网络的设计提出新型拓扑结构,该新型匹配网络能在输出功率变化时,使等效为阻性的整流环节经匹配网络后依旧呈现为阻性,提高整体电路的抗干扰能力。
2、实现匹配网络和整流环节在设计上的完全解耦,提高变换器设计精度。
附图说明
图1为超高频DC/DC功率变换器原理框图;VIN表示输入电压,VO表示输出电压,RL表示输出电阻;
图2为L型匹配网络的原理示意图;其中,L表示L型匹配网络谐振电感,C表示L型匹配网络谐振电感,ZL表示匹配网络带有负载时的等效阻抗,ZR表示整流环节的等效电阻;
图3为本发明所述的应用于DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路的等效电路图;
图4为采用本发明T型阻抗匹配电路实现的DC/DC功率变换器的原理示意图;
图5为本发明所述的T型阻抗匹配电路用于Class E电路的原理示意图;
图6为L型阻抗匹配电路用于Class E电路的原理示意图;
图7为L型阻抗匹配电路应用于Class E电路时,开关管S两端电压波形的波形图;附图标记1表示等效电阻ZR=30Ω时,开关管S两端电压的波形,附图标记2表示等效电阻ZR=25Ω时,开关管S两端电压的波形,附图标记3表示等效电阻ZR=17Ω时,开关管S两端电压的波形;
图8为T型阻抗匹配电路用于Class E电路时,开关管S两端电压波形的波形图;
图9为开关频率f=20MHz,k取0.8,整流电路的等效电阻ZR取不同值时,T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL的Bode图;
图10为开关频率f=20MHz,k取1,整流电路的等效电阻ZR取不同值时,T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL的Bode图;
图11为开关频率f=20MHz,k取1.3,整流电路的等效电阻ZR取不同值时,T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL的Bode图;
图12为开关频率f=30MHz,k取0.8,整流电路的等效电阻ZR取不同值时,T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL的Bode图;
图13为开关频率f=30MHz,k取1,整流电路的等效电阻ZR取不同值时,T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL的Bode图;
图14为开关频率f=30MHz,k取1.3,整流电路的等效电阻ZR取不同值时,T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL的Bode图。
具体实施方式
具体实施方式一:参见图3和图4说明本实施方式,本实施方式所述的应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路,它包括谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls;
谐振电感Ls的一端与谐振电容C1的一端和谐振电容Cs的一端同时连接,
谐振电容C1的另一端和谐振电感Ls的另一端用于与逆变电路的两个输出端连接,
谐振电容Cs的另一端和谐振电感Ls的另一端用于与整流电路的两个输入端连接。
具体实施方式二:参见图3和图4说明本实施方式,本实施方式所述的一种T型阻抗匹配电路的参数设计方法,该方法是基于具体实施方式一所述的应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路实现的,该方法中参数谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls求取的具体过程为:
步骤一,将所述T型阻抗匹配电路进行等效,获得T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL;
其中,
将s=jω代入公式一,获得:
s表示复频率,j表示复数单位,ω表示谐振角频率,ZR表示整流电路的等效电阻,
步骤二,保证T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL呈现阻性,则定义公式二表达式中,分子的实部与分母的实部之比等于分子的虚部与分母的虚部之比,具体如公式三和公式四所示:
步骤三,设定C1=kCS,并对公式四进行整理,获得
其中,k表示比例系数,k的取值范围为:
将公式五代入公式三,获得
对公式六进行整理,获得
将公式七代入C1=kCS,获得
将公式八代入公式五,获得
从而完成对T型阻抗匹配电路中参数谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls的设计。
本实施方式中,由于CS、C1、LS的值都为正数,所以k的取值范围为:
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二所述的应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路的参数设计方法的区别在于,所述的k的取值为1。
一、由于匹配网络(即:匹配电路)一般都是应用于超高频功率变换器领域,因此在计算T型阻抗匹配电路中无源元件参数值大小的时候,频率都应在兆赫兹以上,所以分以下两种情况对本发明所述的T型阻抗匹配电路的可行性进行验证:
1、开关频率f=20MHz
令ZR=17Ω,ZL=5Ω,将k=0.8、1、1.3带入公式七至公式九,可得表1中的三组参数,将以上参数带入ZL表达式,绘制T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL的Bode图。
表1 k取不同值时T型阻抗匹配电路参数值
k | C<sub>S</sub> | C<sub>1</sub> | L<sub>S</sub> |
0.8 | 1157.0pF | 925.6pF | 74.1nH |
1 | 863.1pF | 863.1pF | 73.4nH |
1.3 | 560.4pF | 728.6pF | 76.1nH |
图9为k取0.8,ZR分别取17Ω,25Ω,30Ω时的Bode图,从Bode图中看出,只有ZR取17Ω,在20MHz开关频率时ZL依然呈阻性。
图10为k取1,ZR分别取17Ω,25Ω,30Ω时的Bode图,从Bode图中看出,即使ZR值改变,ZL在20MHz开关频率下依然呈阻性。
图11为k取1.3,ZR分别取17Ω,25Ω,30Ω时的Bode图,从Bode图中看出,依旧只有ZR取17时ZL才能呈阻性。
2、开关频率f=30MHz
再次令ZR=17Ω,ZL=5Ω,将k=0.8、1、1.3带入公式七至公式九,可得表2中的三组参数,将以上参数带入ZL表达式,绘制T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL的Bode图。
表2 k取不同值时T型匹配网络参数值
k | C<sub>S</sub> | C<sub>1</sub> | L<sub>S</sub> |
0.8 | 771.3pF | 617.1pF | 49.4nH |
1 | 575.4pF | 575.4pF | 48.9nH |
1.3 | 373.6pF | 485.7pF | 50.7nH |
图12至图14分别是k取0.8、1、1.3时,改变ZR得出ZL的Bode图,从以上三幅图可以看出,依旧只有k取1时,ZR大小的改变不会对ZL的相位产生影响。
经过以上分析,开关频率分别为20MHz和30MHz,从ZL的Bode图可以看出,当k<1时,ZR的变化会使ZL幅值与相位都发生改变,幅值减小,相位呈感性,k>1时,ZR对ZL的幅值与相位也会产生影响,幅值在减小的同时,相位逐渐呈容性,只有当k=1时,ZR的变化不会对ZL的相位产生影响,即此时的ZL依旧呈阻性,因此在使用T型匹配网络进行超高频功率变换器的电路设计时,若想实现ZL保持阻性不变,k值必须取1。
二、将本发明所述的T型阻抗匹配电路应用于Class E电路上,具体参见图5,
Class E谐振变换器拓扑一般由一个开关管结合一个合适的阻抗网络组成,结构简单,成本低,且通过合理的参数设计,能使得开关管实现ZVS(零电压)导通,由于Class E电路能实现高频下高效率和高功率密度,而且不论窄带宽还是宽带宽都能实现电路的功率变化,因此Class E功率放大器的研究一直是国际上的热点。
T型阻抗匹配电路用于Class E电路拓扑如图5所示,当等效电阻ZR呈现为阻性时,在开关频率下经过T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL也会呈现为阻性,此时对于谐振在某一特定开关频率下的电感LF与电容CF,开关管能实现ZVS(零电压导通),即:使输出功率变化,等效阻抗ZL依旧呈现为阻性,同时开关管S保持ZVS,因此T型阻抗匹配电路能保证开关管S实现ZVS,减小损耗,提高电路整体效率。
验证试验:
要验证本发明所述T型阻抗匹配电路的可行性,需借助完整的超高频电路拓扑,所以这里采用Class E电路来进行验证。Class E逆变电路的特点是对阻性负载大小变化并不敏感,但当负载表现出感性或容性时,其开关管两端的电压波形则会有较大的变化,因此在这里采用Class E电路进行验证T型阻抗匹配电路的可行性非常适合,正常情况下超高频电路拓扑应由逆变环节、匹配网络、整流环节三部分构成,但本申请重点在于介绍新型的T型阻抗匹配电路,所以把整流环节等效为电阻ZR,简化了设计步骤,同时用L型匹配网络的Class E电路如图6所示,与之进行对比,进一步验证了T型阻抗匹配电路的实用性。
本发明给出了在20MHz开关频率下两种匹配电路的Pspice仿真对比图,首先根据公式十一、公式十二求出L型匹配电路的电感LS、电容CS的值,再分别仿真负载变化时两种不同拓扑开关管漏源极的电压波形,进行对比得出结论。
1、L型匹配电路的Class E电路仿真
L型匹配电路的仿真电路如图6所示,各元件参数如表3,整流环节的等效电阻ZR=17Ω时,开关管S两端的电压为半正弦波,且在开关管S即将关断时其两端的电压平稳降为零,实现ZVS,但从图7的仿真波形中可以看出,当等效电阻ZR分别取25Ω、30Ω时,开关管S两端电压vDS的波形则不能实现ZVS。
表3 L型匹配电路主要器件参数
元件 | 参数 |
开关管S | SI7454DDP |
L<sub>F</sub> | 22nH |
C<sub>F</sub> | 1500pF |
L<sub>S</sub> | 87.3nH |
C<sub>S</sub> | 1027.3pF |
V<sub>IN</sub> | 5V |
f | 20MHz |
D | 0.5 |
2、T型匹配电路的Class E电路仿真
首先,列出仿真参数如表4所示,再对如图5所示T型匹配电路的Class E电路进行Pspice仿真,仿真结果如图8所示,从仿真图中可以看出,在额定电阻ZR=17Ω,及整流环节等效电阻ZR分别取25Ω和30Ω时,开关管S两端的半正弦电压vDS都能较好的实现ZVS。
表4 T型匹配电路主要器件参数
通过对以上两种匹配电路的仿真对比,很明显得出T型匹配电路在Class E型超高频电路应用中的优越性及可行性。在实际应用中,T型匹配电路能增加电阻变化率,同时减小开关损耗,提升***的效率,在超高频领域具有广泛的应用背景。
Claims (2)
1.一种T型阻抗匹配电路的参数设计方法,该方法是基于应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路实现的,
所述应用于超高频DC/DC功率变换器的T型阻抗匹配电路包括谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls;
谐振电感Ls的一端与谐振电容C1的一端和谐振电容Cs的一端同时连接,
谐振电容C1的另一端和谐振电感Ls的另一端用于与逆变电路的两个输出端连接,
谐振电容Cs的另一端和谐振电感Ls的另一端用于与整流电路的两个输入端连接;
其特征在于,该方法中参数谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls求取的具体过程为:
步骤一,将所述T型阻抗匹配电路进行等效,获得T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL;
其中,
将s=jω代入公式一,获得:
s表示复频率,j表示复数单位,ω表示谐振角频率,ZR表示整流电路的等效电阻,
步骤二,保证T型阻抗匹配电路的等效阻抗ZL呈现阻性,则定义公式二表达式中,分子的实部与分母的实部之比等于分子的虚部与分母的虚部之比,具体如公式三和公式四所示:
步骤三,设定C1=kCS,并对公式四进行整理,获得
其中,k表示比例系数;
将公式五代入公式三,获得
对公式六进行整理,获得
将公式七代入C1=kCS,获得
将公式八代入公式五,获得
从而完成对T型阻抗匹配电路中参数谐振电容C1、谐振电容Cs和谐振电感Ls的设计。
2.根据权利要求1所述的一种T型阻抗匹配电路的参数设计方法,其特征在于,所述k的取值为1。
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PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |