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CN115360924B - 一种开关复用型变换器拓扑结构及其调制方法 - Google Patents

一种开关复用型变换器拓扑结构及其调制方法 Download PDF

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CN115360924B CN202211163150.5A CN202211163150A CN115360924B CN 115360924 B CN115360924 B CN 115360924B CN 202211163150 A CN202211163150 A CN 202211163150A CN 115360924 B CN115360924 B CN 115360924B
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Abstract

本发明提供了一种开关复用型变换器拓扑结构及其调制方法，拓扑结构包括：电源端、开关复用Buck变换器、开关复用LC谐振变换器和负载端；开关复用Buck变换器包括第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；开关复用LC谐振变换器包括第一电容、第一开关回路、第二开关回路和谐振腔；第一开关回路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；调制方法包括：将所述第二开关管与所述第三开关管的导通时间占所述开关复用型变换器开关周期的比例定义为占空比；通过调节所述占空比对所述电容两端的电压进行调节，使所述第一桥臂与第二桥臂中点间的电压幅值改变，实现对所述开关复用型变换器的电压增益进行调节。

Description

一种开关复用型变换器拓扑结构及其调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种开关复用型变换器拓扑结构及其调制方法。
背景技术
近年来，随着新能源产业的发展，电力电子变换装置遇到了更高的挑战，越来越多的研究工作者开展了大量的研究以追求变换器的高功率、高转换效率以及高功率密度。而直流变换器作为电能变换中重要的环节也成为了研究中的重点。
为了提高变换器的电能转换效率及其调压能力，研究工作者将Buck变换器与谐振变换器进行串联式组合。其中变换器工作在谐振点，以实现电气隔离以及高效率电能变换，并且采用Buck变换器进行调压。该方案为两级式拓扑结构，其具有结构简单和控制灵活的优点。但是两级式结构导致系统转换效率偏低，并且增加了开关管数量。亦有工作人员将谐振变换器与Buck变换器进行输入串联输出并联型连接，其中谐振变换器工作在谐振工作点，Buck电路调节占空比进行调压，该方案对比两级方案效率有所提升，但是其拓扑结构不具备电气隔离的功能。
发明内容
本发明提供了一种开关复用型变换器拓扑结构及其调制方法，其目的是为了能够调节变换器的电压增益，同时实现变换器的电气隔离与高效的电能变换。
为了达到上述目的，本发明提供了一种开关复用型变换器拓扑结构，包括：
电源端、开关复用Buck变换器、开关复用LC谐振变换器和负载端；
开关复用Buck变换器包括第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；
开关复用LC谐振变换器包括第一电容、第一开关回路、第二开关回路和谐振腔；
第一开关回路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
第一开关管的漏极与电源端的正极、第三开关管的漏极连接，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接组成第一桥臂，第一开关管的源极与第一电感的一端连接，第二开关管的源极与电源端的负极、第一电容的负极连接，第一电容的正极与第一电感的另一端、第四开关管的源极连接，第四开关管的漏极与第三开关管的源极连接组成第二桥臂，谐振腔的第一输入端与第一开关管的源极连接，谐振腔的第二输入端与第四开关管的漏极连接，谐振腔的第一输出端、谐振腔的第二输出端与第二开关回路的第一输入端、第二开关回路的第二输入端连接，第二开关回路的第一输出端、第二开关回路的第二输出端分别与负载端的正极、负载端的负极连接。
进一步来说，开关复用LC谐振变换器还包括用于对输出电压进行滤波的第二电容，第二电容的正极与第二开关回路的第一输出端、负载端的正极连接，第二电容的负极与第二开关回路的第二输出端、负载端的负极连接。
进一步来说，谐振腔包括隔直电容、变压器、谐振电容和谐振电感；
隔直电容的一端与第一开关管的源极连接，隔直电容的另一端与变压器的原边的第一端连接，变压器的原边的第二端与第四开关管的漏极连接，变压器的副边的第一端与谐振电容的一端连接，谐振电容的另一端与第二开关回路的第一输入端连接，变压器的副边的第二端与谐振电感的一端连接，谐振电感的另一端与第二开关电路的第二开关回路的第二输入端连接。
进一步来说，第二开关回路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，第五开关管的源极与谐振电容的另一端、第六开关管的漏极连接，第五开关管的漏极与第七开关管的漏极连接，第六开关管的源极与第八开关管的源极连接，第八开关管的源极与负载端的负极连接，第八开关管的漏极与谐振电感的另一端、第七开关管的源极连接，第七开关管的漏极与负载端的正极连接。
进一步来说，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管均采用存在反并联二极管和漏源极寄生电容的功率晶体管。
本发明还提供了一种开关复用型变换器拓扑结构的调制方法，应用于上述的开关复用型变换器拓扑结构，调制方法包括：
将第二开关管与第三开关管的导通时间占开关复用型变换器开关周期的比例定义为占空比；
通过调节占空比对第一电容两端的电压进行调节，使所述第一桥臂与第二桥臂中点间的电压幅值改变，实现对开关复用型变换器的电压增益进行调节。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明将Buck变换器与LC谐振变换器进行开关复用拓扑组合，使其同时具备Buck变换器以及LC谐振变换器的优点，通过调节占空比对第一电容两端的电压进行调节，使所述第一桥臂与第二桥臂中点间的电压幅值改变，实现对开关复用型变换器的电压增益进行调节，同时实现变换器的电气隔离与高效的电能变换；且其谐振腔工作在电流断续模式，因此不存在无功电流，有效地减小了谐振腔的电流有效值，有助于减小变换器的导通损耗。
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例的在其调制方法下的工作波形图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明针对现有的问题，提供了一种开关复用型变换器拓扑结构及其调制方法。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种开关复用型变换器拓扑结构，包括：
电源端Vin、开关复用Buck变换器、开关复用LC谐振变换器和负载端Vo。
开关复用Buck变换器与常用的Buck变换器的工作原理相同，包括第一开关管S1、第二开关管S2、用于降压的第一电感La和用于平滑电压的第一电容Ca。
开关复用LC谐振变换器与常用的Buck变换器的工作原理相同，包括用于平滑电压的第一电容Ca、第一开关回路、第二开关回路和谐振腔。
第一开关回路包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4；第一开关管、第二开关管为开关复用Buck变换器和开关复用LC谐振变换器的复用开关，减少了功率开关管的数量，降低了成本。
第一开关管S1的漏极与电源端Vin的正极、第三开关管S3的漏极连接，第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极连接组成第一桥臂，该第一桥臂为开关复用Buck变换器和开关复用LC谐振变换器的复用桥臂，第一开关管S1的源极与第一电感La的一端连接，第二开关管S2的源极与电源端Vin的负极、第一电容Ca的负极连接，第一电容Ca的正极与第一电感La的另一端、第四开关管S4的源极连接，第四开关管S4的漏极与第三开关管S3的源极连接组成第二桥臂，谐振腔的第一输入端与第一开关管S1的源极连接，谐振腔的第二输入端与第四开关管S4的漏极连接，谐振腔的第一输出端、谐振腔的第二输出端与第二开关回路的第一输入端、第二开关回路的第二输入端连接，第二开关回路的第一输出端、第二开关回路的第二输出端分别与负载端Vo的正极、负载端Vo的负极连接。
具体来说，开关复用LC谐振变换器还包括用于对输出电压进行滤波的第二电容Cf，第二电容Cf的正极与第二开关回路的第一输出端、负载端Vo的正极连接，第二电容Cf的负极与第二开关回路的第二输出端、负载端Vo的负极连接。
具体来说，本发明实施例选择电阻R作为负载端Vo，电阻R的正极与第二电容Cf的正极连接，电阻R的负极与输出滤波电容Cf的负极连接。
具体来说，谐振腔包括隔直电容Cb、变压器T、谐振电容Cr和谐振电感Lr；
隔直电容Cb的一端与第一开关管S1的源极连接，隔直电容Cb的另一端与变压器T的原边的第一端连接，变压器T的原边的第二端与第四开关管S4的漏极连接，变压器T的副边的第一端与谐振电容Cr的一端连接，谐振电容Cr的另一端与第二开关回路的第一输入端连接，变压器T的副边的第二端与谐振电感Lr的一端连接，谐振电感Lr的另一端与第二开关回路的第二输入端连接。
具体来说，第二开关回路包括第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7和第八开关管S8，第五开关管S5的源极与谐振电容Cr的另一端、第六开关管S6的漏极连接，第五开关管S5的漏极与第七开关管S7的漏极连接，第六开关管S6的源极与第八开关管S8的源极连接，第八开关管S8的源极与负载端Vo的负极连接，第八开关管S8的漏极与谐振电感Lr的另一端、第七开关管S7的源极连接，第七开关管S7的漏极与负载端Vo的正极连接。
具体来说，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7和第八开关管S8均采用存在反并联二极管和漏源极寄生电容的功率晶体管MOSFET。
本发明实施例还提供了一种开关复用型变换器拓扑结构的调制方法，应用于上述的开关复用型变换器拓扑结构，调制方法包括：
将第二开关管S2与第三开关管S3的导通时间占开关复用型变换器开关周期的比例定义为占空比D；
通过控制占空比对第一电容Ca两端的电压进行调节，使所述第一桥臂与第二桥臂中点间的电压Vab幅值改变，实现对开关复用型Buck-LC变换器的电压增益进行调节。
具体来说，如图2所示，开关复用型变换器的第二开关管S2和第三开关管S3同时开通关断；第一开关管S1和第四开关管S4同时开通关断；第六开关管S6和第七开关管S7同时开通关断；第五开关管S5和第八开关管S8同时开通关断，第一开关管S1和第二开关管S2互补导通，第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号之间存在死区以防止同一桥臂的开关管直通短路，将第二开关管S2与第三开关管S3的导通时间占开关复用型变换器开关周期的比例定义为占空比D，第二开关管S2与第六开关管S6同时开通；第一开关管S1与第五开关管S5同时开通；第五开关管S5和第六开关管S6的导通时间为谐振腔一半的谐振周期；通过控制占空比D对第一电容Ca两端的电压进行调节，使所述第一桥臂与第二桥臂中点间的电压Vab幅值改变，实现对开关复用型变换器的电压增益进行调节。
具体来说，开关复用型变换器在其调制方法下正半周期的工作过程与负半周期的工作过程对称，其正半周期的工作过程如下：
在t0时刻，第二开关管S2零电压开通，第三开关管S3零电流开通，辅助电感电流iLa线性下降，同时，谐振电感Lr与谐振电容Cr开始谐振，谐振电流ir从零开始反向谐振变化，第六开关管S6和第七开关管S7作为同步整流管开通；
在t1时刻，谐振电流ir谐振至零时，该阶段结束；同时，同步整流管第六开关管S6和第七开关管S7零电流关断，由于第二开关管S2未关断，辅助电感电流iLa继续线性下降，在该阶段中，谐振电流ir恒定为零，此时开关复用型变换器不传递能量；
在t2时刻，第二开关管S2和第三开关管S3关断，此时辅助电感电流iLa极性为负，在死区时间内辅助电感电流iLa将通过第一开关管S1的二极管进行续流，为下一时刻第一开关管S1零电压开通做准备。
本发明实施例在输入电压为100V～125V、输出电压为400V的情况下，搭建了一台1000W的变换器样机，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7和第八开关管S8均采用存在反并联二极管和漏源极寄生电容的功率晶体管MOSFET。主电路的驱动信号由TI数字信号处理器TMS320F28377S中产生，在该实验条件下，开关复用型变换器在其调制方法下能够正常闭环工作。开关复用型变换器样机在不同输入电压、不同负载下皆可正常运行。
从上述描述可看出，本发明实施例将Buck变换器与LC谐振变换器进行开关复用拓扑组合，使其同时具备Buck变换器以及LC谐振变换器的优点，通过调节占空比对第一电容两端的电压进行调节，使所述第一桥臂与第二桥臂中点间的电压幅值改变，实现对开关复用型变换器的电压增益进行调节，同时实现变换器的电气隔离与高效的电能变换；且其谐振腔工作在电流断续模式，因此不存在无功电流，有效地减小了谐振腔的电流有效值，有助于减小变换器的导通损耗。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种开关复用型变换器拓扑结构，其特征在于，包括：
电源端、开关复用Buck变换器、开关复用LC谐振变换器和负载端；
所述开关复用Buck变换器包括第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；
所述开关复用LC谐振变换器包括所述第一电容、第一开关回路、第二开关回路和谐振腔；
所述第一开关回路包括所述第一开关管、所述第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管的漏极与所述电源端的正极、所述第三开关管的漏极连接，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的漏极连接组成第一桥臂，所述第一开关管的源极与所述电感的一端连接，所述第二开关管的源极与所述电源端的负极、所述第一电容的负极连接，所述第一电容的正极与所述第一电感的另一端、所述第四开关管的源极连接，所述第四开关管的漏极与所述第三开关管的源极连接组成第二桥臂，所述谐振腔的第一输入端与所述第一开关管的源极连接，所述谐振腔的第二输入端与所述第四开关管的漏极连接，所述谐振腔的第一输出端、所述谐振腔的第二输出端与所述第二开关回路的第一输入端、所述第二开关回路的第二输入端连接，所述第二开关回路的第一输出端、所述第二开关回路的第二输出端分别与所述负载端的正极、所述负载端的负极连接；
所述开关复用LC谐振变换器还包括用于对输出电压进行滤波的第二电容，所述第二电容的正极与所述第二开关回路的第一输出端、所述负载端的正极连接，所述第二电容的负极与所述第二开关回路的第二输出端、所述负载端的负极连接；
所述谐振腔包括隔直电容、变压器、谐振电容和谐振电感；
所述隔直电容的一端与所述第一开关管的源极连接，所述隔直电容的另一端与所述变压器的原边的第一端连接，所述变压器的原边的第二端与所述第四开关管的漏极连接，所述变压器的副边的第一端与所述谐振电容的一端连接，所述谐振电容的另一端与所述第二开关回路的第一输入端连接，所述变压器的副边的第二端与所述谐振电感的一端连接，所述谐振电感的另一端与所述第二开关回路的第二输入端连接；
所述第二开关回路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第五开关管的源极与所述谐振电容的另一端、所述第六开关管的漏极连接，所述第五开关管的漏极与所述第七开关管的漏极连接，所述第六开关管的源极与所述第八开关管的源极连接，所述第八开关管的源极与所述负载端的负极连接，所述第八开关管的漏极与所述谐振电感的另一端、所述第七开关管的源极连接，所述第七开关管的漏极与所述负载端的正极连接。
2.根据权利要求1所述的开关复用型变换器拓扑结构，其特征在于，
所述第一开关管、所述第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管均采用存在反并联二极管和漏源极寄生电容的功率晶体管。
3.一种开关复用型变换器拓扑结构的调制方法，其特征在于，应用于权利要求1-2任意一项所述的开关复用型变换器拓扑结构，调制方法包括：
将所述第二开关管与所述第三开关管的导通时间占所述开关复用型变换器开关周期的比例定义为占空比；
通过调节所述占空比对所述第一电容两端的电压进行调节，使所述第一桥臂与第二桥臂中点间的电压幅值改变，实现对所述开关复用型变换器的电压增益进行调节。
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