专利名称：一种高效率低成本正反激dc-dc变换器拓扑的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源领域，特别涉及直流-直流(DC-DC)变换器。
背景技术：
DC-DC变换器已实现商品化，并广泛应用于UPS系统、电池充放电装置、电动汽车、起动/发电系统、航空航天电源系统、远程及数据通讯系统、计算机设备、办公自动化设备、工业仪器仪表等场合。根据工作模式的不同，DC-DC变换器可分为降压式 、升压式、降压/升压式、反激式、正激式、半桥式、全桥式、推挽式等拓扑结构。随着对开关电源性能要求的提高，需要开发出新的电路拓扑结构，以实现高效率的DC-DC变换器。由于具有低成本、宽输入电压范围等优点，在UPS系统所包含的用于对外置电池进行充电的“超级充电器”(“Super Charger”)中，常常使用有源箝位反激式DC-DC变换器。现有技术中的有源箝位反激式DC-DC变换器拓扑结构例如在图I中示出。这种变换器拓扑的缺点在于，难以满足高效率(例如94%以上的效率)要求。针对提高变换器效率的需要，专利文献I (CN 101692595 A)提出了一种正反激DC-DC变换器拓扑结构，其在图2的示意图中示出。为了以低成本实现高效率的DC-DC变换器，电路拓扑结构仍存在进一步改进的空间。
发明内容
开发本发明以解决上面提到的问题。借助本发明的正反激DC-DC变换器拓扑，可以以与专利文献I的拓扑相比接近的成本实现甚至更高的效率。根据本发明一实施形态，一种正反激DC-DC变换器拓扑包含变压器、主开关管、箝位电路、第一与第二整流开关管、LC谐振电路以及输出电容器。变压器的原方绕组与主开关管串联连接在第一输入端子与第二输入端子之间。由串联连接的箝位电容器和箝位开关管构成的箝位电路与原方绕组或主开关管并联连接。变压器的副方绕组包含正激绕组和反激绕组。令电流流入原方绕组的一端为原方绕组的同名端，变压器副方的连接方式为正激绕组的同名端经由第一整流开关管连接到第一输出端子，反激绕组的同名端经由第二整流开关管连接到第二输出端子，LC谐振电路连接到第一输出端子、第二输出端子以及正激绕组与反激绕组的异名端以使第一与第二整流开关管实现零电流开关，输出电容器连接在第一输出端子与第二输出端子之间。优选为，LC谐振电路包含第一电容器、第二电容器以及谐振电感器。第一电容器与第二电容器串联连接在第一输出端子与第二输出端子之间，谐振电感器的一端连接到正激绕组与反激绕组的异名端，另一端连接到第一电容器与第二电容器的中间节点。优选为，LC谐振电路包含第一电感器、第二电感器、第一电容器以及第二电容器。第一电感器与第一电容器串联连接在第一输出端子和正激与反激绕组的异名端之间，第二电感器与第二电容器串联连接在第二输出端子和正激与反激绕组的异名端之间。
优选为，LC谐振电路包含第一电感器、第二电感器、第一电容器以及第二电容器。第一电感器连接在第一整流开关管与第一输出端子之间，第二电感器连接在第二整流开关管与第二输出端子之间，第一电容器与第二电容器串联连接在第一输出端子与第二输出端子之间，正激绕组与反激绕组的异名端连接到第一电容器与第二电容器的中间节点。优选为，正激绕组和反激绕组的匝数比为I : I。优选为，在变换器在正激工作状态下的DC-DC功率传输大于在反激工作状态下的DC-DC功率传输的条件下，使反激绕组的匝数多于正激绕组的匝数。反之，在变换器在反激工作状态下的DC-DC功率传输大于在正激工作状态下的DC-DC功率传输的条件下，使正激绕组的匝数多于反激绕组的匝数。优选为，整流开关管为二极管或为M0SFET。优选为，变压器具有泄漏电感。 优选为，当进入主开关管开通且箝位开关管关断的正激工作状态时，第一整流开关管开通，第二整流开关管关断，LC谐振电路开始谐振，在主开关管切换为关断之前，使得流过LC谐振电路的谐振电流变为零，以实现第一整流开关管的零电流开关。当进入主开关管关断且箝位开关管开通的反激工作状态时，第一整流开关管关断，第二整流开关管开通，LC谐振电路开始谐振，在主开关管切换为开通之前，使得流过LC谐振电路的谐振电流变为零，以实现第二整流开关管的零电流开关。优选为，在主开关管关断时，箝位电容器与变压器漏感产生谐振，使得主开关管和箝位开关管获得零电压开关，通过谐振将变压器漏感的能量传递到副方，避免变压器漏感的能量损耗以及瞬间造成的主开关管上的电压尖峰。
附图并入说明书并构成说明书的一部分，其示出了本发明的实施例，并与上面给出的对本发明的一般介绍以及下面给出的对实施例的详细描述一起，用于阐释本发明的原理。在附图中图I示出了根据现有技术的有源箝位反激式DC-DC变换器拓扑的等效电路图；图2示出了根据现有技术的有源箝位正反激DC-DC变换器拓扑的等效电路图；图3示出了根据本发明一实施例的有源箝位正反激DC-DC变换器拓扑的等效电路图；图4(a)_(d)示出了根据本发明的实施例的一组示例性有源钳位正反激DC-DC变换器拓扑结构；图5示出了根据本发明的实施例的有源箝位正反激DC-DC变换器拓扑结构的工作波形；图6的曲线图示出了图1、2、3中的三种拓扑在输出电流变化的情况下的效率对比；图7的曲线图示出了图2、3中的两种拓扑在负载变化的情况下的效率对比；图8示出了副方侧谐振电路的第一变型；图9示出了副方侧谐振电路的第二变型。
具体实施例方式下面参照附图介绍根据本发明的优选实施方式，在附图中，类似的参考标号表示类似的元件，因此不再重复对其详细进行介绍，“U”、“V”均为代表电压的符号，在下文中不作区别地使用。 图3示出了根据本发明一实施例的有源箝位正反激DC-DC变换器拓扑的等效电路图，在图3中，Lr和Lm分别表示从实际变压器等效模型分离出来的泄漏电感和励磁电感，变压器为理想变压器。由图3可以看出，根据该实施例的DC-DC变换器拓扑包含高频变压器、主开关管Tl、有源箝位电路、整流二极管Dl与D2、谐振电路以及输出电容器CO。由图3可见，包含有源箝位电路的变压器原方侧的结构和现有技术中的相同，SP，变压器的原方绕组(图3中用Np表示)与主开关管Tl串联连接在第一输入端子与第二输入端子之间。由串联连接的箝位电容器Cr和箝位开关管T2构成的箝位电路与原方绕组Np并联连接。箝位电容器Cr在主开关管Tl关断时与泄漏电感Lr产生谐振，使得主开关管Tl和箝位开关管T2获得零电压切换，通过谐振将泄漏电感Lr的能量传递到副方，避免泄漏电感Lr的能量损耗以及瞬间造成的主开关管Tl上的电压尖峰。作为替代的是，由串联连接的箝位电容器Cr和箝位开关管T2构成的箝位电路可以与主开关管Tl并联连接，而不是与原方绕组Np并联连接。由图3可见，除整流、滤波电路外，变压器副方侧还包含一谐振电路，其由谐振电感器Ls、第一电容器Cl与第二电容器C2构成，用于实现整流二极管Dl与D2的零电流开关。如图3所示，变压器的副方绕组包含在正激工作状态下流过电流的绕组(简称“正激绕组”，在图3中用Nsl表示)和在反激工作状态下流过电流的绕组(简称“反激绕组”，在图3中用Ns2表示)。令电流流入原方绕组Np的一端为原方绕组Np的同名端，则变压器副方侧的连接方式为正激绕组Nsl的同名端经由第一整流二极管Dl连接到第一输出端子，反激绕组Ns2的同名端经由第二整流二极管D2连接到第二输出端子，第一电容器Cl与第二电容器C2串联连接在第一输出端子与第二输出端子之间，谐振电感器Ls的一端连接到正激绕组Nsl与反激绕组Ns2的异名端，另一端连接到第一电容器Cl与第二电容器C2的中间节点，输出电容器CO连接在第一输出端子与第二输出端子之间。尽管图3中示出的副方侧整流开关为二极管，本领域人员可以想到，可以将MOSFET或类似的开关器件用作副方侧整流开关并对其开关时序进行适宜的控制。图4(a)-(d)示出了根据本发明的实施例的一组示例性有源钳位正反激DC-DC变换器拓扑结构，其中，图4(c)、(d)示出了箝位电路与主开关管Tl并联连接的情况，图(b)、(d)示出了将MOSFET用作整流开关管的情况。图5示出了根据本发明的实施例的正反激DC-DC变换器工作时的信号波形，其中，ST1、St2分别表示主开关管Tl和箝位开关管T2的触发信号，im表示励磁电流波形，I1表示原方电流波形，is表示流过谐振电感器Ls的谐振电流，UT1、iT1分别表示主开关管Tl的电压和电流波形，UT2、iT2分别表示箝位开关管Tl的电压和电流波形，UD1、-UD2*别表示第一与第二整流二极管Dl与D2的电压波形。在主开关管Tl开通、箝位开关管T2关断(正激工作状态)时，副方第一整流二极管Dl开通，第二整流二极管D2关断，由第一电容器Cl、第二电容器C2以及谐振电感器Ls构成的谐振电路开始谐振，谐振电流的一半流经输出电容器CO,向连接在第一与第二输出端子之间的负载提供电力。在主开关管Tl切换为关断之前，谐振周期Tr (=2^4(C1+C2))的一半结束，流过谐振电感器Ls的谐振电流1变为零，于是，第一整流二极管Dl切换为关断而不需要反向恢复。当主开关管Tl关断、箝位开关管T2开通(反激工作状态)时，以同样的方式实现第二整流二极管D2的零电流开关。对于第一、第二整流二极管Dl与D2，反激工作状态下第一整流晶体管的反向电压Vedi和正激工作状态下第二整流二极管的反向电压Ved2分别为
权利要求
1.一种正反激DC-DC变换器拓扑，其特征在于包含变压器、主开关管、箝位电路、第一与第二整流开关管、LC谐振电路以及输出电容器，其中，变压器的原方绕组与主开关管串联连接在第一输入端子与第二输入端子之间，由串联连接的箝位电容器和箝位开关管构成的箝位电路与原方绕组或主开关管并联连接，变压器的副方绕组包含正激绕组和反激绕组，令电流流入原方绕组的一端为原方绕组的同名端，变压器副方的连接方式为正激绕组的同名端经由第一整流开关管连接到第一输出端子，反激绕组的同名端经由第二整流开关管连接到第二输出端子，LC谐振电路连接到第一输 出端子、第二输出端子以及正激绕组与反激绕组的异名端以使第一与第二整流开关管实现零电流开关，输出电容器连接在第一输出端子与第二输出端子之间。
2.根据权利要求I的正反激DC-DC变换器拓扑,其中,LC谐振电路包含第一电容器、第二电容器以及谐振电感器，第一电容器与第二电容器串联连接在第一输出端子与第二输出端子之间，谐振电感器的一端连接到正激绕组与反激绕组的异名端，另一端连接到第一电容器与第二电容器的中间节点。
3.根据权利要求I的正反激DC-DC变换器拓扑，其中，LC谐振电路包含第一电感器、第二电感器、第一电容器以及第二电容器，第一电感器与第一电容器串联连接在第一输出端子和正激与反激绕组的异名端之间，第二电感器与第二电容器串联连接在第二输出端子和正激与反激绕组的异名端之间。
4.根据权利要求I的正反激DC-DC变换器拓扑，其中，LC谐振电路包含第一电感器、第二电感器、第一电容器以及第二电容器，第一电感器连接在第一整流开关管与第一输出端子之间，第二电感器连接在第二整流开关管与第二输出端子之间，第一电容器与第二电容器串联连接在第一输出端子与第二输出端子之间，正激绕组与反激绕组的异名端连接到第一电容器与第二电容器的中间节点。
5.根据权利要求1-4中任意一项的正反激DC-DC变换器拓扑，其中，正激绕组和反激绕组的匝数比为I : I。
6.根据权利要求1-4中任意一项的正反激DC-DC变换器拓扑，其中，在变换器在正激工作状态下的DC-DC功率传输大于在反激工作状态下的DC-DC功率传输的条件下，使反激绕组的匝数多于正激绕组的匝数，在变换器在反激工作状态下的DC-DC功率传输大于在正激工作状态下的DC-DC功率传输的条件下，使正激绕组的匝数多于反激绕组的匝数。
7.根据权利要求1-4中任意一项的正反激DC-DC变换器拓扑，其中，整流开关管为二极管或为MOSFET。
8.根据权利要求1-4中任意一项的正反激DC-DC变换器拓扑，其中，变压器具有漏感。
9.根据权利要求1-4中任意一项的正反激DC-DC变换器拓扑，其中， 当进入主开关管开通且箝位开关管关断的正激工作状态时，第一整流开关管开通，第二整流开关管关断，LC谐振电路开始谐振，在主开关管切换为关断之前，使得流过LC谐振电路的谐振电流变为零，以实现第一整流开关管的零电流开关；且其中 当进入主开关管关断且箝位开关管开通的反激工作状态时，第一整流开关管关断，第二整流开关管开通，LC谐振电路开始谐振，在主开关管切换为开通之前，使得流过LC谐振电路的谐振电流变为零，以实现第二整流开关管的零电流开关。
10.根据权利要求8的正反激DC-DC变换器拓扑，其中，在主开关管关断时，箝位电容器与变压器漏感产生谐振，使得主开关管和箝位开关管获得零电压开关，通过谐振将变压器 漏感的能量传递到副方，避免变压器漏感的能量损耗以及瞬间造成的主开关管上的电压尖峰。
全文摘要
一种高效率低成本正反激DC－DC变换器拓扑。正反激DC-DC变换器拓扑包含变压器、主开关管、箝位电路、第一与第二整流开关管、LC谐振电路和输出电容器，变压器的原方绕组与主开关管串联连接在第一与第二输入端子之间，由串联连接的箝位电容器和箝位开关管构成的箝位电路与原方绕组或主开关管并联，变压器的副方绕组包含正激绕组和反激绕组，令电流流入原方绕组的一端为原方绕组的同名端，变压器副方的连接方式为正激绕组的同名端经由第一整流开关管连接到第一输出端子，反激绕组的同名端经由第二整流开关管连接到第二输出端子，LC谐振电路连接到第一与第二输出端子以及正激与反激绕组的异名端以使第一与第二整流开关管实现零电流开关，输出电容器连接在第一与第二输出端子之间。
文档编号H02M3/337GK102891608SQ20111020547
公开日2013年1月23日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者胡智伦, 顾亦磊, 温志伟, 张昌丹 申请人:山特电子(深圳)有限公司