CN112271930B - 二次侧谐振型llc变换电路 - Google Patents

二次侧谐振型llc变换电路 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种二次侧谐振型LLC变换电路。其中，该电路包括：逆变级、二次侧谐振槽、有源倍压整流器，其中逆变级包括输入二极管，使所述电路磁化电感不受输入电压的束缚，并构成了新的电压增益特性，实现二次侧谐振型LLC变换电路的逆变级有源开关零电流开通和关断，输入二极管零电流关断，有源倍压整流器有源开关零电压开通。本公开电路通过引入额外的输入二极管，提高了电路同步整流效率，降低了成本。

Description

二次侧谐振型LLC变换电路
技术领域
本公开涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种二次侧谐振型LLC变换电路。
背景技术
LLC谐振型电路是主功率级拓扑之一，具有众多优点：在整个负载范围(包括轻载)下都是以零电压开关条件工作，从而实现高效率；工作频率变化范围比较窄，便于高频变压器和输入滤波器的设计；初级端所用开关的电压应力被钳位在输入电压上，而次级端两个二极管上的电压始终等于中心抽头变压器输出电压的两倍。
然而，当传统LLC谐振变换器需要采用同步整流方法提升整流级的效率时，由于整流级中的有源开关管的导通时间有别于逆变级中的有源开关管，因此控制较为复杂，需要依赖外部电流检测电路控制整流级中的有源开关管关断。
因此，需要一种或多种方法解决上述问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种二次侧谐振型LLC变换电路，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种二次侧谐振型LLC变换电路，包括逆变级、二次侧谐振槽、有源倍压整流器，所述逆变级与二次侧谐振槽连接，所述二次侧谐振槽与有源倍压整流器连接；
所述逆变级包括推挽逆变电路，包括输入电源Vg、输入二极管D1、有源开关S1、S2，其中，输入电源Vg与输入二极管D1串联后分别与有源开关S1、S2并联至变压器原边；
所述二次侧谐振槽包括变压器、谐振电感Lm、Lr、谐振电容Cr，其中，谐振电感Lm与变压器副边并联后，与谐振电感Lr、谐振电容Cr、有源倍压整流器串联；
所述有源倍压整流器包括有源开关S3、S4，母线电容Co，其中，有源开关S3、S4串联后，与母线电容Co、负载RL并联。
在本公开的一种示例性实施例中，所述逆变级包括全桥逆变电路或半桥逆变电路的任意一种。
在本公开的一种示例性实施例中，当逆变级有源开关S1、S2、有源倍压整流器有源开关S3、S4采用预设占空比的脉冲调频控制下，可以通过二次侧谐振槽的谐振，实现二次侧谐振型LLC变换电路的逆变级有源开关S1、S2零电流开通和关断，输入二极管D1零电流关断，有源倍压整流器有源开关S3、S4零电压开通。
在本公开的一种示例性实施例中，所述预设占空比为0.5，S1和S4在一组相同的控制脉冲下工作，S2和S3在另一组相同的控制脉冲下工作，S1、S4开关管与S2、S3开关管的两组控制脉冲相位相差180度。
在本公开的一种示例性实施例中，所述二次侧谐振型LLC变换电路的谐振频率
Figure BDA0002780051230000021
在本公开的一种示例性实施例中，所述逆变级的输入二极管D1可由有源开关S5代替。
在本公开的一种示例性实施例中，当所述逆变级的有源开关S1、S2为不具有反向导通特性的全控型有源开关时，所述逆变级不包括输入二极管D1。
本公开的示例性实施例中的二次侧谐振型LLC变换电路。其中，该电路包括：逆变级、二次侧谐振槽、有源倍压整流器，其中逆变级包括输入二极管，使所述电路磁化电感不受输入电压的束缚，并构成了新的电压增益特性，实现二次侧谐振型LLC变换电路的逆变级有源开关零电流开通和关断，输入二极管零电流关断，有源倍压整流器有源开关零电压开通。本公开电路通过引入额外的输入二极管，提高了电路同步整流效率，降低了成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1示出了根据本公开一示例性实施例的二次侧谐振型LLC变换电路；
图2A-2B示出了根据本公开一示例性实施例的不同逆变级的二次侧谐振型LLC变换电路；
图3示出了根据本公开一示例性实施例的二次侧谐振型LLC变换电路的典型波形；
图4A-4D示出了根据本公开一示例性实施例的二次侧谐振型LLC变换电路不同阶段的等效电路；
图5示出了根据本公开一示例性实施例的二次侧谐振型LLC变换电路的示意图；
图6A-6B示出了根据本公开一示例性实施例的二次侧谐振型LLC变换电路不同逆变级的电路图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本示例实施例中，首先提供了一种二次侧谐振型LLC变换电路；参考图1中所示，该二次侧谐振型LLC变换电路可以包括以下部分：
逆变级、二次侧谐振槽、有源倍压整流器，所述逆变级与二次侧谐振槽连接，所述二次侧谐振槽与有源倍压整流器连接；
所述逆变级可以为推挽逆变电路，包括输入电源Vg、输入二极管D1、有源开关S1、S2，其中，输入电源Vg与输入二极管D1串联后分别与有源开关S1、S2并联至变压器原边；
所述二次侧谐振槽包括变压器、谐振电感Lm、Lr、谐振电容Cr，其中，谐振电感Lm与变压器副边并联后，与谐振电感Lr、谐振电容Cr、有源倍压整流器串联；
所述有源倍压整流器包括有源开关S3、S4，母线电容Co，其中，有源开关S3、S4串联后，与母线电容Co、负载RL并联。
本公开的示例性实施例中的二次侧谐振型LLC变换电路。其中，该电路包括：逆变级、二次侧谐振槽、有源倍压整流器，其中逆变级包括输入二极管，使所述电路磁化电感不受输入电压的束缚，并构成了新的电压增益特性，实现二次侧谐振型LLC变换电路的逆变级有源开关零电流开通和关断，输入二极管零电流关断，有源倍压整流器有源开关零电压开通。本公开电路通过引入额外的输入二极管，提高了电路同步整流效率，降低了成本。
下面，将对本示例实施例中的一种二次侧谐振型LLC变换电路进行进一步的说明。
基于传统LLC反向功率流路径的思想，本公开一种二次侧LLC谐振变换电路，如图1所示。与传统LLC的反向结构相比，在传统LLC变换器中引入了一个输入二极管来阻止功率流回电源，这对应于传统LLC变换器的二极管整流级。
所述二次侧谐振型LLC变换电路，包括逆变级、二次侧谐振槽、有源倍压整流器，所述逆变级与二次侧谐振槽连接，所述二次侧谐振槽与有源倍压整流器连接；
所述逆变级可以为推挽逆变电路，包括输入电源Vg、输入二极管D1、有源开关S1、S2，其中，输入电源Vg与输入二极管D1串联后分别与有源开关S1、S2并联至变压器原边；
所述二次侧谐振槽包括变压器、谐振电感Lm、Lr、谐振电容Cr，其中，谐振电感Lm与变压器副边并联后，与谐振电感Lr、谐振电容Cr、有源倍压整流器串联；
所述有源倍压整流器包括有源开关S3、S4，母线电容Co，其中，有源开关S3、S4串联后，与母线电容Co、负载RL并联。
在本示例的实施例中，通过在逆变级中加入输入二极管，磁化电感不再总被输入电压箝位，而是有一段时间参与谐振过程。且由于原边一次侧电路结构仅由两个具有反向导通特性的全控型有源开关(这里采用MOSFET)和一个二极管组成，降低了成本。
在本示例的实施例中，所述逆变级还可以是全桥逆变电路或半桥逆变电路的一种。如图2A所示，为逆变级为全桥逆变电路的二次侧LLC谐振变换电路，如图2B所示，为逆变级为半桥逆变电路的二次侧LLC谐振变换电路。
在本示例的实施例中，当逆变级有源开关S1、S2、有源倍压整流器有源开关S3、S4采用预设占空比的脉冲调频控制下，可以通过二次侧谐振槽的谐振，实现二次侧谐振型LLC变换电路的逆变级有源开关S1、S2零电流开通和关断，输入二极管D1零电流关断，有源倍压整流器有源开关S3、S4零电压开通。
在本示例的实施例中，所述预设占空比可以为0.5，S1和S4在一组相同的控制脉冲下工作，S2和S3在另一组相同的控制脉冲下工作，S1、S4开关管与S2、S3开关管的两组控制脉冲相位相差180度。
在本示例的实施例中，所述二次侧谐振型LLC变换电路的谐振频率
Figure BDA0002780051230000061
在本示例的实施例中，所提出的二次侧LLC(S-LLC)谐振变换器的输出电压与开关频率fs相关，变换器的工作开关频率fs需要小于串联谐振频率fr。如图3为fs<fr时，S-LLC谐振变换器的典型波形，其中Ts为开关周期。开关S1和S2交替进行0.5占空比的导通，S3和S4也是如此。S1和S4在一组相同的控制脉冲下工作，S2和S3在另一组相同的控制脉冲下工作，S1、S4开关管与S2、S3开关管的两组控制脉冲相位相差180度。开关S1-S4的漏源极电流分别用iDS1-iDS4表示。同样，它们的漏源极电压分别用vDS1-vDS4表示。输入二极管上的电压D1表示为vD1。由图3可知，一次侧开关管可以实现ZCS开通和关断，二次侧开关实现ZVS开通，输入二极管可以实现ZCS关断。
在本示例的实施例中，与图3的典型波形相对应，变换器的工作模式如图4A-4D所示。一个开关周期的波形可分为八个模式。由于变换器的运行过程是对称的，为了简单起见，这里只讨论前四种模式。
如图4A所示，为模式I(t0<t<t1)：S1和S4在t0打开。电流iDS1从零开始慢慢增加，S1实现了ZCS的开通。励磁电感Lm两端的电压vab等于NVg。谐振频率取决于Lr和Cr，即前文中定义的fr。电流iDS4从变压器二次侧流向S4的漏极，从而实现了自然的同步整流。S4可在t0瞬间实现ZVS开通。
如图4B所示，为模式II(t1<t<t2)：在t1时刻iLr由负值向正值变化，iDS4也由负值向正值变化，并且iDS1保持正值并逐渐减小。在t2时刻，iDS1达到零。
如图4C所示，为模式III(t2<t<t3)：在此阶段，一次侧和二次侧之间没有功率交换。电感电压vab不再被钳位。因此，谐振发生在Lm、Lr和Cr之间，谐振频率为：
Figure BDA0002780051230000071
如图4D所示，为模式IV(t3<t<t4)：从t3到t4的时间为死区时间，记为td，为避免桥臂直通和一次侧短路情况，必须引入死区时间。开关S1和S4在t3瞬间被关闭。由于S1关断时无电流流过，因此实现了ZCS关断。在S4关断后，S3和S4之间发生电流换向:电流iLr对S4漏源电容充电，并对S3漏源电容放电，然后流过S3的体二极管，vDS3被箝位为零。因此，当S3上有开关信号时，就可以实现ZVS开通。
在本示例的实施例中，如图5所示，所述逆变级的输入二极管D1可由有源开关S5代替。
在本示例的实施例中，如图6A-6B所示，当所述逆变级的有源开关S1、S2为不具有反向导通特性的全控型有源开关时，所述逆变级可以不包括输入二极管D1。其中，图6A为逆变级采用门极可关断晶闸管(GTO)的二次侧谐振型LLC变换电路，图6B为逆变级采用双极结型晶体管(BJT)的二次侧谐振型LLC变换电路。
在本示例的实施例中，由于输入二极管的存在，励磁电感Lm两端电压不会总被输入电压箝位，因此，输入二极管是该变换器的显著特征。一些可能的、不需要输入二极管的替代方案，比如门极可关断晶闸管(GTO)或双极结型晶体管(BJT)作为一次侧开关，以阻止功率流回电源。在这种情况下，所提出的控制策略仍然有效，软开关特性仍然可以实现。
在本示例的实施例中，所述二次侧谐振型LLC变换电路的一次原边侧开关管如采用具有反向导电特性的开关管，如MOSFET、IGBT等时，需要引入二极管，当原边侧开关管采用不具有反向导电特性的开关管，如GTO、BJT等时，则不需要引入二极管。
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (4)

1.一种二次侧谐振型LLC变换电路，其特征在于，包括逆变级、二次侧谐振槽、有源倍压整流器，所述逆变级与二次侧谐振槽连接，所述二次侧谐振槽与有源倍压整流器连接；
所述逆变级为推挽逆变电路，包括输入电源Vg、输入二极管D1、有源开关S1、S2，其中，输入电源Vg与输入二极管D1串联后分别与有源开关S1、S2并联至变压器原边；
所述二次侧谐振槽包括变压器、谐振电感Lm、Lr、谐振电容Cr，其中，谐振电感Lm与变压器副边并联后，与谐振电感Lr、谐振电容Cr、有源倍压整流器串联；
所述有源倍压整流器包括有源开关S3、S4，母线电容C0，其中，有源开关S3、S4串联后，与母线电容C0、负载RL并联；
当逆变级有源开关S1、S2、有源倍压整流器有源开关S3、S4采用预设占空比的脉冲调频控制下，通过二次侧谐振槽的谐振，实现二次侧谐振型LLC变换电路的逆变级有源开关S1、S2零电流开通和关断，输入二极管D1零电流关断，有源倍压整流器有源开关S3、S4零电压开通。
2.如权利要求1所述的二次侧谐振型LLC变换电路，其特征在于，所述预设占空比为0.5，S1和S4在相同的控制脉冲下工作，S2和S3在互补的控制脉冲下工作。
3.如权利要求1所述的二次侧谐振型LLC变换电路，其特征在于，所述逆变级的输入二极管D1可由有源开关S5代替。
4.如权利要求1所述的二次侧谐振型LLC变换电路，其特征在于，当所述逆变级的有源开关S1、S2为不具有反向导通特性的全控型有源开关时，所述逆变级不包括输入二极管D1。
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