CN101630913A - 一种谐振变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振变换器，包括逆变器、谐振单元、变压器和整流器，所述变压器副边绕组输出连接至整流器输入，所述谐振单元包括第一电感、第一电容、第二电感，所述第一电感、第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与变压器原边绕组的第一输入端之间，所述第二电感连接在所述逆变器第二输出端与变压器原边绕组的第二输入端之间。本发明可以有效解决LLC拓扑在大功率应用场合中所遇到的问题。本发明的谐振变换器可以方便在大功率场合应用。

Description

一种谐振变换器

技术领域

本发明涉及电源变换领域，具体涉及一种谐振变换器。

背景技术

随着电力电子技术的迅速发展，大功率、高效率、高功率密度已经成为开关电源的一种发展趋势。作为开关电源的一种，LLC谐振变换器以其高效率、高功率密度等优势，在业界得到了广泛的应用。

如图1所示，传统的LLC谐振变换器由以下部分组成：逆变器(方波产生电路)，LLC谐振腔，主变压器和整流器。输入直流电压(input)经过一个逆变器逆变成一系列方波，方波信号加在由谐振电感Lr、谐振电容Cr和主变压器原边绕组的励磁电感Lm组成的LLC谐振腔上，然后经过主变压器隔离和副边电路的整流滤波，得到最终输出(output)。

LLC谐振变换器通过改变逆变器的工作频率，来实现对变换器增益的调节，最终实现LLC谐振变换器输出电压的稳定。按照工作状态的不同，一般可以将LLC谐振变换器划分为两个工作区间：1.fs＜fr；2.fs＞fr(fs为逆变器工作频率，fr为Lr和Cr谐振频率)。在fs＞fr的工作区间内，一旦进入死区时间，原边逆变器开关管关断，输入直流电压input不再对LLC谐振变换器输入能量，主变压器励磁电感Lm不参与原边谐振，副边整流二极管D1、D2、D3、D4迅速换向，负载开始抽取原边谐振腔存储的能量，导致原边谐振电流的值迅速下降。

尤其是当fs远高于fr，逆变器开关管在谐振电流峰值附近关断时，谐振电流中很大的电流变化率(di/dt)在谐振电感中感应出很高的电感电压。LLC谐振变换器输出功率越大，di/dt也越大，在电感上感应出的电压也就越高。而且该问题无法通过控制方法或器件参数的改变来解决，只要输出功率增大，相同的工作状态下电感电压就会随之升高。

图2所示为一个三电平全桥LLC谐振变换器的谐振电流和电感电压的仿真波形，图中横坐标代表时间、纵坐标代表电流或电压，其中ip代表谐振电流、V1代表谐振电感的电压。谐振电流峰值只有20A左右时，谐振电感上的电压峰峰值可接近4000V。在一个变换器中，幅值如此高的高频交变电压是一个很强的噪声源，对系统的结构布局，PCB布线和地线的处理等造成了很大影响。

如图3所示的三电平全桥LLC谐振变换器中，主变压器耦合电容等元器件分布参数为噪声提供了耦合通路，谐振电感电压作为一个噪声的激励源，在变换器中形成了复杂的噪声回路，噪声电流流过MOS管S2的驱动变压器，导致驱动变压器绕组过热，绝缘层溶化，最终引起驱动变压器失效。

该问题是LLC拓扑在大功率应用场合出现的特殊现象，驱动变压器热溶只是实验过程中暴露出的一个问题。随着变换器功率的进一步增大或者应用场合的不同，谐振电感上高频交变的电压和LLC拓扑结构上的不对称，可能引起更多的新问题，成为LLC拓扑在更大功率场合应用的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种可以方便在大功率场合应用谐振变换器。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种谐振变换器，包括逆变器、谐振单元、变压器和整流器，所述变压器副边绕组输出连接至整流器输入，所述谐振单元包括第一电感、第一电容、第二电感，所述第一电感、第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与变压器原边绕组的第一输入端之间，所述第二电感连接在所述逆变器第二输出端与变压器原边绕组的第二输入端之间。

所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间具体包括：所述逆变器第一输出端依次经第一电感、第一电容与变压器原边绕组的第一输入端相连。

所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间具体包括：所述逆变器第一输出端依次经第一电容、第一电感与变压器原边绕组的第一输入端相连。

所述谐振单元还包括第二电容，所述第二电感和第二电容串联后连接在所述逆变器第二输出端与所述变压器原边绕组的第二输入端之间。

所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间具体包括：所述逆变器第一输出端依次经第一电感、第一电容与变压器原边绕组的第一输入端相连，所述第二电感和第二电容串联后连接在所述逆变器第二输出端与所述变压器原边绕组的第二输入端之间是指：所述逆变器第二输出端依次经第二电感、第二电容与变压器原边绕组的第二输入端相连。

所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间具体包括：所述逆变器第一输出端依次经第一电容、第一电感与变压器原边绕组的第一输入端相连，所述第二电感和第二电容串联后连接在所述逆变器第二输出端与所述变压器原边绕组的第二输入端之间是指：所述逆变器第二输出端依次经第二电容、第二电感与变压器原边绕组的第二输入端相连。

所述第一电感和第二电感的感值相同。

所述第一电感和第二电感的感值相同，所述第一电容与第二电容的容值相同。

所述谐振变换器是两电平半桥拓扑或两电平全桥拓扑或三电平半桥拓扑或三电平全桥拓扑。

所述谐振变换器的整流器为全桥整流拓扑或全波整流拓扑或倍流整流拓扑或同步整流拓扑。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明一方面将现有电感Lr上的电压一分为二，削弱了噪声源；另一方面使谐振变换器从结构上完全对称，减小了系统中的差模噪声成分。实验结果表明，本发明可以有效地减小变换器中的噪声电流，解决变换器驱动变压器热溶问题。而且可以有效优化原边谐振过程，改善谐振电流波形，避免谐振过程中的高频震荡现象。本发明可以有效解决LLC拓扑在大功率应用场合中所遇到的问题。本发明的谐振变换器可以方便在大功率场合应用。

附图说明

图1是现有的LLC谐振变换器的结构示意图；

图2是现有的三电平全桥LLC谐振变换器的谐振电流和电感电压的仿真波形示意图；

图3是现有的三电平全桥LLC谐振变换器的结构示意图；

图4是本发明实施例1的结构示意图；

图5是本发明实施例2的结构示意图；

图6是本发明实施例3的结构示意图；

图7是本发明实施例4的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1

如图4所示，一种谐振变换器，包括逆变器、谐振单元、变压器和整流器，变压器的副边绕组输出端连接至整流器输入端。谐振单元包括第一电感Lr1、第一电容Cr、第二电感Lr2。第一电感Lr1、第一电容Cr串联后连接在逆变器第一输出端与变压器原边绕组的第一输入端之间。第二电感Lr2连接在逆变器第二输出端与变压器原边绕组的第二输入端之间。

如图4所示，具体来说，逆变器第一输出端依次经第一电感Lr1、第一电容Cr与变压器原边绕组的第一输入端相连。

优选地，第一电感Lr1和第二电感Lr2的感值相同，但这并不是本发明必需的。本发明中第一电感Lr1和第二电感Lr2的参数即使不相同，也可以很方便地在大功率场合应用。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：逆变器第一输出端依次经第一电容Cr、第一电感Lr1与变压器原边绕组的第一输入端相连。

实施例3

如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例中谐振单元还包括第二电容Cr2。

如图6所示，一种谐振变换器，包括逆变器、谐振单元、变压器和整流器，变压器的副边绕组输出端连接至整流器输入端，谐振单元包括第一电感Lr1、第一电容Cr1、第二电感Lr2和第二电容Cr2，第一电感Lr1、第一电容Cr1串联后连接在逆变器第一输出端与变压器原边绕组的第一输入端之间，第二电感Lr2和第二电容Cr2串联后连接在逆变器第二输出端与变压器原边绕组的第二输入端之间。

如图6所示，具体来说，逆变器第一输出端依次经第一电感Lr1、第一电容Cr1与变压器原边绕组的第一输入端相连，逆变器第二输出端依次经第二电感Lr2、第二电容Cr2与变压器原边绕组的第二输入端相连。

优选地，第一电感Lr1和第二电感Lr2的感值相同，第一电容Cr1与第二电容Cr2的容值相同。但这并不是本发明必需的。本发明中第一电感Lr1和第二电感Lr2的参数、第一电容Cr1与第二电容Cr2的参数即使不相同，也可以很方便地在大功率场合应用。其中第一电感Lr1和第二电感Lr2分别可以由若干个独立电感串联或并联组合而成，第一电容Cr1和第二电容Cr2分别可以由若干个独立电容串联、并联组合而成。

实施例4

如图7所示，本实施例与实施例3的不同之处在于：逆变器第一输出端依次经第一电容Cr1、第一电感Lr1与变压器原边绕组的第一输入端相连，逆变器第二输出端依次经第二电容Cr2、第二电感Lr2与变压器原边绕组的第二输入端相连。

其中第一电感Lr1和第二电感Lr2分别可以由若干个独立电感串联或并联组合而成，第一电容Cr1和第二电容Cr2分别可以由若干个独立电容串联、并联组合而成。

优选的，上述谐振变换器中的逆变器可以是两电平半桥拓扑或两电平全桥拓扑或三电平半桥拓扑或三电平全桥拓扑。

优选的，上述谐振变换器的整流器为全桥整流拓扑或全波整流拓扑或倍流整流拓扑或同步整流拓扑。

优选的，上述谐振变换器还可包括输出滤波器，所述输出滤波器输入接所述整流器输出。输出滤波器可以滤掉输出信号的纹波。

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 (10)

1.一种谐振变换器，包括逆变器、谐振单元、变压器和整流器，所述变压器副边绕组输出连接至整流器输入，其特征在于：所述谐振单元包括第一电感、第一电容、第二电感，所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间，所述第二电感连接在所述逆变器第二输出端与所述变压器原边绕组的第二输入端之间。

2.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于：所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间具体包括：所述逆变器第一输出端依次经第一电感、第一电容与变压器原边绕组的第一输入端相连。

3.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于：所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间具体包括：所述逆变器第一输出端依次经第一电容、第一电感与变压器原边绕组的第一输入端相连。

4.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于：所述谐振单元还包括第二电容，所述第二电感和第二电容串联后连接在所述逆变器第二输出端与所述变压器原边绕组的第二输入端之间。

5.根据权利要求4所述的谐振变换器，其特征在于：所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间具体包括：所述逆变器第一输出端依次经第一电感、第一电容与变压器原边绕组的第一输入端相连，所述第二电感和第二电容串联后连接在所述逆变器第二输出端与所述变压器原边绕组的第二输入端之间是指所述逆变器第二输出端依次经第二电感、第二电容与变压器原边绕组的第二输入端相连。

6.根据权利要求4所述的谐振变换器，其特征在于：所述第一电感和所述第一电容串联后连接在所述逆变器第一输出端与所述变压器原边绕组的第一输入端之间具体包括：所述逆变器第一输出端依次经第一电容、第一电感与变压器原边绕组的第一输入端相连，所述第二电感和第二电容串联后连接在所述逆变器第二输出端与所述变压器原边绕组的第二输入端之间是指：所述逆变器第二输出端依次经第二电容、第二电感与变压器原边绕组的第二输入端相连。

7.根据权利要求1-6任一所述的谐振变换器，其特征在于：所述第一电感和第二电感的感值相同。

8.根据权利要求4-6任一所述的谐振变换器，其特征在于：所述第一电感和第二电感的感值相同，所述第一电容与第二电容的容值相同。

9.根据权利要求7所述的谐振变换器，其特征在于：所逆变器是两电平半桥拓扑或两电平全桥拓扑或三电平半桥拓扑或三电平全桥拓扑。

10.根据权利要求7所述的谐振变换器，其特征在于：所述整流器为全桥整流拓扑或全波整流拓扑或倍流整流拓扑或同步整流拓扑。

Images