CN106026673A - 一种具有高电压增益的宽范围输入llc谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，包括逆变电路、谐振电路、辅助LC谐振电路、变压器、输出整流滤波电路、采样电路、驱动电路以及DSC。逆变电路上并联有谐振电路，输出整流滤波电路通过变压器和谐振电路相连，辅助LC谐振电路通过变压器绕组与变换器相连，DSC的输入端通过采样电路与变换器相连，驱动电路的PWM输出端与逆变电路的控制端相连。本发明通过附加LC谐振电路，改变变换器在不同工作状态的有效磁性电感，解决了现有技术中变换器在停滞状态电压增益较低的缺陷；同时使其工作在正常工作状态时，在较小工作频率下都具有较高效率。适用于要求变换器输入电压范围较宽且效率较高的应用场合。

Description

一种具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器
【技术领域】
本发明属于电力电子变换器技术领域，具体涉及一种具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器。
【背景技术】
现今，具有两级结构的变换器在分布式电源、服务器电源等许多电源中被广泛应用。两级变换器通常由级功率因数(PFC)矫正级和级DC/DC变换级组成，PFC级可以获得较高的功率因数、保持输入电流为正弦波、为后级的DC/DC变换器提供输入电压；后级的DC/DC变换器用于调节稳定的输出电压。由于LLC谐振变换器能够工作在零电压和零电流开关状态，具有高效率、高功率密度、无变压器直流偏置电流等特点而被广泛用于两级结构中。
两级变换器的一个重要特点是当交流电断电后，输出电压能够保持一段时间，称为停滞时间。为了满足这段停滞时间变换器具有较高的电压增益，保持稳定的输出电压，LLC谐振变换器的设计需要满足较宽的输入电压范围。变换器的电压增益和其品质因数、励磁电感与谐振电感的比值有关系，为获得较大的电压增益，一般可以通过设计较大的品质因数和较小的励磁电感与谐振电感的比值来实现，但这会导致变换器的磁性元件体积庞大。但将变压器的磁性电感设计的较小时，会使变换器有较大的传导和开关损耗，降低其效率。因此为了获得较高的电压增益，且需将变压器的磁性电感设计的较小，这是一个值得研究的问题。
为了使变换器在正常工作时具有较高的效率，且在停滞状态满足电压增益要求，本发明提出了一种具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，通过增加辅助LC谐振电路，改变变换器在不同工作状态的有效磁性电感，使得两级变换器在停滞时间具有较高电压增益，且效率较高。
【发明内容】
本发明的目的在于解决现有技术中变换器在停滞状态电压增益较低的缺陷，提出一种具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，该变换器通过附加LC谐振电路，改变变换器在不同工作状态的有效磁性电感，使变换器具有高电压增益、高效率和高可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，包括直流供电电源Vin、逆变电路、谐振电路、辅助LC谐振电路、变压器、输出整流滤波电路、采样电路、驱动电路以及DSC；直流供电电源Vin与逆变电路连接，逆变电路上并联有谐振电路，输出整流滤波电路通过变压器和谐振电路相连，辅助LC谐振电路与变压器原边绕组相连；DSC的输入端通过采样电路采集直流供电电源Vin的输入电压、变压器原边绕组的电流以及输出整流滤波电路的输出电压，驱动电路的PWM输出端与逆变电路的控制端相连。
本发明进一步的改进在于：
所述逆变电路采用叠桥逆变电路，开关管采用MOS管，MOS管的漏极和源极之间并联体二极管和寄生电容。
所述叠桥逆变电路包括开关MOS管Ql、开关MOS管Q2、开关MOS管Q3、开关MOS管Q4、体二极管Dl、体二极管D2、体二极管D3、体二极管D4、寄生电容Cl、寄生电容C2、寄生电容C3、寄生电容C4以及两个串联连接的分压电容Cin；
两个输入分压电容Cin的两端分别与直流供电电源Vin的正极和负极连接，逆变电路的开关桥臂由开关MOS管Ql、开关MOS管Q2、开关MOS管Q3、开关MOS管Q4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的MOS管Ql的漏极和开关MOS管Q4的源极分别与电源的正极和负极相连接，开关MOS管Q2和开关MOS管Q3的中间连接点与两分压电容Cin的中间连接点相连接；体二极管Dl和寄生电容Cl并联在开关MOS管Ql的源极与漏极之间，且体二极管Dl的阳极与开关MOS管Ql的源极相连；体二极管D2和寄生电容C2并联在开关MOS管Q2的源极与漏极之间，且体二极管D2的阳极与开关MOS管Q2的源极相连；体二极管D3和寄生电容C3并联在开关MOS管Q3的源极与漏极之间，且体二极管D3的阳极与开关MOS管Q3的源极相连；体二极管D4和寄生电容C4并联在开关MOS管Q4的源极与漏极之间，且体二极管D4的阳极与开关MOS管Q4的源极相连。
所述变压器原变绕组与谐振电路、辅助LC谐振电路相连，副边绕组与输出整流电路相连。
所述谐振电路包括谐振电容Cr、谐振电感Lr以及谐振电感Lm；辅助LC谐振电路包括谐振电容CA、谐振电感LA。
谐振电感Lr的一端和变压器原边绕组Np的一端相连，另一端与开关MOS管Ql和开关MOS管Q2的连接点相连接；变压器原边绕组Np的另一端与谐振电容Cr一端相连，谐振电容Cr的另一端与开关MOS管Q3和开关MOS管Q4的连接点相连接，谐振电感Lm并联在变压器原边绕组Np的两端；谐振电感LA和谐振电容CA串联后接在变压器原边绕组NA的两端。
所述整流滤波电路包括整流二极管D5、整流二极管管D6、滤波电容Co以及输出负载Ro；变压器副边绕组Ns1的异名端和整流二极管D5的阴极相连，同名端和滤波电容Co相连；变压器副边绕组Ns2的同名端和整流二极管D6的阴极相连，异名端和滤波电容Co相连；整流二极管D5与整流二极管D6的阳极都和滤波电容Co的另一端相连，输出负载Ro并联在滤波电容Co的两端。
所述采样电路包括第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路；第一采样电路对输入电压进行采样反馈到DSC，第二采样电路对变压器原边绕组Np电流进行采样反馈给DSC，第三采样电路对输出电压进行采样反馈到DSC，DSC对反馈得到的信号进行处理，采用PWM调控方式调节占空比驱动方波发生电路，驱动电路的PWM输出端分别与开关MOS管Q1、开关MOS管Q2、开关MOS管Q3以及开关MOS管Q4的栅极相连。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用的叠桥LLC谐振变换器本身就能实现宽范围输入，其操作规则与普通LLC谐振变换器相同，只是管子的导通方式不同，不需要增添别的控制方式，结构简单。电路不需要增添除电容、电感以外的额外组件。本发明的电路结构适合于输出为全桥整流、中心抽头整流等各种变压器二次侧结构。辅助LC谐振电路不需要额外的控制方式，使变换器的结构简单，可靠性高。本发明的有效磁性电感易实现，使变换器很容易获得较高的电压增益，且效率较高。
【附图说明】
图1为两级结构的ac/dc变换器结构框图；
图2为dc/dc变换器输入电压变化波形图；
图3为本发明的电路图；
图4为有效磁性电感等效电路图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，此图为两级变换器的结构框图，级为功率因数校正电路，当电力系统接入交流输入时，该级可使输入电流波形满足谐波失真要求，获得高功率因数，为后级DC/DC变换器提供稳定的输入电压Vbus。级为DC/DC变换电路，将前一部分得到的直流输出电压作为此部分的直流输入进行转化，该级可在失去交流电的情况下，通过Cbus中储存的能量精确调节输出电压Vo。DC/DC转换器有很多种拓扑结构，本发明采用叠桥形式的LLC谐振变换器，此拓扑结构转换效率高、功率密度大、可实现宽范围输入、通过附加LC谐振电路可避免两级变换器在停滞状态电压增益较低的缺点。
如图2所示，此图是DC/DC变换器输入电压变化波形图，当两级变换器失去交流电的一段时间，其输出电压必须保持一段时间，这段时间被称为停滞时间。在停滞时间内，电容Cbus储存的能量将为LLC谐振变换器提供，以保持稳定的输出电压。因此，DC/DC变换器应满足足够的电压增益来保持稳定的输出电压，本发明则采用附加LC谐振电路的方式来获得较大的电压增益。
如图3所示，本发明包括直流供电电源(Vin)、逆变电路、谐振电路、辅助LC谐振电路、变压器、输出整流滤波电路、采样电路、驱动电路以及DSC。直流供电电源(Vin)与逆变电路连接，逆变电路上并联有谐振电路，输出整流滤波电路通过变压器和谐振电路相连，辅助LC谐振电路通过变压器绕组与变换器相连，DSC的输入端通过采样电路与变换器相连，驱动电路的PWM输出端与逆变电路的控制端相连。
逆变电路采用叠桥逆变电路叠桥逆变电路包括开关MOS管Ql、开关MOS管Q2、开关MOS管Q3、开关MOS管Q4、体二极管Dl、体二极管D2、体二极管D3、体二极管D4、寄生电容Cl、寄生电容C2、寄生电容C3、寄生电容C4、两个串联连接的分压电容Cin。
两个输入分压电容Cin串联连接，其另外一端分别与电源的正极和负极连接，逆变电路的开关桥臂由开关MOS管Ql、开关MOS管Q2、开关MOS管Q3、开关MOS管Q4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的MOSQl管的漏极和开关MOS管Q4的源极分别与电源的正极和负极相连接，所述开关MOS管Q2和开关MOS管Q3的中间连接点与两串联输入分压电容Cin的中间连接点相连接。体二极管Dl和寄生电容Cl并联在开关MOS管Ql的源极与漏极之间，且体二极管Dl的阳极与开关MOS管Ql的源极相连；体二极管D2和寄生电容C2并联在开关MOS管Q2的源极与漏极之间，且体二极管D2的阳极与开关MOS管Q2的源极相连；体二极管D3和寄生电容C3并联在开关MOS管Q3的源极与漏极之间，且体二极管D3的阳极与开关MOS管Q3的源极相连；体二极管D4和寄生电容C4并联在开关MOS管Q4的源极与漏极之间，且体二极管D4的阳极与开关MOS管Q4的源极相连。
谐振电路包括谐振电容Cr、谐振电感Lr以及谐振电感Lm；辅助LC谐振电路包括谐振电容CA、谐振电感LA。
谐振电感Lr的一端和变压器原边绕组Np的一端相连，另一端与开关MOS管Ql和开关MOS管Q2的连接点相连接；变压器原边绕组Np的另一端与谐振电容Cr一端相连，谐振电容Cr的另一端与开关MOS管Q3和开关MOS管Q4的连接点相连接，谐振电感Lm并联在变压器原边绕组Np的两端。谐振电感LA和谐振电容CA串联后接在变压器原边绕组NA的两端。
整流滤波电路包括整流二极管D5、整流二极管管D6、滤波电容Co以及输出负载Ro。变压器副边绕组Ns1的异名端和整流二极管D5的阴极相连，同名端和滤波电容Co相连；变压器副边绕组Ns2的同名端和整流二极管D6的阴极相连，异名端和滤波电容Co相连。整流二极管D5与整流二极管D6的阳极都和滤波电容Co的另一端相连，输出负载Ro并联在滤波电容Co的两端。
控制电路包括采样电路、采样电路、采样电路、DSC、驱动电路。采样电路对输入电压进行采样反馈到DSC，采样电路对变压器原边绕组Np电流进行采样反馈给DSC，采样电路对输出电压进行采样反馈到DSC，DSC对反馈给自己的信号进行处理，采用PWM调控方式调节占空比驱动方波发生电路，驱动电路的PWM输出端与开关MOS管Q1的栅极相连，PWM输出端与开关MOS管Q2的栅极相连，PWM输出端与开关MOS管Q3的栅极相连，PWM输出端与开关MOS管Q4的栅极相连。
如图4所示，此图是有效谐振电感的等效电路图，其中n2＝Np/NA。本发明中所述的有效谐振电感是由辅助LC谐振电路和LLC谐振变换器磁性电感共同构成。当变换器工作在正常的操作状态，电路中有较大的磁性电感，使得主电路的环路电流较小，因此电路的传导损耗和开关损耗都较小，变换器在此状态下有较高效率；当变换器工作在停滞状态时，有效磁性电感将减小，电路获得较大的电压增益，此种状态与LLC谐振变换器具有较小的磁性电感时获得的增益相同。
本发明的原理：
本发明的具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，通过附加LC谐振电路，改变变换器在不同工作状态的有效磁性电感，解决了现有技术中变换器在停滞状态电压增益较低的缺陷；同时使其工作在正常工作状态时，在较小工作频率下都具有较高效率。特别适用于要求变换器输入电压范围较宽且效率较高的应用场合。
本发明的磁性电感是一个定值，不随频率的变化而变化，但其有效谐振电感则会随着频率变化。当电路工作在正常操作状态时，辅助LC谐振电路的频率f3远小于主电路的工作频率f1，且谐振电容CA在每一个开关周期的平均电压几乎为零，因此谐振电感CA可以被忽略，LC谐振电路可看作一个纯电感电路，此状态下电路的有效磁性电感较大，主电路的环路电流则会变小且能满足ZVS的实现，所以主电路的传输损耗和开关损耗都较小，变换器有较高效率。当电路工作在停滞状态时，主电路工作在f3和f1频率之间，当工作频率为f3时，LC谐振电路的阻抗急剧减小，LC电路相当于一个滤波器，因为LC电路的阻抗过小，主电路将有较大的环路电流，储存在谐振电感Cr中的能量使得电压增益升高，此状态的电压增益和LLC谐振变换器有较小磁性电感时获得的电压增益一样。
由于本发明中变压器的附加原边绕组NA是为了减小谐振电感LA的大小，且同时降低谐振电感CA所承受的电压，因此谐振电感CA可以被忽略，LC谐振电路可看作一个纯电感电路，且谐振电感LA的尺寸较小。
所以本发明通过附加LC谐振电路的形式，不仅可以使变换器的电压增益升高，而且不会增大变换器的体积，具有重要的实用价值。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，其特征在于，包括直流供电电源Vin、逆变电路、谐振电路、辅助LC谐振电路、变压器、输出整流滤波电路、采样电路、驱动电路以及DSC；直流供电电源Vin与逆变电路连接，逆变电路上并联有谐振电路，输出整流滤波电路通过变压器和谐振电路相连，辅助LC谐振电路与变压器原边绕组相连；DSC的输入端通过采样电路采集直流供电电源Vin的输入电压、变压器原边绕组的电流以及输出整流滤波电路的输出电压，驱动电路的PWM输出端与逆变电路的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，其特征在于，所述逆变电路采用叠桥逆变电路，开关管采用MOS管，MOS管的漏极和源极之间并联体二极管和寄生电容。
3.根据权利要求2所述的具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，其特征在于，所述叠桥逆变电路包括开关MOS管Ql、开关MOS管Q2、开关MOS管Q3、开关MOS管Q4、体二极管Dl、体二极管D2、体二极管D3、体二极管D4、寄生电容Cl、寄生电容C2、寄生电容C3、寄生电容C4以及两个串联连接的分压电容Cin；
两个输入分压电容Cin的两端分别与直流供电电源Vin的正极和负极连接，逆变电路的开关桥臂由开关MOS管Ql、开关MOS管Q2、开关MOS管Q3、开关MOS管Q4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的MOS管Ql的漏极和开关MOS管Q4的源极分别与电源的正极和负极相连接，开关MOS管Q2和开关MOS管Q3的中间连接点与两分压电容Cin的中间连接点相连接；体二极管Dl和寄生电容Cl并联在开关MOS管Ql的源极与漏极之间，且体二极管Dl的阳极与开关MOS管Ql的源极相连；体二极管D2和寄生电容C2并联在开关MOS管Q2的源极与漏极之间，且体二极管D2的阳极与开关MOS管Q2的源极相连；体二极管D3和寄生电容C3并联在开关MOS管Q3的源极与漏极之间，且体二极管D3的阳极与开关MOS管Q3的源极相连；体二极管D4和寄生电容C4并联在开关MOS管Q4的源极与漏极之间，且体二极管D4的阳极与开关MOS管Q4的源极相连。
4.根据权利要求1所述的具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，其特征在于，所述变压器原变绕组与谐振电路、辅助LC谐振电路相连，副边绕组与输出整流电路相连。
5.根据权利要求1、3或4所述的具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，其特征在于，所述谐振电路包括谐振电容Cr、谐振电感Lr以及谐振电感Lm；辅助LC谐振电路包括谐振电容CA、谐振电感LA；
谐振电感Lr的一端和变压器原边绕组Np的一端相连，另一端与开关MOS管Ql和开关MOS管Q2的连接点相连接；变压器原边绕组Np的另一端与谐振电容Cr一端相连，谐振电容Cr的另一端与开关MOS管Q3和开关MOS管Q4的连接点相连接，谐振电感Lm并联在变压器原边绕组Np的两端；谐振电感LA和谐振电容CA串联后接在变压器原边绕组NA的两端。
6.根据权利要求1、3或4所述的具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，其特征在于，所述整流滤波电路包括整流二极管D5、整流二极管管D6、滤波电容Co以及输出负载Ro；变压器副边绕组Ns1的异名端和整流二极管D5的阴极相连，同名端和滤波电容Co相连；变压器副边绕组Ns2的同名端和整流二极管D6的阴极相连，异名端和滤波电容Co相连；整流二极管D5与整流二极管D6的阳极都和滤波电容Co的另一端相连，输出负载Ro并联在滤波电容Co的两端。
7.根据权利要求1所述的具有高电压增益的宽范围输入LLC谐振变换器，其特征在于，所述采样电路包括第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路；第一采样电路对输入电压进行采样反馈到DSC，第二采样电路对变压器原边绕组Np电流进行采样反馈给DSC，第三采样电路对输出电压进行采样反馈到DSC，DSC对反馈得到的信号进行处理，采用PWM调控方式调节占空比驱动方波发生电路，驱动电路的PWM输出端分别与开关MOS管Q1、开关MOS管Q2、开关MOS管Q3以及开关MOS管Q4的栅极相连。
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