CN113708627A - 一种谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振变换器，该谐振变换器在上桥臂的第一开关管和第二开关管的连接公共端及下桥臂的第三开关管和第四开关管的连接公共端设置无极性电容，在工作过程中，无极性电容会进行充电，从而存储电压并维持电压的稳定，对第一开关管和第二开关管的连接公共端及第三开关管和第四开关管的连接公共端的电压进行钳位，达到上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的平衡，提高了谐振变换器的工作可靠性和安全性。

Description

一种谐振变换器
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，特别是涉及一种谐振变换器。
背景技术
谐振变换器用于对直流电源输出的直流电压进行转换，在谐振变换器中，通常会设置两个容值相等的输入电容串联连接去实现谐振变换器中的上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压平衡。但是在实际应用中，一方面，两个输入电容的容值可能存在偏差，另一方面，直流电源输出的直流电压可能会存在电压波动，上述两种因素均会造成谐振变换器中的上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压不平衡，可能会损坏开关管，从而降低了谐振变换器的工作可靠性和安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种谐振变换器，能够达到上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的平衡，提高了谐振变换器的工作可靠性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种谐振变换器，包括第一二极管、第二二极管、依次串联于直流电源与地之间的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、依次串联于所述直流电源与地之间的第一输入电容和第二输入电容、无极性电容、谐振模块、变压器及整流模块；
所述第一输入电容和所述第二输入电容的连接公共端分别与所述第一二极管的阳极及所述第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极分别与所述第一开关管和所述第二开关管的连接公共端及所述无极性电容的第一端连接，所述第二二极管的阳极分别与所述第三开关管和所述第四开关管的连接公共端及所述无极性电容的第二端连接，所述第二开关管和所述第三开关管的连接公共端与所述谐振模块及所述变压器的原边绕组串联后与所述第一输入电容和所述第二输入电容的连接公共端连接，所述变压器的副边绕组与所述整流模块的输入端连接，所述整流模块的输出端与负载连接。
优选的，所述谐振模块包括谐振电感和谐振电容；
所述谐振电感的第一端与所述第二开关管和所述第三开关管的连接公共端连接，所述谐振电感的第二端与所述变压器的原边绕组的第一端连接，所述谐振电容的第一端与所述变压器的原边绕组的第二端连接，所述谐振电容的第二端与所述第一输入电容和所述第二输入电容的连接公共端连接。
优选的，所述整流模块为整流二极管，所述整流二极管的阳极与所述变压器的副边绕组的第一端连接，所述整流二极管的阴极与负载连接；所述变压器的副边绕组的第二端接地。
优选的，还包括滤波模块，所述滤波模块的输入端与所述整流模块的输出端连接，所述滤波模块的输出端与负载连接，用于对所述整流模块的输出电压进行滤波。
优选的，所述滤波模块包括输出电感和输出电容；
所述输出电感的第一端与所述整流二极管的阴极连接，所述输出电感的第二端分别与负载及所述输出电容的第一端连接，所述输出电容的第二端接地。
优选的，还包括分别与所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管的控制端连接的控制模块，用于周期性控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管的导通或关断。
优选的，所述控制模块具体用于：
在每个控制周期的t1阶段，控制所述第一开关管及所述第二开关管导通，控制所述第三开关管及所述第四开关管关断；
在每个控制周期的t2阶段，控制所述第二开关管导通，控制所述第一开关管、所述第三开关管及所述第四开关管关断；
在每个控制周期的t3阶段，控制所述第二开关管及所述第四开关管导通，控制所述第一开关管及所述第三开关管关断；
在每个控制周期的t4阶段，控制所述第四开关管导通，控制所述第一开关管、所述第二开关管及所述第三开关管关断；
在每个控制周期的t5阶段，控制所述第三开关管及所述第四开关管导通，控制所述第一开关管及所述第二开关管关断；
在每个控制周期的t6阶段，控制所述第三开关管导通，控制所述第一开关管、所述第二开关管及所述第四开关管关断；
在每个控制周期的t7阶段，控制所述第一开关管及所述第三开关管导通，控制所述第二开关管及所述第四开关管关断；
在每个控制周期的t8阶段，控制所述第一开关管导通，控制所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管关断。
优选的，还包括与所述整流模块连接的电压检测模块，用于检测所述整流模块的输出端的电压值；
和/或，与所述整流模块连接的电流检测模块，用于检测所述整流模块的输出端的电流值。
优选的，所述控制模块还用于判断所述电压检测模块检测的所述整流模块的输出端的电压值是否超过预设电压阈值，若所述整流模块的输出端的电压值超过所述预设电压阈值，则控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管关断；
和/或，判断所述电流检测模块检测的所述整流模块的输出端的电流值是否超过预设电流阈值，若所述整流模块的输出端的电流值超过所述预设电流阈值，则控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管关断。
本发明提供了一种谐振变换器，该谐振变换器在上桥臂的第一开关管和第二开关管的连接公共端及下桥臂的第三开关管和第四开关管的连接公共端设置无极性电容，在工作过程中，无极性电容会进行充电，从而存储电压并维持电压的稳定，对第一开关管和第二开关管的连接公共端及第三开关管和第四开关管的连接公共端的电压进行钳位，达到上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的平衡，提高了谐振变换器的工作可靠性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的一种谐振变换器的结构示意图；
图2为本申请提供的谐振变换器的工作时序图；
图3为本申请提供的另一种谐振变换器的结构示意图；
图4为本申请提供的另一种谐振变换器的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种谐振变换器，能够达到上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的平衡，提高了谐振变换器的工作可靠性和安全性。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本申请提供的一种谐振变换器的结构示意图。
本发明提供了一种谐振变换器，包括第一二极管D1、第二二极管D2、依次串联于直流电源与地之间的第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3、第四开关管QD4、依次串联于直流电源与地之间的第一输入电容C1和第二输入电容C2、无极性电容C、谐振模块1、变压器及整流模块2；
第一输入电容C1和第二输入电容C2的连接公共端分别与第一二极管D1的阳极及第二二极管D2的阴极连接，第一二极管D1的阴极分别与第一开关管QD1和第二开关管QD2的连接公共端及无极性电容C的第一端连接，第二二极管D2的阳极分别与第三开关管QD3和第四开关管QD4的连接公共端及无极性电容C的第二端连接，第二开关管QD2和第三开关管QD3的连接公共端与谐振模块1及变压器的原边绕组串联后与第一输入电容C1和第二输入电容C2的连接公共端连接，变压器的副边绕组与整流模块2的输入端连接，整流模块2的输出端与负载连接。
谐振变换器用于对直流电源输出的直流电压进行转换，在谐振变换器中，通常会设置两个容值规格相等的输入电容串联连接去实现谐振变换器中的上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压平衡。但是在实际应用中，两个输入电容的容值可能存在偏差及直流电源输出的直流电压波动对谐振变换器中的上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的影响。
请参照图2，图2为本申请提供的谐振变换器的工作时序图。
由上至下分别为第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4的驱动时序波形，变压器T1两端的电压波形VpT1，谐振电感Lr的电流波形。
具体的，在每个工作周期的t1阶段，第一开关管QD1及第二开关管QD2导通，第三开关管QD3及第四开关管QD4关断，电路中的谐振电流形成第一开关管QD1-第二开关管QD2-变压器原边的漏感LT1-谐振模块1-第一输入电容C1路径，当第一输入电容C1与第二输入电容C2的电容容值相等时，此时等同于各自分压为Vin/2，可以使得第一开关管QD1和第二开关管QD2的应力保持在Vin/2。
在每个工作周期的t2阶段，第二开关管QD2导通，第一开关管QD1、第三开关管QD3及第四开关管QD4关断，电路中的谐振电流形成第二开关管QD2-变压器原边的漏感LT1-谐振模块1-第一二极管D1的飞轮电流路径。
在每个工作周期的t3阶段，第二开关管QD2及第四开关管QD4导通，第一开关管QD1及第三开关管QD3关断，电路中保证第二开关管QD2-变压器原边的漏感LT1-谐振模块1-第一二极管D1的谐振回流，同时也存在谐振电流经第二开关管QD2-无极性电容C-第四开关管QD4，在此过程中可以为无极性电容C充电。因无极性电容C本身容值固定情况下对无极性电容C充电产生电压差，使得无极性电容C本身将会维持等值的电压，进而将第一开关管QD1和第二开关管QD2的连接公共端A点及第三开关管QD3和第四开关管QD4的连接公共端B点的电压钳位，达到上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的平衡。
在每个工作周期的t4阶段，第四开关管QD4导通，第一开关管QD1、第二开关管QD2及第三开关管QD3关断，正半周谐振能量传递结束。
在每个工作周期的t5阶段，第三开关管QD3及第四开关管QD4导通，第一开关管QD1及第二开关管QD2关断，电路中的谐振电流形成谐振模块1-变压器原边的漏感LT1-第三开关管QD3-第四开关管QD4-第二输入电容C2路径，当第一输入电容C1与第二输入电容C2的电容容值相等时，此时等同于各自分压为Vin/2，因此可以使得第三开关管QD3和第四开关管QD4的应力保持在Vin/2。
在每个工作周期的t6阶段，第三开关管QD3导通，第一开关管QD1、第二开关管QD2及第四开关管QD4关断，电路中的谐振电流形成谐振模块1-变压器原边的漏感LT1-第三开关管QD3-第二二极管D2的飞轮电流路径。
在每个工作周期的t7阶段，第一开关管QD1及第三开关管QD3导通，第二开关管QD2及第四开关管QD4关断，电路中保证谐振模块1-变压器原边的漏感LT1-第三开关管QD3-第二二极管D2的谐振回流，同时也存在谐振电流经第三开关管QD3-无极性电容C-第一开关管QD2，在此过程中可以为无极性电容C充电。因无极性电容C本身容值固定情况下对无极性电容C充电产生电压差，使得无极性电容C本身将会维持等值的电压，进而将第一开关管QD1和第二开关管QD2的连接公共端A点及第三开关管QD3和第四开关管QD4的连接公共端B点的电压钳位，达到上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的平衡。
在每个工作周期的t8阶段，第一开关管QD1导通，第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4关断，负半周谐振能量传递结束。
本申请的谐振变换器在上桥臂的第一开关管QD1和第二开关管QD2的连接公共端及下桥臂的第三开关管QD3和第四开关管QD4的连接公共端设置无极性电容C，在工作过程中，无极性电容C会进行充电，从而存储电压并维持电压的稳定，对第一开关管QD1和第二开关管QD2的连接公共端A点及第三开关管QD3和第四开关管QD4的连接公共端B点的电压进行钳位，达到上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的平衡，提高了谐振变换器的工作可靠性和安全性。
在上述实施例的基础上：
请参考图3，图3为本申请提供的另一种谐振变换器的结构示意图。
作为一种优选的实施例，谐振模块1包括谐振电感Lr和谐振电容Cr；
谐振电感Lr的第一端与第二开关管QD2和第三开关管QD3的连接公共端连接，谐振电感Lr的第二端与变压器的原边绕组的第一端连接，谐振电容Cr的第一端与变压器的原边绕组的第二端连接，谐振电容Cr的第二端与第一输入电容C1和第二输入电容C2的连接公共端连接。
为了实现提高谐振变换器的转换效率，本实施例中，谐振模块1选用LC谐振模块，谐振电感Lr和谐振电容Cr构成LC谐振模块，谐振电感Lr、谐振电容Cr与变压器原边的漏感LT1形成LLC谐振，通过这种谐振的方式，在电路中形成能量暂存的回路，由于谐振电流路径不可能瞬间关断，后续可以为无极性电容充电，从而对上桥臂的开关管的公共端及下桥臂的开关管的公共端的电压进行钳位，保证了上桥臂的开关管和下桥臂的开关管的电压的平衡，提高了谐振变换器的转换效率。
当然，通过控制各个开关管的导通时间可以调整谐振产生的电流的振幅和频率。
请参考图4，图4为本申请提供的另一种谐振变换器的结构示意图。
作为一种优选的实施例，整流模块2为整流二极管D3，整流二极管D3的阳极与变压器的副边绕组的第一端连接，整流二极管D3的阴极与负载连接；变压器的副边绕组的第二端接地。
本实施例中，整流模块2可以为整流二极管D3，能够实现将变压器原边的交流电整流转换为负载所需的直流电，且整流电路结构简单。
作为一种优选的实施例，还包括滤波模块3，滤波模块3的输入端与整流模块2的输出端连接，滤波模块3的输出端与负载连接，用于对整流模块2的输出电压进行滤波。
考虑到电路中经整流模块2整流后的电压可能会存在波动，可能会有交流成分，本实施例中，在整流模块2与负载之间设置滤波模块3，可以有效滤除直流电压中的交流成分，电压的波动显著性减小，保证了输出电压的稳定，能够提高对负载供电的可靠性。
作为一种优选的实施例，滤波模块3包括输出电感Lout和输出电容Cout；
输出电感Lout的第一端与整流二极管D3的阴极连接，输出电感Lout的第二端分别与负载及输出电容Cout的第一端连接，输出电容Cout的第二端接地。
本实施例中，滤波模块3选用由输出电感Lout和输出电容Cout组成的LC滤波模块，利用具有储能功能的电抗性元件，能够实现滤除整流二极管D3的输出的直流电压中的交流成分，而且其电路结构简单。
作为一种优选的实施例，还包括分别与第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4的控制端连接的控制模块，用于周期性控制第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4的导通或关断。
考虑到对各个开关管的导通或关断进行控制，本实施例中，在各个开关管的控制端连接有控制模块，能够实现根据工作时序周期性控制第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4的导通或关断，能够实现谐振变换器对直流电源输出的直流电压进行转换，满足了负载的需求。
作为一种优选的实施例，控制模块具体用于：
在每个控制周期的t1阶段，控制第一开关管QD1及第二开关管QD2导通，控制第三开关管QD3及第四开关管QD4关断；
在每个控制周期的t2阶段，控制第二开关管QD2导通，控制第一开关管QD1、第三开关管QD3及第四开关管QD4关断；
在每个控制周期的t3阶段，控制第二开关管QD2及第四开关管QD4导通，控制第一开关管QD1及第三开关管QD3关断；
在每个控制周期的t4阶段，控制第四开关管QD4导通，控制第一开关管QD1、第二开关管QD2及第三开关管QD3关断；
在每个控制周期的t5阶段，控制第三开关管QD3及第四开关管QD4导通，控制第一开关管QD1及第二开关管QD2关断；
在每个控制周期的t6阶段，控制第三开关管QD3导通，控制第一开关管QD1、第二开关管QD2及第四开关管QD4关断；
在每个控制周期的t7阶段，控制第一开关管QD1及第三开关管QD3导通，控制第二开关管QD2及第四开关管QD4关断；
在每个控制周期的t8阶段，控制第一开关管QD1导通，控制第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4关断。
具体的控制过程请参照上述实施例，本申请在此不做赘述。
作为一种优选的实施例，还包括与整流模块2连接的电压检测模块，用于检测整流模块2的输出端的电压值；
和/或，与整流模块2连接的电流检测模块，用于检测整流模块2的输出端的电流值。
考虑到对谐振变换器的输出端的电压和/或电流进行精准判断的需求，本实施例中，还设置有与整流模块2连接的电压检测模块，能够对整流模块2的输出端的电压值进行检测，便于用户获得谐振变换器的电压输出情况；
和/或，与整流模块2连接的电流检测模块，能够对整流模块2的输出端的电流值进行检测，便于用户获得谐振变换器的电流输出情况。
作为一种优选的实施例，控制模块还用于判断电压检测模块检测的整流模块2的输出端的电压值是否超过预设电压阈值，若整流模块2的输出端的电压值超过预设电压阈值，则控制第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4关断；
和/或，判断电流检测模块检测的整流模块2的输出端的电流值是否超过预设电流阈值，若整流模块2的输出端的电流值超过预设电流阈值，则控制第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4关断。
考虑到为了避免谐振变换器的电压出现过压和/或，电流出现过流的情况，在本实施例中，控制模块基于电压检测模块检测到的整流模块2的输出端的电压值V1与预设的电压阈值V2进行比较，若V1>V2，则控制模块控制关断第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4，起到过压保护的作用，防止开关管因承受的电压过大而损坏，进而可以精准地判断谐振变换器的输出端的电压大小，可以避免谐振变换器出现过压的情况，提高了谐振变换器的安全可靠性；
和/或，控制模块基于电流检测模块检测到的整流模块2的输出端的电流值I1与预设的电流阈值I2进行比较，若I1>I2，则控制模块控制关断第一开关管QD1、第二开关管QD2、第三开关管QD3及第四开关管QD4，起到过流保护的作用，防止开关管因承受的电流过大而损坏，进而可以精准地判断谐振变换器的输出端的电流大小，可以避免谐振变换器出现过流的情况，提高了谐振变换器的安全可靠性。
需要说明的是，在本说明书中，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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种谐振变换器，其特征在于，包括第一二极管、第二二极管、依次串联于直流电源与地之间的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、依次串联于所述直流电源与地之间的第一输入电容和第二输入电容、无极性电容、谐振模块、变压器及整流模块；
所述第一输入电容和所述第二输入电容的连接公共端分别与所述第一二极管的阳极及所述第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极分别与所述第一开关管和所述第二开关管的连接公共端及所述无极性电容的第一端连接，所述第二二极管的阳极分别与所述第三开关管和所述第四开关管的连接公共端及所述无极性电容的第二端连接，所述第二开关管和所述第三开关管的连接公共端与所述谐振模块及所述变压器的原边绕组串联后与所述第一输入电容和所述第二输入电容的连接公共端连接，所述变压器的副边绕组与所述整流模块的输入端连接，所述整流模块的输出端与负载连接。
2.如权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，所述谐振模块包括谐振电感和谐振电容；
所述谐振电感的第一端与所述第二开关管和所述第三开关管的连接公共端连接，所述谐振电感的第二端与所述变压器的原边绕组的第一端连接，所述谐振电容的第一端与所述变压器的原边绕组的第二端连接，所述谐振电容的第二端与所述第一输入电容和所述第二输入电容的连接公共端连接。
3.如权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，所述整流模块为整流二极管，所述整流二极管的阳极与所述变压器的副边绕组的第一端连接，所述整流二极管的阴极与负载连接；所述变压器的副边绕组的第二端接地。
4.如权利要求3所述的谐振变换器，其特征在于，还包括滤波模块，所述滤波模块的输入端与所述整流模块的输出端连接，所述滤波模块的输出端与负载连接，用于对所述整流模块的输出电压进行滤波。
5.如权利要求4所述的谐振变换器，其特征在于，所述滤波模块包括输出电感和输出电容；
所述输出电感的第一端与所述整流二极管的阴极连接，所述输出电感的第二端分别与负载及所述输出电容的第一端连接，所述输出电容的第二端接地。
6.如权利要求1至5任一项所述的谐振变换器，其特征在于，还包括分别与所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管的控制端连接的控制模块，用于周期性控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管的导通或关断。
7.如权利要求6所述的谐振变换器，其特征在于，所述控制模块具体用于：
在每个控制周期的t1阶段，控制所述第一开关管及所述第二开关管导通，控制所述第三开关管及所述第四开关管关断；
在每个控制周期的t2阶段，控制所述第二开关管导通，控制所述第一开关管、所述第三开关管及所述第四开关管关断；
在每个控制周期的t3阶段，控制所述第二开关管及所述第四开关管导通，控制所述第一开关管及所述第三开关管关断；
在每个控制周期的t4阶段，控制所述第四开关管导通，控制所述第一开关管、所述第二开关管及所述第三开关管关断；
在每个控制周期的t5阶段，控制所述第三开关管及所述第四开关管导通，控制所述第一开关管及所述第二开关管关断；
在每个控制周期的t6阶段，控制所述第三开关管导通，控制所述第一开关管、所述第二开关管及所述第四开关管关断；
在每个控制周期的t7阶段，控制所述第一开关管及所述第三开关管导通，控制所述第二开关管及所述第四开关管关断；
在每个控制周期的t8阶段，控制所述第一开关管导通，控制所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管关断。
8.如权利要求6所述的谐振变换器，其特征在于，还包括与所述整流模块连接的电压检测模块，用于检测所述整流模块的输出端的电压值；
和/或，与所述整流模块连接的电流检测模块，用于检测所述整流模块的输出端的电流值。
9.如权利要求8所述的谐振变换器，其特征在于，所述控制模块还用于判断所述电压检测模块检测的所述整流模块的输出端的电压值是否超过预设电压阈值，若所述整流模块的输出端的电压值超过所述预设电压阈值，则控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管关断；
和/或，判断所述电流检测模块检测的所述整流模块的输出端的电流值是否超过预设电流阈值，若所述整流模块的输出端的电流值超过所述预设电流阈值，则控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管关断。
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