CN116526852A - 集成拓扑及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成拓扑及其控制方法，该集成拓扑由调压拓扑和谐振拓扑集成得到，谐振拓扑中包含依次连接的桥式电路、谐振电路和整流电路；桥式电路包含第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂与调压拓扑的母线电容并联连接；第二桥臂用于与外部直流源并联连接；第一桥臂的中点与目标变压器原边绕组的第一端连接，第二桥臂的中点与目标变压器原边绕组的第二端连接；第一桥臂的中点还与调压拓扑中目标电感的目标端连接；目标变压器为谐振电路中的变压器；目标电感为调压拓扑中用于与其他功率器件联合实现调压功能的电感，目标端为目标电感用于与开关器件连接的一端。本发明可减少器件数量，降低成本。

Description

集成拓扑及其控制方法

技术领域

本发明属于电路技术领域，更具体地说，是涉及一种集成拓扑及其控制方法。

背景技术

谐振拓扑具有全电压、全负载范围内的ZVS/ZCS软开关特点，具有效率高、控制简单等优势，但其无法兼顾调压功能。通常，其需与调压拓扑级联调压，但是现有技术中的级联拓扑器件数量较多，导致成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成拓扑及其控制方法，以解决现有技术中存在的级联拓扑器件数量较多导致成本较高的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明采用的技术方案是：提供了一种集成拓扑，所述集成拓扑为调压拓扑和谐振拓扑集成得到的拓扑；

所述谐振拓扑中包含依次连接的桥式电路、谐振电路和整流电路；所述调压拓扑的输入端用于连接外部直流源，所述整流电路的输出端用于连接外部负载；

所述桥式电路包含第一桥臂和第二桥臂；

所述第一桥臂与所述调压拓扑中的母线电容并联连接；所述第二桥臂用于与所述外部直流源并联连接；所述第一桥臂的中点与目标变压器原边绕组的第一端连接，所述第二桥臂的中点与目标变压器原边绕组的第二端连接；

所述第一桥臂的中点还与所述调压拓扑中目标电感的目标端连接；

其中，所述目标变压器为所述谐振电路中的变压器；所述目标电感为所述调压拓扑中用于与其他功率器件联合实现调压功能的电感，所述目标端为所述目标电感中用于与开关器件连接的一端；所述第一桥臂用于充当所述调压拓扑中的开关器件，与所述调压拓扑联合实现调压功能。

在一种可能的实现方式中，所述目标电感的非目标端用于与所述外部直流源的正极端连接；

所述目标电感与所述第一桥臂联合实现升压功能。

在一种可能的实现方式中，所述集成拓扑还包括：

第一隔直电容；

所述第一桥臂的中点通过所述第一隔直电容与所述目标变压器的第一端连接。

在一种可能的实现方式中，所述调压拓扑包括：

第三桥臂；

所述第三桥臂用于与所述外部直流源并联连接；

所述第三桥臂的中点通过所述目标电感与所述第一桥臂的中点连接；

所述目标电感、所述第三桥臂与所述第一桥臂联合实现升/降压功能。

在一种可能的实现方式中，所述集成拓扑还包括：

第二隔直电容；

所述第二桥臂的中点通过所述第二隔直电容与所述目标变压器的第一端连接。

在一种可能的实现方式中，所述谐振电路包括：

第一电感、谐振电感和谐振电容；

所述第一电感并联在所述目标变压器的原边绕组的两端；

所述谐振电感的第一端与所述目标变压器副边绕组的第一端连接，所述谐振电感的第二端与所述整流电路的第一输入端连接，所述谐振电容的第一端与所述目标变压器副边绕组的第二端连接，所述谐振电容的第二端与所述整流电路的第二输入端连接；

或者，所述谐振电感的第一端与所述第一桥臂的中点连接，所述谐振电感的第二端与所述目标变压器原边绕组的第一端连接，所述谐振电容的第一端与所述第二桥臂的中点连接，所述谐振电容的第二端与所述目标变压器原边绕组的第二端连接。

在一种可能的实现方式中，所述整流电路包括：二极管桥式整流电路。

在一种可能的实现方式中，所述整流电路还包括：

滤波电容；

所述滤波电容与所述二极管桥式整流电路并联。

第二方面，本发明还提供了一种上述集成拓扑的控制方法，所述控制方法包括：

控制所述第一开关器件与所述第二开关器件互补导通；其中，所述第一开关器件为所述第一桥臂中上桥臂的开关器件，所述第二开关器件为所述第一桥臂中下桥臂的开关器件；

控制所述第三开关器件与所述第四开关器件互补导通；其中，所述第三开关器件为所述第二桥臂中上桥臂的开关器件，所述第四开关器件为所述第二桥臂中下桥臂的开关器件；

控制所述第一开关器件与所述第三开关器件相位相差180°。

第三方面，本发明又提供了一种上述集成拓扑的控制方法，所述控制方法包括：

控制所述第三桥臂上上下桥臂的开关器件互补导通；

控制所述第一桥臂和所述第二桥臂上的开关器件对称互补导通。

本发明提供的集成拓扑及其控制方法的有益效果在于：

区别于现有技术中直接将调压拓扑和谐振拓扑级联的方案，本发明实施例通过第一桥臂的复用实现了调压拓扑与谐振拓扑的集成。分析本发明实施例可知，基于本发明实施例的连接结构，第一桥臂既可以与第二桥臂联合实现桥式电路的整流功能，也可以和调压拓扑联合实现现有的调压拓扑的调压功能。也正是基于此，本发明实施例中的调压拓扑中可以减少开关器件的使用，不使用或者少使用开关器件。也即，本发明实施例得到的集成拓扑可以减少开关器件的使用，进而减少器件数量，降低成本，保证集成拓扑的效率和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的集成拓扑的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的现有的级联拓扑的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的集成拓扑的结构示意图；

图4为本发明又一实施例提供的集成拓扑的结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的现有的级联拓扑的结构示意图；

图6为本发明又一实施例提供的集成拓扑的结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的谐振电路的结构示意图；

图8为本发明另一实施例提供的谐振电路的结构示意图；

图9为本发明一实施例提供的整流电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

第一方面，本发明实施例提供了一种集成拓扑。请参考图1，图1以调压拓扑为升压电路为例给出了一种集成拓扑的结构示意图，该集成拓扑为调压拓扑10和谐振拓扑集成得到的拓扑。

谐振拓扑中包含依次连接的桥式电路21、谐振电路22和整流电路23。调压拓扑10的输入端用于连接外部直流源V_in，整流电路23的输出端用于连接外部负载。

桥式电路包含第一桥臂(也即晶体管MOS1和晶体管MOS2组成的桥臂)和第二桥臂(也即晶体管MOS3和晶体管MOS4组成的桥臂)。

第一桥臂与调压拓扑10中的母线电容Cbus并联连接。第二桥臂用于与外部直流源Vin并联连接。第一桥臂的中点与目标变压器T原边绕组的第一端连接，第二桥臂的中点与目标变压器T原边绕组的第二端连接。

第一桥臂的中点还与调压拓扑10中目标电感L的目标端连接。

其中，目标变压器T为谐振电路22中的变压器。目标电感L为调压拓扑10中用于与其他功率器件联合实现调压功能的电感，目标端为目标电感L中用于与开关器件连接的一端。第一桥臂用于充当调压拓扑10中的开关器件，与调压拓扑10联合实现调压功能。

在本实施例中，其他功率器件指的是调压拓扑10中除目标电感L之外的功率器件。

分析本实施例可知，本实施例提供的集成拓扑兼具软开关特性和调压功能，且实现简单。同时具备宽增益范围特性，可实现输出电压的大幅调节。在此基础上，由于第一桥臂可以替代现有的调压拓扑中的全部/部分开关器件来和本实施例中所描述的调压拓扑10来联合实现调压功能，因此，本发明实施例中通过对第一桥臂的复用有效减少了开关器件的使用，进而降低了成本。

从以上描述可知，区别于现有技术中直接将调压拓扑和谐振拓扑级联的方案，本发明实施例通过第一桥臂的复用实现了调压拓扑与谐振拓扑的集成。分析本发明实施例可知，基于本发明实施例的连接结构，第一桥臂既可以与第二桥臂联合实现桥式电路的整流功能，也可以和调压拓扑联合实现现有的调压拓扑的调压功能。也正是基于此，本发明实施例中的调压拓扑中可以减少开关器件的使用，不使用或者少使用开关器件。也即，本发明实施例得到的集成拓扑可以减少开关器件的使用，进而减少器件数量，降低成本，保证集成拓扑的效率和可靠性。

在一种可能的实现方式中，可参考图1，目标电感L的非目标端用于与外部直流源的正极端连接。

目标电感L与第一桥臂联合实现升压功能。

在本实施例中，给出了一种调压拓扑10中目标电感L的具体连接方式，基于此连接方式，目标电感L与第一桥臂可联合实现升压功能。也就是说，在本实施例中，调压拓扑10中的目标电感L和第一桥臂组合相当于现有技术中的升压电路。

在此基础上，基于本实施例的连接关系，母线电容Cbus的电压Vbus由晶体管MOS2的占空比D1决定，此时Vbus与Vin满足升压电路的增益关系，也即Vbus＝Vin*1(1/D1)。

在此基础上，基于本实施例的连接关系，第一桥臂和第二桥臂组合即相当于全桥电路，其中，全桥电路的正半周期电压为Vin，负半周期电压为Vbus。

在此基础上，本发明实施例提供的集成拓扑的增益特性可以详述为：

母线电容的电压Vbus满足：Vbus＝Vin*1/(1-D1)；

目标变压器原边绕组的电压幅值Vp满足：Vp＝(Vin+Vbus)/2；

目标变压器变比：n；

集成拓扑的输出电压Vo满足：Vo＝(Vin+Vin*1/(1-D1))/2＝Vin*(1+1/(1-D1))/2＝Vin*(2-D1)/(1-D1)；

集成拓扑的电压增益M满足：M＝Vo/Vin＝(2-D1)/(1-D1)/2。

由上述描述可知，通过调节D1的大小即可调节集成拓扑升压的大小。

在本实施例中，还可参考图2，图2给出了一种现有技术中升压电路和谐振电路级联的结构示意图(因滤波电路并非本发明实施例的描述重点，因而图2省略了滤波电路的部分)，分析图2可知，现有技术中通常会把升压电路30和全桥电路40直接级联起来，此时需要5个晶体管。对比本发明实施例提供的集成拓扑结构可知，本发明实施例提供的集成拓扑由于实现了第一桥臂的复用，因而只需要4个晶体管即可实现与现有手段相同的效果，因此本发明实施例有效减少了开关器件的数量，降低了成本。

从以上描述可知，本发明实施例提供的集成拓扑本质上实现了升压电路与全桥电路的集成，减少了开关器件数量，提高了集成拓扑的效率与可靠性。

在一种可能的实现方式中，可参考图3，集成拓扑还包括：

第一隔直电容C1。

第一桥臂的中点通过第一隔直电容C1与目标变压器的第一端连接。

在本实施例中，为了保证图1所示的集成拓扑在电压调节过程中目标变压器T的磁平衡，可在集成拓扑中增加第一隔直电容C1。其中，第一隔直电容C1的容值远远大于谐振电路22中谐振电容的容值。比如，第一隔直电容C1的容值可以为uF级，谐振电路22中谐振电容的容值可以为nF级。

在一种可能的实现方式中，请参考图4，调压拓扑包括：

第三桥臂(也即晶体管MOS5和晶体管MOS6组成的桥臂)。

第三桥臂用于与外部直流源Vin并联连接。

第三桥臂的中点通过目标电感L与第一桥臂的中点连接。

目标电感L、第三桥臂与第一桥臂联合实现升/降压功能。

在本实施例中，给出了一种调压拓扑10的具体结构以及连接关系，基于此结构和连接关系，目标电感L、第三桥臂与第一桥臂可联合实现升降压功能。也就是说，在本实施例中，调压拓扑10中的目标电感L、第三桥臂和第一桥臂组合相当于现有技术中的升降压电路。

在此基础上，基于本发明实施例的连接关系，母线电容Cbus的电压Vbus由晶体管MOS5的占空比D2决定，也即可通过调整D2的大小来调节集成拓扑的输出电压。其中D2>0.5时，调压拓扑10与第一桥臂组合实现升压功能。D2<0.5时，调压拓扑10与第一桥臂组合实现降压功能。

在此基础上，本发明实施例提供的集成拓扑的增益特性可以详述为：

母线电容的电压Vbus满足：Vbus＝2*D2*Vin；

目标变压器原边绕组的电压幅值Vp满足：Vp＝(Vin+Vbus)/2；

目标变压器变比n＝1时，目标变压器副边绕组的电压幅值Vs满足：Vs＝Vp；

其中，集成拓扑在谐振点时，MLC＝1，此时Vo＝(D2+0.5)*Vin。集成拓扑不在谐振点时，此时Vo＝(D2+0.5)*MLC*Vin，更能体现其调压功能。其中，MLC为谐振腔增益。

在本实施例中，还可参考图5，图5给出了一种现有技术中升降压电路和谐振电路级联的结构示意图(因滤波电路并非本发明实施例的描述重点，因而图5省略了滤波电路的部分)，分析图5可知，现有技术中通常会把升降压电路50和全桥电路40直接级联起来，此时需要8个晶体管。对比本发明实施例提供的集成拓扑结构可知，本发明实施例提供的集成拓扑由于实现了第一桥臂的复用，因而只需要6个晶体管即可实现与现有手段相同的效果，因此本发明实施例有效减少了开关器件的数量，降低了成本。

在一种可能的实现方式中，请参考图6，集成拓扑还包括：

第二隔直电容C2。

第二桥臂的中点通过第二隔直电容C2与目标变压器T的第一端连接。

在本实施例中，为了保证集成拓扑在电压调节过程中目标变压器T的磁平衡，可在集成拓扑中增加第二隔直电容C2。其中，第二隔直电容C2的容值远远大于谐振电路22中谐振电容的容值。比如，第二隔直电容C2的容值可以为uF级，谐振电路22中谐振电容的容值可以为nF级。

在一种可能的实现方式中，请参考图7，谐振电路22包括：

第一电感L1、谐振电感Lr和谐振电容Cr。

第一电感L1并联在目标变压器T的原边绕组的两端。

在本实施例中，谐振电感Lr和谐振电容Cr的连接关系可参考图7，图7中的端口1即目标变压器T原边绕组的第一端，图7中的端口2即目标变压器T原边绕组的第二端。图7中的端口3即谐振电感Lr的第二端，图7中的端口4即谐振电容Cr的第二端。如图7所示，谐振电感Lr的第一端可与目标变压器T副边绕组的第一端连接，谐振电感Lr的第二端可与整流电路23的第一输入端连接，谐振电容Cr的第一端可与目标变压器T副边绕组的第二端连接，谐振电容Cr的第二端可与整流电路23的第二输入端连接。基于图7的连接关系，第一电感L1不参与谐振，集成拓扑整体表现为串联谐振特性。

在本实施例中，谐振电感Lr和谐振电容Cr的连接关系可参考图8，图8中的端口5即谐振电感Lr的第一端，图8中的端口6即谐振电容Cr的第一端。图8中的端口7即目标变压器T副边绕组的第一端，图8中的端口8即目标变压器T副边绕组的第二端。如图7所示，谐振电感Lr的第一端可与第一桥臂的中点连接，谐振电感Lr的第二端可与目标变压器T原边绕组的第一端连接，谐振电容Cr的第一端可与第二桥臂的中点连接，谐振电容Cr的第二端可与目标变压器T原边绕组的第二端连接。基于图8的连接关系，第一电感L1参与谐振，与谐振电容Cr、谐振电感Lr联合构成LLC谐振电路。

在一种可能的实现方式中，请参考图9，整流电路23包括：二极管桥式整流电路。

在本实施例中，图9中的端口9即整流电路23的第一输入端，图8中的端口10即整流电路23的第二输入端。图8中的端口11和端口12即整流电路23的输出端。

在一种可能的实现方式中，整流电路还包括：

滤波电容。

滤波电容与二极管桥式整流电路并联。

在本实施例中，整流电路还可包含滤波电容，该滤波电容可并联在二极管桥式整流电路的两个输出端上。

分析上述实施例可知，基于图7(或图8)所示的谐振电路和图9所示的整流电路，谐振拓扑为串联谐振拓扑，除此之外，谐振拓扑也可以为LLC拓扑，本实施例对此不做限定。

第二方面，本发明还提供了一种上述集成拓扑的控制方法，该控制方法包括：

控制第一开关器件与第二开关器件互补导通。其中，第一开关器件为第一桥臂中上桥臂的开关器件，第二开关器件为第一桥臂中下桥臂的开关器件。

控制第三开关器件与第四开关器件互补导通。其中，第三开关器件为第二桥臂中上桥臂的开关器件，第四开关器件为第二桥臂中下桥臂的开关器件。

控制第一开关器件与第三开关器件相位相差180°。

在本实施例中，可参考图1，以图1为例，晶体管MOS1为第一开关器件，晶体管MOS2为第二开关器件，晶体管MOS3为第三开关器件，晶体管MOS4为第四开关器件。也就是说，以图1为例，MOS1与MOS2互补导通，MOS3与MOS4互补导通，MOS1与MOS3相差180度。在此基础上，可通过调节MOS2的占空比，实现母线电容Cbus的电压调节，进而调节集成拓扑的输出电压，实现集成拓扑的稳压特性。

第三方面，本发明又提供了一种上述集成拓扑的控制方法，该控制方法包括：

控制第三桥臂上上下桥臂的开关器件互补导通。

控制第一桥臂和第二桥臂上的开关器件对称互补导通。

在本实施例中，可参考图4，以图4为例，晶体管MOS5和晶体管MOS6即为第三桥臂中上下桥臂的开关器件，晶体管MOS1、晶体管MOS2、晶体管MOS3和晶体管MOS4即为第一桥臂和第二桥臂上的开关器件。在此基础上，MOS5和MOS6互补导通，MOS1、MOS2、MOS3和MOS4采用全桥电路的对称互补导通方式。在此基础上，可通过调节MOS5的占空比D2，实现母线电容Cbus的电压调节，进而调节集成拓扑的输出电压，实现集成拓扑的稳压特性。例如，在D2＝0.5时，MOS5/MOS6的驱动分别与MOS3/MOS4的驱动完全一致。D2>0.5时，集成拓扑可实现升压功能，D2<0.5时集成拓扑可实现降压功能。

在本实施例中，需要指出的是，对开关器件的控制均为定频控制，也即控制所有的开关器件的频率相同。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种集成拓扑，所述集成拓扑为调压拓扑和谐振拓扑集成得到的拓扑，所述谐振拓扑中包含依次连接的桥式电路、谐振电路和整流电路；所述调压拓扑的输入端用于连接外部直流源，所述整流电路的输出端用于连接外部负载；所述桥式电路包含第一桥臂和第二桥臂；其特征在于：

所述第一桥臂与所述调压拓扑中的母线电容并联连接；所述第二桥臂用于与所述外部直流源并联连接；所述第一桥臂的中点与目标变压器原边绕组的第一端连接，所述第二桥臂的中点与目标变压器原边绕组的第二端连接；

所述第一桥臂的中点还与所述调压拓扑中目标电感的目标端连接；

其中，所述目标变压器为所述谐振电路中的变压器；所述目标电感为所述调压拓扑中用于与其他功率器件联合实现调压功能的电感，所述目标端为所述目标电感中用于与开关器件连接的一端；所述第一桥臂用于充当所述调压拓扑中的开关器件，与所述调压拓扑联合实现调压功能。

2.如权利要求1所述的集成拓扑，其特征在于，所述目标电感的非目标端用于与所述外部直流源的正极端连接；

所述目标电感与所述第一桥臂联合实现升压功能。

3.如权利要求2所述的集成拓扑，其特征在于，所述集成拓扑还包括：

第一隔直电容；

所述第一桥臂的中点通过所述第一隔直电容与所述目标变压器的第一端连接。

4.如权利要求1所述的集成拓扑，其特征在于，所述调压拓扑包括：

第三桥臂；

所述第三桥臂用于与所述外部直流源并联连接；

所述第三桥臂的中点通过所述目标电感与所述第一桥臂的中点连接；

所述目标电感、所述第三桥臂与所述第一桥臂联合实现升/降压功能。

5.如权利要求4所述的集成拓扑，其特征在于，所述集成拓扑还包括：

第二隔直电容；

所述第二桥臂的中点通过所述第二隔直电容与所述目标变压器的第一端连接。

6.如权利要求1至5任一项所述的集成拓扑，其特征在于，所述谐振电路包括：

第一电感、谐振电感和谐振电容；

所述第一电感并联在所述目标变压器的原边绕组的两端；

其中，所述谐振电感的第一端与所述目标变压器副边绕组的第一端连接，所述谐振电感的第二端与所述整流电路的第一输入端连接，所述谐振电容的第一端与所述目标变压器副边绕组的第二端连接，所述谐振电容的第二端与所述整流电路的第二输入端连接；

或者，所述谐振电感的第一端与所述第一桥臂的中点连接，所述谐振电感的第二端与所述目标变压器原边绕组的第一端连接，所述谐振电容的第一端与所述第二桥臂的中点连接，所述谐振电容的第二端与所述目标变压器原边绕组的第二端连接。

7.如权利要求1至5任一项所述的集成拓扑，其特征在于，所述整流电路包括：二极管桥式整流电路。

8.如权利要求7所述的集成拓扑，其特征在于，所述整流电路还包括：

滤波电容；

所述滤波电容与所述二极管桥式整流电路并联。

9.一种如权利要求2所述的集成拓扑的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

控制所述第一开关器件与所述第二开关器件互补导通；其中，所述第一开关器件为所述第一桥臂中上桥臂的开关器件，所述第二开关器件为所述第一桥臂中下桥臂的开关器件；

控制所述第三开关器件与所述第四开关器件互补导通；其中，所述第三开关器件为所述第二桥臂中上桥臂的开关器件，所述第四开关器件为所述第二桥臂中下桥臂的开关器件；

控制所述第一开关器件与所述第三开关器件相位相差180°。

10.一种如权利要求4所述的集成拓扑的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

控制所述第三桥臂上上下桥臂的开关器件互补导通；

控制所述第一桥臂和所述第二桥臂上的开关器件对称互补导通。