技术领域
[0001] 本
发明涉及一种谐振变换器技术，特别是一种低开关管电压
应力电流型输出谐振变换器。
背景技术
[0002] 现代电力
电子技术的发展趋势是高频化、大功率、模
块化和智能化，而且电力电子设备高频化可以解决小体积、轻重量、高功率
密度等需求。但是对于硬开关
电路来说，提高开关
频率会导致
开关损耗增加，从而大大降低变换器的整体效率。因此
软开关技术应运而生，该技术可以在提高开关频率的同时不增加开关损耗，此种优势也体现了对此技术深入研究的重要性。
[0003] 实现软开关技术最典型的变换器是谐振变换器，其实现方式是利用电感和电容的谐振。谐振变换器主要包括准谐振变换器、多谐振变换器以及谐振变换器。其中准谐振变换器和多谐振变换器均为单管变换器，控制比较简单。
零电压开关准谐振变换器器件电压应力高，并且对于电路中
二极管和开关管的开关条件，二者只能改善其一；而零电压开关多谐振变换器能够同时改善两个器件的开关条件。零电压开关多谐振变换器分为隔离型和非隔离型两种，非隔离的主要有Buck、Boost、Buck/Boost、Cuk、Sepic、Zeta零电压开关多谐振变换器，隔离的主要的有隔离型Forward、Flyback、Cuk、Speic、Zeta零电压开关多谐振变换器。隔离型零电压开关多谐振变换器可以吸收
变压器的漏感作为谐振电感的一部分，吸收开关管以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，从而解决高频工作下寄生参数影响明显的问题，但是传统的隔离型零电压开关多谐振变换器仍然具有开关管电压应力高的问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种低开关管电压应力电流型输出谐振变换器，包括隔离型和非隔离型。
[0005] 实现本发明目的的一种技术方案为：一种低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器，包括隔离变压器、原边电路、副边电路，所述原边电路包括直流电源、第一谐振电感、励磁电感、开关管、第一谐振电容、第二谐振电感、第二谐振电容，所述副边电路包括隔直电容、二极管、第三谐振电容、输出滤波电感、输出滤波电容；第一谐振电感的一端与直流电源的正端相连接，第一谐振电感的另一端与励磁电感的一端、变压器原边的同名端相连接，励磁电感的另一端与变压器原边的异名端、第一谐振电容的一端、第二谐振电感的一端、开关管的漏极相连接，第二谐振电感的另一端与第二谐振电容的一端相连接，开关管的源极、第一谐振电容的另一端、第二谐振电容的另一端与直流电源的负端相连接；变压器副边的异名端与隔直电容的一端相连接，隔直电容的另一端与二极管的
阴极、第三谐振电容的一端、输出滤波电感的一端相连接，输出滤波电感的另一端与输出滤波电容的正端相连，变压器副边的同名端、二极管的
阳极、第三谐振电容的另一端与输出电容的负端相连接。
[0006] 采用上述谐振变换器，所述开关管并联一寄生
体二极管，寄生体二极管的阳极与开关管的源极相连接，寄生体二极管的阴极与开关管的漏极相连接。
[0007] 采用上述谐振变换器，所述第一谐振电容容量等效为开关管结电容容量与并联在开关管源极、漏极之间的谐振电容的容量之和；所述第三谐振电容容量等效为二极管结电容容量与并联在二极管两极间的谐振电容的容量之和；所述第一谐振电感感值等效为与变压器
串联的谐振电感感值和变压器漏感之和。
[0008] 实现本发明目的的第二种技术方案为：一种低开关管电压应力非隔离型电流型输出谐振变换器，包括直流电源、第一谐振电感、储能电感、开关管、第一谐振电容、第二谐振电感、第二谐振电容，所述副边电路包括隔直电容、二极管、第三谐振电容、输出滤波电感、输出滤波电容；第一谐振电感的一端与直流电源的正端相连接，第一谐振电感的另一端与储能电感的一端、隔直电容的一端相连接，隔直电容的另一端与二极管的阳极、第三谐振电容的一端、输出滤波电感的一端相连接，输出滤波电感的另一端与输出滤波电容的负端相连接，第三谐振电容的另一端、二极管的阴极、储能电感的另一端、开关管的漏极、第二谐振电容的一端、第二谐振电感的一端与输出滤波电容的正端相连接，第二谐振电感的另一端与第二谐振电容的一端相连接，第一谐振电容的另一端、第二谐振电容的另一端、开关管的源极与直流电源的负端相连接。
[0009] 采用上述谐振变换器，所述开关管并联一寄生体二极管，寄生体二极管的阳极与开关管的源极相连接，寄生体二极管的阴极与开关管的漏极相连接。
[0010] 采用上述谐振变换器，所述第一谐振电容容量等效为开关管结电容容量与并联在开关管源极、漏极之间的谐振电容的容量之和；所述第三谐振电容容量等效为二极管结电容容量与并联在二极管两极间的谐振电容的容量之和。
[0011] 本发明与
现有技术相比，具有以下优点：
[0012] (1)低开关管电压应力电流型输出谐振变换器由于输出滤波电感的存在，使得满足同样的
输出电压纹波要求时所需的滤波电容减小，适用于低压大电流输出；(2)低开关管电压应力电流型输出谐振变换器可以同时实现开关管的零电压开通和二极管的
零电流关断，而且与现有的多谐振变换器相比，能够降低开关管电压应力，并且导通损耗更小、效率更高；(3)本发明涉及的低开关管电压应力电流型输出谐振变换器包括低开关管电压应力非隔离型电流型输出谐振变换器和低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器，在需要电气隔离的应用场合可以选用低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器，在不需要电气隔离以及需要输入输出电压反向的应用场合可以选用低开关管电压应力非隔离型电流型输出谐振变换器；(4)变压器的连接方式与谐振电感、谐振电容组成的
谐振电路降低了开关管的电压应力；(5)低开关管电压应力电流型输出谐振变换器吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，既解决了高频工作下寄生参数影响明显的问题又提高了变换器效率。
[0013] 下面结合
说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
[0014] 图1是低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器电路结构示意图。
[0015] 图2是低开关管电压应力非隔离型电流型输出谐振变换器电路结构示意图。
[0016] 图3是低开关管电压应力电流型输出谐振变换器等效电路示意图
[0017] 图4是低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器第一种工作模式下主要
波形示意图。
[0018] 图5是本发明工作模式一中开关模态1的等效电路结构示意图。
[0019] 图6是本发明工作模式一中开关模态2、工作模式二中开关模态2的等效电路结构示意图。
[0020] 图7是本发明工作模式一中开关模态3、工作模式二中开关模态1和3的等效电路结构示意图。
[0021] 图8是本发明工作模式一中开关模态4、工作模式二中开关模态4的等效电路结构示意图。
[0022] 图9是低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器第二种工作模式下主要波形示意图。
[0023] 图中附图标号说明：输入电压Vin，第一谐振电感Ls，励磁电感Lm(图2储能电感)，开关管S，开关管寄生体二极管Ds，第一谐振电容Cs，第二谐振电容Cr，第二谐振电感Lr，隔离变压器Tr，隔直电容Cb，二极管D，第三谐振电容Cd，输出滤波电容Co，输出滤波电感Lf，输入电流Iin、输出电流Io，输出电压Vo，开关管栅源极驱动电压vgs，开关管漏源极电压vs，二极管两端电压vd，第一谐振电感电流iL，第二谐振电感电流ir，第二谐振电容两端电压vr。
具体实施方式
[0024] 结合图1，一种低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器，包括直流电源Vin、第一谐振电感Ls、励磁电感Lm，开关管S、第一谐振电容Cs、第二谐振电容Cr、第二谐振电感Lr、隔离变压器Tr、二极管D、隔直电容Cb、第三谐振电容Cd、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Co。
[0025] 第一谐振电感Ls的一端与直流电源Vin正端相连接，第一谐振电感Ls另一端与励磁电感Lm的一端、变压器Tr原边的同名端相连接，励磁电感Lm另一端与变压器Tr原边异名端、开关管S漏极、第一谐振电容Cs的一端、第二谐振电感Lr的一端相连接，第二谐振电感Lr的另一端与第二谐振电容Cr的一端相连接，开关管S的源极、第一谐振电容Cs的另一端、第二谐振电容Cr的另一端与直流电源Vin的负端相连接，变压器Tr副边的异名端与隔直电容Cb的一端相连接，隔直电容Cb的另一端与二极管D的阴极、第三谐振电容Cd的一端、输出滤波电感Lf的一端相连接，输出滤波电感Lf的另一端与输出滤波电容Co的正端相连，变压器Tr副边的同名端、二极管D的阳极、第三谐振电容Cd的另一端与输出电容Co的负端相连接。其中，开关管S包括并联在其漏极、源极之间的开关管寄生体二极管Ds，第一谐振电容Cs包括开关管S本身的结电容以及外加并联在开关管S两端的电容，第三谐振电容Cd包括二极管D本身的结电容以及外加并联在二极管D两端的电容。
[0026] 结合图2，一种低开关管电压应力非隔离型电流型输出谐振变换器，包括直流电源Vin、第一谐振电感Ls、储能电感Lm，开关管S、第一谐振电容Cs、第二谐振电容Cr、第二谐振电感Lr、二极管D、隔直电容Cb、第三谐振电容Cd、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Co。
[0027] 第一谐振电感Ls的一端与直流电源Vin的正端相连接，第一谐振电感Ls的另一端与储能电感Lm的一端、隔直电容Cb的一端相连接，隔直电容Cb的另一端与二极管D的阳极、第三谐振电容Cd的一端、输出滤波电感Lf的一端相连接，输出滤波电感Lf的另一端与输出滤波电容Co的负端相连接，第三谐振电容Cd的另一端、二极管D的阴极、储能电感Lm的另一端、开关管S的漏极、第一谐振电容Cs的一端、第二谐振电感Lr的一端与输出滤波电容Co的正端相连接，第二谐振电感Lr的另一端与第二谐振电容Cr的一端相连接，第一谐振电容Cs的另一端、第二谐振电容Cr的另一端、开关管S的源极与直流电源Vin的负端相连接。
[0028] 图2中的低开关管电压应力非隔离型电流型输出谐振变换器与图1低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器工作原理类似，区别在于低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器可以吸收隔离变压器的漏感作为谐振电感的一部分；两者均可以吸收开关管的结电容以及二极管的结电容作为谐振电容的一部分，可解决高频工作下寄生参数影响明显的问题；在需要电气隔离的应用场合可以选用低开关管电压应力隔离型电流型输出谐振变换器，在不需要电气隔离的应用场合可以选用低开关管电压应力非隔离型电流型输出谐振变换器；另外与传统的多谐振变换器相比，低开关管电压应力电压型输出谐振变换器的谐振网络能够明显改善开关管电压应力高的问题。
[0029] 结合图4至图9描述低开关管电压应力电流型输出谐振变换器的具体工作原理，其中隔离型和非隔离型的工作原理相同。此种变换器有两种工作模式，对应的主要工作波形分别如图4、图9所示。
[0030] 在进行分析之前，作如下假设：(1)所有电感、电容和变压器均为理想元件；
[0031] (2)隔直电容Cb足够大可近似认为是一个电压源Vo；(3)励磁电感Lm足够大，可近似认为是一个电流源Iin，Iin为输入电流；(4)输出滤波电感Lf足够大，可近似认为是一个电流源Io，Io为输出电流；(5)假设变压器
匝比为1:1。
[0033] 由图3可知变换器在工作模式1每个开关周期有4种开关模态，分别是[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]，对应的开关模态为图5～图8。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
[0034] 1、开关模态1[t0，t1]
[0035] 该开关模态等效电路如图5所示，开关管S处于开通状态，t0时刻，第三谐振电容Cd两端的电压vd谐振到零，第三谐振电容Cd完全放电状态下，二极管D导通，此开关模态下电感电流iL线性上升，其中 此时仅有第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr内部谐振，对外电压为零。
[0036] 2、开关模态2[t1，t2]
[0037] 该开关模态的等效电路如图6所示，二极管D处于导通状态，t1时刻，开关管S关断，此时第一谐振电容Cs、第一谐振电感Ls、第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr参与谐振，第一谐振电容Cs两端的电压(即为开关管S两端的电压vs)谐振上升。
[0038] 3、开关模态3[t2，t3]
[0039] 该开关模态的等效电路如图7所示，开关管S处于关断状态，t2时刻，第一谐振电感电流iL减小到Iin-Io，此时第三谐振电容Cd开始流过电流，二极管D零电流关断，第一谐振电容Cs、第一谐振电感Ls、第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr、第三谐振电容Cd均参与谐振。第三谐振电容Cd两端的电压(即二极管D两端的电压vd)谐振上升。
[0040] 4、开关模态4[t3，t4]
[0041] 该开关模态的等效电路如图8所示，二极管D处于关断状态，t3时刻，第一谐振电容Cs两端的电压谐振到0，实现开关管S零电压开通，Cs退出谐振，此开关模态下第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr、第三谐振电容Cd参与谐振，其中第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr内部发生谐振实现
能量交换，对外电压为零。到t4时刻，第三谐振电容Cd两端电压vd谐振到零，二极管D导通，回到开关模态1。
[0042] 实施例二
[0043] 与工作模式1不同的是工作模式2会出现在t0时刻第二二极管还未导通开关管S便关断的模态，其主要波形示意图如图8所示。由图9可知变换器在工作模式2每个开关周期有4种开关模态，分别是[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
[0044] 1、开关模态1[t0，t1]
[0045] 该开关模态等效电路如图7所示，二极管D处于关断状态，t0时刻，开关管S关断，第一谐振电感Ls、第二谐振电感Lr、第一谐振电容Cs、第二谐振电容Cr和第三谐振电容Cd均参与谐振，第一谐振电容Cs两端的电压vs谐振上升,第三谐振电容Cd两端的电压vd谐振下降。
[0046] 2、开关模态2[t1，t2]
[0047] 该开关模态的等效电路如图6所示，开关管S处于关断状态，t1时刻，二极管D两端电压vd谐振到0，二极管D导通，此时第一谐振电感Ls、第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr、第一谐振电容Cs参与谐振。
[0048] 3、开关模态3[t2，t3]
[0049] 该开关模态的等效电路如图7所示，开关管S处于关断状态，t2时刻，第一谐振电感电流值减小到Iin-Io,二极管D关断，此时第一谐振电容Cs、第一谐振电感Ls、第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr、第三谐振电容Cd参与谐振，第三谐振电容Cd两端的电压(即为二极管D两端的电压vd)谐振上升。
[0050] 4、开关模态4[t3，t4]
[0051] 该开关模态的等效电路如图8所示，二极管D处于关断状态，t3时刻，Cs两端的电压Vs谐振到0，实现开关管S零电压开通，电感电流上升，第一谐振电感Ls、第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr、第三谐振电容Cd参与谐振，此模态下第二谐振电感Lr、第二谐振电容Cr内部发生谐振，对外电压为零；t4时刻，开关管S关断，回到开关模态1。
