CN112366949A - 一种高增益llc谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益LLC谐振变换器，包括输入Vin、电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、辅助开关S3、电感L1、变压器T1、输出整流电路DB1及输出电容Co。有益效果：本发明的一种高增益LLC谐振变换器，电路简单，实现方便；可以很好地兼顾谐振点附近的满载设计效率优化，也可以在其它负载条件下，可以保证更高的电路增益。

Description

一种高增益LLC谐振变换器
技术领域
本发明涉及LLC谐振变换器领域，具体来说，涉及一种高增益LLC谐振变换器。
背景技术
近年来，直流变换器被广泛应用于生活中的各个领域，特别是在直流微电网、电能路由器和直流配电网、以及电动汽车充电等方面备受关注，在电力电子研究中占据的地位也愈加重要。
LLC谐振变换器因其拓扑优势，不仅可以实现零电压开关、零电流开关，还容易将谐振储能元件集成到变压器中，使其具有很高的功率密度和变换效率，然而近年来，随着应用场合增多，对变换器带载能力有了更高的要求。如图6和图7所示，传统的LLC谐振变换器在额定工作条件下一般选择工作在谐振频率附近，电路最高增益有限。然而，当输出电压范围较宽，空载电压较高，针对这些应用，传统LLC设计为了保证电压增益，就需要增加谐振环流能量，减小变压器变比，这样的设计，使得LLC工作在电路额定满载时，偏离谐振频率点，加之过大的环流能量，使得LLC电路满载重载效率明显下降。
针对此类应用，需要研究既能保证满载效率，又要能兼顾轻载和空载电路增益的措施。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种高增益LLC谐振变换器，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种高增益LLC谐振变换器，包括输入Vin、电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、辅助开关S3、电感L1、变压器T1、输出整流电路DB1及输出电容Co；所述输入Vin并联电容C1，所述电容C1的正极与所述开关管S1的第一端连接，所述电容C1的负极与所述开关管S2的第二端及电容C2的一端连接并接地，所述开关管S1的第二端依次与所述开关管S2的第一端及所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与所述变压器T1的第一输入端连接，所述变压器T1的第二输入端与所述电容C2的另一端连接，所述变压器T1的第一输出端依次与所述辅助开关S3的漏极及所述输出整流电路DB1的第一端连接，所述输出整流电路DB1的第二端与所述输出电容Co的正极连接，所述输出电容Co的负极依次与所述辅助开关S3的源极及所述变压器T1的第二输出端连接。
进一步的，所述电容C1为极性电容。
进一步的，所述输出电容Co为极性电容。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过控制辅助开关S3的导通时间或占空比，可以实现升压，获得比传统LLC更高的Vo，更高的电路增益。通过切换控制，在LLC增益调节区间，电路依旧工作在传统的LLC控制模式。当需要更高的增益时，使电路工作在辅助开关S3 PWM控制模式。当处于辅助开关S3 PWM控制时，开关管S1、开关管S2及输出整流电路DB1依然可以工作在软开关状态。
(2)本发明的一种高增益LLC谐振变换器，电路简单，实现方便。可以很好地兼顾谐振点附近的满载设计效率优化，也可以在其它负载条件下，可以保证更高的电路增益。
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他的附图。
图1是实施例一的示意图；
图2是图1的波形图；
图3是实施例二的示意图；
图4是实施例三的示意图；
图5是实施例四的示意图；
图6是现有技术的LLC谐振变换器的示意图；
图7是图6中的频率示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种高增益LLC谐振变换器。
实施例一
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-2所示，根据本发明实施例的高增益LLC谐振变换器，包括输入Vin、电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、辅助开关S3、电感L1、变压器T1、输出整流电路DB1及输出电容Co；所述输入Vin并联电容C1，所述电容C1的正极与所述开关管S1的第一端连接，所述电容C1的负极与所述开关管S2的第二端及电容C2的一端连接并接地，所述开关管S1的第二端依次与所述开关管S2的第一端及所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与所述变压器T1的第一输入端连接，所述变压器T1的第二输入端与所述电容C2的另一端连接，所述变压器T1的第一输出端依次与所述辅助开关S3的漏极及所述输出整流电路DB1的第一端连接，所述输出整流电路DB1的第二端与所述输出电容Co的正极连接，所述输出电容Co的负极依次与所述辅助开关S3的源极及所述变压器T1的第二输出端连接。
在一个实施例中，所述电容C1为极性电容。
在一个实施例中，所述输出电容Co为极性电容。
在一个实施例中，如图1和图2所示，当开关管S1和辅助开关S3导通时，电感L1励磁，电感L1两端的励磁电压为Vin-Vcr＝Vin/2；当辅助开关S3关闭后，电感L1去磁，电感L1两端的励磁电压为N*Vo-(Vin-Vcr)＝N*Vo-Vin/2。当输出整流电路DB1关断，电感L1两端电压为(Vin/2)*L1/(L1+Lm)。其中Lm为变压器励磁电感，一般来说明显大于电感L1。电感L1继续励磁，但励磁电压大幅下降，电流上升速率大幅下降。
如果辅助开关S3的导通占空比为D1，输出整流电路DB1导通的占空比为D2，并假定D1+D2＝1，那么近似地有关系：
(Vin/2)*D1＝(N*Vo-Vin/2)*D2
N*Vo＝(Vin/2)*(D1+D2)/D2＝(Vin/2)/(1-D1)
可见，增大D1，可以获得更高的Vo，实现了比传统LLC电路更高的增益。
每次开关管S1和开关管S2开通时，辅助开关S3都会伴随导通，辅助开关S3的关断由控制电路根据负载反馈决定，该变换器变压器原边开关管S1和开关管S2仍然具备与LLC近似的ZVS(零电压开通)开通；如果调节开关频率，副边整流电路DB1具备ZCS(零电流关断)关断。大部分器件仍然具备软开关特性，电路转换效率高。此时电路可以工作在定频模式，电路主要通过调节辅助开关S3的导通时间或导通占空比，获得所设定的输出电压Vo或输出电流Io；调节控制辅助开关S3的导通时间或导通占空比，可以获得更高的电路增益，更高的Vo/Io；增大辅助开关S3导通时间或导通占空比，输出电压会上升；反之，减小辅助开关S3导通时间或导通占空比，输出电压会降低。
当辅助开关S3处于一直导通，变压器T1始终被短路，原边能量无法传输到输出侧，因此这种模式在控制设计上是不被允许的。可以通过最大占空比限制等手段来约束；
当辅助开关S3处于一直关断，电路会退化成传统的LLC变换器。采用输出电压或输出电流的频率反馈控制，其控制方式与一般串联谐振或串并联谐振电路的控制方式类似，对称互补驱动开关管S1和开关管S2，通过频率控制，获得所设定的输出电压Vo或输出电流Io。
在一个实施例中，可以根据负载条件，比如开关机等，根据输出电压的不同，当输出电压位于LLC增益调节区间时，使电路工作在LLC控制模式；当输出电压高于LLC增益调节区间时，使电路工作在控制辅助开关S3导通时间或占空比的PWM控制模式，以获得更高的设定的Vo和Io。
在一个实施例中，当电路工作在辅助开关S3 PWM控制模式时，每次开关管S1和开关管S2开通时，辅助开关S3都会伴随开通，辅助开关S3的关断由控制电路根据负载反馈决定。开关管S1和开关管S2是互补对称驱动，仍然具备与LLC近似的ZVS开通特性。
在一个实施例中，当电路工作在辅助开关S3 PWM控制模式时，如果调节开关频率，可保证副边整流电路DB1具备ZCS关断。
在一个实施例中，当电路工作在辅助开关S3 PWM控制模式时，通过限制最大占空比等手段，避免辅助开关S3处于一直导通，导致实际上无法向输出侧传输能量。
实施例二
如图3所示，根据本发明实施例的高增益LLC谐振变换器，包括输入Vin、电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、辅助开关S3、电感L1、变压器T1、输出整流电路DB1、输出电容Co及谐振驱动控制电路；所述输入Vin并联电容C1，所述电容C1的正极与所述开关管S1的第一端连接，所述电容C1的负极与所述开关管S2的第二端及电容C2的一端连接并接地，所述开关管S1的第二端依次与所述开关管S2的第一端及所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与所述变压器T1的第一输入端连接，所述变压器T1的第二输入端与所述电容C2的另一端连接，所述变压器T1的第一输出端与所述输出整流电路DB1的第二端连接，所述输出整流电路DB1的第一端与所述输出电容Co的正极连接，所述输出电容Co的负极依次与所述辅助开关S3的源极及所述输出整流电路DB1的第五端连接，所述辅助开关S3的漏极与所述输出整流电路DB1的第三端连接，所述输出整流电路DB1的第四端与所述变压器T1的第二输出端连接，所述辅助开关S3的栅极与所述谐振驱动控制电路的第三端连接，所述谐振驱动控制电路的第二端与所述开关管S2的第三端连接，所述谐振驱动控制电路的第一端与所述开关管S1的第三端连接。
实施例三
如图4所示，根据本发明实施例的高增益LLC谐振变换器，包括输入Vin、电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、辅助开关S3、电感L1、变压器T1、输出整流电路DB1、输出电容Co及谐振驱动控制电路；所述输入Vin并联电容C1，所述电容C1的正极与所述开关管S1的第一端连接，所述电容C1的负极与所述开关管S2的第二端及电容C2的一端连接并接地，所述开关管S1的第二端依次与所述开关管S2的第一端及所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与所述变压器T1的第一输入端连接，所述变压器T1的第二输入端与所述电容C2的另一端连接，所述变压器T1的第一输出端与所述输出整流电路DB1的第二端连接，所述变压器T1的第四输出端与所述输出整流电路DB1的第三端连接，所述输出整流电路DB1的第一端与所述输出电容Co的正极连接，所述输出电容Co的负极依次与所述辅助开关S3的源极、所述变压器T1的第三输出端及所述变压器T1的第二输出端连接，所述辅助开关S3的漏极与所述输出整流电路DB1的第四端连接，所述辅助开关S3的栅极与所述谐振驱动控制电路的第三端连接，所述谐振驱动控制电路的第二端与所述开关管S2的第三端连接，所述谐振驱动控制电路的第一端与所述开关管S1的第三端连接。
实施例四
如图5所示，根据本发明实施例的高增益LLC谐振变换器，包括输入Vin、电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、辅助开关S3、辅助开关S4、电感L1、变压器T1、输出整流电路DB1、输出电容Co及谐振驱动控制电路；所述输入Vin并联电容C1，所述电容C1的正极与所述开关管S1的第一端连接，所述电容C1的负极与所述开关管S2的第二端及电容C2的一端连接并接地，所述开关管S1的第二端依次与所述开关管S2的第一端及所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与所述变压器T1的第一输入端连接，所述变压器T1的第二输入端与所述电容C2的另一端连接，所述变压器T1的第一输出端依次与所述输出整流电路DB1的第二端及所述辅助开关S3的漏极连接，所述输出整流电路DB1的第一端与所述输出电容Co的正极连接，所述输出电容Co的负极依次与所述辅助开关S4的源极及所述辅助开关S3的源极连接，所述辅助开关S4的漏极与所述变压器T1的第二输出端连接，所述谐振驱动控制电路的第三端依次与所述辅助开关S3的栅极及所述辅助开关S4的栅极连接，所述谐振驱动控制电路的第二端与所述开关管S2的第三端连接，所述谐振驱动控制电路的第一端与所述开关管S1的第三端连接。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。
在实际应用时，当开关管S1导通，开关管S2关断，辅助开关S3导通时，电流经过开关管S1，电感L1，变压器T1，辅助开关S3，谐振电容C2，输入电容C1；
当开关管S1关断，开关管S2导通，辅助开关S3导通时，电流经过开关管S2，电感L1，变压器T1，辅助开关S3，谐振电容C2；
当开关管S1导通，开关管S2关断，辅助开关S3关断，输出整流电路DB1导通时，电流经过开关管S1，电感L1，变压器T1，输出整流电路DB1，输出电容Co，谐振电容C2，输入电容C1；
当开关管S1关断，开关管S2导通，辅助开关S3关断，输出整流电路DB1导通时，电流经过开关管S2，电感L1，变压器T1，输出整流电路DB1，输出电容Co，谐振电容C2；
当开关管S1导通，开关管S2关断，辅助开关S3关断，输出整流电路DB1关断时，电流经过开关管S1，电感L1，变压器T1，谐振电容C2，输入电容C1；
当开关管S1关断，开关管S2导通，辅助开关S3关断，输出整流电路DB1关断时，电流经过开关管S2，电感L1，变压器T1，谐振电容C2；
升压工作原理，为方便分析，假定谐振容值足够大，其开关周期内的电压纹波足够小，那么谐振容的电压可近似为Vin/2。
综上所述，本发明通过控制辅助开关S3的导通时间或占空比，可以实现升压，获得比传统LLC更高的Vo，更高的电路增益。通过切换控制，在LLC增益调节区间，电路依旧工作在传统的LLC控制模式。当需要更高的增益时，使电路工作在辅助开关S3 PWM控制模式。当处于辅助开关S3 PWM控制时，开关管S1、开关管S2及输出整流电路DB1依然可以工作在软开关状态。本发明的一种高增益LLC谐振变换器，电路简单，实现方便。可以很好地兼顾谐振点附近的满载设计效率优化，也可以在其它负载条件下，可以保证更高的电路增益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高增益LLC谐振变换器，其特征在于，包括输入Vin、电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、辅助开关S3、电感L1、变压器T1、输出整流电路DB1及输出电容Co；
其中，所述输入Vin并联电容C1，所述电容C1的正极与所述开关管S1的第一端连接，所述电容C1的负极与所述开关管S2的第二端及电容C2的一端连接并接地，所述开关管S1的第二端依次与所述开关管S2的第一端及所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与所述变压器T1的第一输入端连接，所述变压器T1的第二输入端与所述电容C2的另一端连接，所述变压器T1的第一输出端依次与所述辅助开关S3的漏极及所述输出整流电路DB1的第一端连接，所述输出整流电路DB1的第二端与所述输出电容Co的正极连接，所述输出电容Co的负极依次与所述辅助开关S3的源极及所述变压器T1的第二输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种高增益LLC谐振变换器，其特征在于，所述电容C1为极性电容。
3.根据权利要求1所述的一种高增益LLC谐振变换器，其特征在于，所述输出电容Co为极性电容。
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