CN105245113B - 一种抗直通软开关推挽llc谐振变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗直通软开关推挽LLC谐振变换器，它是由输入源V_in、原边电路、LLC谐振网络和变压器以及副边电路构成，所述原边电路是由缓冲电容与开关管串联组成抗直通电路构成，所述副边电路是由整流电路构成，LLC谐振网络和变压器是由高频变压器、谐振电感L_r、励磁电感L_m和谐振电容C_r构成。本发明通过将LLC谐振结构与抗直通桥臂、推挽结构集成到一起，实现原边抗直通结构，同时实现原边开关管的软开关，副边整流管的软开关，提高功率变换器的可靠性和功率密度。本发明只有两个开关管，能够有效降低成本。该变换器适用于高可靠要求的航空航天、军事领域，能够应用于高输入电压的场合。

Description

一种抗直通软开关推挽LLC谐振变换器

技术领域

本发明涉及通信电源、航空航天高可靠电源、混合电动汽车等系统的电力电子变换器领域，尤其涉及一种抗直通软开关推挽LLC谐振变换器。

背景技术

开关电源被广泛应用于国民生产的各个领域，航空航天和军工领域的不断发展对高可靠、高功率密度、高效率、大功率电源变换器的研制提出了更高的要求。

推挽结构能够实现变换器双向磁化且不存在桥臂直通隐患，被广泛应用于航天电源的设计中，是航天电源拓扑结构基本程式之一。但推挽结构开关管承受电压应力为输入电压的两倍，变压器原边绕组的漏感能量容易在开关管上形成电压尖峰，因此只适用于低压输入场合，且推挽电路为硬开关，开关损耗高，效率低。LLC谐振变换器以其效率高、功率密度高被广泛应用，LLC能够实现开关管的软开关，能够有效降低变换器的EMI，实现高频化，减小变换器体积，提高变换器的功率密度。但是，传统的LLC谐振变换器原边开关管存在桥臂直通的隐患，不适合在高可靠要求的航空航天、军事等领域应用。

针对以上结构弊端，为实现对电路的优化，提出一种抗直通软开关推挽LLC谐振变换器。采用推挽结构与半桥LLC谐振结构相结合的思想，实现开关管的软开关，提高变换器效率，同时该变换器不存在桥臂直通的隐患，可靠性高，同时原边开关管电压应力低，适用于高输入电压的场合。该变换器副边整流管能够实现软开关，有效提高了变换器的效率。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种适合于高输入电压的、抗桥臂直通的、高可靠软开关LLC谐振变换器。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种抗直通软开关推挽LLC谐振变换器，该变换器是由输入源V_in、原边电路、LLC谐振网络和变压器以及副边电路构成，所述原边电路是由缓冲电容与开关管串联组成抗直通电路构成，所述副边电路是由整流电路构成，LLC谐振网络和变压器是由高频变压器、谐振电感L_r、励磁电感L_m和谐振电容C_r构成；

所述原边电路包括第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一缓冲电容C₁、第二缓冲电容C₂；第一开关管S₁的源极与第一缓冲电容C₁一端连接，组成抗直通结构前桥臂，第二开关管S₂的漏极与第二缓冲电容C₂一端连接，组成抗直通结构后桥臂，前桥臂与后桥臂并联连接，第一开关管S₁的漏极与第二缓冲电容C₂另一端连接，第二开关管S₂的源极与第一缓冲电容C₁另一端连接；

所述LLC谐振网络和变压器包括高频变压器T、谐振电感L_r、第一绕组励磁电感L_m1、、第二绕组励磁电感L_m2、第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2，高频变压器T原边与副边的匝比为n:1；第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2串联连接，然后与输入电压源V_in并联连接；第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2连接的中点与谐振电感L_r的一端连接；高频变压器T有两个原边绕组和两个副边绕组，高频变压器T第一原边绕组N_p1同名端与第一开关管S₁的源极连接，高频变压器T第一原边绕组N_p1的非同名端与第二原边绕组N_p2的非同名端以及谐振电感L_r的另一端连接，高频变压器T原边第二绕组N_p2的同名端与第二开关管S₂的漏极连接；高频变压器T第一副边绕组N_s1的非同名端与高频变压器T第二副边绕组N_s2的同名端连接；第一绕组励磁电感L_m1、并联在第一原边绕组N_p1的同名端和非同名端之间，第二绕组励磁电感L_m2并联在第二原边绕组N_p2的同名端和非同名端之间；

所述副边电路包括第一输出整流二极管D_r1、第二输出整流二极管D_r2、输出电容C_o和负载电阻R_o，第一输出整流二极管D_r1的阴极与第二输出整流二极管D_r2的阴极连接，第一输出整流二极管D_r1的阳极与高频变压器T第一副边绕组N_s1的同名端连接，第二输出整流二极管D_r2的阳极与高频变压器T第二副边绕组N_s2的非同名端连接；输出电容C_o与负载电阻R_o并联后其正极连接到第一输出整流二极管D_r1与第二输出整流二极管D_r2的共阴极处，其负极连接到高频变压器T副边第一副边绕组N_s1的非同名端以及高频变压器T副边第二副边绕组N_s2的同名端处。

本发明通过将LLC谐振结构与抗直通桥臂、推挽结构集成到一起，实现原边抗直通结构，同时实现原边开关管的软开关，副边整流管的软开关，提高功率变换器的可靠性和功率密度。本发明只有两个开关管，能够有效降低成本。该变换器适用于高可靠要求的航空航天、军事领域，能够应用于高输入电压的场合。

本发明的特点和技术效果：

(1)变换器不存在桥臂直通的结构，消除桥臂直通的隐患，可靠性高；

(2)原边开关管承受电压应力为输入电压值，开关管电压应力低，适用于高压输入场合；

(3)所有原边开关管和副边的整流管都能够实现软开关，有效提高变换器效率，同时易于高频化设计。

(4)变压器漏感能够与谐振电感磁集成，提高变换器的功率密度。

附图说明

图1是本发明抗直通软开关推挽LLC谐振变换器的电路结构原理图；

图2是本发明抗直通软开关推挽LLC谐振变换器的主要工作波形图；

图3是本发明抗直通软开关推挽LLC谐振变换器t₀-t₁阶段的等效电路图；

图4是本发明抗直通软开关推挽LLC谐振变换器t₁-t₂阶段的等效电路图；

图5是本发明抗直通软开关推挽LLC谐振变换器t₂-t₃阶段的等效电路图；

图6是本发明抗直通软开关推挽LLC谐振变换器t₃时刻后，进入负半周的等效电路图。

以上附图中的符号名称说明：V_in为输入电压源；V_gs1、V_gs2分别为第一开关管S₁和第二开关管S₂的驱动；V_ds1、V_ds2分别为第一开关管S₁和第二开关管S₂两端电压，i_dr1、i_dr2分别为高频变压器T第一副边绕组N_s1和第二副边绕组N_s2的整流管电流，i_p1、i_p2分别为高频变压器T第一原边绕组N_p1和第二原边绕组N_p2的绕组电流，S₁为第一开关管，S₂为第二开关管；C_r1为第一谐振电容，C_r2为第二谐振电容；L_r为谐振电感；C₁为第一缓冲电容、C₂为第二缓冲电容；T为高频变压器；N_p1、N_p2、N_s1、N_s1分别为高频变压器的第一原边绕组、第二原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；L_m1、L_m2分别为第一绕组激磁电感和第二绕组激磁电感；i_Lr为谐振电感L_r电流，D_r1、D_r2分别为第一输出整流二极管、第二输出整流二极管；C_o为输出滤波电容；R_o为负载电阻，D为开关管占空比；t_dead是死区时间。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种抗直通软开关推挽LLC谐振变换器是由输入源V_in、原边电路、LLC谐振网络和变压器以及副边电路构成，所述原边电路是由缓冲电容与开关管串联组成抗直通电路构成，所述副边电路是由整流电路构成，LLC谐振网络和变压器是由高频变压器、谐振电感L_r、励磁电感L_m和谐振电容C_r构成；

所述原边电路包括第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一缓冲电容C₁、第二缓冲电容C₂；第一开关管S₁的源极与第一缓冲电容C₁一端连接，组成抗直通结构前桥臂，第二开关管S₂的漏极与第二缓冲电容C₂一端连接，组成抗直通结构后桥臂，前桥臂与后桥臂并联连接，第一开关管S₁的漏极与第二缓冲电容C₂另一端连接，第二开关管S₂的源极与第一缓冲电容C₁另一端连接；

所述LLC谐振网络和变压器包括高频变压器T、谐振电感L_r、第一绕组励磁电感L_m1、、第二绕组励磁电感L_m2、第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2，高频变压器T原边与副边的匝比为n:1；第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2串联连接，然后与输入电压源V_in并联连接；第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2连接的中点与谐振电感L_r的一端连接；高频变压器T有两个原边绕组和两个副边绕组，高频变压器T第一原边绕组N_p1同名端与第一开关管S₁的源极连接，高频变压器T第一原边绕组N_p1的非同名端与第二原边绕组N_p2的非同名端以及谐振电感L_r的另一端连接，高频变压器T原边第二绕组N_p2的同名端与第二开关管S₂的漏极连接；高频变压器T第一副边绕组N_s1的非同名端与高频变压器T第二副边绕组N_s2的同名端连接；第一绕组励磁电感L_m1、并联在第一原边绕组N_p1的同名端和非同名端之间，第二绕组励磁电感L_m2并联在第二原边绕组N_p2的同名端和非同名端之间；

所述副边电路包括第一输出整流二极管D_r1、第二输出整流二极管D_r2、输出电容C_o和负载电阻R_o，第一输出整流二极管D_r1的阴极与第二输出整流二极管D_r2的阴极连接，第一输出整流二极管D_r1的阳极与高频变压器T第一副边绕组N_s1的同名端连接，第二输出整流二极管D_r2的阳极与高频变压器T第二副边绕组N_s2的非同名端连接；输出电容C_o与负载电阻R_o并联后其正极连接到第一输出整流二极管D_r1与第二输出整流二极管D_r2的共阴极处，其负极连接到高频变压器T副边第一副边绕组N_s1的非同名端以及高频变压器T副边第二副边绕组N_s2的同名端处。

本发明的目的是实现高可靠、高效率、高功率密度的隔离直流变换器，本发明采用半桥LLC谐振结构与抗直通结构相结合，实现开关管的软开关，副边整流管的软开关，提高变换器的效率，使其适用于高输入电压场合，同时具备高可靠、高效率、高功率密度特性的变换器。

下面结合图2—图6对本发明抗直通软开关LLC谐振变换器的具体工作过程进行分析。

(t₀-t₁)时刻，如图3所示，原边的第一开关管S₁导通，副边的第一输出整流二极管D_r1处于导通状态，副边的第二输出整流二极管D_r2承受反向电压处于截止状态。高频变压器T的第一原边绕组N_p1两端的电压被钳位在输出电压(V_o)反馈到原边的电压值(nV_o)，原边的第一绕组励磁电感L_m1的电流i_Lm1线性上升，第二原边绕组N_p2耦合第一原边绕组电压Np1的电压，使原边第二绕组励磁电感L_m2的电流i_Lm2线性下降，谐振电感L_r与第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2进行谐振，谐振电感L_r的电流i_Lr处于上升阶段，谐振电感L_r的电流i_Lr与原边第一绕组励磁电感L_m1的电流i_Lm1和原边第二绕组励磁电感L_m2的电流i_Lm2之和的差值的1/n倍为副边第一输出整流二极管D_r1的电流。此阶段，输入电压源(V_in)通过高频变压器T向副边传递功率。

(t₁-t₂)时刻，如图4所示，谐振电感L_r的电流i_Lr与原边第一绕组励磁电感L_m1的电流i_Lm1和原边第二励磁电感L_m2的电流i_Lm2之和(i_Lm1+i_Lm2)相等，副边第一输出整流二极管D_r2电流i_dr1降为零，实现零电流关断，原边第一绕组励磁电感L_m1和原边第二绕组励磁电感L_m2参与谐振。由于第一绕组励磁电感L_m1和第二绕组励磁电感L_m2的电感值远远大于谐振电感L_r的值，因此，此阶段谐振周期远大于谐振电感L_r与第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2的谐振周期，此阶段电流可视为恒定不变状态。副边滤波电容C_o向负载提供能量。

(t₂-t₃)时刻,如图5所示，原边第一开关管S₁关断，原边第一绕组励磁电感L_m1对原边缓冲电容C₁进行放电，原边第一开关管S₁电流降为零，但其两端电压缓慢上升，实现零电流关断。原边第一绕组励磁电感L_m1的电流i_Lm1开始下降，原边第二绕组励磁电感L_m2的电流i_Lm2开始上升，但是(i_Lm1+i_Lm2)开始减小，谐振电感电流i_Lr小于原边第一和第二绕组励磁电感电流之和(i_Lm1+i_Lm2)，副边第二输出整流二极管D_r2导通，输入电压源向副边传递功率。谐振电感L_r电流i_Lr与(i_Lm1+i_Lm2)之差，流过高频变压器T第二原边绕组N_p2，因此，第二原边绕组N_p2电流i_p2对原边第二缓冲电容C₂充电，当C₂两端电压为输入电压值时，原边第二开关管S₂两端电压降为零，从而实现原边第二开关管S₂的零电压开通条件

t₃时刻之后，如图6所示，原边第二开关管S₂开通，实现零电压开通，因为原边第二开关管S₂开通之后，其工作波形与原边第一开关管S₁开通时的工作波形完全对称，因此后面的工作过程不在赘述。

根据上述工作过程的描述可知，本发明不存在桥臂直通隐患，可以显著提高变换器的可靠性，降低开关管电压应力，同时功率开关实现了软开关，可提高变换器的效率和功率密度，适用于高输入电压、大功率、高可靠的工作场合。

Claims (1)

1.一种抗直通软开关推挽LLC谐振变换器，其特征在于：它是由输入源V_in、原边电路、LLC谐振网络和变压器以及副边电路构成，所述原边电路是由缓冲电容与开关管串联组成抗直通电路构成，所述副边电路是由整流电路构成，LLC谐振网络和变压器是由高频变压器、谐振电感L_r、励磁电感L_m和谐振电容C_r构成；

所述原边电路包括第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一缓冲电容C₁、第二缓冲电容C₂；第一开关管S₁的源极与第一缓冲电容C₁一端连接，组成抗直通结构前桥臂，第二开关管S₂的漏极与第二缓冲电容C₂一端连接，组成抗直通结构后桥臂，前桥臂与后桥臂并联连接，第一开关管S₁的漏极与第二缓冲电容C₂另一端连接，第二开关管S₂的源极与第一缓冲电容C₁另一端连接；

所述LLC谐振网络和变压器包括高频变压器T、谐振电感L_r、第一绕组励磁电感L_m1、第二绕组励磁电感L_m2、第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2，高频变压器T原边与副边的匝比为n:1；第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2串联连接，然后与输入电压源V_in并联连接；第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2连接的中点与谐振电感L_r的一端连接；高频变压器T有两个原边绕组和两个副边绕组，高频变压器T第一原边绕组N_p1同名端与第一开关管S₁的源极连接，高频变压器T第一原边绕组N_p1的非同名端与第二原边绕组N_p2的非同名端以及谐振电感L_r的另一端连接，高频变压器T原边第二绕组N_p2的同名端与第二开关管S₂的漏极连接；高频变压器T第一副边绕组N_s1的非同名端与高频变压器T第二副边绕组N_s2的同名端连接；第一绕组励磁电感L_m1并联在第一原边绕组N_p1的同名端和非同名端之间，第二绕组励磁电感L_m2并联在第二原边绕组N_p2的同名端和非同名端之间；

所述副边电路包括第一输出整流二极管D_r1、第二输出整流二极管D_r2、输出电容C_o和负载电阻R_o，第一输出整流二极管D_r1的阴极与第二输出整流二极管D_r2的阴极连接，第一输出整流二极管D_r1的阳极与高频变压器T第一副边绕组N_s1的同名端连接，第二输出整流二极管D_r2的阳极与高频变压器T第二副边绕组N_s2的非同名端连接；输出电容C_o与负载电阻R_o并联后其正极连接到第一输出整流二极管D_r1与第二输出整流二极管D_r2的共阴极处，其负极连接到高频变压器T副边第一副边绕组N_s1的非同名端以及高频变压器T副边第二副边绕组N_s2的同名端处。