CN101471606A

CN101471606A - Llc谐振变换器

Info

Publication number: CN101471606A
Application number: CNA2007103050591A
Authority: CN
Inventors: 周小军; 李伟; 练荣辉
Original assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-01

Abstract

本发明公开了一种LLC谐振变换器，包括一次侧桥式电路、LLC谐振网络、一次侧控制器、电源变换电路、同步整流电路、二次侧控制器和电流检测电路；电流检测电路串接于所述同步整流电路的回路中，其检测信号输出端连接二次侧控制器的输入端，二次侧控制器的控制信号输出端连接同步整流电路；二次侧控制器通过对电源变换电路输出电流的过零检测，控制同步整流电路的通断，使同步整流电路在电流大于零时导通，其余时间关断。避免了一次侧桥式电路的开关管和同步整流电路的开关管导通存在耦合延时；提高了变换器的效率和可靠性。

Description

LLC谐振变换器

【技术领域】

本发明涉及一种开关电源电路，特别涉及其中的谐振变换器。

【背景技术】

随着开关电源技术的发展，高功率密度和高效率成为发展趋势，在这种情况下，软开关技术得到了广泛的发展和应用。软开关技术采用的电路拓扑主要有谐振型软开关拓扑和PWM型软开关拓扑。近几年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的导通电阻、寄生电容和反向恢复时间的减小，为谐振变换器的实现创造了条件。LLC谐振半桥变换器就为其中一种，它保持上下桥臂开关管导通占空比不变，通过调节开关频率来调节输出电压，实现软开关变换。

与其它软开关技术相比，LLC谐振半桥变换器不但具有一次侧开关管零电压开通特性，而且其掉电维持时间特性比较好，同时能实现二次侧整流二极管的零电流导通和低耐压要求，可以减小损耗，提高电源效率。

图1是不带同步整流的LLC谐振半桥变换器原理框图，图中V_IN为LLC谐振半桥变换器的输入端，为一直流电压；功率开关管S1、S2构成半桥电路，用于驱动后级的LLC谐振网络。LLC谐振网络由串联谐振电容Cr、串联谐振电感Lr和变压器T1的激磁电感Lm构成，其中串联谐振电感Lr可以是独立的电感，也可以是变压器T1的漏感。T1为变压器，它包括一个初级绕组n_P和两个次级绕组n_S1、n_S2，变压器T1用于实现电源变换，同时将半桥电路、LLC谐振网络和整流电路隔离。整流电路由一对连接到输出电容C₀的整流二极管D1和D2构成，D1、D2的阴极连接到C₀的正极，阳极分别连到次级绕组n_S1正向同名端、n_S2的反向非同名端；n_S1反向非同名端和n_S2的正向同名端连在一起，同时和输出地相连。控制器为变频控制器，用于变频驱动功率开关管S1、S2。

LLC谐振网络的两个谐振频率f_r和f_m分别如下：

f_{r} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{r} \cdot C_{r}}}

f_{m} = \frac{1}{2 π \sqrt{(L_{r} + L_{m}) \cdot C_{r}}}

LLC谐振半桥变换器的特点是：功率开关管S1、S2交错导通，工作于恒定占空比(占空比略小于50％)，控制器通过调整驱动工作频率来实现对输出稳压。通常为提高效率，LLC谐振半桥变换器通过选择适当的参数和频率控制实现一次侧半桥电路功率开关管S1、S2零电压开关，同时使二次侧整流二极管D1、D2实现零电流开关。

要实现上述目的，控制器可工作于以下三个频率段：

(1)f_SW＝f_r

(2)f_SW>f_r

(3)f_r>f_SW>f_m(部分区域)

图2、图3、图4分别是f_SW＝f_r、f_r>f_SW>f_m、f_SW>f_r时的LLC谐振半桥变换器波形。图中V_{g_S1}、V_{g_S2}分别为半桥电路功率开关管S1、S2的驱动信号，这两个驱动信号互补(占空比略小于50％)，中间有一个很短的死区时间。V_AB为LLC谐振电路的输入电压，i_Lr为串联谐振电感Lr的电流波形(实线部分)，i_Lm为变压器激磁电感Lm的电流波形(虚线部分)，i_D1为二次侧整流二极管D1的电流波形(实线部分)，i_D2为二次侧整流二极管D2的电流波形(虚线部分)。

下面以f_r>f_SW>f_m为例，说明一下LLC谐振半桥变换器的工作过程。如图3波形所示，t0～t4为一个完整的工作周期：在t0～t1期间，半桥电路功率开关管S1、S2关断，串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr构成谐振电路，使S1实现零电压开关；在t1～t2期间，半桥电路功率开关管S1导通，其中在t2前有一小段时间，串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和变压器激磁电感Lm构成谐振电路，此刻二次侧整流二极管D1的电流到零；在t2～t3期间，半桥电路功率开关管S1、S2关断，串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr构成谐振电路，使S2实现零电压开关；在t3～t4期间，半桥电路功率开关管S2导通，其中在t4前有一小段时间，串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和变压器激磁电感Lm构成谐振电路，此刻二次侧整流二极管D2的电流到零。

为实现最高的效率，通常控制LLC谐振半桥变换器在标称输入电压、满载条件下工作频率略大于f_r频点，这样在负载动态变化或电压短时中断时进入f_r>f_SW>f_m工作区域。

虽然LLC谐振半桥变换器能实现软开关变换，提高效率，但对于大电流输出场合，二次侧的整流二极管的导通损耗很大。为此，经过诸多探索，业界提出了几种LLC谐振半桥变换器的同步整流方案。

现有技术中的一种基于一次侧控制器控制的带同步整流LLC谐振半桥变换器方案，如图5所示。其实现方法是，通过控制器得到与半桥电路功率开关管S1、S2驱动信号Vg_S1、Vg_S2同步的信号，再经变压器或光藕耦合到二次侧，得到次级同步整流开关管Q1、Q2的同步驱动信号Vg_Q1、Vg_Q2。在f_m<f_SW<f_r时，Vg_Q1、Vg_Q2为脉宽小于Vg_S1、Vg_S2脉宽的恒定脉宽信号(脉冲宽度由Lr、Cr谐构成的振网络振荡周期决定)；在f_SW≥f_r时，Vg_Q1、Vg_Q2脉宽与Vg_S1、Vg_S2脉宽相等。

现有技术中，还有一种基于二次侧控制器控制的带同步整流LLC谐振半桥变换器方案，如图6所示。其实现方法是，控制器开关管S1、S2的驱动信号Vg_S1、Vg_S2与二次侧同步整流开关管Q1、Q2的驱动信号Vg_Q1、Vg_Q2同步，开通时先使一次侧开关管S1导通，经过固定延时1后使二次侧开关管Q1导通；关断时则先使二次侧开关管Q1关断，再经过固定延时2后关断一次侧开关管S1。开关管S2、Q2的开通和关断时序类似。

图7是现有技术的不带同步整流的三电平LLC谐振全桥变换器原理框图，功率开关管S1～S8、二极管D1～D4、电容C1～C4构成全桥电路，用于驱动后级的LLC谐振网络。控制器为变频控制器，用于变频驱动功率开关管S1～S8。

下面结合图2、3、4、5、6，说明目前带同步整流的LLC谐振半桥变换器存在的一些不足。

上述基于一次侧控制器控制的带同步整流LLC谐振半桥变换器方案，可以较好的实现LLC谐振半桥变换器的二次侧同步整流，但该方案存在以下不足：

(1)二次侧同步整流开关管驱动信号Vg_Q1、Vg_Q2同步于一次侧开关管驱动信号Vg_S1、Vg_S2，使得在t0～t1、t2～t3期间，二次侧同步整流开关管Q1、Q2的体内二极管导通，损耗增大。

(2)从一次侧取信号同步控制二次侧整流开关管，不能保证在轻载、空载或动态负载下可靠运行，这样可能造成短时间输出电压反灌，增大损耗，在极端情况下甚至造成电路烧毁。

上述基于二次侧控制器控制的带同步整流LLC谐振半桥变换器方案，与前一个方案相比，可以完全克服前一个方案的第(2)条不足，提高变换器工作的可靠性，但是该控制方案不仅在t0～t1、t2～t3期间，二次侧同步整流开关管Q1、Q2的体内二极管导通，而且在t1～t2、t3～t4期间，分别有两小段时间(固定延时1和固定延时2)二次侧同步整流开关管Q1、Q2的体内二极管也导通。相对前一种方案，二次侧同步整流开关管Q1、Q2的体内二极管导通时间更长，损耗更大。对于大电流输出，采用该同步整流方案对效率改善有限。

【发明内容】

本发明的主要目的是：针对现有技术存在的不足，提出一种变换效率与可靠性更高的LLC谐振变换器。

为实现上述目的，本发明提出一种LLC谐振变换器，包括一次侧桥式电路、LLC谐振电路、一次侧控制器、电源变换电路、同步整流电路、二次侧控制器和电流检测电路；所述一次侧桥式电路、LLC谐振电路、电源变换电路、同步整流电路依次连接；所述一次侧控制器控制端连接所述一次侧桥式电路，用于控制其工作频率；所述电流检测电路串接于所述同步整流电路的回路中，其检测信号输出端连接所述二次侧控制器的输入端；所述二次侧控制器的控制信号输出端连接所述同步整流电路；所述二次侧控制器通过对所述电源变换电路输出电流的过零监测，控制所述同步整流电路的通断，使所述同步整流电路在电流大于零时导通，其余时间关断。

上述的LLC谐振变换器，所述电源变换电路包括变压器，其输入端与所述谐振电路相接，输出端与所述同步整流电路相接。

上述的LLC谐振变换器，所述同步整流电路包括同步整流开关管，所述同步整流开关管为MOS管；所述二次侧控制器连接所述同步整流开关管的控制端，控制所述同步开关管在电流大于零时开通，其余时间关断。

上述的LLC谐振变换器，所述电流检测电路包括第一电流检测单元、第二电流检测单元，分别连接于所述变压器的两个二次侧绕组，且分别具有一检测信号输出端连接所述二次侧控制器；所述第一电流检测单元、第二电流检测单元用于检测所述变压器的两个二次侧绕组的电流，并由所述二次侧控制器读取该检测到的电流信号。所述第一电流检测单元采用电流互感器电流采样、回路串接电阻电流采样、直接检测同步整流开关管的电压进行电流采样中的其中之一种采样方式。所述第二电流检测单元采用电流互感器电流采样、回路串接电阻电流采样、直接检测同步整流开关管的电压进行电流采样中的其中之一种采样方式。

上述的LLC谐振变换器，所述一次侧桥式电路为全桥电路或半桥电路。所述一次侧控制器连接所述全桥电路或半桥电路的功率开关管，实现对该功率开关管的零电压开通控制和输出电压调整控制。所述LLC谐振电路的谐振电感可为独立的外置电感，或为所述变压器的漏感。

本发明采用在一次侧和二次侧各设有控制器，一次侧控制器完成对半桥电路功率开关管的通断和变频控制，实现一次侧桥式电路零电压开通和输出电压调整；二次侧控制器通过对二次侧绕组电流的过零检测来控制二次侧同步整流电路的通断，使得二次侧同步整流电路在整个正弦半波电流期间导通，其余时间关断；这样可以避免其余时间同步整流电路导通和输出电压的短时反灌，大大减少次级的导通损耗，提高变换器的效率和可靠性。

本发明采用对电源变换电路输出电流采样，实现对同步整流电路的整流开关管的电流过零控制，使得流过整流开关管的电流为完整的半正弦波，避免了其体内二极管的导通，提高了变换器的效率；通过对同步整流电路同步整流开关管的电流过零控制，可以有效地防止同步整流开关管直通或输出电压反灌，提高可靠性。

【附图说明】

图1是不带同步整流的LLC谐振半桥变换器原理框图；

图2是LLC谐振变换器开关频率f_SW＝f_r时的波形；

图3是LLC谐振变换器开关频率f_r>f_SW>f_m时的波形；

图4是LLC谐振变换器开关频率f_SW>f_r时的波形；

图5是已有的带同步整流的LLC谐振半桥变换器原理框图；

图6是已有的带同步整流的LLC谐振半桥变换器原理框图；

图7是已有的不带同步整流的三电平LLC谐振全桥变换器原理框图；

图8是本发明实施例一的LLC谐振半桥变换器原理框图；

图9是本发明实施例一的LLC谐振半桥变换器在f_SW>f_r时的工作波形；

图10是本发明实施例二的LLC谐振全桥变换器原理框图。

【具体实施方式】

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

如图8所示，本例提出的是一种带同步整流的LLC谐振半桥变换器。

LLC谐振半桥变换器的输入，为一直流电压V_IN101。

一次侧桥式电路102采用半桥电路，包括功率开关管S1、S2，用于驱动后级LLC谐振电路。

LLC谐振电路103，包括串联谐振电容Cr、串联谐振电感Lr和变压器T1的激磁电感Lm，其中串联谐振电感Lr可以是独立的电感，也可以是变压器T1的漏感。

一次侧控制器104，用于产生驱动信号，控制半桥电路功率开关管S1、S2的开通或关断。该控制器使功率开关管S1、S2交错导通，工作于恒定占空比(占空比略小于50％，中间有一个死区时间)，同时该控制器通过调整开关管S1、S2控制信号的频率，实现功率开关管管S1、S2的零电压开关和输出稳压。

电源转换电路105采用隔离变压器T1，包括一个初级绕组nP和两个次级绕组ns1、nS2，变压器T1用于实现电源变换，同时将半桥电路、LLC谐振网络和整流电路隔离。

同步整流电路106，包括同步整流开关管Q1和Q2。Q1、Q2为低导通电阻MOS管，分别用于实现对次级绕组n_S1、n_S2电压的整流，其驱动信号由二次侧控制器108产生。

输出滤波电路107包括电容C，用于对经同步整流开关管Q1和Q2整流后的电压进行滤波，使在输出端得到恒稳直流输出。

二次侧控制器108，用于产生驱动信号，控制二次侧同步整流开关管Q1、Q2的开通或关断。该控制器根据电流检测电路109检测到的电流信号，在流过同步整流开关管Q1、Q2的电流过零时控制Q1、Q2开通或关断，使得流过Q1、Q2的电流为完整的半正弦波，避免了同步整流开关管Q1、Q2的体内二极管的导通。

电流检测电路109，包括第一电流检测电路和第二电流检测电路，这两个电流检测电路分别用于检测流过变压器两个二次侧绕组n_S1、n_S2的电流，将检测到的电流信号送到二次侧控制器108。第一电流检测电路、第二电流检测电路可以为电流互感器电流采样、回路中串小电阻电流采样或者直接检测同步整流开关管Q1、Q2的电压进行电流采样。

下面以f_SW>f_r为例，说明本发明方案中提出的带同步整流的LLC谐振半桥变换器的工作过程。图9所示为本发明方案中提出的带同步整流的LLC谐振半桥变换器在f_SW>f_r时的工作波形。

t0～t7为一个完整的工作周期：

在t1～t2期间，一次侧控制器控制使半桥电路的功率开关管S1导通、S2关断，此时谐振电路包括串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr；但变压器T1的激磁电感Lm未参与谐振。电流检测电路检测到变压器二次侧绕组n_S1的电流大于零，二次侧控制器108根据电流采样信号开通同步整流开关管Q1，关断同步整流开关管Q2。

在t2～t3期间，一次侧控制器控制使半桥电路的功率开关管S1、S2关断，串联谐振电感Lr上电流迅速下降至等于变压器T1激磁电感Lm上的电流，此时同步整流开关管Q1上电流迅速下降至零；在t3时刻，电流检测电路检测到变压器二次侧绕组n_S1的电流等于零，二次侧控制器108根据采样到的电流信号关断同步整流开关管Q1。

在t3～t4期间，一次侧控制器控制使半桥电路的功率开关管S1、S2关断，此时谐振电路包括串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr，实现开关管S2的零电压开关；电流检测电路检测到变压器二次侧绕组n_S2的电流大于零，二次侧控制器108根据采样到的电流信号开通同步整流开关管Q2。

在t4～t5期间，一次侧控制器控制使半桥电路功率开关管S2导通、S1关断，此时谐振电路包括串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr。二次侧控制器108根据采样到的电流信号开通同步整流开关管Q2，关断同步整流开关管Q1。

在t5～t6期间，一次侧控制器控制使半桥电路的功率开关管S1、S2关断，串联谐振电感Lr上电流迅速下降至等于变压器T1激磁电感Lm上的电流，此时同步整流开关管Q2上电流迅速下降至零；在t6时刻，电流检测电路检测到变压器二次侧绕组n_S2的电流等于零，控制器2根据采样到的电流信号关断同步整流开关管Q2。

在t6～t7期间，一次侧控制器控制使半桥电路功率开关管S1、S2关断，此时谐振电路包括串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr，实现开关管S1的零电压开关；电流检测电路检测到变压器二次侧绕组n_S1的电流大于零，二次侧控制器根据采样到的电流信号开通同步整流开关管Q1。

通过上述控制，本发明提出带同步整流的LLC谐振半桥变换器，通过一次侧控制器和二次侧控制器两个控制器分别对一次侧开关管S1、S2和二次侧同步整流开关管Q1、Q2进行控制。一次侧控制器完成对半桥电路的功率开关管S1、S2的通断和变频控制，实现一次侧功率开关管S1、S2的零电压开通和输出电压调整；二次侧控制器通过对二次侧绕组电流的过零检测来控制二次侧同步整流开关管Q1、Q2，使得二次侧同步整流开关管Q1、Q2在电流大于零时开通，其余时间关断。通过精确的电流检测，使得LLC谐振半桥变换器的二次侧整流电路的损耗降至最低，同时可以有效的防止两个二次侧同步整流开关管直通或输出电压反灌，大大提高了LLC谐振半桥变换器的效率和可靠性。

实施例二

请参考图10所示，为本例的带同步整流的LLC谐振全桥变换器原理框图。在现有技术的不带同步整流的LLC谐振全桥变换器的基础上，增加二次侧控制器，对二次侧同步整流开关管Q1、Q2进行控制。二次侧控制器通过对二次侧绕组电流的过零检测来控制二次侧同步整流开关管Q1、Q2，使得二次侧同步整流开关管Q1、Q2在电流大于零时开通，其余时间关断。通过精确的电流检测，使得LLC谐振全桥变换器的二次侧整流电路的损耗降至最低，同时可以有效的防止两个二次侧同步整流开关管直通或输出电压反灌，大大提高了LLC谐振全桥变换器的效率和可靠性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种LLC谐振变换器，其特征是：包括一次侧桥式电路、LLC谐振电路、一次侧控制器、电源变换电路、同步整流电路、二次侧控制器和电流检测电路；所述一次侧桥式电路、LLC谐振电路、电源变换电路、同步整流电路依次连接；所述一次侧控制器控制端连接所述一次侧桥式电路，用于控制其工作频率；所述电流检测电路串接于所述同步整流电路的回路中，其检测信号输出端连接所述二次侧控制器的输入端；所述二次侧控制器的控制信号输出端连接所述同步整流电路；所述二次侧控制器通过对所述电源变换电路输出电流的过零监测，控制所述同步整流电路的通断，使所述同步整流电路在电流大于零时导通，其余时间关断。

2.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述电源变换电路包括变压器，其输入端与所述谐振电路相接，输出端与所述同步整流电路相接。

3.根据权利要求2所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述同步整流电路包括同步整流开关管，所述同步整流开关管为MOS管；所述二次侧控制器连接所述同步整流开关管的控制端，控制所述同步开关管在电流大于零时开通，其余时间关断。

4.根据权利要求2或3所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述电流检测电路包括第一电流检测单元、第二电流检测单元，分别连接于所述变压器的两个二次侧绕组，且分别具有一检测信号输出端连接所述二次侧控制器；所述第一电流检测单元、第二电流检测单元用于检测所述变压器的两个二次侧绕组的电流，并由所述二次侧控制器读取该检测到的电流信号。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述一次侧桥式电路为全桥电路或半桥电路。

6.根据权利要求2或3所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述LLC谐振电路的谐振电感为独立的外置电感，或为所述变压器的漏感。

7.根据权利要求4所述的LLC谐振变换器，其特征在于：

所述第一电流检测单元采用电流互感器电流采样、回路串接电阻电流采样、直接检测同步整流开关管的电压进行电流采样中的其中之一种采样方式；所述第二电流检测单元采用电流互感器电流采样、回路串接电阻电流采样、直接检测同步整流开关管的电压进行电流采样中的其中之一种采样方式。

8.根据权利要求5所述的LLC谐振变换器，其特征在于：所述一次侧控制器连接所述全桥电路或半桥电路的功率开关管，实现对该功率开关管的零电压开通控制和输出电压调整控制。