CN106026674A - 一种加辅助lc谐振电路的全桥和半桥混合变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，包括逆变电路、谐振网络、变压器、整流滤波网络和辅助LC谐振网络。辅助谐振网络包括串联谐振电容、串联谐振电感、并联谐振电感。主整流滤波网络即为同步整流电路，具有效率高、稳定性好的优点；辅助谐振网络即为二极管电路，结构简单。辅助LC网络包括串联谐振电感、串联谐振电容、耦合电感，耦合电感和TR2变压器共用一个磁芯。本发明变换器能够在不增加控制电路复杂性的基础上实现全桥(FB)臂的零电压导通，并且，在对电能要求很高并不允许出现输入电压震荡的应用环境里，可以在输入电压突降或断电的有效时间内(hold‑up time)保证输出正常工作，从而不影响整体的系统的工作状态。

Description

一种加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器

【技术领域】

本发明属于低电压、大电流器件技术领域，涉及一种开关电源，尤其是一种加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器。

【背景技术】

能源转换效率一直是人们关注的热点，其中功率转换器件作为电力行业效率转换的一个代表，被广泛应用在如开关电源，分布式电源，不间断电源等各个方面，传统的功率转换器件大多工作于硬开关状态具有开关损耗大，电压应力大，功率密度低，EMI大，转换效率低等诸多问题，而移相全桥和LLC谐振变换器则能很好的削弱或者解决这些问题。

移相全桥和LLC谐振变换器工作于软开关状态，减小开关损耗，提高变换器效率，为变换器高频化提供了可能性，进一步缩小变换器的体积和重量，提高变换器的功率密度和动态性能，同时改善电磁兼容。

另外，除了电能质量和效率一直是关注焦点外，现代社会对电源的供电稳定性，尤其是在针对精密仪器和大数据中心等，这种必须保证稳定工作的的场所，更是倍加关注。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，该变换器转换效率高，在电路输入电压短时下降或断掉的情况下能继续高效、稳定的工作。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，包括逆变电路、谐振网络、两个变压器以及输出整流滤波电路；逆变电路的输入端接直流供电电源Vin，输出端接谐振网络；谐振网络包括主谐振沟槽、辅助谐振网络和辅助LC网络：主谐振沟槽与变压器TR1的原边绕组相连，辅助谐振网络与变压器TR2的原边绕组相连，辅助LC网络包括串联的谐振电感Lr3和谐振电容Cr2，谐振电感Lr3和谐振电容Cr2两端分别接耦合电感TR3的两端，耦合电感TR3与变压器TR2原边绕组共用磁芯。

本发明进一步的改进在于：

所述逆变电路为全桥逆变电路或半桥逆变电路。

所述逆变电路包括开关MOS管Q1、开关MOS管Q1的体二极管D1、寄生电容C1、开关MOS管Q2、开关MOS管Q2的体二极管D2、寄生电容C2、开关MOS管Q3、开关MOS管Q3的体二极管D3、寄生电容C3、开关MOS管Q4、开关MOS管Q4的体二极管D4以及寄生电容C4；

开关MOS管Q1的漏极和开关MOS管Q2的源极与直流供电电源Vin的正极相连，开关MOS管Q1的源极和开关MOS管Q2的漏极相连，开关MOS管Q2的源极接地，开关MOS管Q3的漏极和开关MOS管Q4的源极与直流供电电源Vin的负极相连。

所述主谐振沟槽包括谐振电感Lr1和开关MOS管Q1的寄生电容C1；谐振电感Lr1的一端接开关MOS管Q1的源极，另一端接变压器TR1原边绕组的一端，变压器TR1原边绕组的另一端接开关MOS管Q3的源极；

辅助谐振网络包括谐振电感Lr2、谐振电容Cr和励磁电感Lm；谐振电感Lr2的一端接开关MOS管Q4的漏极，另一端接变压器TR2原边绕组的一端，变压器TR2原边绕组的另一端接开关MOS管Q4的源极，励磁电感Lm并联在变压器TR2原边绕组的两端。

所述输出整流滤波电路包括整流MOS管SR1、整流MOS管SR1的体二极管D5，整流MOS管SR2、整流MOS管SR2的体二极管D6，滤波电感Lk，滤波电容Co、输出电阻R、整流二极管D7以及整流二极管D8；

变压器TR1的副边绕组分别接整流MOS管SR1和整流MOS管SR2的源极，整流MOS管SR1和整流MOS管SR2的漏极均接滤波电感Lk的一端，滤波电感Lk的另一端接滤波电容Co的一端，滤波电容Co的另一端接地，输出电阻R并联在滤波电容Co的两端；

变压器TR2的副边绕组分别接整流二极管D7和整流二极管D8的阳极，整流二极管D7和整流二极管D8的阴极均接到滤波电感Lk和滤波电容Co之间的节点上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过将全桥和半桥LLC结合并添加辅助LC网络，以利于实现转化效率高，电能质量稳定的应用，在变换器输入掉电或突降时，稳定输出电压，继续保持高效率的电能变换，保护精密用电设备。

【附图说明】

图1是混合谐振变换器电路拓扑结构；

图2-a是电路工作的波形图；

图2-b是hold-up时的LLC谐振电流和励磁电流波形；

图3是正常输出和hold-up输出波形

图4-a是Mode 1[t0-t1]等效电路图；

图4-b是Mode 2[t1-t2]等效电路图；

图4-c是Mode 3[t2-t3]等效电路图；

图4-d是Mode 4[t3-t4]等效电路图；

图4-e是Mode 5[t4-t5]等效电路图；

图4-f是Mode 6[t5-t6]等效电路图；

图4-g是Mode 7[t6-t7]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：

参见图1，本发明加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，包括逆变电路、谐振网络、两个变压器以及输出整流滤波电路；逆变电路为全桥逆变电路或半桥逆变电路，逆变电路的输入端接直流供电电源Vin，输出端接谐振网络；谐振网络包括主谐振沟槽、辅助谐振网络和辅助LC网络：主谐振沟槽与变压器TR1的原边绕组相连，辅助谐振网络与变压器TR2的原边绕组相连，辅助LC网络包括串联的谐振电感Lr3和谐振电容Cr2，谐振电感Lr3和谐振电容Cr2两端分别接耦合电感TR3的两端，耦合电感TR3与变压器TR2原边绕组共用磁芯。

开关MOS管Q1的漏极和开关MOS管Q2的源极与直流电源相连，开关MOS管Q1的源极和开关MOS管Q2的漏极相连，开关MOS管Q2的源极接地，开关MOS管Q3的漏极和开关MOS管Q4的源极与直流电源相连；变压器TR1的漏感为串联谐振电感Lr1，变压器TR1副边绕组分别接整流MOS管SR1和整流MOS管SR2，副边绕组串联滤波电感Lk，并联滤波电容Co、输出负载R；变压器TR2的漏感为串联谐振电感Lr2，原边励磁电感Lm，串联谐振电容Cr，变压器TR2副边绕组分别接整流二极管D7和整流二极管D8，并联滤波电容Co、输出负载R；辅助LC电路的耦合电感TR3与变压器TR2原边绕组共用磁芯，其串联电感Lr3、谐振电容Cr2。

本发明的原理：

如图2-a所示，本变换器在正常工作时的电路波形图；图2-b是hold-up时间的电路波形图。加辅助LC网络的混合变换器，在正常工作期间辅助LC网络对主电路没有任何影响，只是作为储能工具的存在，在hold-up时间内主电路原边电压器的电压突降或波动，无法满足输出需要时，辅助LC网络此时通过TR2变压器向副边提供能量，保持输出端无波动。整体作用效果见图3，hold-up时段内有稳定的输出。全桥和半桥LLC混合变换器结构，可以充分保证轻载所有开关MOS管的零电压转换软开关。变换器的一个完整的周期由不同的子区间和对应的不同的模态组成，下面对正常境况下的工作过程进行分析：

如图4-a所示，Mode1[t0-t1]阶段，在t0时刻，变压器TR1原边电流可以向输出提供能量，开关MOS管Q1、同步整流整流MOS管SR1、整流二极管D7导通，输出电压通过变压器TR2施加在励磁电感Lm上，谐振电感Lr2、谐振电容Cr发生谐振，当谐振电流等于励磁电流时，该模态结束。

如图4-b所示，Mode2[t1-t2]阶段，谐振电感Lr2、谐振电容Cr继续谐振，ir的方向改变，变压器TR2副边整流二极管D8导通，整流二极管D7关断，输出电压使得施加的励磁电感Lm上的电压反向，i_Lm开始减小，当开关MOS管Q1关断时，模态结束，谐振一直持续到开关MOS管Q4关断。

如图4-c所示，Mode3[t2-t3]阶段，开关MOS管Q1关断，变压器TR1原边电流ip开始给寄生电容C1和寄生电容C2充放电，寄生电容C1电压增加，寄生电容C2电压减小，变压器TR1原边绕组电压线性减小，次模态在原边电压减小到0时结束。

如图4-d所示，Mode4[t3-t4]阶段，在t3后，寄生电容C2电压增加到最大值，此时体二极管D2导通，给开关MOS管Q2的零电压导通提供了条件，移相全桥进入环流阶段。

如图4-e所示，Mode5[t4-t5]阶段，开关MOS管Q4关断，这是ip和ir同时给寄生电容C4和寄生电容C3充放电，以保证滞后臂的零电压软开关。这是变压器TR1原边绕组电压开始变向，整流MOS管SR2开始导通，变压器TR1的原副边短路，在寄生电容C3电压减小到零时，该模态结束。

如图4-f所示，Mode6[t5-t6]阶段，开关MOS管Q3的电压减小到0，由于变压器TR1的电压反向施加在漏感上，原边电流减小，谐振电感Lr2、谐振电容Cr谐振，谐振一直持续到谐振电流等于励磁电流。

如图4-g所述，Mode7[t6-t7]阶段，ip反向增加，但是ip不足以向副边提供能量，变压器TR1副边整流管依然都导通状态，在t7时，ip电流足以向副边提供能量，同步整流MOS管SR1关断，该模态结束，并进入下半周期。

如果在正常工作过程中发生输入电压波动(掉电等)，LLC谐振回路可能出现图2b所示现象，这时辅助LC网络可以向输出提供短时能量，来有效的维持瞬时稳定性。

本变换器的控制回路包括采样电路，控制处理器(单片机、DSP、FPGA等对反馈给自己的信号进行处理)，驱动电路，采用调控方式调节占空比驱动方波发生电路给开关管信号。

辅助混合变换器有准确的完成开关管软开关，并能在不增加控制回路复杂度的基础上，有效地消除瞬时输入电压不稳定的情况，保证后级用电设备的正常工作。

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 (5)

1.一种加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，其特征在于，包括逆变电路、谐振网络、两个变压器以及输出整流滤波电路；逆变电路的输入端接直流供电电源Vin，输出端接谐振网络；谐振网络包括主谐振沟槽、辅助谐振网络和辅助LC网络：主谐振沟槽与变压器TR1的原边绕组相连，辅助谐振网络与变压器TR2的原边绕组相连，辅助LC网络包括串联的谐振电感Lr3和谐振电容Cr2，谐振电感Lr3和谐振电容Cr2两端分别接耦合电感TR3的两端，耦合电感TR3与变压器TR2原边绕组共用磁芯。

2.根据权利要求1所述的加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，其特征在于，所述逆变电路为全桥逆变电路或半桥逆变电路。

3.根据权利要求1或2所述的加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，其特征在于，所述逆变电路包括开关MOS管Q1、开关MOS管Q1的体二极管D1、寄生电容C1、开关MOS管Q2、开关MOS管Q2的体二极管D2、寄生电容C2、开关MOS管Q3、开关MOS管Q3的体二极管D3、寄生电容C3、开关MOS管Q4、开关MOS管Q4的体二极管D4以及寄生电容C4；

开关MOS管Q1的漏极和开关MOS管Q2的源极与直流供电电源Vin的正极相连，开关MOS管Q1的源极和开关MOS管Q2的漏极相连，开关MOS管Q2的源极接地，开关MOS管Q3的漏极和开关MOS管Q4的源极与直流供电电源Vin的负极相连。

4.根据权利要求3所述的加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，其特征在于，所述主谐振沟槽包括谐振电感Lr1和开关MOS管Q1的寄生电容C1；谐振电感Lr1的一端接开关MOS管Q1的源极，另一端接变压器TR1原边绕组的一端，变压器TR1原边绕组的另一端接开关MOS管Q3的源极；

辅助谐振网络包括谐振电感Lr2、谐振电容Cr和励磁电感Lm；谐振电感Lr2的一端接开关MOS管Q4的漏极，另一端接变压器TR2原边绕组的一端，变压器TR2原边绕组的另一端接开关MOS管Q4的源极，励磁电感Lm并联在变压器TR2原边绕组的两端。

5.根据权利要求3所述的加辅助LC谐振电路的全桥和半桥混合变换器，其特征在于，所述输出整流滤波电路包括整流MOS管SR1、整流MOS管SR1的体二极管D5，整流MOS管SR2、整流MOS管SR2的体二极管D6，滤波电感Lk，滤波电容Co、输出电阻R、整流二极管D7以及整流二极管D8；

变压器TR1的副边绕组分别接整流MOS管SR1和整流MOS管SR2的源极，整流MOS管SR1和整流MOS管SR2的漏极均接滤波电感Lk的一端，滤波电感Lk的另一端接滤波电容Co的一端，滤波电容Co的另一端接地，输出电阻R并联在滤波电容Co的两端；

变压器TR2的副边绕组分别接整流二极管D7和整流二极管D8的阳极，整流二极管D7和整流二极管D8的阴极均接到滤波电感Lk和滤波电容Co之间的节点上。