技术领域
[0001] 本
发明属于
电能变换领域，特别涉及一种应用于光伏逆变器、LED恒流驱动以及多路恒流驱动的非隔离谐振变换器。
背景技术
[0002] 高频高效高功率
密度是
开关电源的发展趋势，谐振变换器凭借其
软开关特性和良好的EMI表现，成为电能变换技术领域研究的热点。
[0003] 目前常见的谐振变换器，都是基于隔离式
变压器制成，可配合参考图1至图3所示，其均为利用隔离式变压器连接而成的谐振半桥变换器，其中，图1和图2所示的谐振变换器的输出采用全波整流
电路，而图3中的输出采用半波倍压整流电路，具体来说，当副边同名端
电压为正时，变压器绕组通过副边连接的电容C和
二极管D1给负载供电，电容C具有抬压的作用；当副边同名端电压为负时，二极管D1截止，二极管D2导通，此时给电容C充电。
[0004] 半桥开关管的占空比为50%，则TON=TOFF。设电容C两端的平均电压为VC，根据变压器“伏秒平衡”的特点，得到：于是 。
[0005] 再如图11所示，是一种现有隔离式谐振对称半桥变换器的电路图，其中，电容C111、C112
串联，开关管Q1、Q2串联，然后两个串联支路相互并联，同时并联在电源两端，且电源负极接地，且电容C111、C112的参数相同，隔离式变压器的同名输入端连接在电容C111、C112之间（也即
端子1），隔离式变压器的异名输入端经由电容C113、电感L11连接在开关管Q1、Q2之间（也即端子2）；而隔离式变压器的副边连接全波倍压同步整流电路，所述的全波倍压同步整流电路包含开关管Q3、Q4和电容C114、C115，其中，开关管Q3、Q4串联，电容C114、C115串联，然后两个串联支路并联，两端分别作为输出端的正、负极，隔离式变压器的同名输出端连接在电容C114、C115之间，异名输出端连接在开关管Q3、Q4之间；在此种连接结构中，端子1、2之间的电压差为Vin/2，降低了变压器的输入。
[0006] 由于隔离式变压器是由两个绕组构成，导致谐振变换器的体积较大，损耗较高，有待改进。
[0007]
自耦变压器是只有一个绕组的变压器，当作为
降压变压器使用时，从绕组中抽出一部分线
匝作为二次绕组；当作为
升压变压器使用时，外施电压只加在绕组的一部分线匝上。因而自耦变压器的副边绕组是原边绕组的一部分（降压变压器）或者原边绕组是副边绕组的一部分（升压变压器），因此，同容量的自耦变压器与隔离式变压器相比节省了
铜线，降低了绕组的阻抗损耗，减小了体积，并且变压器容量越大，电压越高，这个优点越突出。
[0008] 然而，正是由于自耦变压器使用一个绕组的特点，在实际应用中与隔离式变压器相比有其特殊性，使得自耦变压器并无法直接替换隔离式变压器而构成谐振变换器，本
发明人即是基于这种考虑，致
力于研制利用自耦变压器组成谐振变换器，以减小体积、降低损耗，本案由此产生。
发明内容
[0009] 本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的
缺陷和不足，提供一种非隔离式谐振变换器，其体积小，损耗低，功率密度高。
[0010] 本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：一种非隔离式谐振变换器，包括依次连接的开关电路、
谐振电路和整流滤波电路，所述的谐振电路包括自耦变压器及分别与其连接的电容和电感。
[0011] 上述开关电路为两个开关管串联，谐振电路包含自耦变压器、第一电容和第一电感，第一电容和第一电感串联后，一端连接在两个开关管之间，另一端连接自耦变压器原边绕组的一端，而自耦变压器原边绕组的另一端接地。
[0012] 上述整流滤波电路包括第二、三电容和第一、二二极管，其中，第二电容的一端连接自耦变压器副边绕组的一端，第二电容的另一端分别连接第一二极管的
阳极和第二二极管的
阴极，而第二二极管的阳极分别连接自耦变压器副边绕组的另一端和第三电容的一端，第三电容的另一端连接第一二极管的阴极。
[0013] 上述整流滤波电路包括第四、五电容和第一、二晶体管，其中，第四电容的一端连接自耦变压器副边绕组的一端，第四电容的另一端分别连接第一晶体管的漏极和第二晶体管的源极，而第二晶体管的漏极分别连接自耦变压器副边绕组的另一端和第五电容的一端，第五电容的另一端连接第一晶体管的源极。
[0014] 上述开关电路包含第三、四、五、六开关管，所述的第三、四开关管串联构成串联支路，第五、六开关管串联构成串联支路，所述两个串联支路并联；谐振电路包括自耦变压器、第六、七电容和第二、三电感，所述第四、五电容的参数相同，第二、三电感的参数相同，第六电容和第二电感串联后，一端连接在第五、六开关管之间，另一端连接自耦变压器原边绕组的一端，第七电容和第三电感串联后，一端连接在第三、四开关管之间，另一端连接自耦变压器原边绕组的另一端；所述自耦变压器原边绕组的两个端子到自耦变压器中点的匝数相同，且自耦变压器的中点接地。
[0015] 上述整流滤波电路包括第三、四二极管和第八电容，所述第三、四二极管的阳极分别连接自耦变压器副边绕组的两端，而阴极相连，第八电容的一端连接第三二极管的阴极，另一端连接自耦变压器的中点；所述自耦变压器副边绕组的两个端子到自耦变压器中点的匝数相同。
[0016] 上述整流滤波电路包括第三、四晶体管和第九电容，所述第三、四晶体管的漏极分别连接自耦变压器副边绕组的两端，而源极相连，第九电容的一端连接第三晶体管的源极，另一端连接自耦变压器的中点；所述自耦变压器副边绕组的两个端子到自耦变压器中点的匝数相同。
[0017] 上述开关电路包括第十一、十二、十三、十四开关管，所述的第十一、十二开关管串联构成串联支路，第十三、十四开关管串联构成串联支路，所述两个串联支路并联；谐振电路包括自耦变压器、第十四、十五电容和第六、七电感，所述第十四、十五电容的参数相同，第六、七电感的参数相同，所述第六、七电感相互耦合，第十四电容和第六电感串联后，一端连接在第十三、十四开关管之间，另一端连接自耦变压器原边绕组的一端，第十五电容和第七电感串联后，一端连接在第十一、十二开关管之间，另一端连接自耦变压器原边绕组的另一端；所述自耦变压器原边绕组的两个端子到自耦变压器中点的匝数相同，且自耦变压器的中点接地。
[0018] 上述整流滤波电路包括第七、八二极管和第十六电容，第七、八二极管的阳极分别连接自耦变压器副边绕组的两端，而阴极相连，第十六电容的一端连接第七二极管的阴极，另一端连接自耦变压器的中点；所述自耦变压器副边绕组的两个端子到自耦变压器中点的匝数相同。
[0019] 上述整流滤波电路包括第七、八晶体管和第十七电容，第七、八晶体管的漏极分别连接自耦变压器副边绕组的两端，而源极相连，第十七电容的一端连接第七晶体管的源极，另一端连接自耦变压器的中点；所述自耦变压器副边绕组的两个端子到自耦变压器中点的匝数相同。
[0020] 上述开关电路包括第十五、十六开关管和第十八、十九电容，第十五、十六开关管串联构成串联支路，第十八、十九电容串联构成串联支路，所述两个串联支路并联；谐振电路包括自耦变压器、第二十电容和第八电感，所述第八电感和第二十电容串联后，一端连接在第十五、十六开关管之间，另一端连接自耦变压器原边绕组的一端，原边绕组的另一端连接在第十八、十九电容之间；所述的第二十一电容连接在输入地端和输出地端之间。
[0021] 上述的整流滤波电路包括第二十二、二十三、二十四电容和第九、十二极管，第二十二、二十三电容串联构成串联支路，第九、十二极管顺序串联构成串联支路，所述两个串联支路、第二十四电容相互并联；自耦变压器副边绕组的一端连接在第九、十二极管之间，另一端连接在第二十二、二十三电容之间。
[0022] 上述的整流滤波电路包括第二十五、二十六、二十七电容和第九、十晶体管，第二十五、二十六电容串联构成串联支路，第九、十晶体管顺序串联构成串联支路，所述两个串联支路、第二十七电容相互并联；自耦变压器副边绕组的一端连接在第九、十晶体管之间，另一端连接在第二十五、二十六电容之间。
[0023] 上述开关电路为两个开关管串联，谐振电路包含自耦变压器、第二十八电容和第九电感，第二十八电容的一端连接在两个开关管之间，另一端连接自耦变压器原边绕组的一端，自耦变压器原边绕组的另一端接地，而第九电感连接自耦变压器副边绕组的一端。
[0024] 上述整流滤波电路包括第二十九、三十电容和第十一、十二二极管，其中，第二十九电容的一端经由电感连接自耦变压器副边绕组的一端，第二十九电容的另一端分别连接第十一二极管的阳极和第十二二极管的阴极，而第十二二极管的阳极分别连接自耦变压器副边绕组的另一端和第三十电容的一端，第三十电容的另一端连接第十一二极管的阴极。
[0025] 采用上述方案后，本发明利用自耦变压器自身体积小、损耗小的特点，取代现有的隔离式变压器而构成谐振变换器，从而降低谐振变换器的损耗，并提高其功率密度。
附图说明
[0026] 图1是一种现有谐振半桥变换器的电路连接示意图；图2是另一种现有谐振半桥变换器的电路连接示意图；
图3是再一种现有谐振半桥变换器的电路连接示意图；
图4是本发明第一
实施例的电路连接示意图；
图5是本发明第二实施例的电路连接示意图；
图6是图5所示第二实施例的
电流波形图；
图7是本发明第三实施例的电路连接示意图；
图8是图7所示第三实施例的电流波形图；
图9是本发明第四实施例的电路连接示意图；
图10是本发明第五实施例的电路连接示意图；
图11是本发明第六实施例的电路连接示意图；
图12是本发明第七实施例的电路连接示意图；
图13是本发明第八实施例的电路连接示意图；
图14是一种现有谐振对称半桥变换器的电路连接示意图；
图15是本发明第九实施例的电路连接示意图；
图16是本发明第十实施例的电路连接示意图；
图17是本发明第十一实施例的电路连接示意图；
图18是本发明第十二实施例的电路连接示意图；
图19是本发明第十三实施例的电路连接示意图；
图20是本发明第十四实施例的电路连接示意图；
图21是本发明的整体架构图。
具体实施方式
[0027] 以下将结合附图对本发明的结构及有益效果进行详细说明。
[0028] 首先参考图21所示，本发明提供一种非隔离式谐振变换器，主要包括三个部分：开关电路、谐振电路和整流滤波电路，这三个部分依次连接，且对于其中的谐振电路，包含一个自耦变压器及分别与该自耦变压器连接的电容和电感；需要说明的是，此处的谐振电路中所包含的电容和电感仅是指其元件类型，而非只包含一个电容和一个电感，亦即，该谐振电路有可能连接有多个电容和电感，但其类型仅为电容和电感。
[0029] 首先参考图4所示，是本发明所提供的第一种实施结构，其包含的三部分分别见图中的虚线框，其中的开关电路采用两个开关管串联的形式，并连接在电源的两端，同时电源的负极接地；而谐振电路采用电容+电感+自耦变压器（LLC）的形式，电容C41的一端连接在两个开关管之间，另一端经由电感L4连接自耦变压器原边绕组的一端，而自耦变压器原边绕组的另一端接地；整流滤波电路采用二极管整流方式，包含电容C42、C43和二极管D41、D42，其中，电容C42连接自耦变压器原边绕组中的一点，另一端连接二极管D41的阳极，而二极管D41的阴极作为输出端的正极；前述电容C42的另一端还连接二极管D42的阴极，而二极管D42的阳极接地，电容C43的一端连接二极管D41的阴极，另一端也接地。借助前述连接形式，本实施例提供一种谐振半桥变换器，并将自耦变压器设计为降压式。需要说明的是，本实施例中的整流滤波电路也可采用同步整流方式，其中的二极管D41、D42可分别采用两个晶体管替代，而晶体管的漏极和源极连接方式分别对应二极管的阳极和阴极，在此不再赘述。
[0030] 再请参考图5所示，是本发明所提供的第二种实施结构，其中的谐振电路同样采用LLC的形式，其与第一实施例的不同在于：自耦变压器设计为升压式，其中，整流滤波电路中二极管D51、电容C52的波形如图6所示，其中，二极管D51中平均电流值为IO，承受的电流
应力铰大。需要说明的是，本实施例中的二极管D51、D52可分别使用两个晶体管取代，晶体管的漏极和源极连接方式分别对应二极管的阳极和阴极，在此不再赘述。
[0031] 针对前述结构，本发明提供第三实施例，配合图7所示，其是一种谐振全桥变换器，开关电路包含有4个开关管，分为两个一组相互串联，然后进行并联；谐振电路包含有电容C71、C72、电感L71、L72和连接为降压式的自耦变压器，其中，自耦变压器的原副边绕组匝比为1：1，同时将自耦变压器的中点3接地，即自耦变压器的总匝数为n，端子1、3之间的匝数为n13，端子2、3之间的匝数为n23，n13= n23=n/2，副边与原边的电压比值为1：1，保证正半周期和负半周期的电流波形相同。电容C71和电感L71串联，连接在自耦变压器原边绕组的一端，电容C71和电感L72串联，连接在自耦变压器原边绕组的另一端，且电容C71、C72的参数相同，电感L71、L72的参数相同，电感L71、L72为耦合电感；而整流滤波电路包含二极管D71、D72和电容C73，连接构成全波整流滤波电路，其中二极管D71和D72中的电流波形如图8所示，其平均值均为负载电流的1/2，可见这种连接方式铰第二实施例减小了器件的电流应力。需要指出的是，同前述说明，本实施例中整流滤波电路中的二极管D71、D72可分别使用晶体管替代，晶体管的漏极和源极连接方式分别对应二极管的阳极和阴极，此种连接方式是现有结构，不再另外给出附图说明。
[0032] 图9所示是本发明的第四实施例，其是一种谐振全桥变换器，其中，开关电路同第三实施例，采用4个开关管两两串联后再并联的形式，副边连接全波整流滤波电路，而谐振电路同样采用电容C91、C92、电感L91、L92、自耦变压器，其中，电容C91、C92的参数相同，电感L91、L92的参数相同，电容C91与电感L91串联，一端连接在一个开关管串联支路中两个开关管之间，另一端连接自耦变压器的端子2；电容C92与电感L92串联，一端连接在另一个开关管串联支路中两个开关管之间，另一端连接自耦变压器的端子3；自耦变压器的两个端点分别为端子1、4，端子5为自耦变压器的中点，接地，而端子2位于端子1、5之间，端子3位于端子5、4之间，且设自耦变压器的总匝数为n，端子1、5之间的匝数为n15,端子4、5之间的匝数为n45,n15=n45=n/2，并且端子2、5之间的匝数为n25，端子3、5之间的匝数为n35,n25=n35，以确保正半周期和负半周期电流波形相同。副边与原边的电压比值为n15：n25=n45：n35，n25为 n15的一部分，n35为 n45的一部分，因而自耦变压器可以实现升压调节。需要指出的是，同前述，本实施例中整流滤波电路中的两个二极管可分别使用晶体管替代，晶体管的漏极和源极连接方式分别对应二极管的阳极和阴极，此种连接方式是现有结构，不再另外给出附图说明。
[0033] 图10所示是本发明的第五实施例，其也是一种谐振全桥变换器，副边连接全波整流滤波电路，其与第四实施例的不同在于，自耦变压器采用降压式连接方式，电容C101和电感L101串联，电容C102和电感L102串联，分别连接自耦变压器两端的两个端子1、4，且电容C101、C102的参数相同，电感L101、L102的参数相同，而自耦变压器的中点为端子5，端子2位于端子1、5之间，端子3位于端子5、4之间，设自耦变压器的总匝数为n，端子1、5之间的匝数为n15,端子4、5之间的匝数为n45,n15=n45=n/2，并且端子2、5之间的匝数为n25，端子3、5之间的匝数为n35,n25=n35，以确保正半周期和负半周期电流波形相同。副边与原边的电压比值为n15：n25=n45：n35，n25为 n15的一部分，n35为 n45的一部分，因而自耦变压器可以实现降压调节。需要指出的是，同前述，本实施例中整流滤波电路中的两个二极管可分别使用晶体管替代，晶体管的漏极和源极连接方式分别对应二极管的阳极和阴极，此种连接方式是现有结构，不再另外给出附图说明。
[0034] 图11所示是本发明的第六实施例，采用谐振全桥变换器，自耦变压器为升压式连接方式，副边为全波整流滤波电路，在图11所示的连接方式中，连接方式与电路设置方法和图7相同，区别在于将谐振电路中的电感L111和电感L112耦合，也即将电感L111和电感L112设置为原边和副边参数相同的耦合电感，该耦合电感一边的同名端和电容C111连接，异名端与自耦变压器的端子1相连；耦合电感另外一边的同名端和自耦变压器的端子2连接，异名端与电容C112连接。耦合电感的作用是保证端子3的对地电流为0。
[0035] 图12所示是本发明的第七实施例，采用谐振全桥变换器，自耦变压器为升压式连接方式，副边为全波整流滤波电路，本实施例的连接方式与电路设置方法和图10相同，区别在于将谐振电路中的电感L121和电感L122耦合，也即将电感L121和电感L122设置为原边和副边参数相同的耦合电感，该耦合电感一边的同名端和电容C121连接，异名端和自耦变压器的端子1相连；耦合电感另外一边的同名端和自耦变压器的端子4连接，异名端和电容C122连接。耦合电感的作用是保证端子5的对地电流为0。
[0036] 图13所示是本发明的第八实施例，采用谐振全桥变换器，自耦变压器为升压式连接方式，副边为全波整流滤波电路，本实施例中的连接方式与电路设置方法和图9相同，区别在于将谐振电路中的电感L131和电感L132耦合，也即将电感L131和电感L132设置为原边和副边参数相同的耦合电感，该耦合电感一边的同名端和电容C131连接，异名端和自耦变压器的端子2相连；耦合电感另外一边的同名端和自耦变压器的端子3连接，异名端和电容C132连接。耦合电感的作用是保证端子5的对地电流为0。
[0037] 需要说明的是，前述第六、七、八实施例中，整流滤波电路均采用二极管进行二极管整流，其中的二极管也可以使用晶体管替代，实现同步整流，以适用于不同的工作环境。
[0038] 图15所示是本发明的第九实施例，其是一种谐振对称半桥变换器，自耦变压器的变比为1：1，副边连接全波倍压同步整流滤波电路，其与现有谐振对称半桥变换器（可同时配合图14所示）的区别在于：将图14中的隔离式变压器变换为自耦变压器，由于非隔离的方式使得原、副边接地，导致电容C152、C154并联，它们上面的压差将产生环流，因此在开关电路的接地端与滤波整流电路的接地端之间连接电容C157作为隔直电容。
[0039] 图16所示是本发明的第十实施例，其也是一种谐振对称半桥变换器，自耦变压器的副边连接全波倍压同步整流滤波电路，与第九实施例不同的是，本实施例中的自耦变压器采用降压式连接方式。
[0040] 图17所示是本发明的第十一实施例，其是一种谐振对称半桥变换器，自耦变压器的副边连接全波倍压同步整流滤波电路，与第十实施例不同的是，本实施例中的自耦变压器采用升压式连接方式，其余结构均相同，在此不再赘述。
[0041] 需要说明的是，前述第九、十、十一实施例中，整流滤波电路采用晶体管实现同步整流，也可以换用二极管进行二极管整流，在此不再赘述。
[0042] 图18所示是本发明的第十二实施例，其与图4所示第一实施例的区别在于：谐振电路包含自耦变压器、电容C18和电感L18，电容C18连接在自耦变压器的原边，而电感L18连接自耦变压器的副边，并经由电感L18连接整流滤波电路。
[0043] 图19所示是本发明的第十三实施例，其与图4所示第一实施例的区别在于，在自耦变压器的副边连接了具有均流功能的整流滤波电路，见图19中的LOAD，其为两路负载，其连接方式为现有结构，在此不再赘述。
[0044] 图20所示是本发明的第十四实施例，其与图7所示第三实施例的区别在于：电感L201、L202均连接在自耦变压器的副边，且分别与端子1、3一一连接；其余结构与图7所示结构相同，在此不再赘述。
[0045] 需要进一步指出的是，本
说明书中所列举的有关谐振电路的实施例，电感元件均是单独设置的，而在实际生产制造中，为了追求产品的小型化和集成化，会将电感元件与自耦变压器制作为一体，也即从外表看来，仅设有自耦变压器与电容元件，但从本质上来说，与自耦变压器制作为一体的电感元件是独立工作，仍具有电感的所有工作特性，因此，应认定为仍属于本发明所提出的“谐振电路”概念之内。
[0046] 综上所述，本发明一种非隔离式谐振变换器，重点在于将谐振电路设计为自耦变压器与电容、电感连接的形式，利用特殊的连接方式，实现自耦变压器在谐振变换器中的应用，从而利用自耦变压器自身体积小、损耗低的优点，提高谐振变换器的产品性能。
[0047] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案
基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
