一种高效高降压比低输出纹波隔离型开关变换电路

本发明属于电能变换装置的直流-直流变换器，尤其涉及一种高效高降压比低输出纹波隔离型开关变换电路。

背景技术：

1、随着电动汽车、人工智能、大数据技术、通信系统等应用快速发展，配电系统所需负载电流的不断增加，母线电压进一步提高，而cpu等其他低压大电流装置所需的供电电压较低，这对传统高降压比开关变换器带来了严峻的挑战，迫切需要一种高效率、高降压比、低输出纹波的开关变换电路。有源钳位正激变换器由于其较高的变压器匝数比，并具有副边侧的滤波电感，被认为是一个具有高降压比、低输出纹波特性的解决方案。但由于其拓扑特性，存在原边开关管器件应力大、重载下零电压开通实现困难、需要较高的变压器匝数比、副边侧电感电流应力大等缺陷，有源钳位整机变换器在高降压比的低压大电流场景下整机效率表现不佳，不能作为一个良好的解决方案。

2、llc-dcx变换器具有极高的转换效率与较高的降压比，其与多相交错buck变换器进行级联的高降压比系统在目前的学术界与工业界被认为是实现低输出纹波、高降压比特性的可行性方案。然而，该级联系统的效率与功率密度仍存在缺陷：两级式级联结构由于额外的母线电压应力，具有更大的导通损耗，进而降低系统效率；级联系统的器件数量多，功率密度低；llc-dcx控制电路复杂、变压器设计成本高。因此，该系统也不能作为最佳的高效率、高降压比、低纹波输出变换器解决方案。

技术实现思路

1、为解决传统高降压比开关变换器在低压大电流场景下难以同时兼顾高效率、高功率密度与低电压纹波特性，本发明电路结合倍流整流网络的低电流应力与降压型电容网络的低电压应力优势，将两类拓扑进行整合，提供了一种高效高降压比低输出纹波隔离型开关变换电路。

2、本发明的一种高效高降压比低输出纹波隔离型开关变换电路，包括主功率电路及其控制电路。

3、开关变换电路为3阶高效高降压比低输出纹波隔离型开关变换电路时，主功率电路包括功率开关管s1、s2、s3、……、s8、飞跨电容c1、c2、c3、变压器t1、滤波电感l1、l2、输出滤波电容co。

4、其中，开关管s1漏极连接电压源，源极连接到开关管s2漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s2源极连接到开关管s3漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s3源极连接到开关管s4漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s4源极连接到开关管s5漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s5源极连接到地，门级连接到驱动vl2；开关管s6源极连接到地，门级连接到驱动vl1；变压器t1原边侧上端连接到开关管s4与s5之间，下端连接到开关管s6漏极；飞跨电容c1正端连接到开关管s1与s2之间，负端连接到开关管s6漏极；飞跨电容c2正端连接到开关管s2与s3之间，负端连接到开关管s4与s5之间；飞跨电容c3正端连接到开关管s3与s4之间，负端连接到开关管s6漏极；变压器副边侧上端连接到开关管s7漏极，下端连接到开关管s8漏极；开关管s7源极连接到地，门级连接到驱动vl2；开关管s8源极连接到地，门级连接到驱动vl1；储能电感l1一侧连接到开关管s7漏极，另一侧连接到输出电容co；储能电感l2一侧连接到开关管s8漏极，另一侧连接到输出电容co；输出负载并联于输出电容co两端。

5、控制电路采用两路相位交错的互补导通电压模式控制策略，控制电路包括由rf1与rf2构成的电压采样电路、误差放大器ea1与ea2、由rcomp、ccomp、cff构成的二型补偿网络与由re、ce构成的单极点补偿网络、光耦合器、比较器、移相发生器与驱动模块。

6、其中，s1、s3驱动信号相同，为vh1，与s6、s8驱动信号互补，为vl1；s2、s4驱动信号相同，为vh2，与s5、s7驱动信号互补，为vl2；s1与s2相位互差180°；采样电阻rf1一侧连接到输出端，另一侧连接到误差放大器ea1反相端；采样电阻rf2一侧连接到误差放大器ea1反相端，另一侧连接到副边侧信号地；误差放大器ea1同相端连接到基准电压vref1，输出端连接到光耦电阻rop；电容ccomp一侧连接到误差放大器ea1输出端，另一侧连接到电阻rcomp；电阻rcomp另一侧连接到误差放大器ea1的反相端；电容cff一侧连接到误差放大器ea反相端，另一侧连接到误差放大器ea的输出端；光耦电阻rop另一侧连接到光耦合器的二极管阴极；光耦合器的二极管阳极连接到一个外部直流电平，其三极管发射极连接到原边侧信号地，其三极管集电极连接到误差放大器ea2反相端；误差放大器ea2同相端接入基准电压vref2；电容ce一侧连接到误差放大器ea2输出端，另一侧连接到电阻re；电阻re另一侧连接到误差放大器ea2的反相端；比较器反相端连接到误差放大器ea2输出端，同相端接入三角载波vsaw，输出端与驱动模块和移相发生器相连。

7、控制方式具体为：当输出电压高于被控目标电压时，经过二型补偿网络以及误差放大后，误差放大器ea1的误差电压信号降低，导致rop两端电压增加；光耦电流增大，光耦原边三极管压降减小，ea2反相端电位降低，经单极点补偿网络后输出一个较低的电平信号ve，送入比较器的反相端中，与比较器同相端的三角载波进行比较后，生成更小占空比的方波信号，与其对应的互补信号；同时，信号还将送入移相发生器中进行180°相移，得到两路错相的互补信号vh1、vl1、vh2、vl2，并送入对应开关管驱动芯片以控制其导通与关断，最终实现恒压控制。

8、进一步的，开关变换电路为2阶高效高降压比低输出纹波隔离型开关变换电路时，主功率电路包括功率开关管s1、s2、s3、……、s7、飞跨电容c1、c2、变压器t1、滤波电感l1、l2、输出滤波电容co。

9、其中，开关管s1漏极连接电压源，源极连接到开关管s2漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s2源极连接到开关管s3漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s3源极连接到开关管s4漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s4源极连接到地，门级连接到驱动vl1；开关管s5源极连接到地，门级连接到驱动vl2；变压器t1原边侧上端连接到开关管s3与s4之间，下端连接到开关管s5漏极；飞跨电容c1正端连接到开关管s1与s2之间，负端连接到开关管s4漏极；飞跨电容c2正端连接到开关管s2与s3之间，负端连接到开关管s5漏极；变压器副边侧上端连接到开关管s6漏极，下端连接到开关管s7漏极；开关管s6源极连接到地，门级连接到驱动vl1；开关管s7源极连接到地，门级连接到驱动vl2；储能电感l1一侧连接到开关管s6漏极，另一侧连接到输出电容co；储能电感l2一侧连接到开关管s7漏极，另一侧连接到输出电容co；输出负载并联于输出电容co两端。

10、进一步的，开关变换电路为1阶高效高降压比低输出纹波隔离型开关变换电路时，主功率电路包括功率开关管s1、s2、s3、……、s6、飞跨电容c1、变压器t1、滤波电感l1、l2、输出滤波电容co。

11、其中，开关管s1漏极连接电压源，源极连接到开关管s2漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s2源极连接到开关管s3漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s3源极连接到地，门级连接到驱动vl2；开关管s4源极连接到地，门级连接到驱动vl1；变压器t1原边侧上端连接到开关管s2与s3之间，下端连接到开关管s4漏极；飞跨电容c1正端连接到开关管s1与s2之间，负端连接到开关管s4漏极；变压器副边侧上端连接到开关管s5漏极，下端连接到开关管s6漏极；开关管s5源极连接到地，门级连接到驱动vl2；开关管s6源极连接到地，门级连接到驱动vl1；储能电感l1一侧连接到开关管s5漏极，另一侧连接到输出电容co；储能电感l2一侧连接到开关管s6漏极，另一侧连接到输出电容co；输出负载并联于输出电容co两端。

12、进一步的，开关变换电路为n阶高效高降压比低输出纹波隔离型开关变换电路时，主功率电路包括功率开关管s1、s2、s3、……、sn+5、飞跨电容c1、c2、c3、……、cn、变压器t1、滤波电感l1、l2、输出滤波电容co。

13、其中，开关管s1漏极连接电压源，源极连接到开关管s2漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s2源极连接到开关管s3漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s3源极连接到开关管s4漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s4源极继续类似连接，直到开关管sn+1漏极，其门级连接到驱动vh2；当该n阶电路为奇数阶时，有：开关管sn+1源极连接到开关管sn+2漏极，门级连接到驱动vh2；开关管sn+2源极连接到地，门级连接到驱动vl2；开关管sn+3源极连接到地，门级连接到驱动vl1；变压器t1原边侧上端连接到开关管sn+1与sn+2之间，下端连接到开关管sn+3漏极；飞跨电容c1正端连接到开关管s1与s2之间，负端连接到开关管sn+2漏极；飞跨电容c2正端连接到开关管s2与s3之间，负端连接到开关管sn+3漏极；飞跨电容cn正端连接到开关管sn与sn+1之间，负端连接到开关管sn+3漏极；变压器副边侧上端连接到开关管sn+4漏极，下端连接到开关管sn+5漏极；开关管sn+4源极连接到地，门级连接到驱动vl2；开关管sn+5源极连接到地，门级连接到驱动vl1；该n阶电路为偶数阶时，有：开关管sn+1源极连接到开关管sn+2漏极，门级连接到驱动vh1；开关管sn+2源极连接到地，门级连接到驱动vl1；开关管sn+3源极连接到地，门级连接到驱动vl2；变压器t1原边侧上端连接到开关管sn+1与sn+2之间，下端连接到开关管sn+3漏极；飞跨电容c1正端连接到开关管s1与s2之间，负端连接到开关管sn+3漏极；飞跨电容c2正端连接到开关管s2与s3之间，负端连接到开关管sn+2漏极；飞跨电容cn正端连接到开关管sn与sn+1之间，负端连接到开关管sn+2漏极；变压器副边侧上端连接到开关管sn+4漏极，下端连接到开关管sn+5漏极；开关管sn+4源极连接到地，门级连接到驱动vl1；开关管sn+5源极连接到地，门级连接到驱动vl2；储能电感l1一侧连接到开关管s5漏极，另一侧连接到输出电容co；储能电感l2一侧连接到开关管s6漏极，另一侧连接到输出电容co；输出负载并联于输出电容co两端。

14、本发明与现有技术相比的有益技术效果为：

15、1、本发明提供了一种高效高降压比低输出纹波隔离型电容网络拓扑整合原则，并针对不同的应用场合需求，公开了一系列具有高效率、高降压比、低输出纹波特性的隔离型开关变换电路。

16、2、本发明电路的原边侧电容网络具有较高降压比特性，可使用较小的匝数比即可使电路具有高降压比特性。当占空比为0.1时，仅采用3个飞跨电容以及2.5倍的变压器匝数比，即可实现百倍降压，体现了该电路的高降压比特性，优于多数传统高降压比开关变换器拓扑。

17、3、本发明电路的原边侧电容网络使得电路整体具有低电压应力特性，以优化选型，并提高效率。仅有部分开关管电压应力为vi/2，其余均小于等于vi/4，优于多数单级式传统开关变换器拓扑。

18、4、本发明电路的副边侧具有电感电流自动均衡功能，无需添加额外均流模块，可优化控制模块，提升整机功率密度。

19、5、本发明电路提供了两种驱动方案，可基于不同应用场景，针对导通损耗与开关损耗占比，灵活合理选取驱动方案，以优化电路效率特性。