CN112737343B - 全桥llc电路的控制方法及全桥llc谐振变压装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全桥LLC电路的控制方法及全桥LLC谐振变压装置，全桥LLC电路包括由四个开关管构成的第一H桥，所述全桥LLC电路的控制方法包括控制输入四个所述开关管的PWM信号的时序，以使所述全桥LLC电路工作在半桥状态，可以输出较低的电压，相较于调节频率的方式调节输出电压，本发明扩展了全桥LLC电路的输出电压范围，使得全桥LLC电路能够输出较低的电压，并且不需要很宽的频率调节范围，降低了电路中各参数的设计难度，从而降低了成本。

Description

全桥LLC电路的控制方法及全桥LLC谐振变压装置

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其是一种全桥LLC电路的控制方法及全桥LLC谐振变压装置。

背景技术

LLC电路主要分为半桥LLC电路和全桥LLC电路，全桥是指H桥，具有4个开关管，半桥是只有H桥的一半，只有2个开关管。半桥LLC电路能够输出中低电压，适用于低电压输出的场合中，但是效率较低，而全桥LLC电路能够输出高电压，适用于高电压输出的场合中，且效率较高。传统的LLC电路均是通过调节开关频率来调节输出电压的，但是调节范围有限且输出增益大小与负载大小密切相关，尤其是输出轻载情况下，需要非常高的开关频率才能实现低电压输出，但更高的开关频率不利于驱动电源和变压器的优化设计，同时也会降低系统效率。也就是说，全桥LLC电路难以应用在低电压输出的场合中，即使强行使用，也无法发挥出其效率高的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全桥LLC电路的控制方法及全桥LLC谐振变压装置，能够使全桥LLC电路工作在半桥LLC电路的工作状态，扩展了全桥LLC电路的输出电压范围，使得全桥LLC电路能够输出较低的电压。

为了达到上述目的，本发明提供了一种全桥LLC电路的控制方法，全桥LLC电路包括由四个开关管构成的第一H桥，所述全桥LLC电路的控制方法包括：

控制输入四个所述开关管控制端的PWM信号的时序，以使所述全桥LLC电路工作在半桥状态。

可选的，所述第一H桥的一个桥臂的上下桥臂上的开关管分别为第一开关管和第三开关管，另一桥臂的上下桥臂上的开关管分别为第二开关管和第四开关管，所述四个所述开关管的PWM信号的时序为：

所述第一开关管的控制端接收的第一PWM信号和所述第三开关管的控制端接收的第三PWM信号互补，所述第二开关管的控制端接收的第二PWM信号和所述第四开关管的控制端接收的第四PWM信号互补，所述第四PWM信号相对所述第一PWM信号延迟半个开关周期，所述第二PWM信号相对所述第三PWM信号延迟半个开关周期，所述第一PWM信号和所述第四PWM信号的占空比为K，所述第二PWM信号和所述第三PWM信号的占空比为1-K，其中，K介于73％-77％之间。

可选的，控制输入四个所述开关管的PWM信号的时序的步骤包括：

关断所述第二开关管，打开所述第四开关管，所述第一开关管和所述第四开关管同时导通以进入模式1；关断所述第一开关管，打开所述第三开关管，所述第三开关管和所述第四开关管同时导通以进入模式2；关断所述第三开关管，打开所述第一开关管，所述第一开关管和所述第四开关管同时导通以进入模式1；关断所述第四开关管，打开所述第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管导通以进入模式3。

可选的，四个所述开关管均为软开通。

可选的，所述全桥LLC电路还包括驱动电源，所述第一开关管的输出端与所述第三开关管的输入端连接，所述第二开关管的输出端与所述第四开关管的输入端连接，所述第一开关管的输入端、所述第二开关管的输入端以及所述驱动电源的正极连接，所述第三开关管的输出端、所述第四开关管的输出端以及所述驱动电源的负极连接。

可选的，四个所述开关管均为NMOS管，所述开关管的控制端为NMOS管的栅极，所述开关管的输入端为NMOS管的漏极，所述开关管的输出端为NMOS管的源极。

可选的，每个所述开关管内部均带有一反向的二极管；或者，每个所述开关管外部均反向并联一二极管。

可选的，所述全桥LLC电路还包括变压器，所述第一开关管和所述第三开关管的连接点和所述第三开关管和所述第四开关管的连接点作为所述第一H桥的输出端，所述第一H桥的输出端与所述变压器的初级线圈的两端连接。

可选的，所述第一开关管和所述第三开关管的连接点与所述变压器的初级线圈的一端之间串联有谐振电感和谐振电容。

可选的，输入所述变压器的初级线圈的电压为所述驱动电源的电压的一半。

本发明还提供了一种全桥LLC谐振变压装置，包括一全桥LLC电路，所述全桥LLC电路应用所述全桥LLC电路的控制方法。

在本发明提供的全桥LLC电路的控制方法及全桥LLC谐振变压装置中，全桥LLC电路包括由四个开关管构成的第一H桥，所述全桥LLC电路的控制方法包括控制输入四个所述开关管控制端的PWM信号的时序，以使所述全桥LLC电路工作在半桥状态，可以输出较低的电压，相较于调节频率的方式调节输出电压，本发明扩展了全桥LLC电路的输出电压范围，使得全桥LLC电路能够输出较低的电压，并且不需要很宽的频率调节范围，降低了电路中各参数的设计难度，从而降低了成本。

附图说明

图1为一种半桥LCC电路的电路图；

图2为半桥LCC电路的控制时序图；

图3a-图3b为半桥LCC电路的两种工作模式；

图4a为半桥LCC电路的AA’端输出的电压图；

图4b为半桥LCC电路的BB’端输出的电压图；

图5为本发明实施例提供的全桥LCC电路的电路图；

图6为本发明实施例提供的全桥LCC电路的控制时序图；

图7a为本发明实施例提供的全桥LCC电路的CC’端输出的电压图；

图7b为本发明实施例提供的全桥LCC电路的DD’端输出的电压图；

图8a-图8c为本发明实施例提供的全桥LCC电路的三种工作模式。

具体实施方式

一种半桥LCC电路如图1所示，定义原边侧为驱动电源Vin1所在的一侧，副边侧为驱动负载R1所在的一侧。原边侧包括由两个开关管、谐振电感L1、谐振电容C1等部分无源器件，副边侧包括滤波整流模块M1，原边侧和副边侧分布在变压器T1的两侧。其中，两个开关管分别为第一开关管Q11和第二开光管Q12，所述第一开关管Q11和所述第二开光管Q12串联后连接至所述驱动电源Vin1的正极和负极上，所述第一开关管Q11和所述第二开光管Q12分别反向串联第一二极管D11和第二二极管D22。所述第一开关管Q11和所述第二开关管Q12的连接点顺次与谐振电感L1和谐振电容C1连接后再连接所述变压器T1的初级线圈的一端，所述第二开关管Q12与所述驱动电源Vin1之间的连接点连接所述变压器T1的初级线圈的另一端，所述滤波整流模块M1的输入端与所述变压器T1的次级线圈连接。

所述半桥LCC电路的控制原理如图2所示，所述第一开关管Q11和所述第二开光管Q12分别通过第一PWM信号S11和第二PWM信号S12控制，所述第一PWM信号S11和所述第二PWM信号S12互补。基于此，所述半桥LCC电路具有两种工作模式，即模式一：关断所述第二开光管Q12，所述第一开关管Q11开启(如图3a所示)；模式二：关断所述第一开关管Q11，所述第二开光管Q12开启(如图3b所示)。

在这种控制方式下，端口AA’上调制出的电压信号为单极性电压，如图4a所示，该单极性电压经过谐振电感和谐振电容后，在端口BB’上成为除去直流成分的双极性电压，其幅值为Vin1的一半，如图4b所示。

半桥LCC电路由于加在变压器T1初级线圈的电压幅值为Vin1的一半，因此半桥LLC电路可以提供更低的电压输出，更适合用在低压输出的场合。全桥LLC电路可以实现开关管的软开通(当开关管发出导通信号时，其开关管端电压为0)，减小开关损耗，因此得到广泛使用，但是全桥LLC电路输出的加在变压器初级线圈的电压为双极性电压，其幅值为驱动电源的输出电压，难以应用在低电压输出的场合中。

基于此，本发明提供了一种全桥LLC电路的控制方法及全桥LLC谐振变压装置，全桥LLC电路包括由四个开关管构成的第一H桥，所述全桥LLC电路的控制方法包括控制输入四个所述开关管控制端的PWM信号的时序，以使所述全桥LLC电路工作在半桥状态，可以输出较低的电压，相较于调节频率的方式调节输出电压，本发明扩展了全桥LLC电路的输出电压范围，使得全桥LLC电路能够输出较低的电压，并且不需要很宽的频率调节范围，降低了电路中各参数的设计难度，从而降低了成本。

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本实施例提供了一种全桥LLC电路的控制方法，全桥LLC电路包括由四个开关管构成的第一H桥，所述全桥LLC电路的控制方法包括：

控制输入四个所述开关管控制端的PWM信号的时序，以使所述全桥LLC电路工作在半桥状态。

具体的，如图5所示，所述全桥LLC电路包括驱动电源Vin2、由四个开关管构成的第一H桥、变压器T2及整流滤波模块M2。所述第一H桥的一个桥臂(左桥臂)的上下桥臂上的开关管分别为第一开关管Q21和第三开关管Q23，另一桥臂(右桥臂)的上下桥臂上的开关管分别为第二开关管Q22和第四开关管Q24。

进一步，所述第一开关管Q21的输出端与所述第三开关管Q23的输入端连接，所述第二开关管Q22的输出端与所述第四开关管Q24的输入端连接，以使同一桥臂上的两个开光管串联，所述第一开关管Q21的输入端、所述第二开关管Q22的输入端以及所述驱动电源Vin2的正极连接，所述第三开关管Q23的输出端、所述第四开关管Q24的输出端以及所述驱动电源Vin2的负极连接。本实施例中，四个所述开关管均为NMOS管，所述开关管的控制端为NMOS管的栅极，所述开关管的输入端为NMOS管的漏极，所述开关管的输出端为NMOS管的源极。应理解，四个所述开关管不限于是NMOS管，还可以是其他能够实现开光功能的晶体管。

每个所述开关管内部均带有一反向的二极管；或者，每个所述开关管外部均反向并联一二极管，也即，每个所述二极管的正极与对应的开关管的输出端连接，负极与对应的开关管的输入端连接。本实施例中，所述第一开关管Q21、第二开关管Q22、第三开关管Q23、第四开关管Q24分别反向并联第一二极管D21、第二二极管D22、第三二极管D23、第四二极管D24，且4个二极管的导通电压均相等。

请继续参阅图5，所述全桥LLC电路还包括变压器T2，所述第一开关管Q21和所述第三开关管Q23的连接点顺次连接谐振电感L2和谐振电容C2后，再与所述变压器T2的初级线圈的一端连接，所述第三开关管Q23和所述第四开关管Q24的连接点与所述变压器T2的初级线圈的另一端连接，以使所述第一H桥、谐振电感L2及谐振电容C2构成谐振电路。所述第一开关管Q21和所述第三开关管Q23的连接点C以及所述第三开关管Q23和所述第四开关管Q24的连接点C’构成所述第一H桥的输出端。

进一步，所述整流滤波模块M2包括四个二极管构成的第二H桥，所述第二H桥的一个桥臂(左桥臂)的上下桥臂上的二极管分别为第一二极管D31和第三二极管D33，另一桥臂(右桥臂)的上下桥臂上的二极管分别为第二二极管D32和第四二极管D34，所述第一二极管D31的负极与所述第二二极管D32的负极连接，所述第三二极管D33的正极与所述第四二极管D34的正极连接，所述第一二极管D31的正极与所述第三二极管D33的负极连接，所述第二二极管D32的正极与所述第四二极管D34的负极连接。并且，所述第一二极管D31和所述第三二极管D33的连接点连接所述变压器T2的次级线圈的一端，所述第二二极管D32和所述第四二D34极管的连接点连接所述变压器T2的次级线圈的另一端，两个连接点作为所述整流滤波模块M2的输入端。

进一步，所述整流滤波模块M2还包括一滤波电容C3，所述滤波电容C3与所述第二H桥和负载R2并联。具体而言，所述滤波电容C3的一端与所述第一二极管D31的负极与所述第二二极管D32的负极连接，另一端与所述第三二极管D33和所述第四二极管D34的正极连接，以用于将整流后的电压进行滤波并为负载R2提供电压。

应理解，所述整流滤波模块M2不限于四个二极管构成的H桥，还可以是其他的整流电路，本发明不作限制。

请参阅图6，所述第一开关管Q21的控制端用于接收第一PWM信号S21，所述第二开关管Q22的控制端用于接收第二PWM信号S22，所述第三开关管Q23的控制端用于接收第三PWM信号S23，所述第四开关管Q24的控制端用于接收第四PWM信号S24。也就是说，所述第一开关管Q21、第二开关管Q22、第三开关管Q23及第四开关管Q24分别通过第一PWM信号S21、第二PWM信号S22、第三PWM信号S23及第四PWM信号S24控制(开关状态、开关频率等)。

输出4个开关管的PWM信号的时序如图6所示，所述第一PWM信号S21和所述第三PWM信号S23互补，所述第二PWM信号S22和所述第四PWM信号S24互补，所述第四PWM信号S24相对所述第一PWM信号S21延迟半个开关周期，所述第二PWM信号S22相对所述第三PWM信号S23延迟半个开关周期，且所述第一PWM信号S21和所述第四PWM信号S24的占空比为K，所述第二PWM信号S22和所述第三PWM信号S23的占空比为1-K，优选的，所述K取75％，由于死区时间的存在，本发明中，K可以介于73％-77％之间。

因此，如图7a所示，所述第一H桥的输出端CC’输出的电压为单极性的电压，电压的幅值等于驱动电源Vin2电压；如图7b所示，通过谐振电感L2和谐振电容C2之后，施加到所述变压器T2的初级线圈上的电压(DD’端)为双极性的电压，电压的幅值等于驱动电源Vin2电压的一半(Vin2/2)，从而实现了低电压输出。

进一步，根据如图6所示的时序图控制全桥LLC电路时，所述全桥LLC电路具有如图8a-8c所示的三种工作模式，其中，关断所述第二开关管Q22，打开所述第四开关管Q24，所述第一开关管Q21和所述第四开关管Q24同时导通以进入模式1(图8a)；模式1持续一段时间之后，关断所述第一开关管Q21，打开所述第三开关管Q23，所述第三开关管Q23和所述第四开关管Q24同时导通以进入模式2(图8b)；模式2持续一段时间之后，关断所述第三开关管Q23，打开所述第一开关管Q21，所述第一开关管Q21和所述第四开关管Q24同时导通以进入模式1(图8a)；模式1持续一段时间之后，关断所述第四开关管Q24，打开所述第二开关管Q22，所述第一开关管Q21和所述第二开关管Q22导通以进入模式3(图8c)；模式4持续一段时间之后可以返回模式1。

进一步，在由模式1切换至模式2过程中，可以实现第三开关管Q23的软开通；在由模式2切换至模式1过程中，可以实现第一开关管Q21的软开通；在由模式1切换至模式3过程中，可以实现第二开关管Q22的软开通；在由模式3切换至模式1过程中，可以实现第四开关管Q24的软开通，这样在整个工作区间内，都能够实现4个开关管的软开通。

综上，在本发明实施例提供的全桥LLC电路的控制方法及全桥LLC谐振变压装置中，全桥LLC电路包括由四个开关管构成的第一H桥，所述全桥LLC电路的控制方法包括控制输入四个所述开关管控制端的PWM信号的时序，以使所述全桥LLC电路工作在半桥状态，可以输出较低的电压，相较于调节频率的方式调节输出电压，本发明扩展了全桥LLC电路的输出电压范围，使得全桥LLC电路能够输出较低的电压，并且不需要很宽的频率调节范围，降低了电路中各参数的设计难度，从而降低了成本。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全桥LLC电路的控制方法，其特征在于，全桥LLC电路包括由四个开关管构成的第一H桥，所述全桥LLC电路的控制方法包括：

控制输入四个所述开关管控制端的PWM信号的时序，以使所述全桥LLC电路工作在半桥状态；

所述第一H桥的一个桥臂的上下桥臂上的开关管分别为第一开关管和第三开关管，另一桥臂的上下桥臂上的开关管分别为第二开关管和第四开关管，所述四个所述开关管的PWM信号的时序为：

所述第一开关管的控制端接收的第一PWM信号和所述第三开关管的控制端接收的第三PWM信号互补，所述第二开关管的控制端接收的第二PWM信号和所述第四开关管的控制端接收的第四PWM信号互补，所述第四PWM信号相对所述第一PWM信号延迟半个开关周期，所述第二PWM信号相对所述第三PWM信号延迟半个开关周期，所述第一PWM信号和所述第四PWM信号的占空比为K，所述第二PWM信号和所述第三PWM信号的占空比为1-K，其中，K介于73％-77％之间；

控制输入四个所述开关管控制端的PWM信号的时序的步骤包括：

关断所述第二开关管，打开所述第四开关管，所述第一开关管和所述第四开关管同时导通以进入模式1；关断所述第一开关管，打开所述第三开关管，所述第三开关管和所述第四开关管同时导通以进入模式2；关断所述第三开关管，打开所述第一开关管，所述第一开关管和所述第四开关管同时导通以进入模式1；关断所述第四开关管，打开所述第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管导通以进入模式3。

2.如权利要求1所述的全桥LLC电路的控制方法，其特征在于，四个所述开关管均为软开通。

3.如权利要求1所述的全桥LLC电路的控制方法，其特征在于，所述全桥LLC电路还包括驱动电源，所述第一开关管的输出端与所述第三开关管的输入端连接，所述第二开关管的输出端与所述第四开关管的输入端连接，所述第一开关管的输入端、所述第二开关管的输入端以及所述驱动电源的正极连接，所述第三开关管的输出端、所述第四开关管的输出端以及所述驱动电源的负极连接。

4.如权利要求3所述的全桥LLC电路的控制方法，其特征在于，四个所述开关管均为NMOS管，所述开关管的控制端为NMOS管的栅极，所述开关管的输入端为NMOS管的漏极，所述开关管的输出端为NMOS管的源极。

5.如权利要求3所述的全桥LLC电路的控制方法，其特征在于，每个所述开关管内部均带有一反向的二极管；或者，每个所述开关管外部均反向并联一二极管。

6.如权利要求3所述的全桥LLC电路的控制方法，其特征在于，所述全桥LLC电路还包括变压器，所述第一开关管和所述第三开关管的连接点和所述第三开关管和所述第四开关管的连接点作为所述第一H桥的输出端，所述第一H桥的输出端与所述变压器的初级线圈的两端连接。

7.如权利要求6所述的全桥LLC电路的控制方法，其特征在于，所述第一开关管和所述第三开关管的连接点与所述变压器的初级线圈的一端之间串联有谐振电感和谐振电容。

8.如权利要求7所述的全桥LLC电路的控制方法，其特征在于，输入所述变压器的初级线圈的电压为所述驱动电源的电压的一半。

9.一种全桥LLC谐振变压装置，其特征在于，包括一全桥LLC电路，所述全桥LLC电路应用如权利要求1-8中任一项所述的全桥LLC电路的控制方法。

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