CN110677047A - 基于可变电感的llc谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可变电感的LLC谐振变换器，包括输入电容、两个相同的原边场效应管、可调谐振网络、变压器、两个相同的副边场效应管和输出电容；可调谐振网络由谐振电容、可变谐振电感和激磁电感组成；可变谐振电感由大磁芯、两个相同的小磁芯、第一中心磁柱、第二中心磁柱、上磁柱、下磁柱、磁芯缺口、电感绕组和控制绕组组成；大磁芯两侧磁柱设有磁芯缺口，所述的第二中心磁柱插入于磁芯缺口，电感绕组绕制于第一中心磁柱上，且电感绕组的进线端与谐振电容相连接，出线端与变压器的原边相连接；所述的控制绕组绕制于两个相同的小磁芯上，以实现可变谐振电感的电感量控制。本发明可应用于宽电压输入范围的直流‑直流变流电路。

Description

基于可变电感的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，具体涉及一种基于可变电感的LLC谐振变换器，可应用于宽电压输入范围的直流-直流变流电路。
背景技术
电源是应用面最广的一个电子装置，而谐振变换器是电源领域中一个必不可少的分支。LLC谐振变换器已经在电源领域得到了非常广泛的应用。在针对需要宽电压输入范围、稳定输出的场合，变频控制LLC谐振电路是最基本和传统的做法。但是在宽输出电压范围及负载变化较大的应用中，从LLC的增益-频率特性曲线来看，随着输出电压降低和负载减小，变换器的工作频率需要不断增加，尤其在激磁电感与谐振电感比值取较大的情况下，当负载较轻时特性曲线在高频段将变得十分平坦，甚至可能由于寄生参数的影响使得增益曲线高频段上翘，导致需要的开关频率非常高，频率对输出电压的调节作用大大减弱甚至不起作用，同时引发一系列电压纹波、噪声超标等实际问题。
通常的改善上述问题的做法是在传统控制的同时引入PWM控制。即就是当工作频率达到上限时，引入PWM方式对变换器进行控制，从而使谐振变换器工作于PWM状态。
通过引入PWM方式对变换器进行控制，可以有效改善传统LLC谐振电路变频控制失效问题。但是PWM控制在大占空比时存在失效现象，在应用时，需要将PWM控制方式与LLC变频控制方式结合起来，由于占空比不同时采用不同控制方式，控制难度大；并且在小占空比、大电流的情况下，PWM控制方式带来的损耗较大。
例如，安徽工业大学在其申请的名称为“一种LLC谐振变换器结构及其控制方法”的(申请号为201910109729.5，授权公告号为CN 109873562 A)专利申请中，公开了一种LLC谐振变换器结构的控制方法，通过实时判断负荷功率Po大小来调节谐振腔电感比值k的大小，使谐振腔电感比值k与当前负荷功率区间适配；其中，k＝Lm/Lr，这里Lm为LLC谐振网络的励磁电感，Lr为LLC谐振网络的谐振电感；但是，所述的一种LLC谐振变换器结构只结合两种了两种谐振腔，控制范围狭窄，且控制复杂，使用了两套开关管及变压器不利于系统小型化，造成资源浪费。
例如，上海同济大学在其申请的名称为“一种复合谐振的宽范围功率变换器”的(申请号为201810373688.6，申请公布号为CN 108631596 A)专利申请中，公开了一种复合谐振的宽范围功率变换器，包括N个功率单元，所述的功率单元分别包含开关器件、电感和电容，各功率单元的谐振参数存在耦合；整流单元，各功率单元分别通过对应的变压器将能量传递到整流单元；N个控制信号单元，各控制信号单元分别用于驱动对应功率单元中的开关器件。但是，采用了N个功率单元，增加了额外功率部件，结构复杂，不利于系统的简化以及控制简化，并使功率密度难以提高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于可变电感的LLC谐振变换器，用于解决LLC谐振变换器的频率调节范围受到限制，以及轻载范围效率较低的技术问题。
本发明基于可变电感的LLC谐振变换器的技术方案如下：
一种基于可变电感的LLC谐振变换器，包括输入电容、两个相同的原边场效应管、可调谐振网络、变压器、两个相同的副边场效应管和输出电容；所述的可调谐振网络由谐振电容、可变谐振电感和激磁电感组成。
所述的可变谐振电感由大磁芯、两个相同的小磁芯、第一中心磁柱、第二中心磁柱、上磁柱、下磁柱、磁芯缺口、电感绕组和控制绕组组成；所述的大磁芯两侧磁柱设有磁芯缺口，所述的第二中心磁柱插入于磁芯缺口，所述的大磁芯和两个相同的小磁芯的磁路在磁芯缺口处分别沿x轴方向和y轴方向相互垂直；所述的电感绕组绕制于第一中心磁柱上，且电感绕组的进线端与谐振电容相连接，出线端与变压器的原边相连接；所述的控制绕组绕制于两个相同的小磁芯的磁柱上，以实现可变谐振电感电感量的控制。
上述权利要求中，所述的控制绕组施加不同的控制电流，改变第二中心磁柱的磁通量，实现磁芯缺口处磁路的不同饱和程度。
上述权利要求中，所述的大磁芯和两个相同的小磁芯的磁路分别呈“日”字型，该大磁芯和两个相同的小磁芯的磁路分别沿x轴方向和y轴方向相互垂直。
上述权利要求中，所述的磁芯缺口的横截面与插入的两个相同的小磁芯的中心磁柱表面之间设有气隙。
上述权利要求中，所述的控制绕组可绕制于两个相同的小磁芯的上磁柱和下磁柱上，且绕制方向一致。
上述权利要求中，所述的第二中心磁柱与磁芯缺口的横截面之间相互平行。
本发明相对于现有技术具有以下优点
1、本发明中采用的可调谐振网络包括谐振电容、可变谐振电感和激磁电感；可变谐振电感由大磁芯、两个相同的小磁芯、磁芯缺口、电感绕组和控制绕组，采用的可变谐振电感并没有增加额外电路部件，克服了现有技术中复合谐振结构复杂的技术问题，基于可变电感的LLC谐振变换器结构简单，体积小，重量轻。
2、本发明采用的可调谐振网络包括谐振电容、可变谐振电感和激磁电感；可变谐振电感由大磁芯、两个相同的小磁芯、磁芯缺口、电感绕组和控制绕组，通过调整可变谐振电感实现谐振网络参数的调整，克服了现有技术中采用多个功率单元，功率密度提升受到限制的技术问题；通过调整可变谐振电感的电感值，减小了轻载情况下的工作频率，同时工作于软开关范围内，使得开关损耗得以降低，提高了功率密度。
3、本发明中采用的可调谐振网络包括谐振电容、可变谐振电感和激磁电感；可变谐振电感由大磁芯、两个相同的小磁芯、磁芯缺口、电感绕组和控制绕组组成，通过调整控制绕组的控制电流，可以实现可变谐振电感的改变，从而调整可变谐振网络参数，克服了现有技术中LLC谐振变换器具有频率上限的技术问题，缩小频率调整范围和实现了定频控制。
4、本发明中采用的可变谐振网络，可以根据增益需求及负载情况调整可变谐振网络参数，实现了变换器输出要求，增益范围宽，负载范围宽。
附图说明
图1是本发明的电路原理图；
图2是本发明的可变谐振电感结构示意图；
图3是本发明中可变谐振电感磁芯结构示意图；
图4是传统LLC谐振电路增益-频率仿真结果图；
图5是本发明的LLC谐振电路增益-频率仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明
参照附图1、2和图3
一种基于可变电感的LLC谐振变换器，包括输入电容1、两个相同的原边场效应管2、可调谐振网络3、变压器4、两个相同的副边场效应管5和输出电容6；所述的可调谐振网络3由谐振电容3.1、可变谐振电感3.2和激磁电感3.3组成；其特征在于：
所述的可变谐振电感3.2由大磁芯3.2.1、两个相同的小磁芯3.2.2、第一中心磁柱3.2.3、第二中心磁柱3.2.4、上磁柱3.2.5、下磁柱3.2.6、磁芯缺口3.2.7、电感绕组3.2.8和控制绕组3.2.9组成；所述的大磁芯3.2.1两侧磁柱设有磁芯缺口3.2.7，所述的第二中心磁柱3.2.4插入于磁芯缺口3.2.7，所述的大磁芯3.2.1和两个相同的小磁芯3.2.2的磁路在磁芯缺口3.2.7处分别沿x轴方向和y轴方向相互垂直；所述的电感绕组3.2.8绕制于第一中心磁柱3.2.3上，且电感绕组3.2.8的进线端与谐振电容3.1相连接，出线端与变压器4的原边相连接；所述的控制绕组3.2.9绕制于两个相同的小磁芯3.2.2的上，以实现可变谐振电感3.2电感量的控制。
本发明采用的可变谐振电感3.2技术方案中，当控制绕组3.2.9施加不同控制电流时，在两个相同的小磁芯3.2.2的磁路上产生磁通密度不同，磁路的饱和程度也不同。当电流较大时，饱和程度较高，当电流较小时，磁路的饱和程度较低。由于两个相同的小磁芯3.2.2产生的磁通会通过磁芯缺口3.2.7，电感绕组3.2.8产生磁通也会通过磁芯缺口3.2.7，两条磁路互相垂直，故当控制绕组3.2.9施加不同控制电流时，在磁芯缺口3.2.7区域的磁饱和程度不同。由于可变谐振电感3.2的电感值大小，即电感绕组3.2.8的电感值大小与磁路的饱和程度有关，磁路的饱和程度的变化导致可变谐振电感3.2的电感值大小不同，从而实现谐振网络参数的调整，使得增益曲线发生横向偏移，在LLC谐振变换器在负载变化范围和电压增益变化范围内，缩小了频率调整范围，实现定频输出。
本发明中的可变谐振电感3.2即绕制在第一中心磁柱3.2.3上的电感绕组3.2.8，该电感绕组3.2.8的进线端与LLC谐振电路中的谐振电容3.1相连，出线端与变压器4原边相连，且可变谐振电感3.2没有绕制方向的限制，绕制匝数与电压增益范围、负载范围，以及LLC谐振电路参数设计有关。当电感绕组3.2.8的绕制匝数增加时，可变谐振电感3.2的电感值增大，反之，电感值减小；控制绕组3.2.9绕制于两个相同的小磁芯3.2.2的磁柱上，既可单独绕制在上磁柱3.2.5或下磁柱3.2.6上，也可同时绕制在上磁柱3.2.5和下磁柱3.2.6上，当同时绕制在上磁柱3.2.5和下磁柱3.2.6时，绕制方向必须一致，使得磁通在第二中心磁柱3.2.4相互叠加，当不一致时，磁通会在第二中心磁柱3.2.4上相互抵消，造成控制绕组3.2.9控制失效。
所述的控制绕组3.2.9施加不同的控制电流，改变第二中心磁柱3.2.4的磁通量，实现磁芯缺口3.2.7处磁路的不同饱和程度。
所述的大磁芯3.2.1和两个相同的小磁芯3.2.2的磁路分别呈“日”字型，该大磁芯3.2.1和两个相同的小磁芯3.2.2的磁路分别沿x轴方向和y轴方向相互垂直。
所述的磁芯缺口3.2.7的横截面与插入的两个相同的小磁芯3.2.2的中心磁柱表面之间设有气隙。当气隙较大时，电感绕组3.2.8的电感值减小，当气隙较小时，电感绕组3.2.8的电感值增大，根据具体的增益需要、负载要求以及LLC电路具体参数设计来调整气隙大小，使其在控制绕组3.2.9施加的控制电流范围内，实现电压的稳定输出。
所述的控制绕组3.2.9绕制于上磁柱3.2.5和下磁柱3.2.6上，且绕制方向一致。
所述的第二中心磁柱3.2.4与磁芯缺口3.2.7的横截面之间相互平行。
调整可变谐振电感3.2大小的方法是对输出电压进行采样，控制系统根据采样信息实现对控制绕组3.2.9电流大小的控制，从而实现可变谐振电感3.2电感值大小的控制。当输出电压增高时，控制绕组3.2.9的控制电流减小，减小了磁芯缺口3.2.7处的磁路饱和程度，从而增大可变谐振电感3.2，降低了可调谐振网络3的增益，实现输出电压降低；当输出电压降低时，控制绕组3.2.9的控制电流增大，增大了磁芯缺口3.2.7处的磁路饱和程度，从而减小可变谐振电感3.2，增高了可调谐振网络3的增益，实现输出电压提高。
以下结合电路仿真结果图对本发明作进一步详细说明
参照附图4和图5
参照图4，图4表示为传统LLC谐振变换器的增益-频率曲线图，横坐标表示为频率，纵坐标表示为增益，所采用的激磁电感Lm为50uH，谐振电容Cr为14nF，谐振电感Lr为40uH变压器变比为1：1，负载为纯阻性负载，电阻值在10-100Ω之间变化。图中的实线为负载为80Ω时的LLC谐振变换器的增益-频率曲线。由于传统LLC谐振电路谐振网络的参数是固定的，因此曲线位置不可调，当需要调整增益时，通过调整频率来实现增益的调整。
参照图5，图5表示为本发明的LLC谐振电路增益-频率曲线图，横坐标表示为频率，纵坐标表示为增益，由于本发明的LLC谐振电路谐振网络的参数是可调的，当输入电压或负载发生改变，需要调整增益时，可通过调整可变谐振电感3.2的电感值，实现增益-频率曲线位置的移动，从而实现增益的调整。例如，变压器变比为1:1，则LLC谐振电路的增益可以表示为：
Figure BDA0002223475070000051
其中，Lr表示为谐振电感，Cr表示为谐振电容，Lm表示为激磁电感；RL表示为等效负载，Q表示为品质因数，
Figure BDA0002223475070000052
fn表示为归一化频率，假定f为变换器工作频率，则
Figure BDA0002223475070000053
Ln为激磁电感Lm与谐振电感Lr的比值，即Ln＝Lm/Lr。
由于本发明采用了可变谐振电感3.2，即谐振电感Lr是可变的，因此Ln是可变的，当输入电压或负载发生改变，电路需要调整增益时，可通过调整可变谐振电感3.2的的电感值来调整增益。调整可变谐振电感3.2的方法是通过调整控制绕组3.2.9的控制电流来调整可变谐振电感3.2。
例如，采用的激磁电感Lm为50uH，谐振电容Cr为14nF，变压器变比为1:1，负载为纯阻性负载，电阻值为80Ω，假定变压器为理想变压器，可变谐振电感3.2的变化范围为1uH～100uH之间，则基于可变电感的LLC谐振变换器的增益-频率曲线图如图5所示。可变谐振电感3.2电感值的改变，引起增益-频率曲线图发生横向移动。与图4比较，当负载为80Ω时，传统LLC谐振变换器，如果要实现增益在1.2～1之间变化，则开关管的工作频率较高，开关损耗较大。本发明的基于可变电感的LLC谐振变换器，则只需要调整可变谐振电感3.2的电感值，就可以在低频率范围内实现增益在1.2～1之间变化。同时，当负载电阻的电阻值变化时，在激磁电感、谐振电容、变压器变比和可变谐振电感3.2各参数不变的情况下，得到对应负载参数的增益-频率曲线图，根据负载变化情况选择合适的增益-频率曲线。
由此可知，在增益调整范围在1.2～1之间，调整可变谐振电感3.2的电感值可实现调整频率范围从300kHz～400kHz缩小到240kHz～300kHz；在增益最高为2时，则在150kHz下可实现任意频率的定频输出。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于可变电感的LLC谐振变换器，包括输入电容(1)、两个相同的原边场效应管(2)、可调谐振网络(3)、变压器(4)、两个相同的副边场效应管(5)和输出电容(6)；所述的可调谐振网络(3)由谐振电容(3.1)、可变谐振电感(3.2)和激磁电感(3.3)组成；其特征在于：
所述的可变谐振电感(3.2)由大磁芯(3.2.1)、两个相同的小磁芯(3.2.2)、第一中心磁柱(3.2.3)、第二中心磁柱(3.2.4)、上磁柱(3.2.5)、下磁柱(3.2.6)、磁芯缺口(3.2.7)、电感绕组(3.2.8)和控制绕组(3.2.9)组成；所述的大磁芯(3.2.1)两侧磁柱设有磁芯缺口(3.2.7)，所述的第二中心磁柱(3.2.4)插入于磁芯缺口(3.2.7)，所述的大磁芯(3.2.1)和两个相同的小磁芯(3.2.2)的磁路在磁芯缺口(3.2.7)处分别沿x轴方向和y轴方向相互垂直；所述的电感绕组(3.2.8)绕制于第一中心磁柱(3.2.3)上，且电感绕组(3.2.8)的进线端与谐振电容(3.1)相连接，出线端与变压器(4)的原边相连接；所述的控制绕组(3.2.9)绕制于两个相同的小磁芯(3.2.2)的上，以实现可变谐振电感(3.2)电感量的控制。
2.根据权利要求1所述的基于可变电感的LLC谐振变换器，其特征在于：所述的控制绕组(3.2.9)施加不同的控制电流，改变第二中心磁柱(3.2.4)的磁通量，实现磁芯缺口(3.2.7)处磁路的不同饱和程度。
3.根据权利要求1所述的基于可变电感的LLC谐振变换器，其特征在于：所述的大磁芯(3.2.1)和两个相同的小磁芯(3.2.2)的磁路分别呈“日”字型，该大磁芯(3.2.1)和两个相同的小磁芯(3.2.2)的磁路分别沿x轴方向和y轴方向相互垂直。
4.根据权利要求1所述的基于可变电感的LLC谐振变换器，其特征在于：所述的磁芯缺口(3.2.7)的横截面与插入的两个相同的小磁芯(3.2.2)的中心磁柱表面之间设有气隙。
5.根据权利要求1所述的基于可变电感的LLC谐振变换器，其特征在于：所述的控制绕组(3.2.9)绕制于上磁柱(3.2.5)和下磁柱(3.2.6)上，且绕制方向一致。
6.根据权利要求1所述的基于可变电感的LLC谐振变换器，其特征在于：所述的第二中心磁柱(3.2.4)与磁芯缺口(3.2.7)的横截面之间相互平行。
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