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CN115566904A - 功率转换电路 - Google Patents

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CN115566904A
CN115566904A CN202110748442.4A CN202110748442A CN115566904A CN 115566904 A CN115566904 A CN 115566904A CN 202110748442 A CN202110748442 A CN 202110748442A CN 115566904 A CN115566904 A CN 115566904A
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CN
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electrically connected
power conversion
conversion circuit
bridge arm
midpoint
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杨仲望
夏琦
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Delta Electronics Inc
Original Assignee
Delta Electronics Inc
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Publication date
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Priority to US17/752,587 priority patent/US11996780B2/en
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Abstract

本公开提供一种功率转换电路，包含输入正端、输入负端、钳位支路、第一原边开关管、变压器、整流电路、谐振电感、谐振电容、输出正端及输出负端。钳位支路与第一原边开关管串联电连接。钳位支路包含串联电连接于其第一端与第二端之间的钳位电容及第二原边开关管，第一端耦接于输入正端。第一原边开关管电连接于第二端及输入负端之间。变压器的原边绕组并联电连接于钳位支路。整流电路包含相互并联电连接的第一桥臂及第二桥臂。第一桥壁的第一中点及第二桥壁的第二中点分别耦接于变压器的副边绕组的两端。谐振电感及谐振电容于功率转换电路中进行谐振，并联电连接的第一桥臂及第二桥臂耦接于输出正端及输出负端之间。

Description

功率转换电路
技术领域
本公开涉及电力电子技术领域，特别涉及一种功率转换电路。
背景技术
随着铁路运输行业的快速发展，大功率DC/DC模块电源的需求增多，为满足不同电压总线下的应用需求，模块电源的输入电压范围越来越宽，其输出电流也越来越大，因此对高效率、高功率密度和低成本的DC/DC模块电源的需求也越来越高。
现有的技术应用中，在具有宽范围输入电压的隔离型功率转换器应用中，可采用反激拓扑结构或有源钳位正激拓扑结构。然而，在现有的反激拓扑结构中，原边开关管的耐压需求较高；而在现有的有源钳位正激拓扑结构中，对副边开关管的耐压需求较高。因应需求而选用具高耐压的开关管将使其导通电阻过高，使得导通损耗较大。
另外，现有的反激拓扑结构在输出功率增加时工作于连续导通模式(continuousconduction mode，CCM)，副边开关管具有反向恢复损耗，即使于原边电路设置谐振元件亦无法实现完全的软开关。再者，现有的有源钳位正激拓扑结构中的原边开关管也无法实现软开关。在无法实现软开关的情况下，整体的电源效率较低，且将产生更多热能，导致散热需求较高。
因此，如何发展一种可改善上述现有技术的功率转换电路，实为目前迫切的需求。
发明内容
本公开的目的在于提供一种功率转换电路，其开关管皆可实现软开关切换，使得损耗较小。另外，功率转换电路中设置有谐振元件，通过谐振可选用具较低耐压的开关管，使得开关管的导通阻抗降低，以进一步降低损耗。因此，在宽范围输入电压的条件下，本公开的功率转换电路亦具有高电源效率。
为达上述目的，本公开提供一种功率转换电路，包含输入正端、输入负端、钳位支路、第一原边开关管、变压器、整流电路、谐振电感、谐振电容、输出正端及输出负端。输入正端及输入负端用于接收一输入电压。钳位支路与第一原边开关管串联电连接。钳位支路具有第一端及第二端且包含串联电连接于第一端与第二端之间的钳位电容及第二原边开关管，第一端耦接于输入正端。第一原边开关管电连接于第二端及输入负端之间。变压器包含相耦合的原边绕组及副边绕组，其中原边绕组并联电连接于钳位支路。整流电路包含相互并联电连接的第一桥臂及第二桥臂，其中第一桥臂包含串联电连接的两个开关元件，第二桥臂包含串联电连接的两个电子元件。两个开关元件之间的第一中点及两个电子元件之间的第二中点分别耦接于副边绕组的两端。谐振电感及谐振电容于该功率转换电路中进行谐振。输出正端及输出负端用于提供一输出电压，其中并联电连接的第一桥臂及第二桥臂耦接于输出正端及输出负端之间。
附图说明
图1为本公开第一实施例的功率转换电路的电路结构示意图。
图2为图1中的功率转换电路的工作波形示意图。
图3A、图3B、图3C及图3D分别示出了图1中功率转换电路在图2中的各个时间段的开关状态及电流流向。
图4、图5、图6、图7及图8示出了图1中的功率转换电路的各种变化例。
图9为本公开第二实施例的功率转换电路的电路结构示意图。
图10A、图10B、图10C及图10D分别示出了图9中功率转换电路在各个时间段的开关状态及电流流向。
符号说明
1、1a：功率转换电路
Vin+：输入正端
Vin-：输入负端
S1：第一原边开关管
11：钳位支路
111：第一端
112：第二端
C1：钳位电容
S2：第二原边开关管
12：变压器
121：原边绕组
122：副边绕组
13：第一桥臂
131：第一中点
14：第二桥臂
141：第二中点
Lr：谐振电感
Cr：谐振电容
Vo+：输出正端
Vo-：输出负端
Co：输出电容
Lm：等效激磁电感
SR1：第一副边开关管
SR2：第二副边开关管
SR3：第三副边开关管
SR4：第四副边开关管
PWM1、PWM2、PWM3、PWM4：控制信号
i_SR1/SR3、i_SR2/SR4：副边电流
ip：原边电流
im：激磁电流
VS1、VS2：漏极-源极电压
t0、t1、t2、t3、t4、t5：时刻
CS1、CS2、CSR1、CSR2、CSR3、CSR4：结电容
C2、C3：桥臂电容
D1、D2、D3、D4：二极管
具体实施方式
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本公开。
图1为本公开第一实施例的功率转换电路的电路结构示意图。如图1所示，功率转换电路1包含输入正端Vin+、输入负端Vin-、钳位支路11、第一原边开关管S1、变压器12、整流电路、谐振电感Lr、谐振电容Cr、输出正端Vo+及输出负端Vo-。输入正端Vin+及输入负端Vin-用于接收输入电压Vin。钳位支路11具有第一端111及第二端112，且包含串联电连接于第一端111与第二端112之间的钳位电容C1及第二原边开关管S2，钳位支路11的第一端111耦接于输入正端Vin+。第一原边开关管S1串联电连接于钳位支路11，且第一原边开关管S1电连接于钳位支路11的第二端112及输入负端Vin-之间。
变压器12包含相耦合的原边绕组121及副边绕组122，其中原边绕组121并联电连接于钳位支路11。整流电路包含第一桥臂13及第二桥臂14，第一桥臂13及第二桥臂14并联电连接后构成输出正端Vo+及输出负端Vo-，其中第一桥臂13包含串联电连接的两个开关元件，第二桥臂14包含串联电连接的两个电子元件。两个开关元件之间的第一中点131及两个电子元件之间的第二中点141分别耦接于副边绕组122的两端。谐振电感Lr及谐振电容Cr于功率转换电路1中进行谐振。输出正端Vo+及输出负端Vo-用于提供输出电压Vo，其中并联电连接的第一桥臂13及第二桥臂14耦接于输出正端Vo+及输出负端Vo-之间。于一些实施例中，功率转换电路1还包含并联电连接于整流电路的输出电容Co。
于图1所示的第一实施例中，两个开关元件为第一副边开关管SR1及第二副边开关管SR2，其中第一副边开关管SR1电连接于第一桥臂13的第一中点131及输出正端Vo+之间，第二副边开关管SR2电连接于第一桥臂13的第一中点131及输出负端Vo-之间。两个电子元件为第三副边开关管SR3及第四副边开关管SR4，其中第三副边开关管SR3电连接于第二桥臂14的第二中点141及输出负端Vo-之间，第四副边开关管SR4电连接于第二桥臂14的第二中点141及输出正端Vo+之间。谐振电感Lr耦接于副边绕组122与第一桥臂13的第一中点131之间。谐振电容Cr耦接于副边绕组122与第二桥臂14的第二中点141之间。在一些实施例中，谐振电感Lr和谐振电容Cr可进行灵活设置，满足谐振电感Lr、谐振电容Cr及副边绕组122共同串联耦接于第一桥臂13的第一中点131与第二桥臂14的第二中点141之间即可。
请参阅图1及图2，其中图2为图1中的功率转换电路1的工作波形示意图。如图1及图2所示，以PWM1及PWM2分别表示第一原边开关管S1及第二原边开关管S2的控制信号。第一原边开关管S1与第二原边开关管S2互补导通，其中第一原边开关管S1的控制信号PWM1的占空比取决于输出电压Vo的大小。此外，第一副边开关管SR1与第三副边开关管SR3同步导通及关断，故以PWM3表示第一副边开关管SR1及第三副边开关管SR3的控制信号。第二副边开关管SR2与第四副边开关管SR4同步导通及关断，故以PWM4表示第二副边开关管SR2及第四副边开关管SR4的控制信号。另外，以副边电流i_SR1/SR3表示流经第一副边开关管SR1及第三副边开关管SR3的电流，以副边电流i_SR2/SR4表示流经第二副边开关管SR2及第四副边开关管SR4的电流。其中控制信号PWM3的占空比取决于副边电流i_SR1/SR3的大小，控制信号PWM4的占空比取决于副边电流i_SR2/SR4的大小。每一副边开关管皆在其电流由正值变为零时被关断，具体而言，当副边电流i_SR1/SR3由正值变为零时，第一副边开关管SR1及第三副边开关管SR3关断，而当副边电流i_SR2/SR4由正值变为零时，第二副边开关管SR2及第四副边开关管SR4关断。此外，以ip表示原边电流，以Lm表示变压器12的等效激磁电感(可参照图3A-图3D)，im表示流经等效激磁电感Lm的激磁电流，以VS1及VS2分别表示第一原边开关管S1及第二原边开关管S2的漏极-源极电压(此处以MOSFET为例，可以理解的是，开关管的类型包括但不限于MOSFET)。
以下以图2及图3A至3D详细描述图1所示的第一实施例的功率转换电路1的运行，其中图3A至图3D分别示出了功率转换电路1在图2中的各个时间段的开关状态及电流流向，具体而言，图3A、图3B、图3C及图3D分别对应时刻t0至t1的时间段、时刻t1至t2的时间段、时刻t2至t3的时间段及时刻t3至t4的时间段，时刻t0至t4为一个周期。需注意的是，以下叙述中的“上”、“下”、“左”及“右”等方位词皆以正视各附图的视角为基准。再者，谐振电感Lr上的电压的极性定义为左正右负，谐振电容Cr上的电压的极性定义为左负右正，副边绕组122上的电压的极性定义为上正下负，原边电流定义为由功率变换器1的输入正端Vin+流入功率变换器1，并由输入负端Vin-流出的方向为正。
在时刻t0前，原边电流ip的流向为负，原边电流ip为第一原边开关管S1的结电容CS1放电。
如图2及图3A所示，于时刻t0，第一原边开关管S1的结电容CS1的电压放电至零时，使得第一原边开关管S1导通，第一原边开关管S1实现零电压切换(Zero-VoltageSwitching，ZVS)。此外，于时刻t0，激磁电流im为正值即其流向为由上往下，原边电流ip为负值。第一副边开关管SR1及第三副边开关管SR3处于导通状态，谐振电感Lr与谐振电容Cr谐振，且谐振电流的大小为(|ip|+|im|)*N，其中N为原边绕组121与副边绕组122的匝数比值，谐振电流的流向如图3A所示。在时刻t0至t1期间，谐振电感Lr和谐振电容Cr谐振，原边电流ip由负值谐振到正值。
此外，于时刻t0，谐振电感Lr两端的电压VLr(t0)为：
VLr(t0)＝-Vin/N-Vcr(t0)-Vo
其中Vcr(t0)表示在时刻t0时谐振电容Cr两端的电压，Vo表示功率转换电路1的输出电压。
如图2及图3B所示，于时刻t1，原边电流ip变为正值，且原边电流ip的大小和原边的等效激磁电流im的大小相等。此时，副边电流i_SR1/SR3为0，第一副边开关管SR1和第三副边开关管SR3进行零电流关断(Zero-Current Switching，ZCS)。于时刻t1至t2期间，谐振电感Lr与谐振电容Cr持续进行谐振，且谐振电流换向。具体而言，谐振电流自流经第一副边开关管SR1及第三副边开关管SR3转为流经第二副边开关管SR2及第四副边开关管及SR4上。于时刻t1，谐振电感Lr两端的电压为VLr(t1)＝-Vin/N-Vcr(t1)-Vo。
如图2及图3C所示，于时刻t2，半个谐振周期完成。于时刻t2至t3期间，原边电流ip皆等于激磁电流im，且由于第二副边开关管SR2和第四副边开关管SR4的体二极管反向截止，故谐振中断，谐振电流为零，原边电路不再向副边电路传递能量。于另一些实施例中，若选用容值较小的谐振电容Cr，则在时刻t2至t3期间亦可继续进行谐振。
于时刻t3前，第一原边开关管S1处于关断状态，激磁电流im为第一原边开关管S1的结电容CS1充电，并为第二原边开关管S2的结电容CS2放电。
如图2及图3D所示，于时刻t3，第二原边开关管S2的结电容CS2的电压放电至零，第二原边开关管S2导通，以实现零电压导通。变压器12的原边绕组121上的电压变为负值，第一副边开关管SR1的体二极管导通，谐振电感Lr与谐振电容Cr进行谐振。此外，于时刻t3，第一副边开关管SR1及第三副边开关管SR3导通。此时谐振电感Lr上的电压为VLr(t3)＝Vc1(t3)/N-Vcr(t3)-Vo，其中Vc1(t3)为时刻t3时钳位电容C1上的电压。
于时刻t3至t4期间，谐振电感Lr与谐振电容Cr持续谐振，原边电流ip由正变负。时刻t4和时刻t0的工作状态相同，故于此不再赘述。
由上述可知，本公开的功率转换电路中的开关管皆可实现软开关切换，使得损耗较小。另外，功率转换电路中设置有谐振元件，通过谐振可选用具较低耐压的开关管，使得开关管的导通阻抗降低，以进一步降低损耗。因此，在宽范围输入电压的条件下，本公开的功率转换电路亦具有高电源效率。
于前述的第一实施例中，谐振电感Lr与副边绕组122串联耦接于第一桥臂13的第一中点131和第二桥臂14的第二中点141之间，且谐振电感Lr可为一外加电感或变压器12的寄生电感，或由外加电感和变压器12的寄生电感共同构成，然谐振电感Lr的实施方式并不以此为限。于另一些实施例中，如图4所示，谐振电感Lr及原边绕组121串联耦接于钳位支路11的第一端111与第二端112之间，且谐振电感Lr可为一外加电感或变压器12的漏感，或由外加电感和变压器12的寄生电感共同构成。
于前述的第一实施例中，原边绕组121中电连接于钳位支路11的第一端111的一端与副边绕组122中电连接于第二桥臂14的第二中点141的一端为同名端，然并不以此为限。于另一些实施例中，如图5所示，原边绕组121中电连接于钳位支路11的第一端的一端与副边绕组122中电连接于第一桥臂13的第一中点131的一端为同名端。
于前述的第一实施例中，第二桥臂14中的两个电子元件为第三副边开关管SR3及第四副边开关管SR4，然电子元件的实施方式并不以此为限。于另一些实施例中，如图6所示，第二桥臂14中的两个电子元件为两个桥臂电容C2及C3。于又一些实施例中，如图7所示，第二桥臂14中的两个电子元件为两个二极管，即第三二极管D3及第四二极管D4，其中第二桥臂14的第二中点141电连接于第三二极管D3的阳极及第四二极管D4的阴极，第三二极管D3的阴极电连接于输出正端Vo+，且第四二极管D4的阳极电连接于输出负端Vo-。
于前述的第一实施例中，谐振电容Cr耦接于副边绕组122与第二桥臂14的第二中点141之间，然并不以此为限。于另一些实施例中，如图8所示，在第二桥臂14中的两个电子元件为两个桥臂电容C2及C3的情况下，该两个桥臂电容C2及C3亦可作为谐振电容与谐振电感Lr进行谐振。
以上各种实施方式的变化例中，功率转换电路的工作原理均与第一实施例中相同，故于此不再赘述。
此外，于前述实施例中，第一桥臂13中的两个开关元件为第一副边开关管SR1及第二副边开关管SR2，然开关元件的实际实施方式并不以此为限。于本公开的第二实施例中，如图9所示，第一桥臂13中的两个开关元件为第一二极管D1及第二二极管D2，且第一桥臂13的第一中点131电连接于第一二极管D1的阳极及第二二极管D2的阴极，第一二极管D1的阴极电连接于输出正端Vo+，且第二二极管D2的阳极电连接于输出负端Vo-。此外，与第一实施例不同的是，在第二实施例中的功率转换电路1a中，第二桥臂14中的两个电子元件为两个桥臂电容C2及C3，且该两个桥臂电容C2及C3同时可作为谐振电容与谐振电感Lr进行谐振。
以下以图10A至图10D详细描述图9所示的第二实施例的功率转换电路1a的运行，其中图9中的第一原边开关管S1及第二原边开关管S2的控制信号PWM1及PWM2与图2中所示相同，图10A至图10D分别示出了功率转换电路1a在时刻t0至t1的时间段、时刻t1至t2的时间段、时刻t2至t3的时间段及时刻t3至t4的时间段的开关状态及电流流向。
于时刻t0至t1期间，如图10A所示，第一原边开关管S1处于导通状态，原边电流ip为负值且其流向为由下往上，激磁电流im为正值且其流向为由上往下，谐振电感Lr与桥臂电容C2及C3(即谐振电容)谐振，谐振电流的大小为(|ip|+|im|)/N。
于t1时刻，如图10B所示，原边电流ip变为正值且其流向为由上往下，原边电流ip的大小和激磁电流im的大小相等，流经第一二极管D1的电流变为零，第一二极管D1实现零电流关断。而后，于时刻t1至t2期间，原边电流ip的大小超过激磁电流im的大小，谐振电流自流经第一二极管D1转为流经第二二极管D2，谐振电感Lr与桥臂电容C2及C3(即谐振电容)继续谐振，并向输出端传递能量。
于时刻t2，经过半个谐振周期，原边电流ip的大小再次和激磁电流im的大小相等，流经第二二极管D2的电流变为零，第二二极管D2实现零电流关断。于时刻t2至t3期间，如图10C所示，谐振中止，原边电路不再向副边电路传递能量，原边电流ip和激磁电流im大小相等。
于时刻t3前，第一原边开关管S1处于关断状态，激磁电流im为第一原边开关管S1的结电容CS1充电，并为第二原边开关管S2的结电容CS2放电。于时刻t3，如图10D所示，第二原边开关管S2的结电容CS2的电压放电至零，第二原边开关管S2导通，第二原边开关管S2实现零电压开通，激磁电流im继续为钳位电容C1充电。变压器12的原边绕组121上的电压的极性自上正下负变为下正上负，第一二极管D1导通，谐振电感Lr和电容C2及C3进行谐振，并向输出端传递能量。
综上所述，本公开提供一种功率转换电路，其开关管皆可实现软开关切换，使得损耗较小。另外，功率转换电路中设置有谐振元件，通过谐振可选用具较低耐压的开关管，使得开关管的导通阻抗降低，以进一步降低损耗。因此，在宽范围输入电压的条件下，本公开的功率转换电路亦具有高电源效率。
需注意，上述仅是为说明本公开而提出的优选实施例，本公开不限于所述的实施例，本公开的范围由权利要求决定。且本公开得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱权利要求所欲保护者。

Claims (14)

1.一种功率转换电路，包含：
一输入正端及一输入负端，用于接收一输入电压；
串联电连接的一钳位支路及一第一原边开关管，其中该钳位支路具有第一端及第二端，且包含串联电连接于该第一端与该第二端之间的一钳位电容及一第二原边开关管，该第一端耦接于该输入正端，该第一原边开关管电连接于该第二端及该输入负端之间；
一变压器，包含相耦合的一原边绕组及一副边绕组，其中该原边绕组并联电连接于该钳位支路；
一整流电路，包含相互并联电连接的一第一桥臂及一第二桥臂，其中该第一桥臂包含串联电连接的两个开关元件，该第二桥臂包含串联电连接的两个电子元件，该两个开关元件之间的第一中点及该两个电子元件之间的第二中点分别耦接于该副边绕组的两端；
一谐振电感及一谐振电容，于该功率转换电路中进行谐振；以及
一输出正端及一输出负端，用于提供一输出电压，其中并联电连接的该第一桥臂及该第二桥臂耦接于该输出正端及该输出负端之间。
2.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该第一原边开关管与该第二原边开关管互补导通，且该第一原边开关管的占空比取决于该输出电压的大小。
3.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该两个开关元件为一第一副边开关管及一第二副边开关管，该第一副边开关管电连接于该第一桥臂的该第一中点及该输出正端之间，该第二副边开关管电连接于该第一桥臂的该第一中点及该输出负端之间。
4.如权利要求3所述的功率转换电路，其中该两个电子元件为一第三副边开关管及一第四副边开关管，该第三副边开关管电连接于该第二桥臂的该第二中点及该输出负端之间，该第四副边开关管电连接于该第二桥臂的该第二中点及该输出正端之间，该第一副边开关管与该第三副边开关管同步导通及关断，该第二副边开关管与该第四副边开关管同步导通及关断，每一该副边开关管皆在其电流由正值变为零时被关断。
5.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该两个开关元件为一第一二极管及一第二二极管，该第一桥臂的该第一中点电连接于该第一二极管的阳极及该第二二极管的阴极，该第一二极管的阴极电连接于该输出正端，且该第二二极管的阳极电连接于该输出负端。
6.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该两个电子元件为一第三二极管及一第四二极管，该第二桥臂的该第二中点电连接于该第三二极管的阳极及该第四二极管的阴极，该第三二极管的阴极电连接于该输出正端，且该第四二极管的阳极电连接于该输出负端。
7.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该两个电子元件为两个桥臂电容。
8.如权利要求7所述的功率转换电路，其中该谐振电容为该两个桥臂电容。
9.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该谐振电容、该谐振电感及该副边绕组共同串联耦接于该第一桥臂的该第一中点与该第二桥臂的该第二中点之间。
10.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该谐振电感及该原边绕组串联耦接于该钳位支路的该第一端与该第二端之间。
11.如权利要求1所述的功率转换电路，其中谐振电感为一外加电感或该变压器的寄生电感或漏感。
12.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该原边绕组中电连接于该钳位支路的该第一端的一端与该副边绕组中电连接于第一桥臂的该第一中点的一端为同名端。
13.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该原边绕组中电连接于该钳位支路的该第一端的一端与该副边绕组中电连接于第二桥臂的该第二中点的一端为同名端。
14.如权利要求1所述的功率转换电路，还包含并联电连接于该整流电路的一输出电容。
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