CN110336464A - 一种lcclc五元件谐振变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCCLC五元件谐振变换器，属于电力电子变换器技术领域。该变换器包括输入源V_in、逆变器、谐振电路、变压器T_r、整流电路、负载电容C_o；所述逆变器为全桥逆变器，由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄构成；所述谐振电路由串联谐振电容C_s、谐振电感L_s、陷波器电容C_p、陷波器电感L_p、并联电容C_m构成；所述变压器包括原边绕组N_p和副边绕组N_s；所述整流电路为全桥整流电路，由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄构成；本发明的谐振变换器容易实现软开关。

Description

一种LCCLC五元件谐振变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，尤其涉及到一种LCCLC五元件谐振变换器，适用于高电压特种应用电源领域。

背景技术

电源设备是用来实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的基础。而高压脉冲电源由于具有断续供电的特性，在电火花加工、脉冲电镀、电弧焊接、高功率激光泵、高频脉冲感应加热、工业废气处理、脉冲电解污水处理、静电除尘、臭氧制取和表面热处理等领域获得了广泛的应用。应用领域不同，对高压脉冲电源的性能和特征参数的要求就存在差别，因而实现方法也各异。

本发明的充电电源面向毫、微法量级的负载电容，适用于对充电电压幅值及精度要求较高的小电流充电场合。同时，重频稳定度指标还要求电源具有漏电补偿功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有高压LCC谐振电源充电电流增益范围小的缺点，提供一种新型LCCLC五元件谐振变换器拓扑结构。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种LCCLC五元件谐振变换器，其特征在于：包括输入源V_in、逆变器、谐振电路、变压器T_r、整流电路、输出负载电容C_o；所述逆变器为全桥逆变器，由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄构成；所述谐振电路由串联谐振电容C_s、谐振电感L_s、陷波器电容C_p、陷波器电感L_p、并联谐振电容C_m构成；所述变压器T_r包括原边绕组N_p和副边绕组N_s；所述整流电路为全桥整流电路，由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄构成；

所述输入源V_in的正极与第一开关管S₁的漏极和第三开关管S₃的漏极相连，第一开关管S₁的源极连于第二开关管S₂的漏极、串联谐振电容C_s的一端，串联谐振电容C_s的另一端连于谐振电感L_s的一端，谐振电感L_s的另一端连于并联谐振电容C_m的一端、变压器T_r原边绕组N_p的同名端，并联谐振电容C_m的另一端连于变压器T_r原边绕组N_p的非同名端、陷波器电感L_p的一端、陷波器电容C_p的一端，陷波器电容C_p与陷波器电感L_p并联；陷波器电感L_p的另一端连与陷波器电容C_p的另一端、第三开关管S₃的源极及第四开关管S₄的漏极，第四开关管S₄的源极连于第二开关管S₂的源极和输入源V_in的负极；

所述变压器T_r副边绕组N_s同名端连于第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阴极，第一二极管D₁的阴极连于第三二极管D₃的阴极和负载电容C_o的一端，变压器T_r副边绕组N_s的非同名端连于第三二极管D₃的阳极和第四二极管D₄的阴极，第一二极管D₁的阳极连于第四二极管D₄的阳极和输出负载电容C_o的另一端。

上述技术方案中，所述并联谐振电容C_m部分或者全部由变压器T_r的寄生电容代替。

上述技术方案中，所述谐振电感L_s部分或全部由变压器T_r的漏感代替。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)利用变压器寄生参数C_m，L_s。

(2)所有开关器件的电压都直接由输入电压或输出电压钳位，开关器件电压应力低；

(3)能实现逆变侧所有开关管的软开关和整流侧软开关。

(4)变压器漏感得到有效利用，不存在漏感引起的环流或电压尖峰问题；

(5)变换器可利用三次谐波传递功率，对能量的利用率高；

(6)变换器能实现的增益范围宽，能在较小开关频率范围内实现增益为零，实现小电流输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明多元件谐振变换器的电路结构示意图；

图2是本发明多元件谐振变换器的电路原理图；

图3是本发明多元件谐振变换器的主要波形图；

图4-6分别是本发明多元件谐振变换器在各开关模态的等效电路图；

图7是本发明多元件谐振变换器实施例1工作在35kHz的工作波形图；

图8是本发明多元件谐振变换器实施例1工作在45kHz的工作波形图；

图9是本发明多元件谐振变换器实施例1工作在60kHz的工作波形图。

其中，符号名称：V_in为输入源，S₁为第一开关管、S₂为第二开关管，S₃为第三开关管，S₄为第四开关管；C_s为串联谐振电容；L_s为谐振电感；C_m为并联谐振电容；C_p为陷波器电容；L_p为陷波器电感；T_r为变压器；D₁为第一二极管、D₂为第二二极管、D₃为第三二极管、D₄为第四二极管；C_o为负载电容；N_p和N_s分别为变压器T_r的原边绕组和副边绕组；V_o为输出电压；V_cm为谐振电容C_m两端的电压；i_r为原边电流；i_s为副边电流；i_D1是第一二极管电流；i_D2是第二二极管电流；t₀、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆分别为各阶段时间。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定开关管、驱动方式之类的细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些细节的其它实施例中也可以实现本发明。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

一种LCCLC五元件谐振变换器，包括输入源V_in、逆变器、谐振电路、变压器T_r、整流电路、输出负载电容C_o；所述逆变器为全桥逆变器，由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄构成；所述谐振电路由串联谐振电容C_s、谐振电感L_s、陷波器电容C_p、陷波器电感L_p、并联谐振电容C_m构成；所述变压器T_r包括原边绕组N_p和副边绕组N_s；所述整流电路为全桥整流电路，由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄构成；

输入源V_in的正极与第一开关管S₁的漏极和第三开关管S₃的漏极相连，第一开关管S₁的源极连于第二开关管S₂的漏极、串联谐振电容C_s的一端，串联谐振电容C_s的另一端连于谐振电感L_s的一端，谐振电感L_s的另一端连于并联谐振电容C_m的一端、变压器T_r原边绕组N_p的同名端，并联谐振电容C_m的另一端连于变压器T_r原边绕组N_p的非同名端、陷波器电感L_p的一端、陷波器电容C_p的一端，陷波器电容C_p与陷波器电感L_p并联；陷波器电感L_p的另一端连与陷波器电容C_p的另一端、第三开关管S₃的源极及第四开关管S₄的漏极，第四开关管S₄的源极连于第二开关管S₂的源极和输入源V_in的负极。

变压器T_r副边绕组N_s同名端连于第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阴极，第一二极管D₁的阴极连于第三二极管D₃的阴极和负载电容C_o的一端，变压器T_r副边绕组N_s的非同名端连于第三二极管D₃的阳极和第四二极管D₄的阴极，第一二极管D₁的阳极连于第四二极管D₄的阳极和输出负载电容C_o的另一端。

可选地，所述并联谐振电容C_m由变压器T_r的寄生电容部分或者全部代替。

可选地，所述谐振电感L_s部分或全部由变压器T_r的部分或者全部漏感代替。

本发明所述LCCLC五元件谐振变换器采用以下控制方案：

所述第一、第二、第三、第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄的开关频率相等，第一开关管S₁、第三开关管S₃的开关信号分别与第二开关管S₂、第四开关管S₄的开关信号互补，且占空比均为0.5，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避免发生桥臂直通，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避免发生桥臂直通。

在分析前做如下假设：(1)变换器处于稳定运行状态；(2)所有电感、电容及变压器均为理想元件；

所述变换器在半个开关周期中共有3种工作模态：

模态I(t₀～t₁)：t₀时刻开通开关管S₁、S₄，在此之前，S₁、S₄的寄生电容放电完毕，其体二极管导通续流，因此S₁、S₄能实现ZVS。原边L_s,C_s,L_p和C_p谐振，谐振电流i_r上升，C_m两端电压始终V_cm，此时向副边传递能量。

模态II(t₁～t₂)：t₁时刻，V_cm由-V_cmmax上升，一直上升到t₂时刻，此时V_cmmax，此阶段由L_s,C_s,L_p，C_p和C_m谐振，此时不向副边传递能量。

模态III(t₂～t₃)：t₂时刻，V_cm上升到V_cmmax，此时原边L_s,C_s,L_p和C_p谐振，直到t₃时刻结束。一次侧电流给S₁、S₄的寄生电容充电，同时将S₂、S₃的寄生电容放电至0。充放电完成后，开关管的寄生电容充放电完毕，A、B两点的电压为-V_in，原边S₂、S₃的体二极管导通续流，变换器进入到下半周期运行。

实施例1

本实施例LCCLC五元件谐振变换器包括输入源V_in、逆变器、谐振电路、变压器T_r、整流电路、输出电容C_o；所述逆变器为全桥逆变器，由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄构成；所述谐振电路由串联谐振电容C_s、谐振电感L_s、陷波器电容C_p、陷波器电感L_p、并联谐振电容C_m构成；所述变压器T_r包括原边绕组N_p和副边绕组N_s；所述整流电路为全桥整流电路，由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管管D₄。

本实施例中C_m由变压器T_r寄生电容部分或者全部代替。谐振电感L_s部分或全部由变压器T_r的漏感代替。由于变压器的等效模型中有漏感和寄生电容，这里的谐振电感L_s可以完全由变压器的漏感代替，如果漏感不够，可以外串电感补偿。因此是部分或者全部由漏感代替。上面的并联谐振电容C_m与此相同。相关参数是：输入源V_in＝28V、串联谐振电容C_s＝4.2μF、谐振电感L_s＝3.3μH、陷波器电容C_p＝4.2μF、陷波器电感L_p＝1.67μH、并联谐振电容C_m＝0.14μH、N_p/N_s＝120,串联谐振电容C_s、谐振电感L_s、陷波器电容C_p、陷波器电感L_p发生谐振的频率为40kHz，陷波器发生谐振的频率为60kHz。

图7为本实施例LCCLC五元件谐振变换器开关频率为35kHz正向运行时的工作波形，此时正常给负载电容充电，可以看出在充电到2kV时，充电电流为732mA。

图8为本实施例LCCLC五元件谐振变换器开关频率为45kHz正向运行时的工作波形，充电电流为152mA。

图9为本实施例LCCLC五元件谐振变换器开关频率为60kHz正向运行时的工作波形，可以看出谐振电流波形呈马鞍波，可以看出此时的充电电流只有10mA。

通过实施例可知，本申请存在的有益效果是：所有开关器件的电压都直接由输入电压或输出电压钳位，开关器件电压应力低；能够在充电全程实现开关管的ZVS；变压器漏感得到有效利用，不存在漏感引起的环流或电压尖峰问题；变换器可利用三次谐波传递功率，对能量的利用率高；变换器能实现的电流增益大范围调节，能在较小开关频率范围，实现输出电流为0；不需要添加任何额外的电源和开关实现快充和涓流的切换，有效的提高了效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种LCCLC五元件谐振变换器，其特征在于：包括输入源V_in、逆变器、谐振电路、变压器T_r、整流电路、输出负载电容C_o；所述逆变器为全桥逆变器，由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄构成；所述谐振电路由串联谐振电容C_s、谐振电感L_s、陷波器电容C_p、陷波器电感L_p、并联谐振电容C_m构成；所述变压器T_r包括原边绕组N_p和副边绕组N_s；所述整流电路为全桥整流电路，由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄构成；

所述变换器输入源V_in的正极与第一开关管S₁的漏极和第三开关管S₃的漏极相连，第一开关管S₁的源极连于第二开关管S₂的漏极、串联谐振电容C_s的一端，串联谐振电容C_s的另一端连于谐振电感L_s的一端，谐振电感L_s的另一端连于并联谐振电容C_m的一端、变压器T_r原边绕组N_p的同名端，并联谐振电容C_m的另一端连于变压器T_r原边绕组N_p的非同名端、陷波器电感L_p的一端、陷波器电容C_p的一端，陷波器电容C_p与陷波器电感L_p并联；陷波器电感L_p的另一端连与陷波器电容C_p的另一端、第三开关管S₃的源极及第四开关管S₄的漏极，第四开关管S₄的源极连于第二开关管S₂的源极和输入源V_in的负极；

所述变压器T_r副边绕组N_s同名端连于第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₂的阴极，第一二极管D₁的阴极连于第三二极管D₃的阴极和负载电容C_o的一端，变压器T_r副边绕组N_s的非同名端连于第三二极管D₃的阳极和第四二极管D₄的阴极，第一二极管D₁的阳极连于第四二极管D₄的阳极和输出负载电容C_o的另一端。

2.根据权利要求1所述的LCCLC五元件谐振变换器，其特征在于：所述并联谐振电容C_m部分或者全部由变压器T_r的寄生电容代替。

3.根据权利要求1所述的LCCLC五元件谐振变换器，其特征在于：所述谐振电感L_s部分或全部由变压器T_r的漏感代替。