CN111181409A - 一种宽输出增益多谐振腔llc谐振变换器 - Google Patents

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CN111181409A CN202010090523.5A CN202010090523A CN111181409A CN 111181409 A CN111181409 A CN 111181409A CN 202010090523 A CN202010090523 A CN 202010090523A CN 111181409 A CN111181409 A CN 111181409A
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Abstract

本发明公开了一种多谐振腔LLC谐振变换器，包括原边开关网络，主谐振腔RC1，从谐振腔RC2、RC3、从谐振腔切入切出开关管S5、S6、主谐振腔RC1工作时对应的整流电路FR1以及从谐振腔RC2、RC3工作时对应的整流电路FR2。本发明可以通过切换电路实际工作的谐振腔，使电路处于不同的工作模态下，即高压输出工作模态、中压输出工作模态以及低压输出工作模态。三种工作模态下的增益范围连续，从而使电路获得宽输出增益。同时，在三种工作模态下，电路均可以在额定工作频率范围内，采用变频控制方式达到所需的输出增益，从而保证了开关管在全输出增益范围内的软开关，且避免了较大的环流，保证了电路在全输出增益范围内具有较高的工作效率。

Description

一种宽输出增益多谐振腔LLC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，具体涉及一种宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器。
背景技术
目前随着科学技术的发展，电力电子器件的高频化，成为了电子电子学中一个重要的发展方向。但是，电力电子变换器的高频化会造成开关损耗增大的问题。对于这一问题，软开关技术应运而生，通过零电压开通开关管，消除电路的开关损耗。而LLC谐振变换器正具有优良的软开关特性及电磁兼容特性。但LLC谐振变换器在变频工作模式下输出增益有限，难以满足实际应用中对宽输出增益的需求。因此，需要一种能够实现宽输出增益且具有软开关的LLC谐振变换器。
目前国内外已有许多学者对这一方面进行了研究，同时也取得了许多成果。如采用变模式控制的LLC谐振变换器方案，将变频控制方式与移相控制方式相结，在额定输出电压附近使用变频控制方式，当需要较低的输出增益时采用移相控制方式。但这种方案虽然能够较为简单地实现宽输出增益，但在移相控制模式下，会存在滞后桥臂上开关管难以实现软开关以及存在较大的电路环流的问题，由此会造成在移相控制模式下，电路的工作效率较低。
在保证电路软开关工作特性的条件下，使电路具有较宽的输出增益范围，现有的一些改进方案还存在一些缺点。因此，需要一种在保证电路在全输出增益范围内均能实现开关管的软开关的前提下，仍能实现较宽的输出增益的改进拓扑方案。
公开号为CN110649812A的专利说明书公开了一种宽增益范围LLC谐振变换器，包括从输入到输出依次连接的逆变电路、LLC谐振腔、变压器和整流网络；所述LLC谐振腔包括谐振电感Lr、Lm和谐振电容Cr；所述LLC谐振腔内还增设有双向开关；所述谐振电容Cr、谐振电感Lr依次串联在逆变电路的1号输出端与变压器原边线圈的1端之间，逆变电路的2号输出端与变压器原边线圈的2端连接，谐振电感Lm与变压器原边线圈并联，双向开关的1端通过连在谐振电容Cr、谐振电感Lr之间与变压器原边线圈的1端连接，双向开关的2端与变压器原边线圈的2端连接；所述逆变电路为全桥/半桥相结合的变拓扑电路。
该LLC谐振变换器，因采用PWM控制策略，存在电路中环流较高，工作效率较低的问题。同时，额外增加的高频工作开关管，既增加了开关损耗，又增加了电路成本。
发明内容
针对如上所述，基于全桥升压型LLC谐振变换器拓扑，本发明提供了一种多谐振腔LLC谐振变换器，可以实现宽输出增益，且能在全输出增益范围内保证开关管的软开关实现电路全输出增益范围下的较高工作效率。
一种宽输出增益的多谐振腔LLC谐振变换器，包括原边开关网络SN，主谐振腔RC1，从谐振腔RC2、从谐振腔RC3、从谐振腔切入切出开关管S5、从谐振腔切入切出开关管S6、主谐振腔RC1工作时对应的整流电路FR1以及从谐振腔RC2、从谐振腔RC3工作时对应的整流电路FR2；
其中，主谐振腔RC1包括主谐振腔谐振电感Lrc1，谐振电容Crc1，变压器T1的原边励磁电感Lm1，从谐振腔RC2包括从谐振腔谐振电感Lrc2，谐振电容Crc2，变压器T2的原边励磁电感Lm2，从谐振腔RC3包括从谐振腔谐振电感Lrc3，谐振电容Crc3，变压器T3的原边励磁电感Lm3；从谐振腔RC2、从谐振腔RC3的参数完全相同。
所述的原边开关网络SN，包括两个开关桥臂对，每个开关桥臂对包含两个开关管，上管的源极同下管的漏极相连；
整流电路FR1和整流电路FR2的输出端并联接入输出负载，两整流电路共用一组输出电容。
所述的主谐振腔RC1包括三个元器件，主谐振腔谐振电感Lrc1，谐振电容Crc1，变压器T1的原边励磁电感Lm1。其中，谐振电感Lrc1，谐振电容Crc1以及变压器的原边励磁电感Lm1参与谐振工作。主谐振腔RC1中的三个器件谐振电感Lrc1、谐振电容Crc1、变压器T1的连接顺序可以任意，但必须保证第一个器件的首端与超前桥臂的桥臂中点相连，最后一个器件的尾端与滞后桥臂的桥臂中点相连。
所述的从谐振腔RC2包括从谐振腔谐振电感Lrc2，谐振电容Crc2，变压器T2的原边励磁电感Lm2。从谐振腔RC2中的三个器件谐振电感Lrc2、谐振电容Crc2、变压器T2的连接顺序可以任意，但必须保证第一个器件的首端与滞后桥臂的桥臂上管的漏极相连，最后一个器件的尾端与上管的源极即滞后桥臂的桥臂中点相连。
所述的从谐振腔RC3包括从谐振腔谐振电感Lrc3，谐振电容Crc3，变压器T3的原边励磁电感Lm3。从谐振腔RC3中的三个器件谐振电感Lrc3、谐振电容Crc3、变压器T3的连接顺序可以任意，但必须保证第一个器件的首端与滞后桥臂的桥臂下管的漏极即滞后桥臂的桥臂中点相连，最后一个器件的尾端与下管的源极相连。
所述的从谐振腔切入切出开关管S5和从谐振腔切入切出开关管S6分别串联于两个从谐振腔中，且这两个切入切出开关管S5和切入切出开关管S6相互之间不能串联。
所述的整流电路FR1可以采用全桥整流，倍压整流，全波整流等整流方案。其与主谐振腔RC1中的变压器T1副边输出端相连接，只在主谐振腔RC1工作时参与工作。
所述的整流电路FR2可以采用全桥整流，倍压整流，全波整流，同步整流等整流方案。其与两从谐振腔RC2和RC3中的变压器T2和变压器T3副边串联后的整体输出端相连接，只在从谐振腔RC2和从谐振腔RC3工作时参与工作。
所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器共有三种工作模态，高压输出工作模态，中压输出工作模态，低压输出工作模态。三种工作模态分别具有不同的电压增益范围，三者共同作用实现电路的宽输出增益。
所述的电路切换工作模态的控制策略为控制原边开关管的通断。控制从谐振腔切入切出开关管S5和S6常断，使电路工作于高压输出工作模态。控制超前桥臂开关管S1和S4常断，两个从谐振腔切入切出开关管S5和S6常通，使电路工作于中压输出工作模态，控制超前桥臂开关管常断，任意一个从谐振腔切入切出开关管常断，另一个常通，使电路工作与低压输出工作模态。
所述电路的开关管的控制策略在额定工作频率范围内均采用变频控制模式。
所述电路在三种工作模态下分别具有不同的增益表达式。其中，在高压输出工作模态下的输出增益表达式为：
Figure BDA0002383554810000041
其中k1＝Lm1/Lrc1，为主谐振腔励磁电感与谐振电感比，Q1值为
Figure BDA0002383554810000042
表示电路品质因数，f为电路实际工作频率相对完全谐振频率的归一化值。
所述电路在中压输出工作模态下的输出增益表达式为：
Figure BDA0002383554810000043
其中k2＝Lm2/Lrc2，为主谐振腔励磁电感与谐振电感比，Q2值为
Figure BDA0002383554810000044
表示电路品质因数，f为电路实际工作频率相对完全谐振频率的归一化值。
所述电路在低压输出工作模态下的输出增益表达式为：
Figure BDA0002383554810000045
其中k2＝Lm2/Lrc2，为主谐振腔励磁电感与谐振电感比，Q2值为
Figure BDA0002383554810000046
表示电路品质因数，f为电路实际工作频率相对完全谐振频率的归一化值。
所述电路有针对于此电路的谐振腔参数设计流程。首先设计主谐振腔参数，要求满足高压输出模态下的最高输出增益以及开关管软开关条件。其次设计从谐振腔参数，要求满足中压输出模态下的最高输出增益高于高压输出模态下的最低输出增益，低压输出模态下的最高输出增益大于中压输出模态下的最低输出增益，开关管能够实现软开关。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)本发明的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器电路可以在三种工作模态下进行切换，可以根据需要切换到不同的工作模式，电路的工作方式灵活。
(2)本发明电路具有较宽的输出增益范围。
(3)本发明电路在全输出增益范围内，均可只采用变频控制策略，能够保证开关管在全输出增益范围内均能实现软开关，且没有较大的电流环流，增大了电路的工作效率。
(4)本发明电路在全输出增益范围内，开关管的工作占空比恒定为0.5，电路中不会有较大的电流环流，有利于提升电路的工作效率。
(5)本发明电路中增加的切入切出开关管不需要高频工作，不会增加额外的开关损耗，有利于电路工作效率的提升，且不需要高频工作的开关管价格低廉，有利于控制电路成本。
附图说明
图1为本发明多谐振腔LLC谐振变换器的拓扑结构示意图。
图2为多谐振腔LLC谐振变换器在高压输出工作模态下的关键波形图。
图3为多谐振腔LLC谐振变换器在高压输出工作模态下的关键波形图。
图4为多谐振腔LLC谐振变换器在高压输出工作模态下的关键波形图。
图5为多谐振腔LLC谐振变换器的输出增益曲线图。
图6为多谐振腔LLC谐振变换器在高压输出工作模态下的实验波形图。
图7为多谐振腔LLC谐振变换器在中压输出工作模态下的实验波形图。
图8为多谐振腔LLC谐振变换器在低压输出工作模态下的实验波形图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
如图1所示，本实施例的多谐振腔LLC谐振变换器，包括一个原边开关网络，其上有四个开关管S1、S2、S3、S4。主谐振腔包括主谐振腔谐振电感Lrc1，谐振电容Crc1，变压器T1及其原边励磁电感Lm1。谐振电感的一端连接超前桥臂的桥臂中点，另一端连接谐振电容。变压器T1的一端连接谐振电容，另一端连接滞后桥臂的桥臂中点。
从谐振腔RC2和RC3分别包括从谐振腔谐振电感Lrc2、Lrc3，谐振电容Crc2、Crc3，变压器T2、T3的原边励磁电感Lm2、Lm3。从谐振腔切入切出开关管为S5和S6。其中S5的一端连接开关管S2的漏极，另一端连接到谐振腔RC2中的谐振电感Lrc2中的一端。S6的一端连接到开关管S3的源极，另一端连接到变压器的一端。
副边整流电路FR1采用全桥结构，共用四个整流二极管D1、D2、D3和D4。其中，左桥臂由二极管D1和D4组成，右桥臂由二极管D2和D3组成。主谐振腔RC1中的变压器T1的副边输出端，一端接入到D1和D4所在桥臂的桥臂中点，另一端连接到D2和D3所在桥臂的桥臂中点。
副边整流电路FR2采用全桥结构，共用四个整流二极管D5、D6、D7和D8。其中，左桥臂由二极管D5和D8组成，右桥臂由二极管D6和D7组成。从谐振腔RC2和从谐振腔RC3中的变压器T2和T3的副边输出端串联后的整体的输出端，一端接入到D5和D8所在桥臂的桥臂中点，另一端连接到D6和D7所在桥臂的桥臂中点。
在如图1所示，当变压器T2的异名端连接到开关管S2的源极，变压器T3的异名端连接到开关管S3的源极，则变压器T2和T3的副边串联时，将变压器T2和T3的异名端相互串联。
电路中完全谐振频率选取为200kHz。主谐振腔中，谐振电感Lrc1的值选取为6.33μH，谐振电容Crc1的值选取为0.1μF，变压器T1的原副边匝比为1:5.5，励磁电感值为12μH。从谐振腔RC2和RC3中各器件的参数完全相同，故以RC2中参数为例进行说明。其中，谐振电感Lrc2的值为6.33μH，谐振电容Crc2的值选取为0.1μF，变压器T2的原副边匝比为1:3.5，励磁电感值为11μH。
根据如图1所示拓扑图，定义三种工作模式。
高压输出工作模式：主谐振腔RC1参与工作，通过其进行电路原副边能量的传输，整流电路FR1参与工作，对变压器T1输出进行整流。从谐振腔RC2、RC3及整流电路FR2均不参与工作。
中压输出工作模式：从谐振腔RC2和RC3同时参与工作，同时将电路原边的能量传输到电路的副边，整流电路FR2参与工作，对变压器T2和T3串联后的输出进行整流。主谐振腔RC1及整流电路FR2均不参与工作。
低压输出工作模式：从谐振腔RC3参与工作，同时将电路原边的能量传输到电路的副边，整流电路FR2参与工作，对变压器T2和T3串联后的输出进行整流。主谐振腔RC1、整流电路FR2及从谐振腔RC2均不参与工作。
如图2所示为电路在高压输出工作模态下，电路欠谐振工作时的关键工作波形图。其中Vgs1、Vgs3为开关管S1以及S3的驱动电压波形，Vgs2、Vgs4为开关管S2以及S4的驱动电压波形。Vin为主谐振腔RC1两端，即超前桥臂和滞后桥臂中点上的电压。iLrc1为主谐振腔RC1上谐振电流波形，iLm1为RC1中励磁电感Lm1上的励磁电流波形。iD1、iD2分别为整流二极管D1、D2上的电流波形。
如图3所示为电路在中压输出工作模态下，电路欠谐振工作时的关键工作波形图。其中Vgs3为开关管S3的驱动电压波形，Vgs2为开关管S2的驱动电压波形。Vmid2为从谐振腔RC2两端电压波形，Vmid3为从谐振腔RC3两端电压波形。iLrc2为从谐振腔RC2上谐振电流波形，iLm2为RC2中励磁电感Lm2上的励磁电流波形。iLrc3为从谐振腔RC3上谐振电流波形，iLm3为RC3中励磁电感Lm3上的励磁电流波形。iD5、iD8分别为整流二极管D5、D8上的电流波形。
如图4所示为电路在低压输出工作模态下，电路过谐振工作时的关键工作波形图。其中Vgs3为开关管S3的驱动电压波形，Vgs2为开关管S2的驱动电压波形。Vmid2为从谐振腔RC2两端电压波形、iLrc2为从谐振腔RC2上谐振电流波形、iLm2为RC2中励磁电感Lm2上的励磁电流波形。iD5、iD8分别为整流二极管D5、D8上的电流波形。
如图5所示为电路的联合增益曲线图。其中，实际工作频率相对于完全谐振频率的归一化频率范围为0.8-1.2之间。图5中曲线一为电路在高压输出工作模态下的增益曲线，曲线二为电路在中压输出工作模态下的增益曲线，曲线三为低压输出工作模态下的增益曲线。
如图6所示为电路在输出功率为1kW的工作条件下，工作于高压输出工作模态时的实验波形图。其中，Vgs3为开关管S3的驱动电压波形、Vds3为开关管S3的端电压波形、iLrc1为主谐振腔RC1上的谐振电流波形。从驱动电压波形Vgs3和端电压波形Vds3可以看出原边开关管实现了软开关。
如图7所示为电路在输出功率为1kW的工作条件下，工作于中压输出工作模态时的实验波形图。其中，Vgs3为开关管S3的驱动电压波形、Vds3为开关管S3的端电压波形、iLrc2为从谐振腔RC2上的谐振电流波形、iLrc3为从谐振腔RC3上的谐振电流波形。从驱动电压波形Vgs3和端电压波形Vds3可以看出原边开关管实现了软开关。
如图8所示为电路在输出功率为1kW的工作条件下，工作于低压输出工作模态时的实验波形图。其中，Vgs3为开关管S3的驱动电压波形、Vds3为开关管S3的端电压波形、iLrc3为从谐振腔RC3上的谐振电流波形。从驱动电压波形Vgs3和端电压波形Vds3可以看出原边开关管实现了软开关。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，包括原边开关网络SN，主谐振腔RC1，从谐振腔RC2、从谐振腔RC3、从谐振腔切入切出开关管S5和从谐振腔切入切出开关管S6、主谐振腔RC1工作时对应的整流电路FR1以及从谐振腔RC2、RC3工作时对应的整流电路FR2；
其中，主谐振腔RC1包括主谐振腔谐振电感Lrc1，谐振电容Crc1，变压器T1的原边励磁电感Lm1，从谐振腔RC2包括从谐振腔谐振电感Lrc2，谐振电容Crc2，变压器T2的原边励磁电感Lm2，从谐振腔RC3包括从谐振腔谐振电感Lrc3，谐振电容Crc3，变压器T3的原边励磁电感Lm3；从谐振腔RC2、从谐振腔RC3的参数完全相同。
2.根据权利要求1所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，所述主谐振腔RC1中，谐振电感Lrc1、谐振电容Crc1、变压器T1的连接顺序任意，但必须保证第一个器件的首端与超前桥臂的桥臂中点相连，最后一个器件的尾端与滞后桥臂的桥臂中点相连；且主谐振腔RC1工作时，从谐振腔RC2和从谐振腔RC3不参与工作。
3.根据权利要求1或2所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，所述的从谐振腔RC2中，谐振电感Lrc2、谐振电容Crc2、变压器T2的连接顺序任意，但必须保证第一个器件的首端与滞后桥臂的桥臂上管的漏极相连，最后一个器件的尾端与上管的源极即滞后桥臂的桥臂中点相连；所述的从谐振腔RC3中，谐振电感Lrc3、谐振电容Crc3、变压器T3的连接顺序任意，但必须保证第一个器件的首端与滞后桥臂的桥臂下管的漏极即滞后桥臂的桥臂中点相连，最后一个器件的尾端与下管的源极相连；且任一从谐振腔工作时，主谐振腔不参与工作。
4.根据权利要求1所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，从谐振腔RC2和从谐振腔RC3中分别串联有切入切出开关管S5和切入切出开关管S6，且切入切出开关管S5和切入切出开关S6相互之间不能串联。
5.根据权利要求1所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，从谐振腔RC2和从谐振腔RC3中的变压器T2和变压器T3的副边串联，当变压器T1的同名端与变压器T2的异名端共同连接开关网络的滞后桥臂中点时，变压器T2和变压器T3的副边的同名端需串联在一起；当变压器T2和变压器T3均为同名端共同连接开关网络的滞后桥臂中点时，变压器T2和变压器T3的副边则需异名端与同名端串联在一起。
6.根据权利要求1所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，整流电路FR1和整流路FR2的输出端并联接入输出负载，两整流电路共用一组输出电容。
7.根据权利要求1所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器在工作过程中的高压输出工作模态、中压输出工作模态以及低压输出工作模态均只采用变频控制的控制策略方案。
8.根据权利要求7所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，当宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器工作在高压输出模态下时，主谐振腔RC1与原边开关网络两个桥臂的开关管，整流桥电路FR1参与工作，两个从谐振腔切入切出开关管S5和切入切出开关管S6断开，从谐振腔RC1、从谐振腔RC2，整流桥电路FR2不参与工作。
9.根据权利要求7所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，当宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器工作在中压输出模态及低压输出模态下时，原边开关网络的超前桥臂两个开关管S1和开关管S4断开，主谐振腔RC1不参与工作；中压工作模态时，两个谐振腔切入切出开关管S5和切入切出开关管S6均开通，从谐振腔RC2、从谐振腔RC3均参与工作；低压工作模态时，任意一个谐振腔切入切出开关管S5或切入切出开关管S6断开，只有一个从谐振腔RC2或谐振腔RC3参与工作。
10.根据权利要求1所述的宽输出增益多谐振腔LLC谐振变换器，其特征在于，所述的原边开关网络SN，包括两个开关桥臂对，每个开关桥臂对包含两个开关管，上管的源极同下管的漏极相连；
整流电路FR1和整流电路FR2的输出端并联接入输出负载，两整流电路共用一组输出电容。
CN202010090523.5A 2020-02-13 2020-02-13 一种宽输出增益多谐振腔llc谐振变换器 Pending CN111181409A (zh)

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JIAXUAN ZHOU: "A New LLC Converter with Wide Output Voltage Range and Improved Efficiency at Medium or Low Output Voltage", 《2019 IEEE 28TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INDUSTRIAL ELECTRONICS (ISIE)》 *

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