CN102361403A

CN102361403A - 交错串联dc/dc变换器电路

Info

Publication number: CN102361403A
Application number: CN2011101567186A
Authority: CN
Inventors: 李永富
Original assignee: ZHUHAI TAITAN NEW ENERGY SYSTEM CO Ltd
Current assignee: ZHUHAI TAITAN NEW ENERGY SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明公开了一种交错串联DC/DC变换器电路，旨在提供一种纹波小，转换效率高，且便于制作更小型化的高性能的DC/DC变换器电路。它包括输入直流电压、DC/DC模块、滤波电路和负载，它还包括控制电路，所述DC/DC模块包括第一模块（DC1）和第二模块（DC2），所述第一模块（DC1）和第二模块（DC2）结构相同，所述第一模块（DC1）的输入端与第二模块（DC2）的输入端并联连接所述输入直流电压，所述第一模块（DC1）的输出端与第二模块（DC2）的输出端串联后连接所述滤波电路和负载，所述控制电路与所述DC/DC模块连接，所述第一模块（DC1）和第二模块（DC2）的控制信号错开一定角度。

Description

交错串联DC/DC变换器电路

技术领域

本发明涉及一种交错串联DC/DC变换器电路。

背景技术

在专用设备市场，如大电压小电流充电器以及电动汽车充电站等方面，对具有几百伏的电源设备需求越来越大，且对于转换效率能够达到90%以上，功率因数大于0.99，符合EMC要求的小型化开关电源更为难得。常规输出大电压小电流的开关电源（如中国专利CN03150858.8公开的三电平LLC串联谐振DC/DC变换器），虽然具有LLC串联谐振型DC/DC变换器的优点，并且通过降低每个开关管的电压应力实现了输出大电压的要求，但是在大电压输出时，存在着很大的纹波，降低了整个系统的稳定性，同时也不可避免的增大了输入电容和输出电容的体积，导致整个DC/DC变换器的体积受到了限制，难以实现小型化的目的。综上所述，目前现有技术里的DC/DC变换器存在着纹波大、转换效率低、不易小型化的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种采用交错串联技术构成的纹波小，转换效率高，且便于制作更小型化的高性能的DC/DC变换器电路。

本发明的技术方案是：一种交错串联DC/DC变换器电路，它包括输入直流电压、至少两个DC/DC模块、滤波电路和负载，它还包括控制电路，所述DC/DC模块包括第一模块和第二模块，所述第一模块和第二模块结构相同，所述第一模块的输入端与第二模块的输入端并联连接所述输入直流电压，所述第一模块的输出端与第二模块的输出端串联后连接所述滤波电路和负载，所述控制电路与所述DC/DC模块连接，所述控制电路对第一模块和第二模块的控制信号错开一定角度。

所述第一模块及第二模块的实施电路包括：分压电路、箝位电路、开关电路、谐振电路、隔离变压器和整流电路，所述分压电路包括第一分压电容和第二分压电容，所述第一分压电容和第二分压电容串联后并联在所述输入直流电压两端成为所述第一模块的输入端，所述箝位电路包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极与第二二极管的负极连接并与所述第一分压电容和第二分压电容的串联点和地线相连接，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管串联而成，所述开关电路与所述分压电路并联，所述第一开关管与第二开关管的串联点连接所述第一二极管的负极，所述第三开关管与第四开关管的串联点连接所述第二二极管的正极，所述谐振电路包括第一谐振电容、第二谐振电容、谐振电感和励磁电感，所述第一谐振电容与第二谐振电容串联后与所述开关电路并联，所述谐振电感的一端连接所述第二开关管与第三开关管的串联点，所述谐振电感的另一端连接所述励磁电感的一端，所述励磁电感的另一端连接所述第一谐振电容与第二谐振电容的串联点，所述整流电路由四个整流二极管组成桥式整流电路，所述隔离变压器的初级与所述励磁电感并联，所述隔离变压器的次级连接所述桥式整流电路的交流输入端，所述桥式整流电路的直流输出端连接滤波电路和负载。

所述第一模块及第二模块的另一实施电路包括：开关电路、谐振电路、隔离变压器和整流电路，直流电压两端并联所述第一模块的输入端，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管串联而成，所述开关电路与所述直流电压两端并联为所述第一模块的输入端，所述谐振电路包括第一谐振电容、第二谐振电容、谐振电感和励磁电感，所述第一谐振电容与第二谐振电容串联后与所述开关电路并联，所述谐振电感的一端连接所述第一开关管与第二开关管的串联点，所述谐振电感的另一端连接所述励磁电感的一端，所述励磁电感的另一端连接所述第一谐振电容与第二谐振电容的串联点，所述整流电路由四个整流二极管组成桥式整流电路，所述隔离变压器的初级与所述励磁电感并联，所述隔离变压器的次级连接所述桥式整流电路的交流输入端，所述桥式整流电路的直流输出端连接滤波电路和负载。

上述两种实施方案中，所述开关电路与所述控制电路连接，所述控制电路对第一模块和第二模块的控制信号错开角度为90度。

上述两种实施方案中，所述滤波电路由电容器构成。

本发明的有益效果是：由于本发明包括输入直流电压、DC/DC模块、滤波电路和负载，它还包括控制电路，所述DC/DC模块包括第一模块和第二模块，所述第一模块和第二模块结构相同，所述第一模块的输入端与第二模块的输入端并联连接所述输入直流电压，所述第一模块的输出端与第二模块的输出端串联后连接所述滤波电路和负载，所述控制电路与所述DC/DC模块连接，所述控制电路对第一模块和第二模块的控制信号错开一定角度；又由于现有LLC谐振半桥DC/DC变换器在整个电源的组成中占有大部分空间位置，而尽可能减小这部分电路的空间占有率，提供这部分元件的自然散热面积是缩小整个电源体积的主要方式，而且尽可能减小纹波是提高DC/DC变换器性能和效率的保证，本发明正是将单个大功率的DC/DC变换器，拆成两个DC/DC变换器通过交错串联的方式来实现其功率输出，所以该变换器输入、输出纹波小，转换效率高，且便于制作成为更小型化的大电压小电流、高性能的DC/DC变换器。

附图说明

图1为本发明电路的三电平LLC谐振半桥DC/DC变换器的示意图；

图2为本发明交错串联DC/DC变换器的驱动波形图；

图3为本发明电路的二电平LLC谐振半桥DC/DC变换器的示意图；

图4~图9为本发明交错串联DC/DC变换器在不同模式下的工作原理图。

具体实施方式

本发明包括输入直流电压、DC/DC模块、滤波电路和负载，所述DC/DC模块包括第一模块DC1和第二模块DC2，所述第一模块DC1和第二模块DC2结构相同，所述第一模块DC1的输入端与第二模块DC2的输入端并联连接所述输入直流电压，所述第一模块DC1的输出端与第二模块DC2的输出端串联后连接所述滤波电路和负载，所述控制电路与所述DC/DC模块连接，所述第一模块DC1和第二模块DC2的控制信号错开一定角度。所述的第一模块DC1的输出与第二模块DC2的输出进行串联，即第一模块的输出电压Vo1的负极与第二模块的输出电压Vo2的正极相连，经滤波电路160后得到总的输出电压Vo，所述的滤波电路160由电容器C5组成，用于将脉冲电流转化成一直流电压对输出负载电路提供能量。可以理解，交错串联的模块实施可以为两个或两个以上结构相同的DC/DC模块，所述两个或两个以上结构相同的DC/DC模块中的所述开关电路与所述控制电路连接，所述两个或两个以上结构相同的DC/DC模块的控制信号在具体实施时错开角度可为90度。

下面结合附图1来说明，本实施例采用交错串联LLC谐振半桥DC/DC变换器，由两个结构相同的DC/DC模块组成，两个模块控制信号错开90度以实现交错输入，输出通过串联方式经滤波电路后得到总的输出电压。交错串联LLC谐振半桥DC/DC变换器中的DC/DC模块主要由分压电路，开关电路，箝位电路，谐振电路，隔离变压器，整流电路组成，且谐振电路部分采用了两个电容串联后与开关电路并联的接入方式。其中两个模块的组成结构及工作模式相同，故仅对第一个模块DC1进行详细阐述。

第一模块DC1，用于产生第一路输出电压Vo1，其包括分压电路110、箝位电路120、开关电路130、谐振电路140、隔离变压器T1和整流电路150，所述分压电路110由第一分压电容C1和第二分压电容C2串联组成，并联在输入端，用于将输入电压Vin均分，产生两个仅为输入电压一半的电压源，所述箝位电路120由两个二极管D1、D2组成，其中第一二极管D1阳极连接于分压电容的中点，阴极连接第一开关管S1源极与第二开关管S2漏极的接点之间，第二二极管D2阴极连接于分压电容的中点，阳极连接第三开关管S3源极与第四开关管S4漏极的接点之间，所述开关电路130由4个开关管S1、S2、S3、S4串联而成，用于将直流电压逆变成方波电压或阶梯状电压，所述谐振电路140包括谐振电容C11、C12、谐振电感Ls1和励磁电感Lm1，其中，谐振电容由两个电容C11和C12串联构成，并联于开关电路130，其中点与隔离变压器T1原边一端相连，两个谐振电容C11和谐振电容C12交替工作，即谐振电容C12充电的同时对谐振电容C11放电，谐振电容C12放电的同时对谐振电容C11充电。谐振电感Ls1一端与第二开关管S2的源极相连，另一端与隔离变压器T1原边另一端相连，励磁电感Lm1并联在所述隔离变压器T1的原边，所述隔离变压器T1的副边与整流电路150相连，所述的整流电路150由4个二极管D11、D12、D13、D14组成，其中D11和D14为整流电路的对管，D12和D13为整流电路的对管，D11和D12串联，D13和D14串联，隔离变压器T1的副边一端接D11的阳极，另一端接D14的阴极，D11和D13的阴极接输出电压Vo1的正极，D12和D14的阳极接输出电压Vo1的负极。其中，整流电路150可以采用全桥整流电路或者中心抽头整流电路，谐振电感L_S1、L_S2为变压器原边串联的外加电感，励磁电感L_m1、L_m2为变压器大的励磁电感。

第一个模块DC1中4个开关管S1、S2、S3、S4以及第二个模块DC2中4个开关管S5、S6、S7、S8的驱动信号如图2所示，S1和S2基本是同一驱动信号，只是S1比S2略微提早一点关断，S3和S4基本是同一驱动信号，只是S4比S3略微提早一点关断，S1、S2和S3、S4的驱动信号为互补信号，且占空比都为50%，S1（S2）和S4（S3）驱动信号之间存在一定死区；S5~S8具有和S1~S4相同性质的驱动信号，但S5~S8与S1~S4的控制信号总体错开90°，以实现交错控制，通过改变驱动信号的开关频率实现对输出电压的控制，第一模块DC1输出端Vo1的负极与第二模块DC2输出端Vo2的正极相连，以实现Vo的输出。

如图3所示，本发明的另一个实施例是略去了分压电路110、箝位电路120，所述第一模块DC1包括开关电路130、谐振电路140、隔离变压器T1和整流电路150，直流电压两端并联所述第一模块DC1的输入端，所述开关电路130包括第一开关管S1、第二开关管S2串联而成，所述开关电路130与所述直流电压两端并联为所述第一模块DC1的输入端，所述谐振电路140包括第一谐振电容C11、第二谐振电容C12、谐振电感Ls1和励磁电感Lm1，所述第一谐振电容C11与第二谐振电容C12串联后与所述开关电路130并联，所述谐振电感Ls1的一端连接所述第一开关管S1与第二开关管S2的串联点，所述谐振电感Ls1的另一端连接所述励磁电感Lm1的一端，所述励磁电感Lm1的另一端连接所述第一谐振电容C11与第二谐振电容C12的串联点，所述整流电路150由四个整流二极管组成桥式整流电路，所述隔离变压器T1的初级与所述励磁电感Lm1并联，所述隔离变压器T1的次级连接所述桥式整流电路的交流输入端，所述桥式整流电路的直流输出端连接滤波电路160和负载。

参见图4～图9，下面以上述图1所述的交错串联三电平谐振变换器介绍其工作原理：

交错串联三电平谐振变换器的一个开关周期可以分成6个工作模式，不同模式下的电流流向已通过箭头的方式在图中标出。6个工作模式的工作原理分别描述如下：

模式1，如图4所示：S₁、S₂同时开通。谐振网络中的一次电流i _p1流经上述开关管，并以正弦规律正向增加到最大然后减小，流过电感L_m1的电流线性增加；S₅、S₆错开S₁、S₂1/4个周期也同时开通，其工作情况与S₁、S₂同时开通的方式相同，流过电感L_m2的电流线性增加；同时副边二极管D₁₁、D₁₄、D₂₁、D₂₃正向导通，为负载提供能量，其流过的电流取决于一次电流i _p和励磁电流i _m之差。

模式2，如图5所示：谐振电感L_S1的电流i _p1与电感L_m1的电流i _m1相等，谐振电感L_S2的电流i _p2与电感L_m2的电流i _m2相等，变压器原边电流降为零，副边电流也降为零，副边整流二极管D₁₁、D₁₄、D₂₁、D₂₃零电流关断。此时励磁电感L_m1、L_m2脱离输出电压的箝位作用，分别参与谐振电容和谐振电感三者之间的谐振过程。由于L_m1、L_m2比L_S1、 L_S1大很多，谐振周期较长，在此模式下，可近似认为谐振电流不变。

模式3，如图6所示：S₁先于S₂关断，S₅先于S₆关断。一次谐振电流i _p1开始对谐振电容C₁₁进行放电，同时对C₁₂进行充电，C₁₂上的电压上升到了V_in/2，箝位二极管D₁导通，从而限制了电压进一步上升。同时C₁₁上的电压被箝位为零。此时一次谐振电流流经S₂、C₁₂、C₂以及D₁。一次谐振电流i _p2开始对谐振电容C₂₁进行放电，同时对C₂₂进行充电，C₂₂上的电压上升到了V_in/2，箝位二极管D₃导通，从而限制了电压进一步上升。同时C₂₁上的电压被箝位为零。此时一次谐振电流流经S₆、C₂₂、C₄以及D₃。

模式4，如图7所示：S₃、S₄同时开通。谐振网络中的一次电流i _p1反向流经上述开关管，并以正弦规律正向增加到最大然后减小，流过电感L_m1的电流线性增加；S₅、S₆错开S₇、S₈1/4个周期也同时开通，其工作情况与S₁、S₂同时开通的方式相同，流过电感L_m2的电流线性增加；同时副边二极管D₁₂、D₁₃、D₂₂、D₂₄正向导通，为负载提供能量，其流过的电流取决于一次电流i _p和励磁电流i _m之差。

模式5，如图8所示：谐振电感L_S1的电流i _p1与电感L_m1的电流i _m1相等，谐振电感L_S2的电流i _p2与电感L_m2的电流i _m2相等，变压器原边电流降为零，副边电流也降为零，副边整流二极管D₁₂、D₁₃、D₂₂、D₂₄零电流关断。此时励磁电感L_m1、L_m2脱离输出电压的箝位作用，分别参与谐振电容和谐振电感三者之间的谐振过程。由于L_m1、L_m2比L_S1、 L_S1大很多，谐振周期较长，在此模式下，可近似认为谐振电流不变。

模式6，如图9所示：S₄先于S₃关断，S₈先于S₇关断。一次谐振电流i _p1开始对谐振电容C₁₁进行充电，同时对C₁₂进行放电，C₁₁上的电压上升到了V_in/2，箝位二极管D₂导通，从而限制了电压进一步上升。同时C₁₂上的电压被箝位为零。此时一次谐振电流流经S₃、C₁₁、C₁以及D₂。一次谐振电流i _p2开始对谐振电容C₂₂进行放电，同时对C₂₁进行充电，C₂₁上的电压上升到了V_in/2，箝位二极管D₄导通，从而限制了电压进一步上升。同时C₂₂上的电压被箝位为零。此时一次谐振电流流经S₇、C₂₁、C₃以及D₄。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims

1.一种交错串联DC/DC变换器电路，它包括输入直流电压、至少两个DC/DC模块、滤波电路和负载，其特征在于：它还包括控制电路，所述至少两个DC/DC模块包括第一模块（DC1）和第二模块（DC2），所述第一模块（DC1）和第二模块（DC2）结构相同，所述第一模块（DC1）的输入端与第二模块（DC2）的输入端并联连接所述输入直流电压，所述第一模块（DC1）的输出端与第二模块（DC2）的输出端串联后连接所述滤波电路和负载，所述控制电路与所述DC/DC模块连接，所述控制电路对第一模块（DC1）和第二模块（DC2）的控制信号错开一定角度。

2.根据权利要求1所述的交错串联DC/DC变换器电路，其特征在于：所述第一模块（DC1）包括分压电路（110）、箝位电路（120）、开关电路（130）、谐振电路（140）、隔离变压器（T1）和整流电路（150），所述分压电路（110）包括第一分压电容（C1）和第二分压电容（C2），所述第一分压电容（C1）和第二分压电容（C2）串联后并联在所述输入直流电压两端成为所述第一模块（DC1）的输入端，所述箝位电路（120）包括第一二极管（D1）和第二二极管（D2），所述第一二极管（D1）的正极与第二二极管（D2）的负极连接并与所述第一分压电容（C1）和第二分压电容（C2）的串联点和地线相连接，所述开关电路（130）包括第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）、第四开关管（S4）串联而成，所述开关电路（130）与所述分压电路（110）并联，所述第一开关管（S1）与第二开关管（S2）的串联点连接所述第一二极管（D1）的负极，所述第三开关管（S3）与第四开关管（S4）的串联点连接所述第二二极管（D2）的正极，所述谐振电路（140）包括第一谐振电容（C11）、第二谐振电容（C12）、谐振电感（Ls1）和励磁电感（Lm1），所述第一谐振电容（C11）与第二谐振电容（C12）串联后与所述开关电路（130）并联，所述谐振电感（Ls1）的一端连接所述第二开关管（S2）与第三开关管（S3）的串联点，所述谐振电感（Ls1）的另一端连接所述励磁电感（Lm1）的一端，所述励磁电感（Lm1）的另一端连接所述第一谐振电容（C11）与第二谐振电容（C12）的串联点，所述整流电路（150）由四个整流二极管组成桥式整流电路，所述隔离变压器（T1）的初级与所述励磁电感（Lm1）并联，所述隔离变压器（T1）的次级连接所述桥式整流电路的交流输入端，所述桥式整流电路的直流输出端连接滤波电路（160）和负载。

3.根据权利要求1所述的交错串联DC/DC变换器电路，其特征在于：所述第一模块（DC1）包括开关电路（130）、谐振电路（140）、隔离变压器（T1）和整流电路（150），直流电压两端并联所述第一模块（DC1）的输入端，所述开关电路（130）包括第一开关管（S1）、第二开关管（S2）串联而成，所述开关电路（130）与所述直流电压两端并联为所述第一模块（DC1）的输入端，所述谐振电路（140）包括第一谐振电容（C11）、第二谐振电容（C12）、谐振电感（Ls1）和励磁电感（Lm1），所述第一谐振电容（C11）与第二谐振电容（C12）串联后与所述开关电路（130）并联，所述谐振电感（Ls1）的一端连接所述第一开关管（S1）与第二开关管（S2）的串联点，所述谐振电感（Ls1）的另一端连接所述励磁电感（Lm1）的一端，所述励磁电感（Lm1）的另一端连接所述第一谐振电容（C11）与第二谐振电容（C12）的串联点，所述整流电路（150）由四个整流二极管组成桥式整流电路，所述隔离变压器（T1）的初级与所述励磁电感（Lm1）并联，所述隔离变压器（T1）的次级连接所述桥式整流电路的交流输入端，所述桥式整流电路的直流输出端连接滤波电路（160）和负载。

4.根据权利要求2或3所述的交错串联DC/DC变换器电路，其特征在于：所述开关电路（130）与所述控制电路连接，所述控制电路对第一模块（DC1）和第二模块（DC2）的控制信号错开角度为90度。

5.根据权利要求2或3所述的交错串联DC/DC变换器电路，其特征在于：所述滤波电路（160）由电容器（C5）构成。