一种新颖的宽范围输入功率变换电路制造技术

一种新颖的适合宽范围输入条件的功率拓扑变换电路，由电压预调节单元和输出电压调节单元构成，两者由电感单元连通。电压预调节单元包含一对桥臂，连接在输入电压两端，桥臂中点与电感单元一端相连。输出电压调节单元，是由一对桥臂、母线电容、功率变换网络共同构成的功率变换器。桥臂中点与电感单元另一端相连，与母线电容完成升压功能。桥臂和功率变换网络共同构成如LLC、全桥等拓扑电路。通过复用桥臂，减少功率器件数量，损耗降低，效率提高。通过调整两个桥臂占空比，实现变换电路输出电压的调节；通过调节两个桥臂开关导通时序实现所有开关管软开关。调节单元和输出电压调节单元都可以用并联或是交错并联方式实现。

【技术实现步骤摘要】
一种新颖的宽范围输入功率变换电路所属
：本专利技术涉及开关电源功率变换领域。本专利技术提出了一种新颖的拓扑电路结构，在宽范围输入电压条件下，使用最少的器件实现两级功率控制，且所有的开关管可工作在软开关状态，更方便地实现高效高功率密度。
技术介绍
在宽范围输入电压且输出电压也要求宽范围条件下，完成中大功率隔离电压变换的方式通常有两种：一种为使用一级移相全桥电路直接完成电压转换，通过设计可保证所有的高压开关管实现软开关。此设计方案简单可靠，且可实现高效率。但是为保证在最低输入电压的条件下维持输出电压的最大值，变压器的匝比大，带来了在输入电压最高值、同时输出电压最低值的时候，占空比过小，因此效率偏低、器件应力偏大。另一种做法是使用两级电路，前级将输入电压调节成固定值，通过后级的拓扑实现输出电压的调节。例如前级使用零电压开关四管BUCK-BOOST电路，后级使用LLC拓扑控制方案。此方案可以实现全范围的开关器件的软开通，可实现高频化、高效率；但缺点是功率器件太多，不利于成本的控制以及高功率密度的实现，且零电压开关四管BUCK-BOOST电路控制复杂，一旦控制参数设计不合理，无法实现零电压开关，或有效值电流太大，难以实现高效率。本专利技术专利实现了一种新颖的功率变换电路，此电路可以实现全范围内全部开关器件的软开关，从而实现电路的高频化和高效率，同时可以显著降低控制的复杂度以及减少功率器件的数量，从而提高设计的可靠性和鲁棒性。本专利技术所要描述的电路就是这种新颖的功率变换电路。
技术实现思路
本专利技术提出一种新颖的适合宽范围输入条件的功率拓扑变换电路，其显著特征是基于两级拓扑控制方案，通过功能复用部分功率器件从而减少开关管数量以及控制的复杂度，让所有的开关管都运行在软开关状态，可实现高频化、高效率，控制逻辑也可简化，设计简单且鲁棒性好。本专利技术电路拓扑主要由两级构成，如图1所示。前级为电压预调节单元，后级为输出电压调节单元。两级之间由电感(也可以是其他形式阻抗单元但具备电感特性，如在电感上串并联阻抗单元)相连。前级电压预调节单元包含一对开关管，该对开关管分为上管S1与下管S2，S1、S2相互串联，构成一组桥臂；上管S1的上端与输入电源正极相连，下管S2的下端与输入电源负端相连，S1、S2相连的中点N1与电感单元L1的一端相连。控制上管S1对输入电压进行斩波，可以控制节点N1的平均电压。后级为输出电压调节单元，与电压预调节单元之间由电感L1相连，其包含两部分：1)输出电压调节单元中的升压部分包含一对开关管、中间母线电容；该对开关管分成上管S3与下管S4，相互串联，构成一组桥臂；上管S3的上端与中间母线电容C2的正极相连，下管S4的下端与中间母线电容C2的负极及输入电源负端相连，上、下管相连的中点N2与电感单元L1的另一端相连。S3、S4互补导通但不局限于互补导通，母线电容C2提供稳定的中间母线电压，此部分与电感L1构成了升压电路，调节开关管S4的占空比可控制中间母线电压。2)第二部分为功率变换网络Z1，可由任何形式的开关管、电阻、电容、电感、变压器等组成。由此两部分组成的后级输出电压调节单元构成了后级功率变换器，此变换器为常用的开关电源拓扑，比如谐振变换器(如LLC)，如图2所示；比如桥式变换器，如图3所示。后级功率变换器可为多种功率变换拓扑电路，此处不做一一例举；此后级功率变换器功率变换拓扑电路的特征是：a)此功率变换拓扑电路为带有一对或若干对桥臂的功率拓扑电路；b)此功率变换拓扑电路的一对或是若干对桥臂与输出电压调节单元的升压部分共用了一对或若干对桥臂.由以上电路描述可知，前级电压预调节单元通过控制上管S1的占空比控制电压预调节单元节点N1电压平均值，后级输出电压调节单元中的升压部分通过控制升压部分下管S4的占空比控制中间母线电容C2电压；中间母线电容C2电压实际为后级输出电压调节单元构成的常用的开关电源拓扑的输入电压。因此通过控制前级输入电压预调节单元上管S1的占空比、后级输出电压调节单元中升压部分下管S4的占空比及后级输出电压调节单元构成的开关电源拓扑的传输比，可实现输出电压控制。由于后级输出电压调节单元中升压部分与后级输出电压调节单元构成的开关电源拓扑共用了一对或若干对桥臂，由此减少了开关器件的数量，同时还可以抵消一部分开关电流，降低了开关损耗以及总体的导通损耗，提高了效率。后级的输出电压调节单元构成的拓扑并不限于谐振变换器或是桥式变换器，任何可应用于本电路结构的拓扑变换都归属于本专利技术专利的内容。本专利技术专利拓扑电路也可可扩展至并联或是交错并联，如图4所示。本专利技术专利拓扑电路也可包含阻抗单元Z3，如图5所示。Z3可为电容，或是电容、电感(或磁珠)、电阻相串并联的阻抗网络，此阻抗网络可旁路一些高频分量。去掉阻抗网络Z3，本电路拓扑也可正常运行。包含或是不包含Z3阻抗网络都属于本专利技术专利的内容。本专利技术专利拓扑电路也可包含阻抗单元Z4，如图6所示。Z4可为一阻抗网路，该网络不影响以上所述电路的基本工作原理，短路阻抗网络Z4，本电路拓扑也可正常运行。包含或是不包含Z4阻抗网络都属于本专利技术专利的内容。通过控制S1～S4的开通、关断时序，可实现全部或部分开关管的零电压开通。附图说明为了更清楚的说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例以及现有技术描述中的所使用的附图做简单介绍。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图来获得其他的附图。图1是本专利技术实施的功率变换结构图图2是本专利技术专利应用于谐振变换电路图3是本专利技术专利应用于全桥变换电路图4是本专利技术专利前级的交错并联形式图5是本专利技术专利的一种扩展形式图6是本专利技术专利的一种扩展形式具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，电压预调节单元由开关管S1、S2构成，其中主开关管为S1，导通的占空比为D1。电压预调节单元主要完成降压功能，通过S1、S2的斩波可控制节点N1的平均电压为V1，若S1、S2为互补导通则，V1＝D1*Vin。本专利技术拓扑后级的升压部分由开关管S3、S4、C2构成，其中主开关管S4的占空比为D2。由于电感L1在稳态时，其两端平均电压为零，即节点N、N2的平均电压相等。若节点N2电压为V2，则Vbus*(1-D2)＝V2，从而得出母线电压Vbus＝V1*1/(1-D2)。本专利技术拓扑后级的升压部分与阻抗网络Z1共同构成的拓扑其电压变比为K3，后级的升压部分与功率变换网络Z1共同构成的拓扑的实际输入电压为Vbus，则输出电压为Vout＝K3*Vbus。本专利技术所述的功率变换电路整体的输出电压表达式时为Vout＝Vin*D1/(1-D2)*K3。调节占空比D1、D2可调节Vbus，同时也可调节输出电压；调节K3也可调节输出电压，例如，若后级输出电压调节单元构成的开关电源拓扑为移相全桥，则控制移相全桥两桥臂的相位，即可实现对K3的调节。由于整体电路拓扑结构存在多种输出电压调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新颖的宽范围输入功率变换电路，其包含输入电源、电压预调节单元、电感单元、输出电压调节单元以及输出负载；输出电压调节单元包括输出电压调节单元的升压部分以及功率变换网络部分，输出电压调节单元的升压部分和功率变换网络部分共同构成后级功率变换器，后级功率变换器为多种功率变换拓扑电路，此后级功率变换器功率变换拓扑电路特征是：a)此功率变换拓扑电路为带有一对或若干对桥臂的功率拓扑电路；b)此功率变换拓扑电路的一对或是若干对桥臂与输出电压调节单元的升压部分共用了一对或若干对桥臂。

【技术特征摘要】
1.一种新颖的宽范围输入功率变换电路，其包含输入电源、电压预调节单元、电感单元、输出电压调节单元以及输出负载；输出电压调节单元包括输出电压调节单元的升压部分以及功率变换网络部分，输出电压调节单元的升压部分和功率变换网络部分共同构成后级功率变换器，后级功率变换器为多种功率变换拓扑电路，此后级功率变换器功率变换拓扑电路特征是：a)此功率变换拓扑电路为带有一对或若干对桥臂的功率拓扑电路；b)此功率变换拓扑电路的一对或是若干对桥臂与输出电压调节单元的升压部分共用了一对或若干对桥臂。2.权利要求1中所述的一种新颖的宽范围输入功率变换电路，其中所述电压预调节单元包含一对开关管，该对开关管分为上管与下管，相互串联，构成一组桥臂；上管的上端与输入电源正极相连，下管的下端与输入电源负端相连，上、下管相连的中点与电感单元的一端相连；电压预调节单元的组成形式，包括开关管的串、并联，包括在开关管上串联阻抗单元、包括在开关管上并联阻抗单元。3.权利要求1中所述的一种新颖的宽范围输入功率变换电路，其中所述输出电压调节单元的升压部分包含一对开关管、中间母线电容；该对开关管分成上管与下管，相互串联，构成一组桥臂；上管的上端与中间母线电容的正极相连，下管的下端与中间母线电容的负极及输入电源负端相连，上、下管相连的中点与电感单元的另一端相连；输出电压调节单元的升压部分的组成形式，包括桥臂上管或下管开关管的串、并联，包括在开关管上串联阻抗单元，包括在开关管上并联阻抗单元；包括对中间母线电容上串联阻抗单元，包括对中间母线电容上并联阻抗单元。4.权利要求1中所述的一种新颖的宽范围输入功率变换电路，其中所述电感单元，一端连接电压预调节单元的桥臂上、下管相连的中点，另一端连接输出电压调节单元的升压部分桥臂中点；电感单元的组成形式，包括由单一电感组成，包括由电感与其他阻抗单元构成的具备电感属性的阻抗网络。5.权利要求1中所述的一种新颖的宽范围输入功率变换电路，其中所述输出电压调节单元，包括输出电压调节单元的升压部分和功率变换网络部分，此两部分共同构成后级功率变换器，后级功率变换器为功率变换拓扑电路，该功率变换拓扑电路为多种形式的功率变换拓扑电路，包括串联谐振变换器、并联谐振变换器、LLC变换器、全桥变换器和半桥变换器、双管正激变换器、BUCK变换器、4开关BUCK-BOOST变换器。6.权利要求1中所述的一种新颖的宽范围输入功率变换电路，在电压预调节单元所包含桥臂的上管上端与输出电压调节单元的升压部分所包含桥臂的上管上端之间增加阻抗网络，此阻抗网络的组成形式为电阻器...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，阮新波，杨鑫，李培永，乔宗标，闵峰，
申请(专利权)人：上海英联电子系统有限公司，李斌，
类型：新型
国别省市：上海,31