CN106533181A - 一种双变压器并串联式llc谐振dc‑dc变换器及其控制方法 - Google Patents

一种双变压器并串联式llc谐振dc‑dc变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双变压器并串联式LLC谐振DC‑DC变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。该变换器由输入源(Uin)、第一至第四开关管(S1~S4)或第一至第二开关管(S1~S2)、谐振电容(Cr)、谐振电感(Lr)、两个变压器(T1、T2)、第一至第二二极管(D1~D2)、输出滤波电容(Co)和负载(Ro)构成；该变换器通过开关管的移相控制实现输出电压的控制；本发明变换器中的两个变压器原边采用串联结构、副边采用并联结构，大大减小了流经变压器的电流，特别适合低压大电流输入、高压输出场合；变换器具有在整个负载范围内实现所有原边开关管软开通的能力，可以实现高频、高效率功率变换，有减小电感和变压器的体积，实现高功率密度，且控制简单、可靠性高、易于实现。

Description

一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
LLC谐振DC-DC变换器用于输入输出要求电气隔离的应用场合，在新能源发电、工业、民用等领域具有广泛的应用。
传统的LLC谐振DC-DC变换器，其在用于高增益的DC-DC变换场合下，因为变压器原边的电流很大，导致在设计变器体积变大，增加了整个装置的体积，也限制了变换器的功率密度。
发明内容
发明目的：
本发明针对现有技术的不足，提供一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器及其控制方法。
本发明采用以下技术方案：
所述本发明所述并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换器由输入源(Uin)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)输出滤波电容(Co)和负载(Ro)构成，其中第一变压器(T1)包括第一原边绕组(NP1)和第一副边绕组(NS1)，第二变压器(T2)包括第二原边绕组(NP2)和第二副边绕组(NS2)；所述输入源(Uin)的正极连于第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第四开关管(S4)的漏极，第一开关管(S1)的源极与谐振电感(Lr)的一端相连，谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)一端，谐振电容(Cr)另一端与第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的同名端和第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的非同名端、第四开关管(S4)的源极、第三开关管(S3)的源极和输入源(Uin)的负极；所述第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的同名端连于第一二极管(D1)阴极，第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的同名端、输出滤波电容(Co)一端、负载(Ro)一端，第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的非同名端连于第二二极管(D2)阴极、第一二极管(D1)阳极、输出滤波电容(Co)另一端、负载(Ro)另一端。
本发明所述的双变压器并串联式隔离型软开关直流变换器中：所述谐振电感(Lr)可以由第一变压器(T1)和第二变压器(T2)的漏感代替。
所述第一开关管(S1)至第四开关管(S4)可以由第一开关管(S1)和第二开关管(S2)代替，其连接方式为：所述输入源(Uin)的正极连于第一开关管(S1)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极，第一开关管(S1)的源极与谐振电感(Lr)的一端相连，谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)一端，谐振电容(Cr)另一端与第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的同名端和第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的非同名端、第二开关管(S2)的源极、输入源(Uin)的负极。
本发明具有如下技术效果：
(1)并串联结构使得其适合低压大电流输入、高压输出应用场合；
(2)两个变压器原边绕组并联、副边绕组串联，两变压器电流能够自然均流；
(3)变换器中原边开关器件能够实现软开通，变换效率高；
(4)变压器的漏感得到有效利用，不存在漏感引起的环流或电压尖峰问题；
(5)可以减少变压器体积和装置体积，增大功率密度；
(6)拓扑结构简洁、控制简单。
附图说明
附图1是本发明双变压器并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换电路的原理图；
附图2是本发明双变压器并串联式半桥LLC谐振DC-DC变换电路的原理图；
附图3是本发明双变压器并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换器的主要波形图；
附图4～附图7是本发明并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换电路各开关模态的电路图；
以上附图中的符号名称：Uin为输入源；Lr为谐振电感；T1和T2分别为第一和第二变压器；NP1和NS1分别为变压器(T1)的原边绕组和副边绕组；NP2和NS2分别为变压器(T2)的原边绕组和副边绕组；Cr为谐振电容；S1、S2、S3、S4分别为第一、第二、第三、第四开关管；C1、C2、C3、C4分别为第一、第二、第三、第四开关管的结电容；D1、D2分别为第一、第二二极管；Lm是第一、第二变压器的等效励磁电感；Co为输出滤波电容；Ro为负载；n为变压器变比；Uo为输出电压；vgs1、vgs2、vgs3、vgs4分别为第一、第二、第三、第四开关管驱动的电压；ir是谐振电流；im是励磁电流；iD1、iD2分别为流入第一、第二二极管阳极的电流；io是输出电流；t、t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8为时间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如附图1所示，本发明所述并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换电路由由输入源(Uin)、、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)输出滤波电容(Co)和负载(Ro)构成，其中第一变压器(T1)包括第一原边绕组(NP1)和第一副边绕组(NS1)，第二变压器(T2)包括第二原边绕组(NP2)和第二副边绕组(NS2)；
在具体实施时，第一开关管(S1)与第二开关管(S2)的开关信号之间必须设置合理的死区时间以防止桥臂直通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)的开关信号之间必须设置合理的死区时间以防止桥臂直通。
从附图1所示的本发明并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换电路的电路结构可以直观的看出，流经变压器第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)和第第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的电流为谐振电流(is)的一半。
假设所有电感、电容、开关管和二极管都为理想器件，忽略所有电容上的电压纹波。下面分别分析变换器在不同开关模式下的工作原理。
附图3是变换器在电感电流连续模式下的主要工作波形。在该模式下，半个开关周期内共有四种开关模态。
开关模态1[t0-t1]：t0时刻，C2和C4的电压上升到Uin，C1和C3的电压下降到0，Q1和Q3寄生二极管导通，这时Q1和Q3零电压开通。此时，这个阶段由Lr和Cr谐振工作，vab两点的电压为Uin，谐振电流ir以正弦波形式开始变化、励磁电流im线性增加，ir大于im。副边整流管D2导通，变压器副边电压被箝在Uo。此时，变压器原边电压等于nUo，im线性增加。该模态等效电路如附图4所示
开关模态2[t1-t2]：t1时刻，谐振电流ir等于励磁电流im，变压器原副边没有能量交换，此时流过整流二极管D1、D2的电流iD1、iD2减至为零，D1、D2零电流关断。这个阶段由Cr、Lr、Lm谐振工作，电流ir、im减小，该模态等效电路如附图5所示。
开关模态3[t2-t3]：这一模态在负载加重或者fs左移至非常接近最大增益点时出现。t3时刻，振电流ir开始小于励磁电流im，整流二极管D1导通能，能量向变压器原边传输，由于输出电流不为零，副边二极管有反向恢复损耗，该模态等效电路如附图6所示。
开关模态4[t3-t4]：，t3时刻，Q1和Q4硬关断，进入死区时间，C2、C4开始放电，C1、C3充电，vab两点的电压由Uin变为-Uin，谐振电流通过Q2和Q4寄生二极管导通实现下一阶段Q2和Q4零电 压开通，此时励磁电流im大于谐振电流ir，能量向变压器副边传输，此时整流二极管D1导通，该模态等效电路如附图7所示。
t4时刻后，下半开关周期开始，工作过程类似，不再重复叙述。
图2所示的双变压器并串联式半桥LLC谐振DC-DC变换电路，工作过程类似，不再重复叙述。
所述的双变压器并串联式半桥LLC谐振DC-DC变换电路的开关模态3也可能不发生。

Claims (4)

1.一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器，其特征在于：
所述双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器由输入源(Uin)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)输出滤波电容(Co)和负载(Ro)构成，其中第一变压器(T1)包括第一原边绕组(NP1)和第一副边绕组(NS1)，第二变压器(T2)包括第二原边绕组(NP2)和第二副边绕组(NS2)；
所述输入源(Uin)的正极连于第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第四开关管(S4)的漏极，第一开关管(S1)的源极与谐振电感(Lr)的一端相连，谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)一端，谐振电容(Cr)另一端与第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的同名端和第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的非同名端、第四开关管(S4)的源极、第三开关管(S3)的源极和输入源(Uin)的负极；
所述第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的同名端连于第一二极管(D1)阴极，第一变压器(T1)第一副边绕组(NS1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的同名端、输出滤波电容(Co)一端、负载(Ro)一端，第二变压器(T2)第二副边绕组(NS2)的非同名端连于第二二极管(D2)阴极、第一二极管(D1)阳极、输出滤波电容(Co)另一端、负载(Ro)另一端。
2.一种基于权利要求1的双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器，其特征在于：所述谐振电感(Lr)可以由第一变压器(T1)和第二变压器(T2)的漏感代替。
3.一种基于权利要求1所述的双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：
所述第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)占空比相等，第一开关管(S1)和第四开关管(S4)同时导通、同时关断，第二开关管(S2)和第三开关管(S3)同时导通、同时关断，通过调节第一开关管(S1)至第四开关管(S4)开关频率实现输出电压的控制。
4.一种基于权利要求1所述的双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器，其特征在于：
所述第一开关管(S1)至第四开关管(S4)可以由第一开关管(S1)和第二开关管(S2)代替，其连接方式为：所述输入源(Uin)的正极连于第一开关管(S1)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极，第一开关管(S1)的源极与谐振电感(Lr)的一端相连，谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)一端，谐振电容(Cr)另一端与第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的同名端和第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(NP1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(NP2)的非同名端、第二开关管(S2)的源极、输入源(Uin)的负极。
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