一种高功率密度电源

摘要

本发明涉及一种高功率密度电源，包括相互串联的前级拓扑电路和次级拓扑电路，所述高功率密度电源进一步包括连接到所述前级拓扑电路和次级拓扑电路之间的切换模块，所述切换模块用于基于控制信号导通或断开以短路或接通所述前级拓扑电路。实施本发明的高功率密度电源，通过切换模块短路或接通所述前级拓扑电路，使得在某些设定条件下前级拓扑电路不工作以降低损耗并进一步提高效率，而在另一些设定条件前级拓扑电路工作实现高功率密度，从而同时兼顾电源的高功率密度和高效率。

权利要求

1.一种高功率密度电源，包括相互串联的前级拓扑电路和次级拓扑电路，其特征在于，所述高功率密度电源进一步包括连接到所述前级拓扑电路和次级拓扑电路之间的切换模块，所述切换模块用于基于控制信号导通或断开以短路或接通所述前级拓扑电路；

所述前级拓扑电路是降压式变换电路，所述次级拓扑电路是交错并联谐振电路；所述降压式变换电路和交错并联谐振电路相互串联，所述切换模块连接到所述降压式变换电路和交错并联谐振电路之间，且所述切换模块用于基于所述控制信号导通或断开以短路或接通所述降压式变换电路；

所述高功率密度电源包括与所述切换模块通信连接的控制信号生成模块，所述控制信号生成模块用于接收电源运行参数设定并基于所述电源运行参数设定生成所述控制信号；

当所述控制信号生成模块接收到设定电源工作到核心区域的电源运行参数设定时，生成第一控制信号，所述第一控制信号用于控制切换模块导通从而短路所述降压式变换电路，当所述控制信号生成模块接收到设定电源工作到非核心区域的电源运行参数设定时，生成第二控制信号，所述第二控制信号控制切换模块断开从而接通所述降压式变换电路。

2.根据权利要求1所述的高功率密度电源，其特征在于，所述切换模块包括与所述降压式变换电路并联的开关器件。

3.根据权利要求2所述的高功率密度电源，其特征在于，所述切换模块包括金属氧化物半导体场效应晶体管，所述金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接到所述控制信号生成模块，所述金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和漏极分别连接到所述降压式变换电路的输入端和输出端。

4.根据权利要求2所述的高功率密度电源，其特征在于，所述切换模块包括继电器，所述继电器的控制端连接到所述控制信号生成模块，所述继电器的动触头和静触点分别连接到所述降压式变换电路的输入端和输出端。

5.根据权利要求2所述的高功率密度电源，其特征在于，所述切换模块包括三极管，所述三极管的基极连接到所述控制信号生成模块，所述三极管的发射极和集电极分别连接到所述降压式变换电路的输入端和输出端。

说明书

一种高功率密度电源

技术领域

[0001] 本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及一种高功率密度电源。

背景技术

[0002] 随着开关电源技术的发展，高频化、高效率、高功率密度已经成为开关电源的发展趋势。高频化能够有效的减小开关电源体积，然而频率过高会带来开关管损耗增大的问题，不利于提高电源的效率。交错并联谐振电路作为一种特殊的电路拓扑，既能满足高频化的要求，又能达到较高的变换效率，在高效率发展趋势的推动下，已经被业界广泛采用。

[0003] 为了实现高功率密度，本领域常常采用降压式变换电路加交错并联谐振电路。该方案可以利用降压式变换电路优化了交错并联谐振电路的设计，也解决了交错并联谐振电路在控制上的问题。同时，交错并联谐振电路可使得输出电流频率加倍，纹波电流大为减小，有利于滤波电容体积的减小，从而实现电源体积的小型化，提高功率密度。但是，增加降压式变换电路也会带来功率损耗，因此整个电源的效率难以进一步提高。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的包含降压式变换电路和交错并联谐振电路的电源，难以同时兼顾高功率密度和高效率的缺陷，提供一种高功率密度电源。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高功率密度电源，包括相互串联的前级拓扑电路和次级拓扑电路，所述高功率密度电源进一步包括连接到所述前级拓扑电路和次级拓扑电路之间的切换模块，所述切换模块用于基于控制信号导通或断开以短路或接通所述前级拓扑电路。

[0006] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述前级拓扑电路包括降压式变换电路或升压式变换电路；所述后级拓扑电路包括交错半桥谐振电路、交错全桥谐振电路或移相全桥电路。

[0007] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述高功率密度电源包括与所述切换模块通信连接的控制信号生成模块，所述控制信号生成模块用于接收电源运行参数设定并基于所述电源运行参数设定生成所述控制信号。

[0008] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述切换模块包括与所述前级拓扑电路并联的开关器件。

[0009] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述前级拓扑电路是降压式变换电路，所述次级拓扑电路是交错并联谐振电路；所述降压式变换电路和交错并联谐振电路相互串联，所述切换模块连接到所述降压式变换电路和交错并联谐振电路之间，且所述切换模块用于基于所述控制信号导通或断开以短路或接通所述降压式变换电路。

[0010] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述高功率密度电源包括与所述切换模块通信连接的控制信号生成模块，所述控制信号生成模块用于接收电源运行参数设定并基于所述电源运行参数设定生成所述控制信号。

[0011] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述切换模块包括与所述降压式变换电路并联的开关器件。

[0012] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述切换模块包括金属氧化物半导体场效应晶体管，所述金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接到所述控制信号生成模块，所述金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和漏极分别连接到所述降压式变换电路的输入端和输出端。

[0013] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述切换模块包括继电器，所述继电器的控制端连接到所述控制信号生成模块，所述继电器的动触头和静触点分别连接到所述降压式变换电路的输入端和输出端。

[0014] 在本发明所述的高功率密度电源中，所述切换模块包括三极管，所述三极管的基极连接到所述控制信号生成模块，所述三极管的发射极和集电极分别连接到所述降压式变换电路的输入端和输出端。

[0015] 实施本发明的高功率密度电源，通过切换模块短路或接通所述前级拓扑电路，使得在某些设定条件下前级拓扑电路不工作以降低损耗并进一步提高效率，而在另一些设定条件前级拓扑电路工作实现高功率密度，从而同时兼顾电源的高功率密度和高效率。

附图说明

[0016] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0017] 图1是本发明的高效率高功率密度电源的第一实施例的逻辑框图；

[0018] 图2是本发明的高效率高功率密度电源的第二实施例的逻辑框图；

[0019] 图3是本发明的高效率高功率密度电源的第二实施例的电路图；

[0020] 图4是本发明的高效率高功率密度电源的第三实施例的切换模块的电路图；

[0021] 图5是本发明的高效率高功率密度电源的第四实施例的切换模块的电路图；

[0022] 图6是本发明的高效率高功率密度电源的第五实施例的逻辑框图。

具体实施方式

[0023] 如图1所示，本发明的高效率高功率密度电源包括降压式变换电路100、交错并联谐振电路200以及切换模块300。其中所述降压式变换电路100和交错并联谐振电路200相互串联，所述切换模块300连接到所述降压式变换电路100和交错并联谐振电路200之间。所述切换模块300接收控制信号，并基于该控制信号导通或断开，从而短路或接通所述降压式变换电路100。

[0024] 当电源需要工作在核心区域的情况下(例如需要半载效率较高时)，给切换模块300发送控制其导通的控制信号。降压式变换电路100被短路，输入电压直接施加到交错并联谐振电路200的输入端，仅交错并联谐振电路200工作，此时可以降低电源的损耗，进一步提高效率。当电源工作需要工作在非核心区域时(例如需要高压、低压输出或者轻载、重载时)，切换模块300接收控制其断开的控制信号，从而接通降压式变换电路100。本领域技术人员知悉，可以采用专门的控制信号生成模块(如图2中示出的实施例)生成该控制信号，也可以采用人工的方式触发切换模块300从而生成该控制信号。此时，输入电压施加到降压式变换电路100的输入端，降压式变换电路100和交错并联谐振电路200共同工作进而满足电源在各种条件下工作，实现高功率密度。

[0025] 在本实施例中，所述切换模块300可以是任何在控制信号作用下，将降压式变换电路断开或者导通的电路、模块或者开关器件。例如，在本发明的一个简化实施例中，所述切换模块300甚至可以是一个开关。控制所述切换模块的控制信号可以由电源内外的其他模块自动生成，也可以来自用户的主动触发。例如，该切换模块300是与降压式变换电路100并联的开关。当用户需要电源工作在核心区域时，闭合开关，此时降压式变换电路100被短路。当用户需要电源工作在非核心区域时，断开开关，此时降压式变换电路100在电路中接通。根据本发明的教导，本领域技术人员可采用各种方式生成各种控制信号、选择合适的器件构成切换模块，并使用该各种控制信号控制切换模块的导通或断开，因此，本发明不受切换模块的具体构造和实现的限制。

[0026] 图2是本发明的高效率高功率密度电源的第二实施例的逻辑框图。如图2所示，本发明的高效率高功率密度电源包括降压式变换电路100、交错并联谐振电路200、切换模块300以及控制信号生成模块400。其中所述降压式变换电路100和交错并联谐振电路200相互串联，所述切换模块300与所述降压式变换电路100并联。控制信号生成模块400与所述切换模块300通信连接。所述控制信号生成模块400接收电源运行参数设定并基于所述电源运行参数设定生成控制信号。所述切换模块300接收控制信号，并基于该控制信号导通或断开，从而短路或接通所述降压式变换电路100。

[0027] 本领域技术人员知悉，所述控制信号生成模块400可以直接接收用户输入的电源运行参数设定，也可以从存储器中接收该电源运行参数设定，也可以从专门用于管理电源运行的管理模块或控制模块中获取。该电源运行参数设定可以包括关于电源工作在核心区域或非核心区域的信息。当然，该电源运行参数设定还可以包括其他信息。在此，本发明不受电源运行参数设定的来源和具体内容的限制。当然，本领域技术人员知悉，在本发明的简化实施例中，也可不采用控制信号生成模块400，而是直接触发切换模块。

[0028] 例如，当控制信号生成模块400接收到设定电源工作到核心区域的电源运行参数设定时，生成一控制信号。该控制信号用于控制切换模块导通从而短路所述降压式变换电路100。当控制信号生成模块400接收到设定电源工作到非核心区域的电源运行参数设定时，生成另一控制信号。该控制信号控制切换模块断开从而接通所述降压式变换电路100。如前所述，在本实施例中，所述切换模块300可以是任何在控制信号作用下，将降压式变换电路断开或者导通的电路、模块或者开关器件。

[0029] 图3是本发明的高效率高功率密度电源的第二实施例的电路图。图4示出，当切换模块300为金属氧化物半导体场效应晶体管的实施例。参见图3和4可知，本发明的高效率高功率密度电源包括降压式变换电路100、交错并联谐振电路200、切换模块300以及控制信号生成模块400。其中该切换模块300为金属氧化物半导体场效应晶体管。在该实施例中，降压式变换电路100的第一输入端和第二输入端A分别连接到其前级电路，所述降压式变换电路100的第一输出端和第二输出端B分别连接所述交错并联谐振电路200的第一输入端和第二输入端。所述金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接到所述控制信号生成模块400以接收控制信号。所述金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和漏极分别连接到所述降压式变换电路的第二输入端A和第二输出端B。

[0030] 在图4示出的实施例中，当控制信号生成模块400接收到设定电源工作到非核心区域的电源运行参数设定时，生成高电平控制信号。所述金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极接收所述高电平信号，进而导通所述金属氧化物半导体场效应晶体管。接着，降压式变换电路100被短路，仅交错并联谐振电路200工作，此时可以降低电源的损耗，进一步提高效率。控制信号生成模块400在接收到设定电源工作到核心区域的电源运行参数设定时，生成低电平控制信号，所述金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极接收所述低电平信号，所述金属氧化物半导体场效应晶体管截止，降压式变换电路100和交错并联谐振电路200共同工作进而满足电源在各种条件下工作，实现高功率密度。在图4示出的实施例中，也可以将低电平控制信号作为导通所述金属氧化物半导体场效应晶体管的控制信号，将高电平控制作为截止所述金属氧化物半导体场效应晶体管的控制信号。本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

[0031] 图5示出，当切换模块300包括继电器的实施例。参见图3和5可知，本发明的高效率高功率密度电源包括降压式变换电路100、交错并联谐振电路200、切换模块300以及控制信号生成模块400。其中该切换模块300为继电器。在该实施例中，降压式变换电路100的第一输入端和第二输入端A分别连接到其前级电路，所述降压式变换电路100的第一输出端和第二输出端B分别连接所述交错并联谐振电路200的第一输入端和第二输入端。
所述继电器的控制端连接到所述控制信号生成模块400，所述继电器的动触头和静触点分别连接到所述降压式变换电路的第二输入端A和第二输出端B。

[0032] 在图5示出的实施例中，当控制信号生成模块400接收到设定电源工作到非核心区域的电源运行参数设定时，生成高电平控制信号。所述继电器的控制端接收所述高电平信号，继电器闭合。接着，降压式变换电路100被短路，仅交错并联谐振电路200工作，此时可以降低电源的损耗，进一步提高效率。当控制信号生成模块400接收到设定电源工作到核心区域的电源运行参数设定时，生成低电平控制信号，所述继电器的控制端接收所述低电平信号，所述继电器断开，降压式变换电路100和交错并联谐振电路200共同工作进而满足电源在各种条件下工作，实现高功率密度。在本发明图5示出的实施例中，也可以将低电平控制信号作为闭合所述继电器的控制信号，将高电平控制作为断开所述继电器的控制信号。本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

[0033] 在本发明的其他实施例中，所述切换模块300还可以包括其他开关器件。比如，其可以包括三极管，所述三极管的基极连接到所述控制信号生成模块400，所述三极管的发射极和集电极分别连接到所述降压式变换电路的第二输入端A和第二输出端B。当然，本领域技术人员还可以根据需要选择其他的开关器件，只要能实现本发明即可。

[0034] 实施本发明的高效率高功率密度电源，通过增加一个切换模块，弥补了两级构造的降压式变换电路和交错并联谐振电路在效率上的不足，从而实现了高效率高功率密度。例如，以输出3kW为例，即使降压式变换电路做到工作在核心区域时最高99.5％的效率，那么在降压式变换电路的损耗至少有7.5W。利用切换模块，能把这个损耗降低，从而提高效率。损耗降低2W，则效率提高0.13％；损耗降低4W，则效率提高0.27％；损耗降低5W，则效率提高0.33％；损耗降低6W，则效率提高0.4％。

[0035] 本领域技术人员知悉，上述短路前级电路从而提高电源效率的方法，不但适用于降压式变换电路和交错并联谐振电路，任何两级电路都可以应用本发明。

[0036] 由此，图6公开了本发明的高效率高功率密度电源的第五实施例。如图6所示，本发明的高效率高功率密度电源包括相互串联的前级拓扑电路610、次级拓扑电路620和切换模块630。其中所述前级拓扑电路610和次级拓扑电路620相互串联，所述切换模块630连接到所述前级拓扑电路610和次级拓扑电路620之间。所述切换模块630接收控制信号，并基于该控制信号导通或断开，从而短路或接通所述前级拓扑电路610。

[0037] 在本发明的一个实施例中，所述前级拓扑电路包括降压式变换电路或升压式变换电路；所述后级拓扑电路包括交错半桥谐振电路、交错全桥谐振电路或移相全桥电路。所述切换模块包括与所述前级拓扑电路并联的开关器件。所述切换模块的各个实施例可参照以上图1-5示出的实施例。在本实施例中，所述切换模块630可以是任何在控制信号作用下，将降压式变换电路断开或者导通的电路、模块或者开关器件。例如，在本发明的一个简化实施例中，所述切换模块630甚至可以是一个开关。控制所述切换模块的控制信号可以由电源内外的其他模块自动生成，也可以来自用户的主动触发。在本发明的优选实施例中，该切换模块630为金属氧化物半导体场效应晶体管。在本发明的另一优选实施例中，该切换模块630为继电器。在本发明的其他实施例中，所述切换模块630还可以包括其他开关器件。比如，其可以包括三极管。当然，本领域技术人员还可以根据需要选择其他的开关器件，只要能实现本发明即可。

[0038] 在本发明的优选实施例中，所述高效率高功率密度电源还可包括控制信号生成模块，所述控制信号生成模块与所述切换模块通信连接，用于接收电源运行参数设定。并且控制信号生成模块进一步基于所述电源运行参数设定生成所述控制信号的控制信号生成模块。本发明的图6示出的高效率高功率密度电源的各个部件的功能和实现方式可以参照图1-5中实施例。

[0039] 虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。