專利名稱：一種兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC/DC變換器，尤其是一種固定開關(guān)頻率的全橋軟開關(guān)變換器。
背景技術(shù)：
近半個(gè)世紀(jì)以來，開關(guān)電源的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)里程①功率器件用功率 場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極晶體管取代普通功率晶體管；②高頻化控制技術(shù)的應(yīng)用和軟開 關(guān)技術(shù)的應(yīng)用；③開關(guān)電源系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)代的高頻開關(guān)電源技術(shù)是發(fā)展最快、應(yīng) 用最廣泛的一種電力電子技術(shù)?，F(xiàn)在，每一代新推出的處理器、記憶體、DSP或ASIC，它們的電源需求趨向是更低 工作電壓、更高電流、更高速度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師要面對(duì)的挑戰(zhàn)，是要應(yīng)付數(shù)量激增的低電壓的 同時(shí)，更要應(yīng)付更快速的瞬變響應(yīng)，改善整體電源系統(tǒng)的效率，提高模塊電源的功率密度， 從而占有更少的板面空間。功率密度既功率重量比或功率體積比，是表征開關(guān)電源小型化的重要指標(biāo)，功率 密度的提升，意味著產(chǎn)品在在小型化的同時(shí)具有更高的傳輸效率。目前國(guó)內(nèi)主流開關(guān)電源 產(chǎn)品的功率密度為上百瓦/立方英寸，目前正朝著更高的方向發(fā)展，功率密度提高一倍，將 大大減小電源產(chǎn)品在電路版上所占的面積，提高板子的使用效率，節(jié)約成本。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源高功率密度，必須提高DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率，從而減小電 路中儲(chǔ)能元件的體積和重量。從1980年起，提高開關(guān)頻率成為減小開關(guān)電源尺寸的最有效 手段，同時(shí)也改善了開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能。現(xiàn)在200 50KHz已成為輸出100W以下開關(guān)電 源的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)頻率。有的特殊制造的小電源開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到了兆赫茲，但是產(chǎn)品少，技術(shù) 不成熟。開關(guān)頻率的提高，伴隨著開關(guān)損耗的增加。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使得高頻開關(guān)電源 成為可能。根據(jù)負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系，現(xiàn)有諧振變換器軟開關(guān)技術(shù)可以分為串聯(lián)諧 振變換器，并聯(lián)諧振變換器，以及兩者的結(jié)合所生成的串并聯(lián)諧振變換器。本專利中的諧振 技術(shù)便是在上述軟開關(guān)技術(shù)中改進(jìn)而來。(1)串聯(lián)諧振變換器串聯(lián)諧振變換器優(yōu)點(diǎn)有1、串聯(lián)諧振電容起到隔直作用，避免高頻變壓器飽和； 2、諧振槽路電流隨負(fù)載的變輕而減小，因此輕載時(shí)效率較高。但是串聯(lián)諧振變換器在輕載 或空載情況下，輸出電壓不可調(diào)，同時(shí)輸出直流濾波電容需要承受較大的電流脈動(dòng)。(2)并聯(lián)諧振變換器并聯(lián)諧振變換器優(yōu)點(diǎn)有1、變換器可以工作至空載，因?yàn)檩敵鲭妷菏冀K與開關(guān)頻 率有關(guān)；2、由于輸出端采用大濾波電感，對(duì)濾波電容的電流脈動(dòng)電流要求小，適用于低輸出 電壓、大輸出電流的場(chǎng)合。但是并聯(lián)諧振變換器其諧振槽路電流基本與負(fù)載輕重?zé)o關(guān)，因此 開關(guān)管的通態(tài)損耗相對(duì)固定，變換器在輕載時(shí)的效率較低，僅適用于輸出電壓范圍較窄和 額定功率處負(fù)載相對(duì)恒定的場(chǎng)合。(3)串并聯(lián)諧振變換器
串并聯(lián)諧振變換器結(jié)合了串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器的特性，優(yōu)點(diǎn)有 1、當(dāng)負(fù)載為額定時(shí)，變換器呈現(xiàn)串聯(lián)諧振變換器的特性；2、當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)偏向并聯(lián)諧振變 換器的特性，其諧振槽路電流能隨負(fù)載的變化而變化，因而工作效率高，同時(shí)通過調(diào)節(jié)開關(guān) 頻率能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。但是串并聯(lián)諧振變換器的變壓器原邊漏感無法參加諧 振，造成變壓器電壓電流存在較大的相位差，導(dǎo)致諧振回路中無功電流增加，通態(tài)損耗也增 加
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換 器，是一種基于全橋開關(guān)、LLC諧振，高效、高功率密度、反應(yīng)快速、清潔的DC/DC電源方案。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換器包括全橋軟開關(guān) 的左臂中點(diǎn)通過電容連接變壓器原邊的同名端相連，全橋軟開關(guān)的右臂中點(diǎn)與變壓器原邊 的反向端相連；第五場(chǎng)效應(yīng)管的漏端連接變壓器副邊的同名端，第五場(chǎng)效應(yīng)管的源端連接 正輸出，第六場(chǎng)效應(yīng)管的漏端連接變壓器副邊的反向端，第六場(chǎng)效應(yīng)管的源端連接正輸出， 濾波電容一端連接正輸出，另一端連接地端，變壓器副邊的中間抽頭接地端；所述變壓器為 平面變壓器。所述全橋軟開關(guān)由第一 第四場(chǎng)效應(yīng)管及相應(yīng)寄生二極管構(gòu)成，其中第一場(chǎng)效應(yīng) 管、第二場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成左臂，第三場(chǎng)效應(yīng)管、第四場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成右臂；電容連接第一場(chǎng)效應(yīng) 管和第二場(chǎng)效應(yīng)管之間的節(jié)點(diǎn)，變壓器原邊的反向端連接第三場(chǎng)效應(yīng)管和第四場(chǎng)效應(yīng)管之 間的節(jié)點(diǎn)。所述全橋軟開關(guān)輸入電壓為48V，開關(guān)頻率為fs e [1ΜΗζ,2ΜΗζ]；變壓器(Ta)原
邊和副邊匝數(shù)比η e [1，20]，變壓器(Ta)原邊漏感和勵(lì)磁電感的比值義二 f e；
Lm 6 48諧振網(wǎng)絡(luò)取值變壓器原邊漏感Zv =
π Js
T AAn2R變壓器原邊勵(lì)磁電感一"^諧振電容值Cr= I^Jin2^ f ；其中，Lr為變壓器(Ta)原邊漏感，Lm為變壓器(Ta)原邊勵(lì)磁電感，R0為負(fù)載電 阻。作為優(yōu)選，所述全橋軟開關(guān)頻率fs = 1. 6兆赫茲，輸出電壓為9. 6V ；變壓器(Ta) 原邊和副邊匝數(shù)比等于5 ；諧振網(wǎng)絡(luò)取值為L(zhǎng)r = 200nH,LM = 2uH,Cr = 49nF ；其中，Lr為變 壓器原邊漏感，Lm為變壓器原邊勵(lì)磁電感，Cr為諧振電容值。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用對(duì)稱的雙極性控制方式。LLC諧振變換器是在傳統(tǒng)的串聯(lián) 或并聯(lián)LC諧振變換器的基礎(chǔ)上改良產(chǎn)生的，它既吸收了串聯(lián)諧振變換器諧振電容所起到 的隔直作用和諧振槽路電流隨負(fù)載輕重而變化，輕載時(shí)效率較高的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又兼具了并聯(lián)諧振變換器可以工作在空載條件下，對(duì)濾波電容的電流脈動(dòng)電流要求小的特點(diǎn)，同時(shí)充 分利用器件的寄生參數(shù)減小了 EMI的影響同時(shí)讓體積變小提高了功率密度。該專利產(chǎn)品使 電源開關(guān)頻率達(dá)到兆赫茲數(shù)量級(jí)，響應(yīng)速度在2微妙，功率密度每立方英寸功率可達(dá)到了 400瓦，是一種比較理想的諧振變換器拓?fù)洹?br>

圖1是圖6的等效電路 圖。圖2是圖1的等效并聯(lián)電路圖。圖3是圖2的等效串聯(lián)電路圖。圖4是圖2電路輸入輸出電壓增益波形圖。圖5是兆赫茲全橋LLC電路傳輸效率波形圖。圖6兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換器電路原理圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)例對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖6所示，本發(fā)明所述兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換器包括全橋軟開關(guān)的左臂中 點(diǎn)A通過電容Cr連接變壓器Ta原邊的同名端相連，全橋軟開關(guān)的右臂中點(diǎn)B與變壓器Ta 原邊的反向端相連；第五場(chǎng)效應(yīng)管Sl的漏端連接變壓器Ta副邊的同名端，第五場(chǎng)效應(yīng)管 Sl的源端連接正輸出，第六場(chǎng)效應(yīng)管S2的漏端連接變壓器Ta副邊的反向端，第六場(chǎng)效應(yīng)管 S2的源端連接正輸出，濾波電容Cf 一端連接正輸出，另一端連接地端，變壓器Ta副邊的中 間抽頭接地端；所述變壓器Ta為平面變壓器。所述全橋軟開關(guān)由第一 第四場(chǎng)效應(yīng)管Tl、T2、T3、T4及相應(yīng)寄生二極管Dl、D2、 D3、D4構(gòu)成，其中第一場(chǎng)效應(yīng)管Tl、第二場(chǎng)效應(yīng)管T2構(gòu)成左臂，第三場(chǎng)效應(yīng)管T3、第四場(chǎng)效 應(yīng)管T4構(gòu)成右臂，采用雙極性控制方式；電容Cr連接第一場(chǎng)效應(yīng)管Tl和第二場(chǎng)效應(yīng)管T2 之間的節(jié)點(diǎn)A，變壓器Ta原邊的反向端連接第三場(chǎng)效應(yīng)管T3和第四場(chǎng)效應(yīng)管T4之間的節(jié) 點(diǎn)B。關(guān)于全橋軟開關(guān)的詳細(xì)解釋，見《開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)》修訂版，張松贊、蔡宣三編 著，2004年9月，電子工業(yè)出版社；第363頁(yè)到365頁(yè)。為了進(jìn)一步的說明本發(fā)明實(shí)施例提供的電路，現(xiàn)結(jié)合圖1至圖5詳細(xì)描述其工作 原理及推導(dǎo)過程。推導(dǎo)過程所描述范圍主要是全橋LLC諧振部分，同步整流部分不做詳細(xì) 說明，因此將電路圖等效為如圖1所示。兆赫茲全橋LLC串聯(lián)諧振變換器等效電路和數(shù)學(xué)模型建立如圖1所示的全橋LLC串聯(lián)諧振變換器電路，其等效并聯(lián)電路如圖2所示。當(dāng)變 換器運(yùn)行在諧振頻率時(shí)，諧振電流近似為正弦波。而在一個(gè)周期內(nèi)。諧振電流對(duì)Lm進(jìn)行充 放電，因此，磁化電流近似為三角波。除去開關(guān)管部分，同時(shí)忽略死區(qū)時(shí)間，假設(shè)兩管的占空 比為50%，那么，諧振電路的輸入信號(hào)為0 Vs的方波。A，B兩點(diǎn)間的電壓在前半個(gè)周期 0 Ts/2時(shí)Uab = Vin，在后半個(gè)周期時(shí)Ts/2 Ts時(shí)Uab = -Vino所以A，B間的基波分量為
4Vfx{t)^-VINsm(wst)(1)
Tt9 P)4基波分量的有效值為(…=^Vm,峰值為廠伐―)=~VIN。變壓器初級(jí)
7ΓTt
的等效負(fù)載阻抗為 %n2=~-Rm eI 雙2 O {Ζ)圖3為圖2的等效電路圖，即將并聯(lián)轉(zhuǎn)換成串聯(lián)。其中 「 π Γ ’ k^ τ & 1
_。]職‘，(3)
1} 1 = (4) RQp =-—(5)
lM
λ Lr令2 = 7^，貝1J有
L^Lr+LM=Lr{\^) = LM{\ + A)(6)
_ 1再令=(7)w^vrar(8)Z0 = Jlr +c:M(9)QL 今=二 r、= Wr2Cr R叫(10)在圖2中，從Vfiw往右看的等效阻抗為
7 1 , . T , JWsLMReqΖ=—- + JWsLr+-~—-(11)
J^sCrJWsLm + Req經(jīng)過整理后得
Z=-_^_^ W^1+A w^(12)
%圖2中，輸出 電壓V ‘ ο與Vfl(t)的 比值為
權(quán)利要求
一種兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換器，其特征是包括全橋軟開關(guān)的左臂中點(diǎn)(A)通過電容(Cr)連接變壓器(Ta)原邊的同名端相連，全橋軟開關(guān)的右臂中點(diǎn)(B)與變壓器(Ta)原邊的反向端相連；第五場(chǎng)效應(yīng)管(S1)的漏端連接變壓器(Ta)副邊的同名端，第五場(chǎng)效應(yīng)管(S1)的源端連接正輸出，第六場(chǎng)效應(yīng)管(S2)的漏端連接變壓器(Ta)副邊的反向端，第六場(chǎng)效應(yīng)管(S2)的源端連接正輸出，濾波電容(Cf)一端連接正輸出，另一端連接地端，變壓器(Ta)副邊的中間抽頭接地端；所述變壓器(Ta)為平面變壓器。
2.如權(quán)利要求1所述兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換器，其特征是所述全橋軟開關(guān)由第 一 第四場(chǎng)效應(yīng)管(Tl、T2、T3、T4)及相應(yīng)寄生二極管(Dl、D2、D3、D4)構(gòu)成，其中第一場(chǎng) 效應(yīng)管(Tl)、第二場(chǎng)效應(yīng)管(T2)構(gòu)成左臂，第三場(chǎng)效應(yīng)管(T3)、第四場(chǎng)效應(yīng)管(T4)構(gòu)成右 臂；電容(Cr)連接第一場(chǎng)效應(yīng)管(Tl)和第二場(chǎng)效應(yīng)管(T2)之間的節(jié)點(diǎn)(A)，變壓器(Ta) 原邊的反向端連接第三場(chǎng)效應(yīng)管(T3)和第四場(chǎng)效應(yīng)管(T4)之間的節(jié)點(diǎn)(B)。
3.如權(quán)利要求1所述兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換器，其特征是所述全橋軟開關(guān)輸入電 壓為48V，開關(guān)頻率為fs e [IMHz，2MHz]；變壓器(Ta)原邊和副邊匝數(shù)比η e [1，20]，變壓器(Ta)原邊漏感和勵(lì)磁電感的比值義=^1"·^^,^];Lm 6 48諧振網(wǎng)絡(luò)取值r ^n1R變壓器(Ta)原邊漏感及二一T^^ fsT AAn2R變壓器(Ta)原邊勵(lì)磁電感Zm =—"Y7^諧振電容值= 16 二 Λ 5其中R。為負(fù)載電阻。
4.如權(quán)利要求3所述兆赫茲級(jí)全橋軟開關(guān)變換器，其特征是所述全橋軟開關(guān)頻率fs =1. 6兆赫茲，輸出電壓為9. 6V ；變壓器(Ta)原邊和副邊匝數(shù)比等于5 ；諧振網(wǎng)絡(luò)取值為k =200nH, Lm = 2uH，Cr = 49nF ；其中，Lr為變壓器原邊漏感，Lm為變壓器原邊勵(lì)磁電感，Cr 為諧振電容值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種固定工作頻率的全橋軟開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，它包含一個(gè)全橋開關(guān)，一個(gè)LLC高頻諧振電路，一個(gè)同步整流電路。本發(fā)明采用對(duì)稱的雙極性控制方式。LLC諧振變換器是在傳統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)LC諧振變換器的基礎(chǔ)上改良產(chǎn)生的，它既吸收了串聯(lián)諧振變換器諧振電容所起到的隔直作用和諧振槽路電流隨負(fù)載輕重而變化，輕載時(shí)效率較高的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又兼具了并聯(lián)諧振變換器可以工作在空載條件下，對(duì)濾波電容的電流脈動(dòng)電流要求小的特點(diǎn)，所以它是一種比較理想的諧振變換器拓?fù)洹?br> 文檔編號(hào)H02M3/338GK101969267SQ20101029186
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者吳旭, 易峰, 郭海平, 錢宏文 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所