[发明专利]一种链式双桥自耦降压拓扑

说明书

本发明涉及一种全新的电路拓扑，具体为一种链式双桥自耦降压拓扑，解决了传统的降压直流变换器输出功率低、体积大、效率低、可靠性低的弊端。本技术采用双管交错驱动，输出功率可以提升一倍。高频变压器设计为无耦合的“链式”结构，消除耦合变换的能量丢失，提高效率。本技术实现了降压电源在相同功率和电气参数的要求下，体积减小50％，输出功率增加了一倍，效率提高10％，效率最高可以达到96％。

技术领域

本发明涉及正向输出降压式直流变换器。

背景技术

目前国内外降压开关电源的电路常用的有BOOST降压电路和基于反激的降压电路拓扑等。

BOOST降压电路的主电路图如图1所示，工作原理是：输入电源通过功率开关管(Q)的通断将储能电感(L)储能并与输入电压叠加后经快恢复隔离二极管(D)传递给输出电容(C)，完成降压过程。

基于反激降压拓扑主电路图如图2所示，当开关管(Q)导通时，变压器B的初级线圈储能，当开关管截止时初级储能再经高频变压器耦合给次级，通过初次级匝比设计，实现降压过程。高频变压器在初次级耦合过程中有能量损失，会降低整机效率。

无论是BOOST降压电路还是反激拓扑降压电路都是单支功率管的电路结构，即便是可以采用多支功率管并联的形式，但由于并联功率管之间的均流及功率管自身的正温度系数特性等因素不同，在实际使用中难以扩充功率，因此这两种电路通常最大只能输出几百瓦的功率，难以满足市场对大功率降压电源的需求。

两者都是通过初级电感储能后再进行能量传递，目前磁性材料及导磁率等方面的限制，使得储能电感及反激变压器的磁材尺寸较大， 磁材利用率较低，整体功率密度较低，产品在极限应用时易出现磁材饱和并导致电路损坏情况。

发明内容

本发明在国内外开关电源领域创造了一种全新的电路拓扑，解决了传统的降压式直流变换器的输出功率低、体积大、故障模式危害负载的弊端。

本技术实现了降压电源在相同功率和电气参数的要求下，体积减小50％，输出功率增加了一倍，效率提高10％，效率最高可以达到96％，故障模式不会使负载过电压。

“链式双桥自耦降压拓扑”创造了“互为交错增功率驱动”、“无耦合高频链式降压变压器”的全新电路拓扑。“链式双桥自耦降压拓扑”的原理框图如图3。

图3中：链式双桥自耦降压拓扑电路，由四个功率开关MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，一个无耦合高频链式正向升压变压器B，一个谐振电感L1，一个次级整流电路D1、D2，一个输出滤波电感L2，和一个输出滤波电容C2构成；功率开关MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的结电容和L2作为谐振元件，使四个开关管一次在零电压下导通，实现恒频软开关。Q1、Q2构成超前臂，Q3、Q4构成滞后臂。为了防止桥臂直通短路，Q1和Q2，Q3和Q4之间人为的加入死区时间控制，它是根据开通延时和关断不延时的原则来设置同一桥臂死区时间。

该拓扑的原理图中，“互为交错增功率驱动”建立了大功率输出的双管驱动结构，以交错导通的方式每支开关管占空比为50％，此 电路拓扑结构，使输出功率比单管电路拓扑的输出功率提升了一倍。

“无耦合高频链式降压变压器”突破了传统设计，依据电磁感应原理，直接将目前传统的初次级两个线圈高度集成为一个具有对称结构的降压能量“链”。降压“链”式高频变压器特点是节省了一组线圈，集成并共用了初级线圈，可以最大限度的将初级功率经降压后传递至输出端。“无耦合高频链式降压变压器”改变了目前传统高频变压器需初次级耦合进行能量交换。经过多年的潜心设计、生产与比对，该“链”式集成高频变压器，其传输效率在国内外高频变压器领域内为最高，并且节省了线圈所用铜线，减小磁材的体积和用料。

下面讲述“链式双桥自耦降压拓扑”拓扑电路的工作过程：