[发明专利]一种直流变换电路及其宽电压范围下的模式切换控制方法

权利要求书

1.一种直流变换电路，其特征在于，包括：直流输入端口、逆变电路、谐振网络、整流电路以及直流输出端口；其中：

所述逆变电路包括第一电容、第一开关管、第二电容、第二开关管、第三开关管、第四开关管；所述第一电容、第一开关管以及第二开关管依次连接形成回路；所述第二电容、第三开关管以及第四开关管依次连接形成回路；所述第一开关管与第一电容相连的端子连接到直流输入端口的正端子；所述第一电容与第二开关管相连的端子连接到第二电容与第三开关管相连的端子；所述第四开关管与第二电容相连的端子连接到直流输入端口的负端子；

所述整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三电容、第四电容、第五开关管、第六开关管以及隔直电容；所述第一二极管、第五开关管以及第三电容依次连接形成回路；所述第六开关管、第二二极管以及第四电容依次连接形成回路；所述第一二极管与第三电容相连的端子连接到直流输出端口的正端子；所述第三电容与第五开关管相连的端子连接到第四电容与第六开关管相连的端子；所述第二二极管与第四电容相连的端子连接到直流输出端口的负端子；所述第一二极管于第五开关管相连的端子连接到隔直电容的一端；

所述谐振网络包括谐振电感、谐振电容、并联电感以及变压器；所述谐振电容的一端连接到第一开关管和第二开关管相连的端子，所述谐振电容的另一端连接到所述并联电感和变压器原边一端相连接的端子；所述谐振电感的一端连接到第三开关管和第四开关管相连的端子，所述谐振电感的另一端连接到所述并联电感和变压器原边另一端相连接的端子；所述变压器副边的一端连接到所述隔直电容的一端，所述变压器副边的另一端连接到所述第六开关管与第二二极管相连的端子；

所述逆变电路工作在逆变模式1或逆变模式2下：

所述逆变电路工作在逆变模式1下，其中，所述逆变模式1下的第一开关管至第四开关管的开关频率等于所述谐振网络交流谐振频率，每个开关周期内包括以下过程：

过程一、交流谐振电流的正半周期时，所述第一开关管和第四开关管通过驱动信号导通，电流依次流过所述直流输入端口的一端子、所述第一开关管、所述谐振电容、所述并联电感、所述变压器原边和所述谐振电感，经所述第四开关管流入所述直流输入端口的另一端子；

过程二、交流谐振电流的负半周期时，所述第二开关管和第三开关管通过驱动信号导通，电流依次流过所述谐振电容、所述第二开关管、所述第三开关管、所述谐振电感、所述并联电感和所述变压器原边；

所述谐振网络的输入电压为占空比为0.5且幅值等于直流输入端口电压和零的方波，所述谐振电容电压的直流分量等于所述直流输入端口电压的一半；

所述谐振电容在交流谐振电流的正半周期时存储能量，所述谐振电容在交流谐振电流的负半周期时释放能量；

所述逆变电路工作在逆变模式2下，其中，所述逆变模式2下的第一开关管至第四开关管的开关频率等于所述谐振网络交流谐振频率的一半，每个开关周期内包括以下过程：

过程一、第一个交流谐振电流周期的正半周期时，所述第一开关管和第三开关管通过驱动信号导通，电流依次流过所述第一电容的正端子、所述第一开关管、所述谐振电容、所述并联电感、所述变压器原边和所述谐振电感，经所述第三开关管流入所述第一电容的负端子；

过程二、第一个交流谐振电流周期的负半周期时，所述第一开关管通过驱动信号关断，所述第二开关管通过驱动信号开通，电流依次流过所述谐振电容、所述第二开关管、所述第三开关管、所述谐振电感、所述并联电感和所述变压器原边；

过程三、第二个交流谐振电流周期的正半周期时，所述第三开关管通过驱动信号关断，所述第四开关管通过驱动信号开通，电流依次流过所述第二电容的正端子、所述第二开关管、所述谐振电容、所述并联电感、所述变压器原边和所述谐振电感，经所述第四开关管流入所述第二电容的负端子；

过程四、第二个交流谐振电流周期的负半周期时，所述第四开关管通过驱动信号关断，所述第三开关管通过驱动信号开通，电流依次流过所述谐振电容、所述第二开关管、所述第三开关管、所述谐振电感、所述并联电感和所述变压器原边；

所述谐振网络的输入电压为占空比为0.5且幅值等于直流输入端口电压一半和零的方波，所述谐振电容电压的直流分量等于所述直流输入端口电压的四分之一；

所述第一电容在交流谐振电流的正半周期时存储能量，所述第一电容在交流谐振电流的负半周期时释放能量；

所述整流电路工作在整流模式a或整流模式b下；

所述整流电路工作在整流模式a下，其中，所述整流模式a下的第五开关管和第六开关管的开关频率等于所述谐振网络交流谐振频率，每个开关周期内包括以下过程：

过程一、交流谐振电流的正半周期时，所述第五开关管和第六开关管通过驱动信号关断，电流依次流过所述变压器副边的一端子、所述隔直电容、所述第一二极管和所直流输出端口，经所述第二二极管流入所述变压器副边的另一端子；

过程二、交流谐振电流的负半周期时，所述第五开关管和第六开关管通过驱动信号导通，电流依次流过所述变压器副边的一端子、所述第六开关管和所述第五开关管，经所述隔直电容流入所述变压器副边的另一端子；

所述谐振网络的输出电压为占空比为0.5且幅值等于正直流输出端口电压一半和负直流输出端口电压一半的方波，所述隔直电容电压的直流分量等于所述直流输出端口电压的一半；

所述隔直电容在交流谐振电流的正半周期时存储能量，所述隔直电容在交流谐振电流的负半周期时释放能量；

所述整流电路工作在整流模式b下，其中，所述整流模式b下的第五开关管和第六开关管的开关频率等于所述谐振网络交流谐振频率的一半，每个开关周期内包括以下过程：

过程一、第一个交流谐振电流周期的正半周期时，所述第五开关管通过驱动信号导通，电流依次流过所述变压器副边的一端子、所述隔直电容、所述第五开关管和所述第四电容，经所述第二二极管的流入所述变压器副边的另一端子；

过程二、第一个交流谐振电流周期的负半周期时，所述第六开关管通过驱动信号开通，电流依次流过所述变压器副边的一端子、所述第六开关管和所述第五开关管，经所述隔直电容流入所述变压器副边的另一端子；

过程三、第二个交流谐振电流周期的正半周期时，所述第五开关管通过驱动信号关断，电流依次流过所述变压器副边的一端子、所述隔直电容、所述第一二极管和所述第三电容，经所述第六开关管流入所述变压器副边的另一端子；

过程四、第二个交流谐振电流周期的负半周期时，所述第五开关管通过驱动信号开通，电流依次流过所述变压器副边的一端子、所述第六开关管和所述第五开关管，经所述隔直电容流入所述变压器副边的另一端子；

所述谐振网络的输出电压为占空比为0.5且幅值等于正直流输出端口电压四分之一和负直流输出端口电压四分之一的方波，所述隔直电容电压的直流分量等于所述直流输出端口电压的四分之一；

所述隔直电容在交流谐振电流的正半周期时存储能量，所述隔直电容在交流谐振电流的负半周期时释放能量；

通过组合逆变电路的逆变模式和整流电路的整流模式实现四种工作模式I-IV中任一种：

模式I：所述逆变电路工作在逆变模式1下，所述整流电路工作在整流模式a下，利用相量法，得到所述谐振网络的复频域电路模型；

运用基波等效法，计算所述模式I下所述谐振网络电压增益表达式G_I(f_n)为：

模式II：所述逆变电路工作在逆变模式1下，所述整流电路工作在整流模式b下，运用基波等效法，计算所述模式II下所述谐振网络电压增益表达式G_II(f_n)为：

模式III：所述逆变电路工作在逆变模式2下，所述整流电路工作在整流模式a下，运用基波等效法，计算所述模式III下所述谐振网络电压增益表达式G_III(f_n)为：

模式IV：所述逆变电路工作在逆变模式2下，所述整流电路工作在整流模式b下，运用基波等效法，计算所述模式IV下所述谐振网络电压增益表达式G_IV(f_n)为：

其中，V₁为输入电压，V₂为输出电压，f_n为归一化频率，f_n＝f_S/f_r，f_S为工作频率，f_r为所述谐振电感L_r和所述谐振电容C_r串联谐振的频率，k＝L_m/L_r，R₁为输出负载，L_m为所述并联电感或所述变压器的励磁电感，n为所述变压器的匝比。