CN108964469B

CN108964469B - 一种并串联结构的全桥双llc谐振变换器

Info

Publication number: CN108964469B
Application number: CN201810776931.9A
Authority: CN
Inventors: 沈艳霞; 浦铮; 刘尚江; 吴定会
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2038-07-16
Also published as: CN108964469A

Abstract

本发明公开了一种并串联结构的全桥双LLC谐振变换器，涉及电力电子应用技术领域，包括：输入直流电源、逆变电路、双LLC谐振电路、辅助谐振电感网络、整流滤波电路以及动力电池负载；所述逆变电路的输入端和所述输入直流电源相连，所述整流滤波电路与所述双LLC谐振电路中的变压器次级绕组相连，所述动力电池负载与所述整流滤波电路的输出端相连。双LLC谐振电路并联、整流滤波电路中的整流桥串联的结构能够减小变压器初级、次级间的匝数比和整流二极管的电压应力，有利于减小变压器磁芯体积，增大散热面积。

Description

一种并串联结构的全桥双LLC谐振变换器

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术领域，尤其是一种并串联结构的全桥双LLC谐振变换器。

背景技术

近年来，为了达到减少汽油消耗和获得更好的能量管理的目的，插电式混合动力汽车和纯电动汽车越来越受人们的欢迎。车载充电机具有效率高和功率密度大的特点，是插电式混合动力汽车和纯电动汽车中必不可缺的部分。如今，车载充电机一般设计成两级结构，前级为AC/DC变换器，后级为隔离式DC/DC变换器。因为LLC谐振变换器较移相全桥变换器具有开关管软开关的优势，现在隔离式DC/DC变换器一般采用LLC谐振变换器。对于全桥LLC谐振变换器，一般具有三种控制方法：变频率控制、移相控制和变结构控制。变频率控制可以使谐振变换器获得更宽的输出电压范围，减小电压输出纹波，但当谐振变换器开关频率不为谐振频率时，它将失去低开关损耗、低环流等优点，同时宽泛的开关频率变换范围也将导致磁性原件的设计变得尤为复杂。移相控制可以提高LLC谐振变换器在轻载时的能量转换效率，但是在重载时将会导致初级开关管极高的关断电流。改进LLC谐振变换器结构来达到提高转换效率和功率密度的方法正在被广泛研究。

插电式混合动力汽车和纯电动汽车上一般搭载了动力电池，在给动力电池充电过程中会经历恒压充电和恒流充电两种状态，在这过程中动力电池的等效负载会随着其两端的电压、电流的变化而变化。当LLC谐振电路的开关频率偏移谐振频率，那LLC谐振电路就易于工作在轻载状态，造成能量转换效率的降低。此外，因为DC/DC变换器需要传输的功率增大，变压器的设计难度增大，且体积过大，散热问题难以得到解决。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种并串联结构的全桥双LLC谐振变换器。

本发明的技术方案如下：

一种并串联结构的全桥双LLC谐振变换器，包括：输入直流电源、逆变电路、双LLC谐振电路、辅助谐振电感网络、整流滤波电路以及动力电池负载；

所述逆变电路的输入端和所述输入直流电源相连，所述整流滤波电路与所述双LLC谐振电路中的变压器次级绕组相连，所述动力电池负载与所述整流滤波电路的输出端相连。

其进一步的技术方案为：其特征在于，所述双LLC谐振电路包括上LLC谐振电路和下LLC谐振电路，所述上LLC谐振电路包括依次串联的第一外接谐振电感、第一励磁电感、第一外接谐振电容，所述上LLC谐振电路的输入端与所述逆变电路的输出端相连；所述下LLC谐振电路包括依次串联的第二外接谐振电感、第二励磁电感、第二外接谐振电容，所述下LLC谐振电路的两个输入端分别与所述逆变电路和所述辅助谐振电感网络相连。

其进一步的技术方案为：所述上LLC谐振电路和所述下LLC谐振电路共享预定开关频率，所述上LLC谐振电路保持第一开关频率不变，所述下LLC谐振电路在恒流和恒压充电的情况下，分别对应不同的第二开关频率和第三开关频率；

所述预定开关频率、所述第一开关频率、所述第二开关频率和所述第三开关频率相等，保持占空比为50％。

其进一步的技术方案为：所述辅助谐振电感网络由两组开关网络和辅助电感组成，每组所述开关网络包括开关管，对应的体二极管以及对应的结电容，所述开关管、所述体二极管和所述结电容三者并联；两组所述开关网络反向串联，与所述辅助电感并联。

其进一步的技术方案为：所述整流滤波电路由两组全桥整流二极管、第一滤波电容和第二滤波电容组成，每组所述全桥整流二极管包括4个整流二极管；第一组所述全桥整流二极管的输入端与所述双LLC谐振电路中的第一变压器的次级线圈相连，输出端与所述第一滤波电容并联；第二组所述全桥整流二极管的输入端与所述双LLC谐振电路中的第二变压器的次级线圈相连，输出端与所述第二滤波电容并联；所述第一滤波电容、所述第二滤波电容和所述动力电池负载三者依次串联。

本发明的有益技术效果是：

双LLC谐振电路并联、整流滤波电路中的整流桥串联的结构能够减小变压器初级、次级间的匝数比和整流二极管的电压应力，有利于减小变压器磁芯体积，增大散热面积，降低二极管的电压应力，适用于中高功率的场合，采用了变结构控制，通过检测动力电池输出电压决定电路进入恒流或恒压的充电状态，降低了动力电池相对负载变化对增益的影响，提高了能量的转换效率，降低了磁性元件的设计难度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种并串联结构的全桥双LLC谐振变换器的电路图。

图2是本发明实施例提供的一种全桥双LLC谐振电路在恒流充电时的交流等效电路图。

图3是本发明实施例提供的一种全桥双LLC谐振电路在恒压充电时的交流等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明实施例提供的一种并串联结构的全桥双LLC谐振变换器的电路图，如图1所示，该并串联结构的全桥双LLC谐振变换器包括并串联结构的全桥双LLC谐振电路，该并串联结构的全桥双LLC谐振电路包括输入直流电源1、逆变电路2、双LLC谐振电路3、辅助谐振电感网络4、整流滤波电路5以及动力电池负载6。

逆变电路2的输入端和输入直流电源1相连，整流滤波电路5与双LLC谐振电路中的变压器次级绕组相连，动力电池负载6与整流滤波电路5的输出端相连。

可选的，输入直流电源1为400V的直流电压V_in。

可选的，逆变电路2包括四组开关网络，每组开关网路包括一个开关管、对应的体二极管以及对应的结电容，示例性的，请参见图1，开关管S₁、体二极管D_o1和结电容C₁三者并联组成一个开关网络，开关管S₂、体二极管D_o2和结电容C₂三者并联组成一个开关网络，开关管S₃、体二极管D_o3和结电容C₃三者并联组成一个开关网络，开关管S₄、体二极管D_o4和结电容C₄三者并联组成一个开关网络。

可选的，双LLC谐振电路3包括上LLC谐振电路和下LLC谐振电路，上LLC谐振电路包括依次串联的第一外接谐振电感L_r1、第一励磁电感L_m1、第一外接谐振电容C_r1，上LLC谐振电路的输入端与逆变电路2的输出端相连；下LLC谐振电路包括依次串联的第二外接谐振电感L_r2、第二励磁电感L_m2、第二外接谐振电容C_r2，下LLC谐振电路的两个输入端分别与逆变电路2和辅助谐振电感网络4相连。

可选的，辅助谐振电感网络4由两组开关网络和辅助电感组成，每组开关网络包括开关管，对应的体二极管以及对应的结电容，示例性的，开关管S₅、体二极管D_o5和结电容C₅三者并联，开关管S₆、体二极管D_o6和结电容C₆三者并联；两组开关网络反向串联，再与辅助电感L_r3并联。

可选的，整流滤波电路5由两组全桥整流二极管、第一滤波电容和第二滤波电容组成，每组全桥整流二极管包括4个整流二极管，示例性的，请参见图1，第一组全桥整流二极管包括整流二极管D₁、整流二极管D₂、整流二极管D₃和整流二极管D₄，第二组全桥整流二极管包括整流二极管D₅、整流二极管D₆、整流二极管D₇和整流二极管D₈；第一组全桥整流二极管的输入端与双LLC谐振电路3中的第一变压器T₁的次级线圈相连，输出端与第一滤波电容C_o1并联；第二组全桥整流二极管的输入端与双LLC谐振电路3中的第二变压器T₂的次级线圈相连，输出端与第二滤波电容C_o2并联；第一滤波电容C_o1、第二滤波电容C_o2和动力电池负载6三者依次串联。

可选的，动力电池负载6等效为一个可变电阻R_e和电容C_e。

可选的，上LLC谐振电路和下LLC谐振电路共享预定开关频率f_s，上LLC谐振电路保持第一开关频率f_r1不变，下LLC谐振电路在恒流和恒压充电的情况下，分别对应不同的第二开关频率f_r2和第三开关频率f_r3。预定开关频率f_s、第一开关频率f_r1、第二开关频率f_r2和第三开关频率f_r3相等，即f_s＝f_r1＝f_r2＝f_r3，保持占空比为50％。

其中，第一开关频率

第二开关频率

第三开关频率

结合参考图2，图2是本发明实施例提供的一种全桥双LLC谐振电路在恒流充电时的交流等效电路图。对于上LLC谐振电路，第一变压器T₁的初级向次级传递能量，第一励磁电感L_m1被钳位，只有第一外接谐振电感L_r1、第一外接谐振电容C_r1参与谐振，谐振频率为第一开关频率f_r1，且次级输出电压与动力电池负载6无关，等效于一个电压源；对于下LLC谐振电路，第二变压器T₂不向次级传递能量，第二外接谐振电感L_r2、第二励磁电感L_m2、第二外接谐振电容C_r2参与谐振，谐振频率为第二开关频率f_r2，且次级输出电流和动力电池等效负载无关，等效于一个电流源。

结合参考图3，图3是本发明实施例提供的一种全桥双LLC谐振电路在恒压充电时的交流等效电路图。对于上LLC谐振电路，第一变压器T₁的初级向次级传递能量，第一励磁电感L_m1被钳位，只有第一外接谐振电感L_r1、第一外接谐振电容C_r1参与谐振，谐振频率为第一开关频率f_r1，且次级输出电压与动力电池等效负载无关，等效于一个电压源；对于下LLC谐振电路，第二变压器T₂不向次级传递能量，第二外接谐振电感L_r2、第二励磁电感L_m2、第二外接谐振电容C_r2参与谐振，谐振频率为第三开关频率f_r3，且次级输出电压和动力电池等效负载无关，等效于一个电压源。

对于本实施例中的并串联结构的全桥双LLC谐振电路的控制，可以通过判断全桥双LLC谐振电路的输出电压是否达到420V，若达到，则开通辅助谐振电感网络4中的开关管S₅和开关管S₆，进行恒压充电；若未达到，则保持辅助谐振电感网络4中的开关管S₅和开关管S₆关断，进行恒流充电。

综上所述，本发明实施例提供的并串联结构的全桥双LLC谐振变换器中，初级上LLC谐振电路和下LLC谐振电路并联，次级两个整流桥串联，使得全桥双LLC谐振变换器在恒流状态下，初级开关器件满足零电压开通和近似零电流关断，在恒压状态下，初级开关器件满足零电压开关。双LLC谐振电路并联、整流桥串联的结构能够减小变压器初级、次级间的匝数比和整流二极管的电压应力，整个电路始终工作在谐振频率处。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种并串联结构的全桥双LLC谐振变换器，其特征在于，包括：输入直流电源、逆变电路、双LLC谐振电路、辅助谐振电感网络、整流滤波电路以及动力电池负载；

所述逆变电路的输入端和所述输入直流电源相连，所述整流滤波电路与所述双LLC谐振电路中的变压器次级线圈相连，所述动力电池负载与所述整流滤波电路的输出端相连；

所述逆变电路包括两个桥臂，每个桥臂包括串联的两组开关网络，每组开关网路包括并联连接的开关管、体二极管和结电容；

所述辅助谐振电感网络包括两组开关网络和一个辅助电感，两组开关网络反向串联后，与所述辅助电感并联；

所述双LLC谐振电路包括上LLC谐振电路和下LLC谐振电路，所述上LLC谐振电路包括依次串联的第一外接谐振电感、第一励磁电感、第一外接谐振电容，所述第一励磁电感还与第一变压器的初级线圈并联，所述上LLC谐振电路的两个输入端分别与逆变电路两个桥臂的中点相连；所述下LLC谐振电路包括依次串联的第二外接谐振电感、第二励磁电感、第二外接谐振电容，所述第二励磁电感还与第二变压器的初级线圈并联，所述下LLC谐振电路的一个输入端与所述逆变电路的其中一个桥臂的中点相连，另一个输入端通过辅助谐振电感网络连接至另一个桥臂的中点；

所述整流滤波电路包括两组全桥整流二极管、第一滤波电容和第二滤波电容，每组全桥整流二极管包括4个整流二极管，第一组全桥整流二极管的输入端与所述双LLC谐振电路中的第一变压器的次级线圈相连，输出端与所述第一滤波电容并联；第二组全桥整流二极管的输入端与所述双LLC谐振电路中的第二变压器的次级线圈相连，输出端与所述第二滤波电容并联；所述第一滤波电容、第二滤波电容的串联支路与动力电池负载并联。

2.根据权利要求1所述的并串联结构的全桥双LLC谐振变换器，其特征在于，所述上LLC谐振电路和所述下LLC谐振电路共享预定开关频率。