CN105207483A - Llc谐振式电源转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LLC谐振式电源转换器。该LLC谐振式电源转换器接受一输入电压并将其转换成固定的一输出电压，该输入电压在一第一电压范围内或在一大于第一电压范围的第二电压范围内；LLC谐振式电源转换器包括一控制串联的一第一功率开关与一第二功率开关轮流切换导通的控制器，及一电耦接在第二功率开关与变压器的初级侧线圈之间的LLC谐振电路，其包括串联的一谐振电感、一激磁电感及一可调电容，控制器判断输入电压是在第一电压范围内时，其控制可调电容为具有一第一电容值，当控制器判断输入电压是在第二电压范围内时，其控制可调电容为具有一大于该第一电容值的第二电容值。

Description

LLC谐振式电源转换器
技术领域
本发明涉及一种电源转换电路，特别涉及一种LLC谐振式电源转换器。
背景技术
参见图1所示，现有一种LLC谐振式电源转换器1主要包括串联的一第一功率开关S1及一第二功率开关S2，两者与一直流电源10电耦接，以接受一输入电压Vdc输入，并受一控制器11控制轮流切换导通。一LLC谐振电路12电耦接在第二功率开关S2与一变压器T的初级侧线圈Lp之间。且变压器T的次级侧线圈Ls电耦接一整流滤波电路12，用以对次级侧线圈Ls感应的电压整流滤波，以提供一输出电压Vo。
LLC谐振电路12由一谐振电容Cr、变压器T的初级侧线圈Lp的一漏电感Lr，以及一激磁电感Lm组成。因此LLC谐振电路12的谐振频率决定于激磁电感Lm、漏电感Lr与谐振电容Cr。亦即，其谐振频率fs的操作范围为第一谐振频率fr1>fs>第二谐振频率fr2，其中第一谐振频率fr1由漏电感Lr与谐振电容Cr决定，第二谐振频率fr2由激磁电感Lm、漏电感Lr与谐振电容Cr决定。其公式如下：
f r 1 = 1 2 π L r × C r f r 2 = 1 2 π ( L r + L m ) × C r
因此，设若激磁电感Lm为300μH、漏电感Lr为75μH，谐振电容Cr为27nF，输入电压Vdc为高电压，例如367V时，可以求得谐振频率fs约为110.3KHz，且如图2所示可知，此时的谐振电流波形接近正弦波，且电流值较小，导通损失较小，因此转换效率较高(输出功率62.5W/输入功率69.1W＝90.45％)。
然而当输入电压Vdc为低电压，例如126V时，如图3所示，可以发现谐振频率fs将降低至约为63.48KHz，此时，谐振电流波形为有缺口的正弦波，且电流值较大，导通损失较大，因此转换效率变差(输出功率62.5W/输入功率73.3W＝85.2％)。
且由上列公式可知，减少谐振电容Cr的电容值，可以提高谐振频率fs，进而改善低输入电压时的转换效率。但是，当为了提高谐振频率fs，而将谐振电容Cr的电容值减少，例如改为15nF时，当输入电压Vdc为高电压，例如367V时，如图4所示，谐振频率fs将由110.3KHz提高到158.6KHz，此时可以看出转换效率(输出功率62.5W/输入功率68.5W＝91.24％)虽有提升，但由于电路操作频率高于150KHz，如此太过高频的动作会影响电路的稳定度，容易导致电路误动作，并增加电磁干扰(EMI)的问题。
发明内容
因此，本发明的目的即在于提供一种LLC谐振式电源转换器，其能有效提升低电压输入的转换效率，并确保高电压输入时不致工作频率过高，以防止电路误动作及产生电磁干扰。
于是，本发明一种LLC谐振式电源转换器，一种LLC谐振式电源转换器，用以将来自一直流电压源的一输入电压转换成固定的一输出电压，其中该输入电压在一第一电压范围内或在一大于该第一电压范围的第二电压范围内；该LLC谐振式电源转换器包括一第一功率开关、一与该第一功率开关串联连接的第二功率开关，一包含一初级侧线圈及一次级侧线圈的变压器，一与该次级侧线圈电耦接的整流滤波电路，一电耦接在该第二功率开关与该变压器的该初级侧线圈之间的LLC谐振电路，其包括串联连接的一谐振电感、一激磁电感及一可调电容，其中该可调电容能受控制而调整为具有一第一电容值或一第二电容值，且该第一电容值小于该第二电容值；以及一控制器，其控制该第一功率开关及该第二功率开关轮流切换导通，并与该直流电压源及该可调电容电耦接，该控制器判断该输入电压是在该第一电压范围内时，其控制该可调电容调整为具有该第一电容值，且该控制器判断该输入电压是在该第二电压范围内时，控制该可调电容调整为具有该第二电容值。
较佳地，该可调电容包括一与该谐振电感及该激磁电感串联的第一电容，以及一第二电容，该控制器判断该输入电压是在该第一电压范围内时，其控制该第一电容不与该第二电容并联，使该可调电容具有该第一电容值，且该控制器判断该输入电压是在该第二电压范围内时，其控制该第一电容与该第二电容并联，使该可调电容具有该第二电容值。
较佳地，该LLC谐振式电源转换器还包括一输入电压侦测电路，其包含一或多个串联的电阻，且该电阻或该多个串联的电阻中最上端的该电阻的一端与该直流电压源的正极电耦接，且该控制器的一电压侦测接脚电耦接该电阻以取得该电阻上的一压降或一分压压降，并根据该压降或该分压压降判断该直流电压源的该输入电压是在该第一电压范围内还是在该第二电压范围内。
较佳地，该谐振电感是该变压器的该初级侧线圈的一漏电感，或者，该谐振电感包括该变压器的该初级侧线圈的一漏电感及一与该漏电感电连接的电感。
此外，本发明另一种LLC谐振式电源转换器，用以将来自一直流电压源的一输入电压转换成固定的一输出电压，并包括一第一功率开关、一与该第一功率开关串联连接的第二功率开关，一包含一初级侧线圈及一次级侧线圈的变压器，一电耦接在该第二功率开关与该变压器的该初级侧线圈之间的LLC谐振电路，其包括串联连接的一谐振电感、一激磁电感及一可调电容；以及一控制器，其控制该第一功率开关及该第二功率开关轮流切换导通，并与该直流电压源及该可调电容电耦接，且该控制器根据该输入电压的电平，对应控制该可调电容的电容值，以在该输入电压上升时，调高该可调电容的电容值，并在该输入电压下降时，降低该可调电容的电容值。
较佳地，该可调电容包括电容值各不相同的一第一电容、一第二电容及一第三电容，且该控制器根据该输入电压的电平大小，控制该可调电容为该第一电容、该第二电容及该第三电容其中之一或者为该第一电容、该第二电容及该第三电容其中的至少二个并联，使该可调电容的电容值对应该输入电压的大小增加或减少。
较佳地，该LLC谐振式电源转换器还包括一输入电压侦测电路，其包含一或多个串联的电阻，且该电阻或该多个串联的电阻中最上端的该电阻的一端与该直流电压源的正极电耦接，且该控制器的一电压侦测接脚电耦接该电阻以取得该电阻上的一压降或一分压压降，并根据该压降或该分压压降判断该直流电压源的电平大小。
较佳地，该谐振电感是该变压器的该初级侧线圈的一漏电感，或者该谐振电感包括该变压器的该初级侧线圈的一漏电感及一与该漏电感电连接的电感。
本发明通过控制器根据输入电压的大小，对应调整LLC谐振电路的可调电容的电容值，以适时调整LLC谐振电路的谐振频率，使LLC谐振电路在低电压输入时，工作在较高的谐振频率，以适时提升LLC谐振式电源转换器在低电压输入时的转换效率，并使LLC谐振电路在高电压输入时，工作在较低的谐振频率，使LLC谐振式电源转换器除了保持较佳的转换效率外，亦避免因操作频率太高而导致电路误动作及电磁干扰问题，确实实现了本发明的功效与目的。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是现有LLC谐振式电源转换器的主要电路图；
图2是现有LLC谐振式电源转换器在高电压输入时，产生的谐振电流波形图；
图3是现有LLC谐振式电源转换器在低电压输入时，产生的谐振电流波形图；
图4是现有LLC谐振式电源转换器在高电压输入且谐振电容的电容值减少时，产生的谐振电流波形图；
图5是本发明LLC谐振式电源转换器的第一较佳实施例的主要电路图；
图6是本发明第一实施例在低电压输入时，产生的谐振电流波形图；及
图7是本发明LLC谐振式电源转换器的第二较佳实施例的主要电路图。
附图标记说明：
2、2’LLC谐振式电源转换器
20直流电压源
21控制器
22、22’LLC谐振电路
23整流滤波电路
24分压电路
S1第一功率开关
S2第二功率开关
Vdc输入电压
Lr谐振电感
Lm激磁电感
C可调电容
Cs稳压电容
R1～R5电阻
C1第一电容
C2第二电容
C3第三电容
SW开关
SW1第一开关
SW2第二开关
T变压器
Lp初级侧线圈
Ls次级侧线圈
RL负载
Vo输出电压
Vsense电压侦测接脚
具体实施方式
参见图5所示，是本发明LLC谐振式电源转换器的第一较佳实施例，其用以将来自一直流电压源20的一输入电压Vdc(例如126V～370V)转换成固定的一输出电压Vo(例如24V)，其中输入电压Vdc可能是在一第一电压范围(例如126V～245V)内或在一大于第一电压范围的第二电压范围(例如246V～370V)内。且本实施例LLC谐振式电源转换器2包括一第一功率开关S1、一与第一功率开关S1串联的第二功率开关S2、一控制第一功率开关S1与第二功率开关S2导通与否的控制器21、一变压器T、一设在第二功率开关S2与变压器T之间的LLC谐振电路22，以及一整流滤波电路23。
变压器T包含一初级侧线圈Lp及一次级侧线圈Ls，且初级侧线圈Lp具有一漏电感。LLC谐振电路22电耦接在第二功率开关S2与变压器T的初级侧线圈Lp之间，并包括串联连接的一谐振电感Lr、一激磁电感Lm及一可调电容C。其中谐振电感Lr是初级侧线圈Lp的漏电感，或者较佳地谐振电感Lr是包含初级侧线圈Lp的漏电感及一与漏电感串联的电感(图中未示出)。且整流滤波电路23与次级侧线圈Ls电耦接。
当输入电压Vdc输入时，控制器21控制第一功率开关S1及第二功率开关S2轮流切换导通，使LLC谐振电路22的激磁电感Lm被激磁而反复产生电压及反电动势，使变压器T的初级侧线圈Ls持续产生感应电压，并经由整流滤波电路23对感应电压进行整流及滤波后，产生一直流的输出电压Vo给后端的一负载RL使用。且控制器21采用第一功率开关S1及第二功率开关S2接近50％的责任周期及频率调变的控制方式，实现输出电压Vo稳定，并且在LLC谐振电路22谐振期间，通过第一及第二功率开关S1、S2的寄生电容与二极管，使得第一及第二功率开关S1、S2实现零电压切换。
其中LLC谐振电路22的谐振频率fs决定于激磁电感Lm、谐振电感Lr与可调电容C，且其操作频率fs的范围为第一谐振频率fr1>fs>第二谐振频率fr2，其中第一谐振频率fr1由谐振电感Lr与可调电容C决定，第二谐振频率fr2由激磁电感Lm、谐振电感Lr与可调电容C决定。第一谐振频率fr1与第二谐振频率fr2的公式如下：
f r 1 = 1 2 π L r × C r f r 2 = 1 2 π ( L r + L m ) × C r
因此，由上面两个公式可知，当可调电容C的电容值增加或减少时，谐振频率fs就会对应降低或提高。
因此，为了适时调整LLC谐振电路22的谐振频率，使LLC谐振式电源转换器2工作在最佳效能，特别的是，本实施例的可调电容C能受控制而调整其电容值为一第一电容值或一第二电容值，其中第一电容值小于第二电容值。且控制器21除了控制第一功率开关S1及第二功率开关S2轮流切换导通之外，控制器21还与直流电压源20及可调电容C电耦接，以得知直流电源源20的输入电压Vdc是落在第一电压范围内还是落在第二电压范围内，并于判断输入电压Vdc落在第一电压范围(低电压)时，控制可调电容C调整为具有第一电容值，以调高LLC谐振电路22的谐振频率fs，使第一功率开关S1及第二功率开关S2的切换频率对应提高，而提升LLC谐振式电源转换器2在低电压输入时的转换效率；而当控制器21判断输入电压Vdc是落在第二电压范围(高电压)时，则控制可调电容C调整为具有第二电容值，以降低LLC谐振电路22的谐振频率fs，使第一功率开关S1及第二功率开关S2的切换频率对应降低，以避免LLC谐振式电源转换器2因第一功率开关S1及第二功率开关S2的切换频率过高而造成误动作及电磁干扰增加的问题。
更确切地说，如图5所示，本实施例还包括一设在直流电压源20的正极与控制器21的一电压侦测接脚Vsense之间的输入电压侦测电路24，其包含多个串联的电阻R1～R5以及一与最末端的电阻R5并联的稳压电容Cs，其中最上端的电阻R1的一端与直流电压源20的正极电耦接，且控制器21的电压侦测接脚Vsense与稳压电容Cs的一非接地端(即最末端的电阻R5的上端)电耦接，以取得电阻R5上的一压降，并根据该压降判断直流电压源20的输入电压Vdc是落在第一电压范围内还是落在第二电压范围内。当然，输入电压侦测电路24也可以省略电阻R1～R4，而只包含一个电阻R5以及与电阻R5并联的稳压电容Cs。或者，也可以省略稳压电容Cs，而只包含电阻R5或包含串联的电阻R1～R5。
且可调电容C包括一第一电容C1及一第二电容C2。第一电容C1与谐振电感Lr及激磁电感Lm串联，且第二电容C2受一开关SW控制，以决定与第一电容C1并联与否。因此，当控制器21判断输入电压Vdc是落在第一电压范围内(低电压)时，其控制开关SW不导通，使第一电容C1不与第二电容C2并联，使可调电容C即为第一电容C1而具有第一电容值；而当控制器21判断输入电压Vdc是落在第二电压范围内(高电压)时，其控制开关SW导通，使第一电容C1与第二电容C2并联，则可调电容C即等于第一电容C1与第二电容C2并联，而具有第二电容值。
例如，若设计激磁电感Lm为300μH、谐振电感Lr为75μH，第一电容C1为15nF，第二电容C2为12nF，当输入电压Vdc为例如126V(低电压范围)时，控制器21控制可调电容C为第一电容C1，而具有15nF电容值，则如图6所示的谐振电流波形可知，LLC谐振电路22的谐振频率fs能提高到约为81.94KHz，使LLC谐振电路22在低电压输入时，可以有较高的谐振频率，使第一功率开关S1及第二功率开关S2能工作在相对较高的切换频率，与现有谐振电容Cr为27nF时(参见图3)相较，产生的激磁电流较小，导通损失较小，且转换效率(输出功率62.5W/输入功率71.9W＝86.92％)提升了1.7％。
而当输入电压Vdc为例如367V(高电压范围)时，控制器21则控制可调电容C为第一电容C1与第二电容C2并联，而具有27nF电容值，使LLC谐振电路22在高电压输入下，如图2所示，除了仍能维持较高的转换效率外，其谐振频率fs不会过高，使第一功率开关S1及第二功率开关S2的切换频率不致过高，而能避免第一功率开关S1及第二功率开关S2不致因切换频率过高产生误动作以及增加电磁干扰。
再参见图7所示，是本发明LLC谐振式电源转换器的第二较佳实施例，其与第一实施例主要不同处在于：LLC谐振式电源转换器2’的控制器21可根据输入电压Vdc的多个不同的电压电平，多阶段地对应调整可调电容C的电容值，亦即例如本实施例的LLC谐振电路22’的可调电容C可包括电容值各不相同的一第一电容C1、一第二电容C2及一第三电容C3，且第一电容C1与谐振电感Lr及激磁电感Lm串联，第二电容C2及第三电容C3各别受相对应的一第一开关SW1及一第二开关SW2控制，以决定其各自是否与第一电容C1并联。且第一开关SW1及第二开关SW2受控制器21控制导通与否。
因此，控制器21即能根据输入电压Vdc的电平大小，对应控制可调电容C为第一电容C1或者为第一电容C1与第二电容C2及第三电容C3至少其中之一并联，使得可调电容C的电容值与输入电压Vdc的大小成正向对应关系。
换句话说，假设第一电容C1的电容值小于第二电容C2，且第二电容C2的电容值小于第三电容C3，则当控制器21判断输入电压Vdc的电平是落在一第一电压范围(例如最低电压范围)时，控制器21控制第一开关SW1与第二开关不导通，使可调电容C即为第一电容C1，当控制器21判断输入电压Vdc的电平是落在比第一电压范围还大的一第二电压范围时，控制器21控制第一开关SW1导通，使可调电容C为第一电容C1与第二电容C2并联，当控制器21判断输入电压Vdc的电平是落在比第二电压范围还大的一第三电压范围时，控制器21控制第二开关SW2导通，使可调电容C为第一电容C1与第三电容C3并联，当控制器21判断输入电压Vdc的电平是落在比第三电压范围还大的一第四电压范围(例如最高电压范围)时，控制器21控制第一开关SW1与第二开关SW2导通，使可调电容C为第一电容C1与第二电容C2及第三电容C3并联。藉此实现根据输入电压Vdc的电平大小，多阶段调整可调电容C的电容值，使可调电容C的电容值与输入电压Vdc的大小成正比。换句话说，本实施例的可调电容C可通过组合N(N≧3)个具有不同电容值的电容及N-1个开关，产生2(N-1)个(阶)电容值，例如四个电容搭配三个开关可以组合出八个(阶)不同的电容值，五个电容搭配四个开关可以组合出十六个(阶)不同的电容值。
因此，第二实施例可对应不同的输入电压Vdc，多阶段地对应调整可调电容C的电容值，使LLC谐振电路22’能够针对不同的输入电压Vdc电平，对应调整其谐振频率fs，使谐振频率fs落在较佳的工作点，以适时且有效地提升电压转换效率，而实现环保节能的需求及趋势，并减少电路因功率损耗产生的热能，且确保高电压输入时，不致工作频率过高导致电路误动作及电磁干扰，提高产品可靠度。
综上所述，上述实施例通过控制器21根据输入电压Vdc的大小，对应调整LLC谐振电路22、22’的谐振频率，使LLC谐振电路22、22’在低电压输入时，工作在较高的谐振频率，以适时提升LLC谐振式电源转换器2、2’在低电压输入时的转换效率，并在高电压输入时，工作在较低的谐振频率，使LLC谐振式电源转换器2、2’除了保持较佳的转换效率外，亦避免因操作频率太高而导致电路误动作及电磁干扰问题，确实实现本发明的功效与目的。
而以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明的实施范围，即大凡依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种LLC谐振式电源转换器，用以将来自一直流电压源的一输入电压转换成固定的一输出电压，其中该输入电压在一第一电压范围内或在一大于该第一电压范围的第二电压范围内；其特征在于，该LLC谐振式电源转换器包括：
一第一功率开关；
一第二功率开关，与该第一功率开关串联连接；
一变压器，包含一初级侧线圈及一次级侧线圈；
一整流滤波电路，与该次级侧线圈电耦接；
一LLC谐振电路，电耦接在该第二功率开关与该变压器的该初级侧线圈之间，并包括串联连接的一谐振电感、一激磁电感及一可调电容，其中该可调电容能受控制而调整为具有一第一电容值或一第二电容值，且该第一电容值小于该第二电容值；及
一控制器，控制该第一功率开关及该第二功率开关轮流切换导通，并与该直流电压源及该可调电容电耦接，该控制器判断该输入电压是在该第一电压范围内时，其控制该可调电容调整为具有该第一电容值，且该控制器判断该输入电压是在该第二电压范围内时，控制该可调电容调整为具有该第二电容值。
2.如权利要求1所述的LLC谐振式电源转换器，其特征在于，该可调电容包括一与该谐振电感及该激磁电感串联的第一电容，以及一第二电容，该控制器判断该输入电压是在该第一电压范围内时，其控制该第一电容不与该第二电容并联，使该可调电容具有该第一电容值，且该控制器判断该输入电压是在该第二电压范围内时，其控制该第一电容与该第二电容并联，使该可调电容具有该第二电容值。
3.如权利要求1或2所述的LLC谐振式电源转换器，其特征在于，还包括一输入电压侦测电路，其包含一或多个串联的电阻，且该电阻或该多个串联的电阻中最上端的该电阻的一端与该直流电压源的正极电耦接，且该控制器的一电压侦测接脚电耦接该电阻以取得该电阻上的一压降或一分压压降，并根据该压降或该分压压降判断该直流电压源的该输入电压是在该第一电压范围内还是在该第二电压范围内。
4.如权利要求1所述的LLC谐振式电源转换器，其特征在于，该谐振电感是该变压器的该初级侧线圈的一漏电感。
5.如权利要求4所述的LLC谐振式电源转换器，其特征在于，该谐振电感包括一与该漏电感电连接的电感。
6.一种LLC谐振式电源转换器，用以将来自一直流电压源的一输入电压转换成固定的一输出电压，其特征在于，该LLC谐振式电源转换器包括：
一第一功率开关；
一第二功率开关，与该第一功率开关串联连接；
一变压器，包含一初级侧线圈及一次级侧线圈；
一LLC谐振电路，电耦接在该第二功率开关与该变压器的该初级侧线圈之间，并包括串联连接的一谐振电感、一激磁电感及一可调电容；及
一控制器，控制该第一功率开关及该第二功率开关轮流切换导通，并与该直流电压源及该可调电容电耦接，且该控制器根据该输入电压的电平，对应控制该可调电容的电容值，以在该输入电压上升时，调高该可调电容的电容值，并在该输入电压下降时，降低该可调电容的电容值。
7.如权利要求6所述的LLC谐振式电源转换器，其特征在于，该可调电容包括电容值各不相同的一第一电容、一第二电容及一第三电容，且该控制器根据该输入电压的电平大小，控制该可调电容为该第一电容、该第二电容及该第三电容其中之一或者为该第一电容、该第二电容及该第三电容其中的至少二个并联，使该可调电容的电容值对应该输入电压的大小增加或减少。
8.如权利要求6或7所述的LLC谐振式电源转换器，其特征在于，还包括一输入电压侦测电路，其包含一或多个串联的电阻，且该电阻或该多个串联的电阻中最上端的该电阻的一端与该直流电压源的正极电耦接，且该控制器的一电压侦测接脚电耦接该电阻以取得该电阻上的一压降或一分压压降，并根据该压降或该分压压降判断该直流电压源的电平大小。
9.如权利要求6所述的LLC谐振式电源转换器，其特征在于，该谐振电感是该变压器的该初级侧线圈的一漏电感。
10.如权利要求6所述的LLC谐振式电源转换器，其特征在于，该谐振电感包括该变压器的该初级侧线圈的一漏电感及一与该漏电感电连接的电感。
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