CN113659838B - 无电流采样的llc变换器原边侧实现的副边电流提取电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种无电流采样的LLC原边侧实现的副边电流提取电路，通过积分电路对LLC谐振变换器的谐振电感和变压器绕组电压反向叠加产生的合成电压进行积分，提取出副边电流，省去了原边采样电阻，消除了原边采样电阻损耗，降低了元器件容差对提取电流精度的影响。本发明可以与现有技术的LLC谐振变换器原边恒流控制电路相结合构成LLC谐振变换器原边恒流控制装置，实现原边恒流。本发明无需高价格的电流传感器，成本低，简单可行。

Description

无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域中的开关电源技术，涉及一种LLC谐振变换器副边提取电路和原边恒流技术。
背景技术
目前，随着移动消费类电子设备、照明设备等产品的不断地发展。在更高的功率密度需求下，采用脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，简称PFM)的LLC谐振变换器以其损耗小、功率密度高等优点被广泛应用于各类电力电子装置中。然而，小功率电源对体积和成本有更高的要求，为了获得更高的功率密度，进一步减小体积，在传统的LLC谐振控制器上改进增加原边恒流控制技术，目的在于省去光耦，进一步减小体积、降低成本。这样有助于进一步扩大LLC谐振变换器的适用领域，同时也为原边恒流控制技术提供了一种新思路。
图1所示为专利CN202010407139.3提出的一种基于RC补偿支路在原边环路侧进行恒流控制的LLC谐振变换装置。该方法在原边环路侧增加一支由辅助电阻Ra和辅助电容Ca构成的RC支路，并在辅助电容上模拟出反相的谐振电流中的励磁电流分量，再将辅助电容的两端电压与原边环路中采样电阻的两端电压进行直接叠加输出，得到原边环路的谐振电流中除去励磁电流过后的电流分量，用于模拟副边输出电流。由于制作工艺的限制和影响，该方案中辅助电阻、辅助电容和变压器励磁电感都会存在元件±5％的容差，从而影响输出恒流的效果。专利CN201811056263.9无需RC补偿支路，仅通过采样原边电流，通过控制电路即可实现LLC谐振变换器的原边恒流控制。
然而，上述现有的LLC原边恒流技术都需要采样电阻来获取原边电流信号，增加了电路的损耗，且采样电阻的容差进一步引入恒流误差。而如果采用其他元件如电流互感器或霍尔传感器的方式来获得原边电流，虽然可以消除采样电阻的损耗，但是会大大增加电路的成本和体积。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提出了一种无电流采样的LLC谐振变换器原边侧实现的副边电流提取电路，可与现有技术的LLC谐振变换器原边恒流控制电路相结合，实现原边恒流。本发明可以消除采样电阻的损耗，有效地改善元件容差对原边恒流精度的影响。
具体而言，本发明提出的无电流采样的LLC副边电流提取电路，包含：双绕组叠加模块和积分模块；其中：
双绕组叠加模块，包括：谐振电感的一个绕组和变压器的一个绕组；
谐振电感的绕组与变压器的绕组直接串联或经分压之后串联或经串联之后分压；双绕组叠加模块，输出反映LLC谐振变换器原边回路的谐振电感两端电压和反映变压器绕组两端电压差值的合成电压信号vR；
积分模块，接收双绕组叠加模块的输出信号vR，通过积分运算，得到反映原边谐振电流中消除励磁电流分量后的电流信息的电压信号vis。
优选的，所述积分模块为无源RC积分模块，包括：电阻Rcom、电容Ccom，电阻Rcom的一端与双绕组叠加模块的输出端相连，另一端与电容Ccom的一端相连，电容Ccom的另一端与原边地GND-P相连，电阻Rcom与电容Ccom的连接点为积分模块的输出。
优选的，所述积分调节模块为有源运放积分模块，包括：电阻Ro1、电阻Ro2、电容Co1和运算放大器OP1；电阻Ro1的一端与双绕组叠加模块的输出端相连，Ro1的另一端与运算放大器OP1的负输入端、电阻Ro2、电容Co1的一端相连，运算放大器OP1的正输入端与原边地GND-P相连，运算放大器OP1输出端与电阻Ro2、电容Co1的另一端相连，运算放大器OP1输出端为积分模块的输出。
无电流采样的LLC副边电流提取电路与LLC谐振变换器、LLC谐振变换器原边恒流控制电路构成一种LLC谐振变换器原边恒流控制装置。
本发明的益处在于：本发明通过积分电路对LLC谐振变换器的谐振电感和变压器绕组电压反向叠加产生的合成电压进行积分，提取出副边电流，省去了原边采样电阻，消除了原边采样电阻损耗，降低了元器件容差对提取电流精度的影响。本发明可以与现有技术的LLC谐振变换器原边恒流控制电路相结合构成LLC谐振变换器原边恒流控制装置，实现原边恒流。本发明无需高价格的电流传感器，降低了电路成本。
附图说明
图1为一种基于RC补偿支路的原边电流分量提取的方案；
图2为本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路第一实施例；
图3为本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路第二实施例；
图4为图3所示本发明第二实施例中双绕组叠加模块101的等效示意图
图5为本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路第三实施例；
图6为本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路第四实施例；
图7为积分电路102第一实施例；
图8为积分电路102第二实施例；
图9为本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路的原理波形示意图；
图10为图2所示本发明第一实施例与LLC谐振变换器、LLC谐振变换器原边恒流控制电路构成LLC谐振变换器原边恒流控制装置示意图。
图中：101、双绕组叠加模块，102、积分模块。
具体实施方式
图2示出本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路第一实施例。为了便于理解，图2中还示出了LLC谐振变换器主电路，其中，谐振电感Lr的同名端接变压器T的原边绕组的异名端，谐振电感Lr的异名端接原边地GND-P。
参见图2，所述无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路包括双绕组叠加模块101和积分模块102。其中，
双绕组叠加模块101包括谐振电感Lr和变压器T的辅助绕组Wa。谐振电感Lr的同名端接变压器T的辅助绕组Wa的同名端；变压器T的辅助绕组Wa的异名端输出谐振电感Lr和变压器T的辅助绕组Wa叠加得到的合成电压信号vR。
积分调节模块102的输入端接收双绕组叠加模块101的输出信号vR，通过积分运算，精确得到反映原边谐振电流ir中消除励磁电流分量后的电流信息的电压信号vis。
图3示出本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路第二实施例。为了便于理解，图3中还示出了LLC谐振变换器主电路，其中，谐振电感Lr的同名端接变压器T的原边绕组的异名端，谐振电感Lr的异名端接原边地GND-P。
参见图3，所述无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路包括双绕组叠加模块101和积分模块102。其中，
双绕组叠加模块101包括谐振电感Lr，变压器T的辅助绕组Wa，电阻Ra和电阻Rb串接构成的分压网络1，电阻Rc和电阻Rd串接构成的分压网络2。分压网络1与谐振电感Lr并联，变压器T的辅助绕组Wa与分压网络2并联，分压网络1的输出端与分压网络2的输出端连接，变压器T的辅助绕组Wa的异名端输出合成电压信号vR，
积分模块102的输入端接收双绕组叠加模块101的输出信号vR，通过积分运算，精确得到反映原边谐振电流ir中消除励磁电流分量后的电流信息的电压信号vis。
其中，分压网络1和分压网络2的作用是用于匹配谐振电感Lr和变压器T的辅助绕组Wa的电压以及调节输出合成电压信号vR的幅值。
图4示出了图3所示本发明第二实施例中的双绕组叠加模块101的等效示意图。与图2所示本发明第一实施例相比，分压网络的引入对谐振电感Lr和变压器T的辅助绕组Wa的同名端连接方式没有改变。
图5示出本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路第三实施例。为了便于理解，图3中还示出了LLC谐振变换器主电路，其中，谐振电感Lr的同名端接变压器T的原边绕组的异名端，谐振电感Lr的异名端接原边地GND-P。
参见图5，所述无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路包括双绕组叠加模块101和积分模块102。其中，
双绕组叠加模块101包括谐振电感Lr的辅助绕组La和变压器T的辅助绕组Wa，谐振电感Lr的辅助绕组La的异名端接变压器T的辅助绕组Wa的异名端；变压器T的辅助绕组Wa的同名端接接原边地GND-P，谐振电感Lr的辅助绕组La的同名端输出谐振电感Lr的辅助绕组La和变压器T的辅助绕组Wa叠加得到的合成电压信号vR。
积分模块102的输入端接收双绕组叠加模块101的输出信号vR，通过积分运算，精确得到反映原边谐振电流ir中消除励磁电流分量后的电流信息的电压信号vis。
图6示出本发明的无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路第四实施例。为了便于理解，图6中还示出了LLC谐振变换器主电路，其中，谐振电感Lr的异名端接变压器T的原边绕组的同名端，变压器T的原边绕组的异名端接原边地GND-P。
参见图6，所述无电流采样的LLC变换器原边侧实现的副边电流提取电路包括双绕组叠加模块101和积分模块102。其中，
双绕组叠加模块101包括谐振电感Lr的辅助绕组La、变压器T的原边绕组Wp以及电阻Re和Rf串联构成的分压网络。谐振电感Lr的辅助绕组La的同名端接变压器T的原边绕组Wp的同名端；谐振电感Lr的辅助绕组La的异名端接接分压网络的一端，分压网络的另一端接地，分压网络的输出端，即Re和Rf的连接点输出合成电压信号vR。
积分模块102的输入端接收双绕组叠加模块101的输出信号vR，通过积分运算，得到反映原边谐振电流ir中消除励磁电流分量后的电流信息的电压信号vis。
其中，分压网络的作用是对谐振电感Lr的辅助绕组La与变压器T的原边绕组Wp反向叠加得到的合成电压进行分压。
图7示出了所述积分模块102的第一具体实施例，所述积分模块102为无源RC积分模块，包括：电阻Rcom、电容Ccom，电阻Rcom的一端与双绕组叠加模块101的输出端相连，另一端与电容Ccom的一端相连，电容Ccom的另一端与原边地GND-P相连，Rcom与电容Ccom的连接点为积分模块102的输出。
图8示出了所述积分模块102的第二具体实施例，所述积分调节模块102为有源运放积分模块，包括：电阻Ro1、Ro2，电容Co1，运算放大器OP1；电阻Ro1的一端与双绕组叠加模块101的输出端相连，Ro1的另一端与运算放大器OP1的负输入端、电阻Ro2、电容Co1的一端相连，运算放大器OP1的正输入端与原边地GND-P相连，运算放大器OP1输出端与电阻Ro2、电容Co1的另一端相连，运算放大器OP1输出端为积分模块102的输出。
结合图2所示本发明第一实施例和图9所示本发明的关键波形图对本发明的原理进行说明如下：
根据伏秒平衡关系可以得到谐振电感Lr两端电压vLR与谐振电流iLr如式(1)所示。
vLr(s)＝Lr·iLr(s)·s (1)
同理可得变压器辅助绕组Wa上的电压vwa为：
Figure BDA0003167597470000051
其中Lm为变压器的励磁电感，iLm为变压器原边绕组电流，Na为变压器原边绕组与辅助绕组之间的匝比。
联立式(1)和式(2)得到谐振电感和变压器辅助绕组的叠加电压vR为：
Figure BDA0003167597470000052
通过设计使得Na满足如下方程：
Figure BDA0003167597470000053
则式(3)可简化如下：
Figure BDA0003167597470000054
当积分模块102采用图7所示的无源RC积分模块，其传递函数G1如式(6)所示。
Figure BDA0003167597470000055
联立式(5)和式(6)，积分模块102的输出电压vis可以得到如(7)所示。
Figure BDA0003167597470000056
设计参数使得RcomCcoms＞＞1，式(7)可进一步化简为：
Figure BDA0003167597470000057
根据式(8)可以看出，vis信号与原边谐振电流中消除了励磁电流后的电流分量线性相关，即与副边电流is线性相关，vis整流后的波形与副边电流is波形形状相同，如图9所示。因此可以进一步利用vis去实现原边恒流控制。
当积分模块102采用图8所示的有源RC积分模块，其传递函数为：
Figure BDA0003167597470000061
联立式(5)和式(9)，积分模块102的输出电压vis可以得到如(10)所示。
Figure BDA0003167597470000062
设计参数使得Ro2Co2s＞＞1，式(10)可化简为：
Figure BDA0003167597470000063
根据式(11)可以看出，vis与原边谐振电流中消除了励磁电流后的电流分量线性相关，即与副边电流is线性相关。
图3～图6所示本发明实施例基本原理与以上描述类似，这里不再详述。
图10示出了以图2所示本发明第一实施例与现有技术的LLC原边恒流控制电路构成的LLC原边恒流控制装置的示意图。其中，LLC原边恒流控制电路接收本发明的副边电流提取电路输出的反映副边电流的电压信号vis，通过其内部的调节电路对输出的LLC原边开关管S1和S2的驱动信号Vg1和Vg2进行频率调制，实现输出恒流。
类似的，图3～图6所示本发明实施例也可以与所述LLC原边恒流控制电路连接构成LLC原边恒流控制装置，这里不再详述。
本发明包括的具体模块本领域技术人员可以在不违背其精神的前提下可以有多种实施方式，或通过各种不同的组合方式形成不同的具体实施例，这里不再详细描述。
无论上文说明如何详细，还有可以有许多方式实施本发明，说明书中所述的只是本发明的若干具体实施例子。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明实施例的上述详细说明并不在穷举的或者用于将本发明限制在上述明确的形式上。在上述以示意性目的说明本发明的特定实施例和实施例的同时，本领域技术人员将认识到可以在本发明的范围内进行各种等同修改。
在上述说明描述了本发明的特定实施例并且描述了预期最佳模式的同时，无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述电路结构及其控制方式的细节在其实行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。
如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims (4)

1.无电流采样的LLC原边侧实现的副边电流提取电路，其特征在于，包含：双绕组叠加模块和积分模块；其中：
双绕组叠加模块，包括：谐振电感的一个绕组和变压器的一个绕组；
谐振电感的绕组与变压器的绕组直接串联或经分压之后串联或经串联之后分压；双绕组叠加模块，输出反映LLC谐振变换器原边回路的谐振电感两端电压和反映变压器绕组两端电压差值的合成电压信号v R ；
积分模块，接收双绕组叠加模块的输出信号v R ，通过积分运算，得到反映原边谐振电流中消除励磁电流分量后的电流信息的电压信号v is 。
2.根据权利要求1所述的无电流采样的LLC原边侧实现的副边电流提取电路，其特征在于：
所述积分模块为无源RC积分模块，包括：电阻R com 、电容C com ，电阻R com 的一端与双绕组叠加模块的输出端相连，另一端与电容C com 的一端相连，电容C com 的另一端与原边地GND-P相连，电阻R com 与电容C com 的连接点为积分模块的输出。
3.根据权利要求1所述的无电流采样的LLC原边侧实现的副边电流提取电路，其特征在于：
所述积分模块为有源运放积分模块，包括：电阻R o1、电阻R o2、电容C o1和运算放大器OP 1；电阻R o1的一端与双绕组叠加模块的输出端相连，R o1的另一端与运算放大器OP 1的负输入端、电阻R o2、电容C o1的一端相连，运算放大器OP 1的正输入端与原边地GND-P相连，运算放大器OP 1输出端与电阻R o2、电容C o1的另一端相连，运算放大器OP 1输出端为积分模块的输出。
4.根据权利要求1所述的无电流采样的LLC原边侧实现的副边电流提取电路，其特征在于：
所述的无电流采样的LLC原边侧实现的副边电流提取电路与LLC谐振变换器、LLC谐振变换器原边恒流控制电路构成LLC谐振变换器原边恒流控制装置。
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