CN113114041B - 一类轻载性能提升的llc谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一类轻载性能提升的LLC谐振变换器，所述轻载性能提升技术所基于拓扑的原边包括由四个开关管S1至S4，副边包括四个二极管D1至D4，副边经由输出电容连接负载R，其中，二极管D1及二极管D3位于同一桥臂，二极管D2与二极管D4位于另一桥臂，其特征在于，副边还包括一个四象限开关S5。为提升LLC谐振变换器轻载性能技术，本发明在传统LLC电路的基础上通过电路重构的方法增加一种适合轻载状况的工作模态，以解决电路轻载状况下调压能力问题和低效率问题，实现在不同负载情况下的高效率功率传输。

Description

一类轻载性能提升的LLC谐振变换器
技术领域
本发明涉及LLC谐振变换器，尤其涉及一种轻载性能提升的LLC谐振变换器。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展以及应用场景的多样化，高效率小体积的便携式设备在生活中越来越多。对于开关电源的效率和体积要求也越来越高。提高变换器的效率是解决能源问题的关键环节。LLC谐振电路由于其结构简单，易于实现软开关，高效率等特点而被广泛应用。传统LLC电路拓扑中，原边是由四个MOSFET组成的全桥逆变结构，副边是由四个二极管组成的全波整流电路。原边和副边通过由变压器、谐振电容和谐振电感串联的谐振网络连接。该拓扑在中、大功率传输应用场景中被广泛使用。
而在一些应用场景中，时常会有轻载工作状况。在轻载状况下，副边二极管和变压器的寄生电容对电路增益的影响变得明显，当开关频率大于谐振频率时，LLC电路会出现丧失调压能力的问题。此外，轻载状况下的主要损耗是磁性元件损耗和导通损耗。而导通损耗主要由励磁电感中环流主导。磁性元件铁损主要由磁性元件的伏秒积决定。因而轻载下的损耗主要是由变换器的参数决定而与负载无关。因此，在传统的工作模式下轻载效率会明显降低。
综上，在轻载状况下系统的调压能力受寄生参数影响，系统效率受变换器的参数限制，这严重影响了变换器的整体性能。
发明内容
本发明的目的是：提高LLC谐振电路在轻载状态下的调压能力和传输效率
为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一类轻载性能提升的LLC谐振变换器，所述轻载性能提升技术所基于的电路拓扑的原边包括四个开关管S1至S4，副边包括四个二极管D1至D4，副边经由输出电容连接负载R，其中，二极管D1及二极管D3位于同一桥臂，二极管D2与二极管D4位于另一桥臂，其特征在于，副边还包括一个四象限开关S5；
对所述谐振变换器的输出电流进行检测，若输出电流大于阈值电流Ith，则判断变换器工作在重载状态，控制四象限开关S5断开使得所述谐振变换器切换至重载模态，此时，原边工作于全桥模式，四个二极管D1至D4交替导通，使得副边工作在全波整流模式；若输出电流小于阈值电流Ith，则判断所述谐振变换器工作在轻载状况，控制四象限开关S5导通，此时，原边工作于半桥模式，二极管D1及二极管D2交替导通，二极管D3及二极管D4相当于与输出电容并联的电容，副边工作在倍压模式。
优选地，所述四象限开关S5由两个MOSFET背靠背组成。
优选地，两个所述MOSFET由同一个驱动电路驱动。
为提升LLC谐振变换器轻载性能，本发明在传统LLC电路的基础上通过电路重构的方法增加一种适合轻载状况的工作模态，以解决电路轻载状况下调压能力问题和低效率问题，实现在不同负载情况下的高效率功率传输。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所提出的轻载性能提升技术可以很有效地改善传统LLC谐振变换器在轻载下的性能表现。付出的代价仅仅是增加了两个小体积贴片封装的低功率等级MOSFET。两个MOSFET由同一个驱动电路驱动。该拓扑结构适合应用在有轻载状态的应用场景中，对于降低轻载状态下的变压器损耗和导通损耗，提高系统轻载状态下的调压能力和传输效率具有明显作用。
附图说明
图1为本发明提出的新型可重构电路结构；
图2a及图2b为可变结构电路工作模态，其中，图2a为重载模态，图2b为轻载模态；
图3a为重载模态下的副边电路；
图3b为重载模态下的谐振网络；
图4为不同负载状态在重载模态下的增益伯德图；
图5a为轻载模态下的副边电路；
图5b为轻载模态下的谐振网络；
图6为不同工作模态在轻载状态下的增益伯德图；
图7为LLC电路轻载性能提升技术控制流程框图；
图8为不同模态下的效率与输出功率的关系(Vo＝450V)。
具体实施方式
下面结合具体实施例，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。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，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。
所提出的轻载性能提升技术基于图1所示的可重构LLC拓扑结构，输入电压设为390V，输出电压为250-450V，谐振频率设为140kHz，输出功率范围设为[50W，1000W]。
拓扑原边包括四个开关管S1-S4，副边包括四个二极管D1-D4和一个由两个MOSFET背靠背组成的四象限开关S5。由于这两个MOSFET只在轻载下工作，且工作模式是常通或者常断。因此可以选择低功率等级贴片器件，且这两个MOSFET均由同一个驱动电路驱动，故而体积非常小。当开关管S1-S4驱动信号的占空比均为0.5，开关管S1与开关管S4驱动信号相同，开关管S2与开关管S3的驱动信号相同且与开关管S1及开关管S4驱动信号相差180°移相角时，原边工作于全桥模式。当开关管S3常断，开关管S4常通，开关管S1及开关管S2驱动信号占空比均为0.5且有180°移相角时，原边工作于半桥模式。对于相同的开关频率，全桥模式具有更高的电源利用率，更低的非环流电流。因而适合于重载工作状况。半桥模式具有更小的磁性元件伏秒积，更低的励磁电感环流和开关器件关断电流。因而更适合于轻载工作状况。当四象限开关S5断开时，四个二极管D1-D4交替导通，副边工作在全波整流模式。当四象限开关S5导通时，二极管D1及二极管D2交替导通，二极管D3及二极管D4相当于两个与输出电容Co1、Co2并联的小电容，副边工作在倍压模式。因此，电路可以工作在两种工作模态：
(1)重载模态：该模态下原边工作于全桥模式，副边工作于全波整流模式如图2a所示。该模态与传统LLC电路一样，图3a及图3b展示了该模态下变换器副边的等效电路和谐振网络。图4展示了根据谐振网络画出的不同负载状况下的电压增益伯德图。从图中可以看出，当该模态工作在轻载状况时，由谐振电感和谐振电容产生的一阶极点(Lr)和一阶极点(Cj)重合形成二阶极点，使得变换器的增益随着开关频率的升高而增大从而丧失调压能力。而在重载状况下，一阶极点(Lr)和一阶极点(Cj)相距很远，变换器具有很好的调压能力。因而该模态更适用于重载状况。
(2)轻载模态：该模态下原边工作于半桥模式，副边工作于倍压模式如图2b所示。因而变换器输出增益几乎不变，同时原边半桥结构也能降低励磁电感上的环流引起的导通损耗，高频开关器件的减少和关断电流的降低可以降低开关损耗，磁性元件伏秒积的减半可以降低磁性元件的铁损。图5展示了该模态下变换器副边的等效电路和谐振网络。相比于重载模态，轻载模态副边的二极管结电容数目减半，等效负载变为重载模态下的1/4。图6展示了根据谐振网络画出的不同工作模态在轻载状况下的电压增益伯德图。从图中可以看出，重载模态工作在轻载状况时，会出现调压能力问题。但是在轻载模态下，由于副边二极管结电容和等效负载的变化，使得一阶极点(Lr)和一阶极点(Cj)再次远离，从而改善轻载下的调压能力。因而该模态更适用于轻载状况。
图7展示了本发明的控制框图，首先根据输出电流判断工作模态，如果输出电流大于阈值电流Ith即可判断电路工作在重载状况，变换器应切换到重载模态，既原边工作在全桥模式，四象限开关S5断开。如果输出电流小于阈值电流Ith即可即可判断电路工作在轻载状况，变换器应切换到轻载模态，既原边开关管S3断开、开关管S4导通，此时原边工作在半桥模式。四象限开关S5导通，此时副边工作在倍压模式。接下来继续对输出电流进行检测，如果输出电流和工作模态不匹配将会触发模态切换，以保证电路始终处于高效率工作状态。
当输出电压为450V时不同模态下的效率与输出功率的关系如图8所示，实验表明当输出功率低于450W的时候轻载模态能实现显著的效率提升，输出功率为50W的时候效率可以提升14个百分点。当输出功率高于450W的时候，重载模式也能保持传统LLC的优势。整个工作过程电路均保持非常高的传输效率，有效的提升了传统结构轻载性能。

Claims (1)

1.一类轻载性能提升的LLC谐振变换器，所述轻载性能提升技术所基于电路拓扑的原边包括四个开关管S1至S4，其中，开关管S1和开关管S2串联构成第一桥臂，开关管S3和开关管S4串联构成第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂并联连接，第一桥臂和第二桥臂中点之间连接有依次串联的谐振电感Lr、变压器原边绕组和谐振电容Cr；副边包括四个二极管D1至D4，其中，二极管D1和二极管D2串联构成第三桥臂，二极管D3和二极管D4串联构成第四桥臂，第三桥臂、第四桥臂、输出电容和负载R并联连接，第三桥臂和第四桥臂中点之间连接有变压器副边绕组，输出电容包括串联的电容Co1和电容Co2，其特征在于，副边还包括一个四象限开关S5，四象限开关S5的一端连接在二极管D3和二极管D 4的串联中点，另一端连接在电容Co1和电容Co2的串联中点；
对所述LLC谐振变换器的输出电流进行检测，若输出电流大于阈值电流Ith，则判断所述LLC谐振变换器工作在重载状态，控制四象限开关S5断开使得所述LLC谐振变换器切换至重载模态，此时，原边工作于全桥模式，四个二极管D1至D4交替导通，使得副边工作在全桥整流模式；若输出电流小于阈值电流Ith，则判断所述LLC谐振变换器工作在轻载状态，控制四象限开关S5导通，此时，原边工作于半桥模式，二极管D1及二极管D2交替导通，二极管D3及二极管D4相当于与输出电容并联的电容，副边工作在倍压模式；四象限开关S5由两个MOSFET背靠背组成，两个MOSFET由同一个驱动电路驱动。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114079384B (zh) * 2021-11-02 2024-05-07 西安交通大学 一种宽输出电压范围的变结构llc变换器及方法
EP4333279A1 (en) * 2022-08-31 2024-03-06 Siemens Aktiengesellschaft Soft switching power converter
EP4333278A1 (en) * 2022-08-31 2024-03-06 Siemens Aktiengesellschaft Variable gain soft switching power converter

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105141135A (zh) * 2015-08-31 2015-12-09 天津电气科学研究院有限公司 一种级联电源系统中多路并联全桥llc变换器的控制方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5457204B2 (ja) * 2010-01-08 2014-04-02 田淵電機株式会社 フルブリッジ複合共振型のｄｃ−ｄｃコンバータ
CN203457053U (zh) * 2011-02-21 2014-02-26 Sma太阳能技术股份公司 直流电压变换器、逆变器和能量产生设备
CN204696926U (zh) * 2015-06-19 2015-10-07 正德职业技术学院 一种可调压定频llc谐振变换器
CN104980037B (zh) * 2015-07-07 2017-09-15 南京航空航天大学 一种副边调整型定频谐振变换器及其控制方法
CN105207484B (zh) * 2015-08-31 2018-01-16 天津电气科学研究院有限公司 一种新型全桥llc空载及带载时的电压控制方法
CN108964474B (zh) * 2018-08-13 2020-02-11 三峡大学 一种基于llc谐振变换器的三模态整流拓扑结构
CN111181408B (zh) * 2020-01-22 2021-06-15 湖北工业大学 一种基于混合整流结构的谐振变换器及控制方法
CN112467891B (zh) * 2020-09-30 2023-05-23 西南交通大学 一种基于全桥半桥切换的ipt系统效率优化方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105141135A (zh) * 2015-08-31 2015-12-09 天津电气科学研究院有限公司 一种级联电源系统中多路并联全桥llc变换器的控制方法

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