CN207706055U - 一种dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种DC‑DC变换器，包含电感、整流模块、第一桥臂拓扑和并联的第二桥臂拓扑、第三桥臂拓扑及电容，第一桥臂拓扑包含串联的第一开关管和第四开关管、第二桥臂拓扑包含串联的第二开关管和第五开关管、第三桥臂拓扑包含串联的第三开关管和第六开关管；电感一端接第一开关管和第四开关管串联耦合点上，另一端接第二开关管和第五开关管串联耦合点上；第一桥臂拓扑和电感构成Buck变换器，第二桥臂拓扑和电感构成Boost变换器，第二桥臂拓扑、第三桥臂拓扑以及整流模块构成移相全桥变换器。该拓扑对电感及第二桥臂拓扑进行了复用，并且实现了多个输入输出端口，同时，对每个开关管都实现了软开关。

Description

一种DC-DC变换器

技术领域

本实用新型涉及开关电源领域，更具体地，涉及一种DC-DC变换器。

背景技术

DC-DC变换器是应用十分广泛的电力电子设备，它通过控制开关的通断，结合无源储能器件如电感、电容，从而实现将输入直流电变为另一固定电压或是可调电压的直流电，包括直流到直流的直接变换和直流-交流-直流的间接变换，前者也称为斩波电路，有六种基本的斩波电路:降压斩波电路(也称Buck变换器)、升压斩波电路(也称Boost变换器)、升降压斩波电路(也称Buck-Boost变换器)、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，这种直接直流变换器不带变压器隔离，而间接直流变换器在直流变换器中间加入了交流环节，通常在输入输出间用变压器进行隔离，因此也称为带隔离的直流变换器。目前的开关电源中，间接的直流变换器是目前应用的主要结构形式。

与此同时，在工业应用现场，通常要求有多个电压水平的直流电压，多输出端口的DC-DC变换器可以在满足多电压水平输出的要求的同时，做到更加紧凑的结构，同时可以节约成本。本实用新型基于基本的直流变换器，通过合理设计，得到一种包含两个输出端口的DC-DC变换器拓扑。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种DC-DC变换器，其目的在于解决现有的DC-DC变换器效率不够高，功率密度不够大技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种DC-DC变换器，包含：电感、整流模块、第一桥臂拓扑和并联的第二桥臂拓扑、第三桥臂拓扑及电容，其中，第一桥臂拓扑为串联的第一开关管和第四开关管、第二桥臂拓扑为串联的第二开关管和第五开关管、第三桥臂拓扑为串联的第三开关管和第六开关管；第一桥臂拓扑的负极和第二桥臂拓扑的负极连接，电感一端接第一开关管和第四开关管串联构成的耦合点上，电感另一端接第二开关管和第五开关管串联构成的耦合点上；

整流模块输入端一端接第二开关管和第二开关管串联构成的耦合点上，整流模块输入端另一端接第三开关管和第六开关管串联构成的耦合点上，整流模块用于将交流电转化为直流电；第二桥臂拓扑的控制信号和第三桥臂拓扑的控制信号存在相位差；

第一桥臂拓扑和电感构成Buck变换器，Buck变换器用于对输入电压进行降压处理，第二桥臂拓扑和电感构成Boost变换器，Boost变换器用于对输入电压进行升压处理，第二桥臂拓扑、第三桥臂拓扑以及整流模块构成移相全桥变换器，移相全桥变换器用于对输入电压进行降压或升压处理；DC-DC变换器对电感及第二桥臂拓扑进行了复用。

优选地，第一桥臂拓扑的两端作为DC-DC变换器的直流输入端，电容作为DC-DC变换器的第一直流输出端，整流模块的输出端作为DC-DC变换器的第二直流输出端。

优选地，第一桥臂拓扑的两端作为DC-DC变换器的第一直流输入端，电容两端作为DC-DC变换器的第二直流输入端，整流模块的输出端作为DC-DC变换器的第一直流输出端。

优选地，整流模块包括一个变压器和两个整流二极管，变压器的原边作为整流模块的输入端，变压器的副边的两端抽头各串联一个整流二极管，两个整流二极管的另一端相连，作为整流模块的输出端的第一端子，变压器的中间抽头作为整流模块的输出端第二端子。

优选地，在第一桥臂拓扑的每个开关管上并联有二极管和电容，使第一桥臂拓扑中开关管实现软开关。

优选地，还包括谐振电感和隔直电容，谐振电感、变压器原边线圈及隔直电容依次串联构成串联支路，所述串联支路的一端接于第二开关管和第五开关管串联构成的耦合点，所述串联支路的另一端接于第三开关管和第六开关管串联构成的耦合点，第二桥臂拓扑和第三桥臂拓扑的每个开关管上并联有二极管和电容，使第二桥臂拓扑和第三桥臂拓扑的每个开关管实现软开关。

优选地，开关管上并联的二极管和电容为开关管的寄生器件或外接器件。

优选地，DC-DC变换器还包括输出滤波器；输出滤波器包括滤波电感和滤波电容；

滤波电感一端与整流模块的输出端的第一端子连接，另一端作为DC-DC变换器的直流输出端的第一端子；

滤波电容一端与滤波电感的另一端连接，滤波电容另一端同整流模块的输出端的第二端子连接，滤波电容另一端作为DC-DC变换器的直流输出端的第二端子。

优选地，DC-DC变换器还包括变换器滤波电容，与第一桥臂拓扑并联，用于平稳电压。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、巧用结构特点，复用了一个电感L1和一个半桥，即第二开关管(Q2)和第五开关管(Q5)串联而成的第二桥臂拓扑，使得变换器可以做得较为紧凑，降低了成本，同时，减少了开关管个数，从而，在同等的运行工况下，减小了开关损耗。

2、每个开关管都实现了软开关，用MOSFET代替了一般Buck变换器中二极管，以实现同步整流，通过软开关技术和同步整流技术，减小了开关损耗和通态损耗，从而提高变换器的效率。

3、通过降低开关损耗，可以较大的提高开关频率，这样，不但改善了输出波形，减小了滤波难度，可以减小滤波器体积，另外，当电压频率提高后，变压器不再那么容易饱和，进而能够减小变压器的体积。因此，本实用新型能够做到较高的变换效率，同时，较大程度的增加功率密度。

4、合理应用多级串联的结构，实现了较宽的直流输入范围，并且，能够实现较大倍数的降压，适应于应用需求。

5、本实用新型可以实现多个输入输出端口，可以应用于需要多个电压水平的场合。

附图说明

图1为本实用新型提供的DC-DC变换器拓扑；

图2为本实用新型提供的DC-DC变换器拓扑典型的***电路框架图。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本实用新型作进一步说明，所述是对本实用新型的解释，而不是限定。

本实用新型提供的一种带有三个端口的DC-DC变换器拓扑，可用于直流供电的场所。该拓扑充分利用了变换器的结构特点，对器件进行了复用，节约了成本，并引入同步整流技术，减小了通态压降和通态损耗，同时对所有开关管均实现了软开关，达到减小开关损耗的作用，从而可以提升开关频率并保证设备的效率。此外，由于具有多级变换，提供了多个直流输出端口，通过合理的设计，具备较宽范围的直流输入，并且能够实现较大倍数的降压。

本实用新型提供的DC-DC变换器拓扑，如图1所示，从主输入端口看进去，依次包含变换器滤波电容C7，一个Buck变换器，一个Boost变换器，一个移相全桥变换器，变换器滤波电容用于平稳电压。

如图1所示，移相全桥变换器的输入处，即Boost变换器的输出处并一个电容C8，虚拟出一条直流母线。虚拟直流母线既可以作为输入端口也可以作为一个输出端口，移相全桥包含一个逆变桥和一个整流模块，整流模块的输出处，是本拓扑的另一个直流输出端口。

该拓扑中，Buck变换器部分由第一开关管Q1和第四开关管Q4串联而成的第一桥臂拓扑以及电感L1构成，电感L1一端串联于第一开关管Q1和第四开关管Q4串联形成的耦合点上。Buck变换器电路部分用MOSFET代替二极管，以实现同步整流；Buck变换器电路部分的开关管也可以用其他类型的开关管。

而Boost变换器部分由电感L1、第二开关管Q2和第五开关管Q5串联而成的第二桥臂拓扑以及电容C8构成，电感L1另一端串接于第二开关管Q2和第五开关管Q5串联构成的耦合点上，电容C8并接于Boost变换器正负输入端口间。同样用MOSFET代替了常规Boost变换器中的二极管，Buck变换器和Boost变换器串联，共同构成了前级的DC-DC变换器，他们共用了电感L1，该电感可以是单个电感，也可以是多个电感等效而成的电感。

移相全桥变换器部分由第二开关管Q2和第五开关管Q5串联而成的第二桥臂拓扑、第三开关管Q3和第六开关管Q6串联而成的第三桥臂拓扑以及谐振电感L2、隔直电容C10以及整流模块构成，整流模块包括变压器T1和二极管D7、D8，第二桥臂拓扑作为移相全桥变换器的超前桥臂，第三桥臂拓扑作为移相全桥变换器的滞后桥臂，谐振电感L2包含了变压器的漏感，变压器T1的原边和谐振电感L2、隔直电容串联，该串连支路两端分别接于第二开关管Q2和第五开关管Q5串联构成的耦合点以及第三开关管Q3和第六开关管Q6串联构成的耦合点上。变压器T1的副边两端分别串接一个二极管D7、D8，两二极管的另一端连接在一起，从二极管D7、D8连接形成的耦合点，作为移相全桥变换器的输出端的第一端子，变压器T1的中间抽头作为移相全桥变换器的输出端的第二端子。

DC-DC变换器还包括滤波电感L3和滤波电容C9，滤波电感L3串接二极管D7、D8连接形成的耦合点，滤波电感L3又串联滤波电容C9到变压器T1副边的中心抽头，由滤波电感L3和滤波电容C9组成输出滤波器，输出滤波器是一个低通滤波器，滤波电容C9的两端作为DC-DC变换器输出端口。

可以看到，Buck变换器部分和移相全桥部分复用了第二开关管Q2和第五开关管Q5串联而成的第二桥臂拓扑。使得变换器可以做得较为紧凑，降低了成本，同时，减少了开关管个数，从而，在同等的运行工况下，减小了开关损耗。

另外，每个开关管的两端反向并联了一个二极管，同时并联了一个电容，这个二极管和电容可以是开关管的寄生器件，也可以是外接的独立器件，利用这些二极管和电容，可以实现零电压开关(ZVS)。

Buck变换器实现软开关的工作原理：考察本拓扑中Buck变换器部分的工作模态，由于开关管均并联了电容，因此，当开关管由开通转关断时，开关管两端的电压将相对缓慢地上升，从而错开较高的开关电流，实现零电压关断，降低关断损耗，而当开关管由关断转开通时，由于电容、电感形成的谐振，电容两端的电压会经过0V，此时，二极管导通，开关管两端电压被钳位在0V，因此可以在零电压下开通开关管，从而实现零电压开通，降低开通损耗，上述即为Buck电路部分的软开关具体实现。为了保证前级Buck变换器的软开关的实现，电感电流需要能够下降到0A，因此，合理设计电感的取值，使前级DC-DC变换器工作于断续模式(DCM)。

DC-DC变换器拓扑中的Boost电路部分和移相全桥变换器共用了由开关管Q2和开关管Q5串联而成的桥臂，由于移相全桥的桥臂采用移相控制，逆变桥上的开关管占空比是固定的，因此，Boost变换器的占空比D也固定。考虑到Boost变换器也处于断续模式，实际的变压比将大于1/(1-D)。

DC-DC变换器拓扑中的移相全桥变换器部分通过移相控制实现对输出电压的调节，逆变桥上的所有开关管均能实现软开关。

移相全桥的输入端接入一个直流输入(在本拓扑中即为Boost变换器的输出)，通过逆变桥，得到一个交流的桥臂电压，并接入到变压器的原边，变压器可以提供一个变压比，在逆变器的副边，带有中心抽头及整流二极管，实现不控整流。

逆变桥的两个半桥通过移相控制，使两个半桥的控制信号存在一个可调相位差，通过控制这个相位差，即可控制输出电压的占空比，从而控制输出电压大小，因此，在两个半桥中，由第二开关管Q2和第五开关管Q5组成的第二桥臂称为超前桥臂，由第三开关管Q3和第六开关管Q6组成的第三桥臂称为滞后桥臂。在两个半桥间，除了接有整流模块外，还串联了谐振电感L2和隔直电容C10，谐振电感和开关管两端并联的电容在一定运行模态下形成谐振，从而使开关管能够实现零电压开关。

移相全桥电路部分的软开关具体实现如下：当开关管由开通转关断时，开关管两端的电压由于电容充电，上升的过程将相对缓慢，从而错开较高的开关电流，实现零电压关断，降低关断损耗，而当开关管由关断转开通时，由于电容、电感形成的谐振，电容两端的电压会在某一时刻降低到0V，此时，二极管导通，开关管两端电压被钳位在0V，因此可以在零电压下开通开关管，从而实现零电压开通，降低开通损耗。

为了更清楚的描述本实用新型，给出了DC-DC变换器的一种典型***电路的实现，如图2所示，包含主处理器模块，采样模块，驱动模块以及调理模块。通过采样模块采样Buck变换器的输出，经过一定的调理电路处理后，输入到处理器中，处理器根据设计的程序，输出控制信号，经过驱动模块，驱动第一开关管Q1和第四开关管Q4同步动作，并互补开关，为了避免出现直通，可设置第一开关管Q1和第四开关管Q4有适当死区；与此同时，采样整流模块的输出，经过一定的调理电路处理后，输入到处理器中，通过处理器中设计的控制器程序得到移相大小，从而输出一定的控制信号，控制信号经过驱动模块后，便可以控制第二桥臂拓扑和第三桥臂拓扑中开关管的通断，从而构成包含控制器的闭环的回路。

本实用新型中，前级DC-DC变换器由Buck变换器和Boost变换器串联而成，是一个直接直流变换器，而后级变换器是一个移相全桥变换器，包含一个逆变桥和一个整流变换器，带有变压器的隔离，是一个间接直流变换器。

该拓扑充分利用了变换器的结构特点，对器件进行了复用，节约了成本，并引入同步整流技术，减小了通态压降和通态损耗，同时对所有开关管均实现了软开关，达到减小开关损耗的作用，从而可以提升开关频率并保证设备的效率。此外，由于具有多级变换，提供了多个直流输出端口，通过合理的设计，具备较宽范围的直流输入，并且能够实现较大倍数的降压。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，根据上述说明加以改进或变换并不困难，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种DC-DC变换器，其特征在于，包含：电感(L1)、整流模块(4)、第一桥臂拓扑(1)和并联的第二桥臂拓扑(2)、第三桥臂拓扑(3)及电容(C8)，其中，第一桥臂拓扑(1)为串联的第一开关管(Q1)和第四开关管(Q4)、第二桥臂拓扑(2)为串联的第二开关管(Q2)和第五开关管(Q5)、第三桥臂拓扑(3)为串联的第三开关管(Q3)和第六开关管(Q6)；第一桥臂拓扑(1)的负极和第二桥臂拓扑(2)的负极连接，电感(L1)一端接第一开关管(Q1)和第四开关管(Q4)串联构成的耦合点上，电感(L1)另一端接第二开关管(Q2)和第五开关管(Q5)串联构成的耦合点上；

整流模块(4)输入端一端接第二开关管(Q2)和第二开关管(Q5)串联构成的耦合点上，整流模块(4)输入端另一端接第三开关管(Q3)和第六开关管(Q6)串联构成的耦合点上，整流模块(4)用于将交流电转化为直流电；第二桥臂拓扑(2)的控制信号和第三桥臂拓扑(3)的控制信号存在相位差；

第一桥臂拓扑(1)和电感(L1)构成Buck变换器，Buck变换器用于对输入电压进行降压处理，第二桥臂拓扑(2)和电感(L1)构成Boost变换器，Boost变换器用于对输入电压进行升压处理，第二桥臂拓扑(2)、第三桥臂拓扑(3)以及整流模块(4)构成移相全桥变换器，移相全桥变换器用于对输入电压进行降压或升压处理；DC-DC变换器对电感(L1)及第二桥臂拓扑(2)进行了复用。

2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，第一桥臂拓扑(1)的两端作为DC-DC变换器的直流输入端，电容(C8)作为DC-DC变换器的第一直流输出端，整流模块的输出端作为DC-DC变换器的第二直流输出端。

3.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，第一桥臂拓扑(1)的两端作为DC-DC变换器的第一直流输入端，电容(C8)作为DC-DC变换器的第二直流输入端，整流模块的输出端作为DC-DC变换器的第一直流输出端。

4.根据权利要求1至3任一项所述的DC-DC变换器，其特征在于，整流模块包括一个变压器和两个整流二极管，变压器的原边作为整流模块的输入端，变压器的副边的两端抽头各串联一个整流二极管，两个整流二极管的另一端相连，作为整流模块的输出端的第一端口，变压器的中间抽头作为整流模块的输出端的第二端口。

5.根据权利要求1至3任一项所述的DC-DC变换器，其特征在于，在第一桥臂拓扑(1)的每个开关管上并联有二极管和电容，使第一桥臂拓扑(1)中开关管实现软开关。

6.根据权利要求1至3任一项所述的DC-DC变换器，其特征在于，还包括谐振电感(L2)和隔直电容(C10)，谐振电感(L2)、变压器原边线圈及隔直电容(C10)依次串联构成串联支路，所述串联支路的一端接于第二开关管(Q2)和第五开关管(Q5)串联构成的耦合点，所述串联支路的另一端接于第三开关管(Q3)和第六开关管(Q6)串联构成的耦合点，第二桥臂拓扑(2)和第三桥臂拓扑(3)的每个开关管上并联有二极管和电容，使第二桥臂拓扑(2)和第三桥臂拓扑(3)的每个开关管实现软开关。

7.根据权利要求5所述的DC-DC变换器，其特征在于，开关管上并联的二极管和电容为开关管的寄生器件或外接器件。

8.根据权利要求1至3任一项所述的DC-DC变换器，其特征在于，DC-DC变换器还包括输出滤波器；输出滤波器包括滤波电感(L3)和滤波电容(C9)；

滤波电感(L3)一端与整流模块(4)的输出端的第一端子连接，另一端作为DC-DC变换器的直流输出端的第一端子；

滤波电容(C9)一端与滤波电感(L3)的另一端连接，滤波电容(C9)另一端同整流模块(4)的输出端的第二端子连接，滤波电容(C9)另一端作为DC-DC变换器的直流输出端的第二端子。

9.根据权利要求1至3任一项所述的DC-DC变换器，其特征在于，DC-DC变换器还包括变换器滤波电容(C7)，与第一桥臂拓扑(1)并联，用于平稳电压。