一种自谐振驱动隔离低应力型双向ClassE2高频功率变换器制造技术

本发明专利技术涉及一种自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器，属于开关电源技术领域，解决了现有变换器存在的开关管电压应力高、系统体积大且能量无法双向流动的问题。变换器包括：第一Class E谐振单元、隔离型匹配网络、第二Class E谐振单元；所述第一Class E谐振单元的第二端口与所述隔离型匹配网络的第一端口相连，所述隔离型匹配网络的第二端口与所述第二Class E谐振单元的第一端口相连；当所述变换器的能量正向流动时，所述第一Class E谐振单元的第一端口与电源相连，所述第二Class E谐振单元的第二端口与负载相连；当所述变换器的能量反向流动时，所述第一Class E谐振单元的第一端口与负载相连，所述第二Class E谐振单元的第二端口与电源相连。E谐振单元的第二端口与电源相连。E谐振单元的第二端口与电源相连。

【技术实现步骤摘要】
一种自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器


[0001]本专利技术涉及开关电源
，尤其涉及一种自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器。

技术介绍

[0002]在工业电子和消费电子领域，大量被使用的开关电源被要求具有高稳定性、高效率、高功率密度、小体积和轻量化的特点，以确保系统能够持续安全可靠的工作，并有效降低其体积与重量。得益于以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体技术的快速发展，尤其是以优异高频特性见长的GaN开关器件的大规模投产与应用，提高系统的工作频率成为了一个行之有效的方法，能够轻松实现开关电源的小型化和轻量化。当系统的工作频率提高到几十兆赫兹时，系统中无源元件的参数值大幅减小，对提高系统的集成度和降低系统体积有重大意义。
[0003]然而随着开关频率的提高，系统将处于全谐振状态，由此将导致系统中的电压与电流应力过高，对系统的安全稳定运行以及工作效率的提升带来不利影响。为了降低系统中开关管的电压应力，通常是在开关管的两端并联LC谐振支路，从而对系统的电压谐波特性进行调整，达到降低应力的目标。然而这种引入额外支路的方法会增大系统的体积并阻碍系统效率的提升。
[0004]为提升系统工作的安全性，通常需对功率变换器进行电气隔离，针对这一问题，目前已有的设计方法是采用高频磁芯绕线式变压器，但是该种变压器的漏感会影响系统的谐振工作状态，同时磁芯式变压器的使用也不利于系统的小型化和高效率。
[0005]此外，随着技术的进步，双向DC/DC功率变换器作为一种能量双向流动的接口，在光伏发电、微电网系统和电动汽车等领域显示出巨大的技术优势与应用潜力。传统的双向功率变换器的电路拓扑主要以Buck/Boost型、Buck-Boost型、Cuk型和Zata/SEPIC型等非隔离型拓扑以及全桥式、半桥式等隔离型拓扑，这些拓扑的开关管通常采用硬开关的工作模式，因而器件发热较高且系统效率较低。
[0006]在高频驱动
，通常采用高频晶振产生独立的方波信号，然后经后级电路提高高频方波信号的驱动能力，从而满足开关管的驱动要求。然而方波驱动在高频条件下的容性开关损耗巨大，针对这一问题，通常会在方波驱动的基础上串联谐振电感，从而构成谐振驱动，驱动能量在开关管门极寄生电容和谐振电感上相互传递转换，从而降低了驱动损耗，但是其缺点是谐振输入电流增大，驱动电路输入电阻上的损耗仍旧较大。

技术实现思路

[0007]鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器，用以解决现有变换器存在的上述缺陷。
[0008]本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：
[0009]一种自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器，所述变换器包括：
第一Class E谐振单元、隔离型匹配网络、第二Class E谐振单元；
[0010]所述第一Class E谐振单元的第二端口与所述隔离型匹配网络的第一端口相连，所述隔离型匹配网络的第二端口与所述第二Class E谐振单元的第一端口相连；
[0011]当所述变换器的能量正向流动时，所述第一Class E谐振单元的第一端口与电源相连，所述第二Class E谐振单元的第二端口与负载相连；
[0012]当所述变换器的能量反向流动时，所述第一Class E谐振单元的第一端口与负载相连，所述第二Class E谐振单元的第二端口与电源相连。
[0013]在上述方案的基础上，还做出了如下改进：
[0014]进一步，所述第一Class E谐振单元包括：电容C1、谐振电容C
F
，谐振电感L
F
、电感L
G1
、N型开关管S
F
、直流偏置电源V
b1
；
[0015]谐振电感L
F
的一端连接电容C1的一端，谐振电感L
F
的另一端连接N型开关管S
F
的漏极、谐振电容C
F
的一端；
[0016]电容C1的另一端连接直流偏置电源V
b1
的负极、N型开关管S
F
的源极以及谐振电容C
F
的另一端；直流偏置电源V
b1
的正极串联电感L
G1
后连接至N型开关管S
F
的栅极；
[0017]所述谐振电感L
F
的一端作为所述第一Class E谐振单元的第一正端口，用于连接电源正极或负载正极；
[0018]所述电容C1的另一端作为所述第一Class E谐振单元的第一负端口，用于连接电源负极或负载负极；
[0019]所述谐振电容C
F
的一端作为第一Class E谐振单元的第二正端口，用于连接隔离型匹配网络的第一正端口；
[0020]谐振电容C
F
的另一端作为第一Class E谐振单元的第二负端口，用于连接隔离型匹配网络的第一负端口。
[0021]进一步，所述第二Class E谐振单元包括谐振电容C
d
、电容C2，谐振电感L
d
、电感L
G2
、N型开关管S
d
、直流偏置电源V
b2
；
[0022]谐振电容C
d
的一端连接谐振电感L
d
的一端、N型开关管S
d
的漏极；谐振电感L
d
的另一端连接电容C2的一端；
[0023]谐振电容C
d
的另一端连接直流偏置电源V
b2
的负极、N型开关管S
d
的源极、电容C2的另一端；直流偏置电源V
b2
的正极经串联电感L
G2
后连接至N型开关管S
d
的栅极；
[0024]所述谐振电容C
d
的一端作为第二Class E谐振单元的第一正端口，用于连接隔离型匹配网络的第二正端口；
[0025]所述谐振电容C
d
的另一端作为第二Class E谐振单元的第一负端口，用于连接隔离型匹配网络的第二负端口；
[0026]所述电容C2的一端作为第二Class E谐振单元的第二正端口，用于电源正极或负载正极；
[0027]所述电容C2的另一端作为第二Class E谐振单元的第二正端口，用于连接电源负极或负载负极。
[0028]进一步，所述隔离型匹配网络包括：电容C
B
、电容C
rec
和变压器T
r
；
[0029]电容C
B
的一端连接变压器T
r
的正输入端，变压器T
r
的正输出端连接电容C
rec
的一端，电容C
B
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器，其特征在于，所述变换器包括：第一Class E谐振单元、隔离型匹配网络、第二Class E谐振单元；所述第一Class E谐振单元的第二端口与所述隔离型匹配网络的第一端口相连，所述隔离型匹配网络的第二端口与所述第二Class E谐振单元的第一端口相连；当所述变换器的能量正向流动时，所述第一Class E谐振单元的第一端口与电源相连，所述第二Class E谐振单元的第二端口与负载相连；当所述变换器的能量反向流动时，所述第一Class E谐振单元的第一端口与负载相连，所述第二Class E谐振单元的第二端口与电源相连。2.根据权利要求1所述的自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器，其特征在于，所述第一Class E谐振单元包括：电容C1、谐振电容C
F
，谐振电感L
F
、电感L
G1
、N型开关管S
F
、直流偏置电源V
b1
；谐振电感L
F
的一端连接电容C1的一端，谐振电感L
F
的另一端连接N型开关管S
F
的漏极、谐振电容C
F
的一端；电容C1的另一端连接直流偏置电源V
b1
的负极、N型开关管S
F
的源极以及谐振电容C
F
的另一端；直流偏置电源V
b1
的正极串联电感L
G1
后连接至N型开关管S
F
的栅极；所述谐振电感L
F
的一端作为所述第一Class E谐振单元的第一正端口，用于连接电源正极或负载正极；所述电容C1的另一端作为所述第一Class E谐振单元的第一负端口，用于连接电源负极或负载负极；所述谐振电容C
F
的一端作为第一Class E谐振单元的第二正端口，用于连接隔离型匹配网络的第一正端口；谐振电容C
F
的另一端作为第一Class E谐振单元的第二负端口，用于连接隔离型匹配网络的第一负端口。3.根据权利要求2所述的自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器，其特征在于，所述第二Class E谐振单元包括谐振电容C
d
、电容C2，谐振电感L
d
、电感L
G2
、N型开关管S
d
、直流偏置电源V
b2
；谐振电容C
d
的一端连接谐振电感L
d
的一端、N型开关管S
d
的漏极；谐振电感L
d
的另一端连接电容C2的一端；谐振电容C
d
的另一端连接直流偏置电源V
b2
的负极、N型开关管S
d
的源极、电容C2的另一端；直流偏置电源V
b2
的正极经串联电感L
G2
后连接至N型开关管S
d
的栅极；所述谐振电容C
d
的一端作为第二Class E谐振单元的第一正端口，用于连接隔离型匹配网络的第二正端口；所述谐振电容C
d
的另一端作为第二Class E谐振单元的第一负端口，用于连接隔离型匹配网络的第二负端口；所述电容C2的一端作为第二Class E谐振单元的第二正端口，用于电源正极或负载正极；所述电容C2的另一端作为第二Class E谐振单元的第二正端口，用于连接电源负极或负
载负极。4.根据权利要求3所述的自谐振驱动隔离低应力型双向Class E2高频功率变换器，其特征在于，所述隔离型匹配网络包括：电容C
B
、电容C
rec
和变压器T
r
；电容C
B
的一端连接变压器T
r
的正输入端，变压器T
r
的正输出端连接电容C
rec
的一端，电容C
B
的另一端作为隔离型匹配网络的第一正端口；变压器T
r
的负输入端作为隔离型匹配网络的第一负端口，电容C
rec
的另一端作为隔离型匹配网络的第二正端口，变压器T
r
的负输出端作为隔离型匹配网络的第二负端口。5.根据权利要求4所述的自谐振驱动隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡西红，黄春蓉，秦东东，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：