CN103701331B - 可改变谐振频率的llc谐振型宽电压范围输出高效率电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，用于调整输出电压可宽范围调节的LLC谐振型电源的谐振点。本发明技术方案包括：输入电路、第一开关管、第二开关管、采样电路和输出电路，还包括：N个谐振腔，N至少为2，所述N个谐振腔中各个谐振腔的谐振点互不相同；控制电路，用于根据所述采样电路采集的采样参数从所述N个谐振腔中选择优选谐振腔接入当前电路，所述优选谐振腔的谐振点与当前工作频率匹配；所述控制电路与所述采样电路、所述N个谐振腔耦合。通过实施本发明方案，能够大幅提高LLC谐振型电源的电能转换效率。

Description

可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，具体涉及一种可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源。

背景技术

LLC谐振型电源广泛应用几乎所有的电子设备领域，如工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

目前，用于多组串联电池包的LLC谐振型充电电源利用LLC谐振电路振荡频率偏离谐振点的方式来调整输出电压的高低与输出电流的大小。串联电池包在刚放完电时电池包电压比较低，这时给电池包充电，则将充电电源的输出电压拉得比较低，随着充电时间及充电电量的增加，串联电池包的电压也增大，电池包充电至平台电压或平台电压以上时，将充电电源的输出电压抬得比较高，该工作方式在电压范围变化比较宽的情况下无法保持比较高的电能转换效率，所以在宽电压范围输出的情况下，LLC谐振型电源无法保持工作在LLC谐振电路的最佳工作效率区域。目前，常见的医疗设备氙灯LLC电源也是利用LLC谐振电路振荡频率偏离谐振点的方式来调整输出电压的高低和输出电流的大小。氙灯在未点亮前需要比较高的击穿电压，一旦击穿点亮则维持在比较低的工作电压。所以目前常见的氙灯LLC电源也无法在宽电压范围内使LLC谐振电路工作在最佳的电能转换效率区域。

常用的LLC谐振型电源其核心结构为LLC谐振电路。请参见图1，为一常规的LLC谐振电路，通过控制开关管Q₁和Q₂的开关频率改变谐振腔的工作频率，谐振腔由谐振电感L_r、谐振电容C_r、变压器T的励磁电感L_m组成。当L_m参与谐振时有最低谐振点F_m，当L_m不参与谐振时有最高谐振点F_r，理论证明工作在最低谐振点F_m与最高谐振点F_r之间时有较高的电能转换效率。

但是，仅有单一谐振腔的LLC谐振型电源在宽电压范围输出时存在工作频率大幅偏离谐振点的问题：输出电压调节范围比较窄，当输出电压需要降至比较低时需要大幅度提高LLC谐振电路的工作频率，此时工作频率将远远高于谐振点，这时次级整流早已失去零电流开关(Zero Current Switch，ZCS)条件，而且LLC谐振电路的工作方式将转变成LC串联工作方式，失去LLC的高效率优势。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，用于调整输出电压可宽范围调节的LLC谐振型电源的谐振点。通过实施本发明方案，能够根据LLC谐振型电源的输出电压选择合适的谐振腔接入电路，从而相应调整LLC谐振电路的谐振点，使得输出电压宽范围变化时，电源的工作频率始终维持在匹配谐振腔的谐振点附近，因此，大幅提高LLC谐振型电源的电能转换效率。

一种可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，包括：输入电路、第一开关管、第二开关管、采样电路和输出电路，还包括：

N个谐振腔，N至少为2，所述N个谐振腔中各个谐振腔的谐振点互不相同；

控制电路，用于根据所述采样电路采集的采样参数从所述N个谐振腔中选择优选谐振腔接入当前电路，所述优选谐振腔的谐振点与当前工作频率匹配；

所述控制电路与所述采样电路、所述N个谐振腔耦合。

优选地，所述N个谐振腔中，任意1个谐振腔包括电感、电容和变压器的励磁电感。

优选地，所述输出电路的输出电压范围划分为N个区间，所述N个区间分别与所述N个谐振腔的N个谐振点一一对应。

优选地，所述控制电路包括：N个电子开关，任意1个电子开关与1个谐振腔耦合。

优选地，所述控制电路还包括：控制芯片、电子开关驱动电路和开关管驱动电路，所述控制芯片，用于根据所述采样电路采集的采样参数输出电子开关控制信号，所述电子开关控制信号用于控制所述优选谐振腔对应的电子开关闭合；所述电子开关驱动电路，用于控制所述N个电子开关；所述开关管驱动电路，用于控制所述第一开关管和所述第二开关管，以改变所述谐振型宽电压范围输出高效率电源的工作频率。

优选地，所述采样电路包括：电流采样电路和电压采样电路，所述采样参数包括：采样电流和采样电压。

优选地，所述匹配具体表示当前工作频率位于优选谐振腔的谐振点附近，且所述谐振点为谐振腔的最高谐振点。

本发明的有益效果是，通过在LLC谐振电路中耦合N个谐振腔，根据输出电压选择与工作频率匹配的谐振点，从而选择该谐振点对应的谐振腔接入电路，能够使得LLC谐振型电源的工作频率始终维持在LLC谐振电路的谐振点附近，因此，大幅提高了LLC谐振型电源的电能转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术的LLC谐振电路图；

图2为本发明第一实施例的LLC谐振电路示意图；

图3为本发明第二实施例的LLC谐振电路图；

图4为一个谐振腔的输出电压-工作频率关系图；

图5为另一个谐振腔的输出电压-工作频率关系图；

图6为另一个谐振腔的输出电压-工作频率关系图；

图7为另一个谐振腔的输出电压-工作频率关系图；

图8为本发明第三实施例的LLC谐振型电源应用示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，用于调整输出电压可宽范围调节的LLC谐振型电源的谐振点。通过实施本发明方案，能够根据LLC谐振型电源的输出电压选择合适的谐振腔接入电路，从而相应调整LLC谐振电路的谐振点，使得输出电压宽范围变化时，电源的工作频率始终维持在谐振点附近，因此，大幅提高LLC谐振型电源的电能转换效率。本发明实施例还提供前述可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源的应用实例，以下将分别对其进行详细说明。

本发明第一实施例将对一种可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源进行详细说明，本实施例所述的LLC谐振电路具体结构请参见图2，包括：

输入电路200、第一开关管201、第二开关管202、采样电路203、输出电路204、N个谐振腔205和控制电路206。其中，第一开关管201、第二开关管202分别与输入电路200耦合，采样电路203与输出电路204耦合，控制电路206与采样电路203、N个谐振腔205耦合。

输入电路200用于承载输入电压，一般来说，输入电压可以为交流电压，例如常用的电压为220V的市电。第一开关管201和第二开关管202用于按照一定时间比率交错导通和关断，从而改变LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源的工作频率。采样电路203用于采集采样参数，如输出电流、输出电压，电路根据采样参数通过反馈环反馈将反馈信号传往电路前端，从而调整LLC谐振电路的目标工作频率。输出电路204具备整流作用，用于向外提供输出电压供负载使用。本段所描述的部件功能与现有技术LLC谐振电路中相应部件的功能相同或相似，这里不再赘述。

以下将对本实施例中LLC谐振电路与常规LLC电路区别的部件进行介绍：

请参见图2，N个谐振腔205中，N可以为大于1的任意整数，即N至少为2，其取值由实际情况中输出电压可调节的范围以及电路调节所要达到的精确度所决定，例如，在医疗设备领域为氙灯充电过程中，LLC谐振电路中谐振腔的数量取3～5为佳，而在本实施例中不作具体限定。可以预见的是，N的取值大小影响本电路可选谐振点的数量，这里不再赘述。

任意2个谐振腔的谐振点互不相同，每个谐振腔对应的谐振点由该谐振腔中器件谐振电感、谐振电容、变压器的励磁电感的电气特性所决定，这里不再赘述。

控制电路206，用于根据采样电路203采集的采样参数从N个谐振腔中选择优选谐振腔接入当前LLC谐振电路。其中，控制电路206所选择的优选谐振腔的谐振点与当前工作频率匹配。本发明实施例所称的匹配，是指工作频率位于谐振点附近，本实施例所述的LLC谐振电路处于工作状态下的匹配，是指当前工作频率位于优选谐振电路的谐振点附近。另外，本实施例中所描述的谐振点为谐振腔的最高谐振点，而不是最低谐振点，这里不再赘述。

本发明解决了单一LLC谐振腔电源存在的两个缺点：一是输出电压范围很窄，二是在宽输出电压范围内均不能保持比较高的效率。实际应用中，能够给有宽电压范围供电需求的设备及负载供电，如串联电池组在放电完时电压比较低，而充饱后电压比较高，串联电池组在充放电的过程中电池电压范围比较宽；还能够给某些触发电压比较高而触发导通后电压比较低的设备及负载供电，如医疗设备用氙灯。

在本实施例中，通过在LLC谐振电路中耦合N个可供选择的谐振腔205，根据输出电压选择与工作频率匹配的谐振点，从而选择该谐振点对应的谐振腔接入电路，能够使得LLC谐振电路的工作频率始终维持在谐振点附近，适合用于输出电压可宽范围调节的LLC谐振电路以及相应的电源中。因此，本实施例所述的技术方案能够大幅提高LLC谐振型电源的电能转换效率。

本发明第二实施例将对第一实施例所述的可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源进行补充说明，本实施例所述的可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源具体结构请参见图3，包括：

输入电路、第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、采样电路、输出电路、N个谐振腔和控制电路。其中，第一开关管Q₁、第二开关管Q₂分别与输入电路耦合，采样电路与输出电路耦合，控制电路与采样电路、N个谐振腔耦合。

输入电路用于承载输入电压，一般来说，提供的输入电压可以为交流电压，例如常用的电压为220V的市电。第一开关管Q₁和第二开关管Q₂用于按照一定时间比率交错导通和关断，从而改变LLC谐振电路的工作频率。采样电路用于采集采样参数，采样参数包括采样电流和采样电压，电路根据采样参数通过反馈环反馈将反馈信号传往电路前端，从而调整LLC谐振电路的目标工作频率。输出电路包括用于整流的第一整流二极管E₁和第二整流二极管E₂，用于向外提供输出电压供负载使用。本段所描述的部件功能与现有技术LLC谐振电路中相应部件的功能相同或相似，这里不再赘述。

以下将对本实施例中LLC谐振电路与常规LLC谐振电路区别的部件进行介绍：

N个谐振腔中，N可以为大于1的任意整数，即N至少为2，其取值由实际情况中输出电压可调节的范围以及电路调节所要达到的精确度所决定，例如，在医疗设备领域为氙灯充电过程中，LLC谐振电路中谐振腔的数据取3～5为佳，而在本实施例中不作具体限定。可以预见的是，N的取值大小影响本电路可选谐振点的数量，这里不再赘述。

请参见图3，N个谐振腔中，任意1个谐振腔包括1个电感(谐振电感)、1个电容(谐振电容)和1个变压器的励磁电感。如图所示，谐振腔1包括电感L_r1、电容C_r1和变压器T₁的励磁电感L_m1，谐振腔2包括电感L_r2、电容C_r2和变压器T₂的励磁电感L_m2，如此类推，谐振腔N包括电感L_rn、电容C_rn和变压器Tn的励磁电感L_mn。

其中，请参见图3，控制电路还包括：N个电子开关S₁～S_n，任意1个电子开关与1个谐振腔耦合。电子开关可以为开关管，这里不作具体限定。

具体地，S₁的一端接Q₁的源极，S₂的一端接Q₁的源极，如此类推，S_n的一端接Q₁的源极。S₁的另外一端接C_r1，C_r1的另外一端接L_r1，L_r1另外一端接器T₁初级一端，T₁初级另外一端接Q₂的源极；S₂的另外一端接C_r2，C_r2的另外一端接L_r2，L_r2另外一端接器T₂初级一端，T₂初级另外一端接Q₂的源极；如此类推，S_n的另外一端接C_rn，C_rn的另外一端接L_rn，L_rn另外一端接器T_n初级一端，T_n初级另外一端接Q₂的源极。

任意2个谐振腔的谐振点互不相同，每个谐振腔对应的谐振点由该谐振腔的电感L_r、电容C_r以及变压器T的励磁电感L_m所决定。

另外，任意1个谐振点是根据输出电压与工作频率的关系确定的，以任意1个谐振腔为例：设输入电压不变，当输出电压确定时，电路工作频率也确定。

在上述这种理想状态下，本发明实施例的目标就是将与当前工作频率匹配的谐振点对应的谐振腔作为优选谐振腔，并使其接入电路。优选地，优选谐振腔的谐振点等于当前工作频率。

以下将通过理论推导介绍设计电路时一个谐振腔中的电感、电容和变电器是如何进行确定的：

设输入电压为V_i，输出电压为V_o，则根据LLC工作原理，变压器的变比n为：

$n=\frac{V_i}{2V_o},$

设谐振点(最高谐振点)为F_r，要令输出电压V_o对应的当前工作电压F等于谐振点F_r，则电感值L_r、电容值C_r满足：

$\mathrm{LC}=\frac{1}{{4\mathrm{\π}}^2{F}^2}=\frac{1}{{4\mathrm{\π}}^2{F_r}^2},$

本发明实施例所称的谐振点实际为谐振腔的最高谐振点F_r，而不是最低谐振点F_m，其中，设变压器的励磁电感为L_m，则最低谐振点F_m的计算式为：

$F_m=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{(L_c+L_r)C_r}}.$

设输出功率为P_o，输出阻抗为R_o，品质因数为Q，变压器励磁电感L_m与电感L_r的比值等于k，由一次基波近似法可以将输出阻抗R_o折射等效为谐振腔的交流负载R_ac，可得如下关系式：

$R_o=\frac{V_o^2}{P_o},$

$R_{\mathrm{ac}}=n^2\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{R}_o,$

$Q=\frac{1}{2\mathrm{\π}{F}_r{C}_r{R}_{\mathrm{ac}}},$

于是，输出电压V_o与工作频率F的关系式为：

$V_o=\frac{V_i}{2n}{[{(1+\frac{1}{k}-\frac{\frac{1}{k}}{{\left(\frac{F}{F_r}\right)}^2})}^2+Q^2{(\frac{F}{F_r}-\frac{1}{\frac{F}{F_r}})}^2]}^{-1/2},$

则根据上式，在工作频率确定时可求解变压器的励磁电感L_m。

已知电路需要具有所述N个谐振点，利用上述电气关系选用每1个谐振腔中的电感、电容以及变压器，共计N个电感、N个电容以及N个变压器。

优选地，将输出电路的输出电压范围划分为N个区间，该N个区间分别与该N个谐振腔的N个谐振点一一对应。请参见表1，输出电压范围划分为第1区间～第N区间，依次对应谐振点1～谐振点N，而谐振点1～谐振点N又依次对应谐振腔1～谐振腔N。

输出电压	谐振点	谐振腔
			第1区间	谐振点1	谐振腔1
第2区间	谐振点2	谐振腔2
			……	……	……
第N区间	谐振点N	谐振腔N

表1

具体地，当电路输出电压为第1区间的电压下限时，其工作频率等于谐振点1，选用谐振腔1作为优选谐振腔；当电路输出电压为第1区间的电压上限(第2区间的电压下限)时，其工作频率等于谐振点2，选用谐振腔2作为优选谐振腔；如此类推，当电路输出电压为第N区间的电压上限(第N-1区间的电压下限)时，其工作频率等于谐振点N，选用谐振腔N作为优选谐振腔。

控制电路，用于根据采样参数选择优选谐振腔接入所述LLC谐振电路，所述优选谐振腔的谐振点与当前工作频率匹配。本发明实施例所称的匹配，是指当前工作频率位于谐振点附近。

设输出电压为V_o，输出电压工作时支持于0.25V_o～1.0V_o之间宽范围变化。将该范围划分为4个区间，第1区间：0.25V_o～0.5V_o，第2区间：0.5V_o～0.75V_o，第3区间：0.75V_o～1.0V_o，第4区间：1.0V_o～1.25V_o，该4个区间对应分别具有不同谐振点的4个谐振腔：谐振腔1～谐振腔4，请参见图4～图7，依次为谐振腔1～谐振腔4对应的输出电压-工作频率关系图。

当输出电压为0.25V_o时，控制电路选择具体图4电气特性的谐振腔1接入电路，此时工作频率等于谐振腔1的谐振点；当输出电压为0.5V_o时，控制电路选择具体图5电气特性的谐振腔2接入电路，此时工作频率等于谐振腔2的谐振点；当输出电压为0.75V_o时，控制电路选择具体图6电气特性的谐振腔3接入电路，此时工作频率等于谐振腔3的谐振点；当输出电压为1.0V_o时，控制电路选择具体图7电气特性的谐振腔4接入电路，此时工作频率等于谐振腔4的谐振点。在本具体例中，当输出电压自0.25V_o～1.0V_o连续变化的过程中，LLC谐振电路始终选择谐振点与当前工作频率匹配的优选谐振腔接入电路，使得当前工作频率始终与电路的谐振点相匹配，因此电路具有较高的电能转换效率。

控制电路还包括：控制芯片2061、电子开关驱动电路2062和开关管驱动电路2063。

控制芯片2061，用于根据采样电路采集的采样参数输出电子开关控制信号，所述电子开关控制信号用于控制所述优选谐振腔对应的电子开关闭合。控制芯片2061还用于根据采样电路采集的采样参数输出谐振控制信号，所述谐振控制信号用于控制所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂。控制芯片2061具体可以为DSP(Digital Signal Processor)芯片或可编程单片机，这里不作限定。

优选地，采样电路包括：电流采样电路2031和电压采样电路2032。电流采样电路2031和电压采样电路2032的具体现实方式可以有多种，这里不作限定。

电子开关驱动电路2062，用于根据电子开关控制信号控制所述N个电子开关S₁～S_n。

开关管驱动电路2063，用于根据谐振控制信号控制第一开关管Q₁和第二开关管Q₂，以改变所述LLC谐振电路的工作频率。

电子开关驱动电路2062和开关管驱动电路2063的具体现实方式可以有多种，这里不作限定。

本发明解决了单一LLC谐振腔电源存在的两个缺点：一是输出电压范围很窄，二是在宽输出电压范围内均不能保持比较高的效率。实际应用中，能够给有宽电压范围供电需求的设备及负载供电，如串联电池组在放电完时电压比较低，而充饱后电压比较高，串联电池组在充放电的过程中电池电压范围比较宽；还能够给某些触发电压比较高而触发导通后电压比较低的设备及负载供电，如医疗设备用氙灯。

在本实施例中，通过在LLC谐振电路中耦合N个谐振腔，根据输出电压选择与工作频率匹配的谐振点，选择该谐振点对应的谐振腔接入电路，能够使得LLC谐振型电源的工作频率始终维持在谐振点附近，因此，大幅提高了LLC谐振型电源的电能转换效率。

本发明第三实施例将对一种LLC谐振型电源的应用进行详细说明，本实施例所述的LLC谐振型电源具体结构请参见图8，包括：

负载501和LLC谐振型电源502。

其中，所述LLC谐振型电源502的具体结构与本发明第一实施例所述的LLC谐振型电源相同。所述LLC谐振型电源502的具体结构还可以与本发明第二实施例所述的LLC谐振型电源相同。

LLC谐振型电源502中的输出电路与负载501耦合。

优选地，本实施例所述的LLC谐振型电源为充电式LLC谐振型电源，负载501具体可以为电池包或氙灯，也可以为其它形式的负载，这里不作具体限定。

本发明解决了单一LLC谐振腔电源存在的两个缺点：一是输出电压范围很窄，二是在宽输出电压范围内均不能保持比较高的效率。实际应用中，能够给有宽电压范围供电需求的设备及负载供电，如串联电池组在放电完时电压比较低，而充饱后电压比较高，串联电池组在充放电的过程中电池电压范围比较宽；还能够给某些触发电压比较高而触发导通后电压比较低的设备及负载供电，如医疗设备用氙灯。

以上对本发明实施例所提供的一种可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的结构及其核心思想，不应理解为对本发明的限制。本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可改变谐振频率的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，包括：输入电路、第一开关管、第二开关管、采样电路和输出电路，其特征在于，还包括：

N个谐振腔，N至少为2，所述N个谐振腔中各个谐振腔的谐振点互不相同；所述N个谐振腔中，任意1个谐振腔包括电感、电容和变压器的励磁电感；

控制电路，用于根据所述采样电路采集的采样参数从所述N个谐振腔中选择优选谐振腔接入当前电路，所述优选谐振腔的谐振点与当前工作频率匹配；

所述控制电路与所述采样电路、所述N个谐振腔耦合；

所述控制电路包括：N个电子开关，任意1个电子开关与1个谐振腔耦合。

2.根据权利要求1所述的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，其特征在于，

所述输出电路的输出电压范围划分为N个区间，所述N个区间分别与所述N个谐振腔的N个谐振点一一对应。

3.根据权利要求1所述的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，其特征在于，所述控制电路还包括：控制芯片、电子开关驱动电路和开关管驱动电路，

所述控制芯片，用于根据所述采样电路采集的采样参数输出电子开关控制信号，所述电子开关控制信号用于控制所述优选谐振腔对应的电子开关闭合；

所述电子开关驱动电路，用于根据所述电子开关控制信号控制所述N个电子开关；

所述开关管驱动电路，用于控制所述第一开关管和所述第二开关管，以改变所述谐振型宽电压范围输出高效率电源的工作频率。

4.根据权利要求3所述的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，其特征在于，所述采样电路包括：电流采样电路和电压采样电路，

所述采样参数包括：采样电流和采样电压。

5.根据权利要求1或2所述的LLC谐振型宽电压范围输出高效率电源，其特征在于，

所述匹配具体表示当前工作频率位于优选谐振腔的谐振点附近，且所述谐振点为谐振腔的最高谐振点。