CN114257098B - 一种宽输入电压单级llc隔离稳压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽输入电压单级LLC隔离稳压电路，包括LLC谐振电路、预稳压控制电路和锁相斩波稳压电路，所述预稳压控制电路的输入端和LLC谐振电路的输入端均与电压输入端相连接，预稳压控制电路的输出端与LLC谐振电路的控制端相连接，LLC谐振电路的输出端与锁相斩波稳压电路的输入端相连接，锁相斩波稳压电路的信号采集端与LLC谐振电路的控制端相连接，锁相斩波稳压电路的输出端与电压输出端相连接。本发明通过拓扑结构的改进实现了单级LLC宽电压输入和稳压输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽输入电压单级LLC隔离稳压电路。
背景技术
目前新能源汽车使用的DC-DC电源转换器，其宽电压输入性能主要通过以下方式实现：第一，使用BOOST加LLC拓扑，通过两级电路实现宽电压输入、稳压输出，输入电压范围为200V-750V；第二，使用移相全桥拓扑实现单级宽电压输入，输入电压范围一般为350V-700V，电压范围较窄，且移相全桥存在轻载工作于硬开关的问题，轻载噪声较大；第三，使用正反激电路实现单级宽电压输入，输入电压范围为200V-750V，但该拓扑为硬开关，且变压器体积较大，不适合轻量化。
LLC一般采用调频的方式来实现输出稳压，输入电压范围宽会导致如下问题：低压输入时LLC的初级励磁电流非常大，轻载发热严重，甚至无法正常工作；高电压输入时LLC的工作频率极高，开关管无法满足频率要求。综上所述，由于LLC的拓扑结构限制，现有的单级LLC无法实现宽电压输入的同时保证稳压输出。
发明内容
本发明提出了一种宽输入电压单级LLC隔离稳压电路，其目的是：通过拓扑结构和控制方式的改进实现单级LLC宽电压输入和稳压输出。
本发明技术方案如下：
一种宽输入电压单级LLC隔离稳压电路，包括LLC谐振电路、预稳压控制电路和锁相斩波稳压电路，所述预稳压控制电路的输入端和LLC谐振电路的输入端均与电压输入端相连接，预稳压控制电路的输出端与LLC谐振电路的控制端相连接，用于控制LLC谐振电路的开关频率以实现LLC隔离稳压电路的输出预稳压；LLC谐振电路的输出端与锁相斩波稳压电路的输入端相连接，锁相斩波稳压电路的信号采集端与LLC谐振电路的控制端相连接，用于根据LLC谐振电路的开关频率和相位控制内部开关的通断以实现LLC隔离稳压电路的输出稳压；锁相斩波稳压电路的输出端与电压输出端相连接。
进一步地，所述预稳压控制电路包括运算放大器U2B、三极管T1和控制器U3，所述运算放大器U2B的输入端通过采集电阻与所述预稳压控制电路的输入端相连接，运算放大器U2B的负输入端与输出端之间设有电阻R114，运算放大器U2B的正输入端通过电阻R111与电压负输入端相连接，运算放大器U2B的输出端通过电阻R116与三极管T1的基极相连接，三极管T1的发射极与电压负输入端相连接，三极管T1的集电极与电阻R38的一端相连接，电阻R38的另一端通过电阻R35与控制器U3的最小振荡频率设定引脚相连接，电阻R38的另一端还通过电阻R40与控制器U3的待机模式设定引脚相连接，控制器U3的故障锁死引脚与电压负输入端相连接，控制器U3的定时电容引脚通过电容C20与电压负输入端相连接，控制器U3的待机模式设定引脚通过电容C25与电压负输入端相连接，控制器U3的最小振荡频率设定引脚通过电阻R39与电压负输入端相连接， 控制器U3的上管驱动输出引脚和下管驱动输出引脚分别作为所述预稳压控制电路的第一输出端和第二输出端。
进一步地，所述锁相斩波稳压电路包括锁相斩波控制器MCU、场效应管V2和场效应管V4，锁相斩波控制器MCU通过信号隔离器U2与所述锁相斩波稳压电路的信号采集端相连接，锁相斩波控制器MCU通过电压信号采集线与电压输出端相连接，锁相斩波控制器MCU的输出端PWMA和输出端PWMB分别与场效应管V2的栅极和场效应管V4的栅极相连接，场效应管V2的漏极和场效应管V4的漏极均与电压负输出端相连接，场效应管V2的源极和场效应管V4的源极分别作为锁相斩波稳压电路的第一输入端和第二输入端与所述LLC谐振电路的第一输出端和第二输出端相连接。
进一步地，所述锁相斩波稳压电路还包括电感Lout、二极管D1和输出电容Cout，所述电感Lout的一端与电压正输出端相连接，电感Lout的另一端作为锁相斩波稳压电路的第三输入端与所述LLC谐振电路的第三输出端相连接，电感Lout的另一端还通过二极管D1与电压负输出端相连接，二极管D1的电流导通方向为由电压负输出端指向电感Lout，所述电容Cout连接于电压正输出端与电压负输出端之间。
进一步地，所述LLC谐振电路包括场效应管V1、场效应管V3和变压器PT1，场效应管V1的栅极和场效应管V3的栅极分别作为所述LLC谐振电路的第一控制端和第二控制端与预稳压控制电路的第一输出端和第二输出端相连接，场效应管V1的漏极与电压正输入端相连接，场效应管V1的源极与场效应管V3的漏极相连后通过谐振电感Lr与变压器PT1的第一输入端相连接，场效应管V3的源极与负电压输入端相连接，场效应管V3的源极通过谐振电容Cr与变压器PT1的第二输入端相连接，场效应管V1的漏极与场效应管V3的源极之间设有电容Cin；变压器PT1的第一输出端、第二输出端和第三输出端分别作为所述LLC谐振电路的第一输出端、第二输出端和第三输出端。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）通过预稳压控制电路监测直流输入电压，根据输入电压的大小预先调整LLC工作频率，使LLC谐振电路的输出电压稳定在一定范围内，实现输出预稳压；在LLC谐振电路输出端通过锁相斩波稳压电路实现输出稳压或恒流，由此通过分级控制实现了单级LLC宽电压输入及稳压输出；
（2）锁相斩波稳压电路采用场效应管过零点关断的斩波控制，实现了输出可控整流的ZCS关断，降低了损耗和电磁噪声；
（3）锁相斩波稳压电路中的电容、电感和二极管设计实现了充电续流，提高了电路的稳定性；
（4）与传统的BOOST加LLC拓扑结构相比，去掉了传统的预稳压BOOST电路，实现了小体积和轻量化；
（5）本拓扑为软开关结构，与正反激电源技术方案相比降低了电磁污染。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为锁相斩波稳压电路工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
如图1，一种宽输入电压单级LLC隔离稳压电路，包括LLC谐振电路、预稳压控制电路和锁相斩波稳压电路，所述预稳压控制电路的输入端和LLC谐振电路的输入端均与电压输入端相连接，预稳压控制电路的输出端与LLC谐振电路的控制端相连接，用于控制LLC谐振电路的开关频率以实现LLC隔离稳压电路的输出预稳压；LLC谐振电路的输出端与锁相斩波稳压电路的输入端相连接，锁相斩波稳压电路的信号采集端与LLC谐振电路的控制端相连接，用于根据LLC谐振电路的开关频率和相位控制内部开关的通断以实现LLC隔离稳压电路的输出稳压；锁相斩波稳压电路的输出端与电压输出端相连接。
进一步地，所述LLC谐振电路包括场效应管V1、场效应管V3和变压器PT1，场效应管V1的栅极和场效应管V3的栅极分别作为所述LLC谐振电路的第一控制端和第二控制端与预稳压控制电路的第一输出端和第二输出端相连接，场效应管V1的漏极与电压正输入端相连接，场效应管V1的源极与场效应管V3的漏极相连后通过谐振电感Lr与变压器PT1的第一输入端相连接，场效应管V3的源极与负电压输入端相连接，场效应管V3的源极通过谐振电容Cr与变压器PT1的第二输入端相连接，场效应管V1的漏极与场效应管V3的源极之间设有电容Cin；变压器PT1的第一输出端、第二输出端和第三输出端分别作为所述LLC谐振电路的第一输出端、第二输出端和第三输出端。
所述预稳压控制电路包括运算放大器U2B、三极管T1和控制器U3，控制器U3的型号为L6599A。所述运算放大器U2B的输入端通过采集电阻与所述预稳压控制电路的输入端相连接，运算放大器U2B的负输入端与输出端之间设有电阻R114，运算放大器U2B的正输入端通过电阻R111与电压负输入端相连接，运算放大器U2B的输出端通过电阻R116与三极管T1的基极相连接，三极管T1的发射极与电压负输入端相连接，三极管T1的集电极与电阻R38的一端相连接，电阻R38的另一端通过电阻R35与控制器U3的最小振荡频率设定引脚（第4引脚）相连接，电阻R38的另一端还通过电阻R40与控制器U3的待机模式设定引脚（第5引脚）相连接，控制器U3的故障锁死引脚（第8引脚）与电压负输入端相连接，控制器U3的定时电容引脚（第3引脚）通过电容C20与电压负输入端相连接，控制器U3的待机模式设定引脚（第5引脚）通过电容C25与电压负输入端相连接，控制器U3的最小振荡频率设定引脚（第4引脚）通过电阻R39与电压负输入端相连接，控制器U3的上管驱动输出引脚（第15引脚）和下管驱动输出引脚（第11引脚）分别作为所述预稳压控制电路的第一输出端和第二输出端。
所述预稳压控制电路通过运算放大器U2B、电阻R1、电阻R2、电阻R111和电阻R114实现输入电压采集；通过三极管T1、电阻R116、电阻R38、电阻R35、电阻R39和控制器U3实现LLC开关频率控制。当电压输入端Vin+与Vin-之间电压高于500V并且继续升高时，运算放大器U2B的输出端电压升高，三极管T1的基极电流增大，三极管T1的集电极和发射极之间压差降低，三极管T1导通，相当于电阻R38和电阻R35串联后与电阻R39并联，控制器U3的第4引脚对电压负输入端Vin-的阻值降低，控制器U3的两个输出端PFMH、PWML频率升高，使LLC谐振网络增益下降，变压器PT1的次级绕组电压降低，从而实现预稳压。
所述锁相斩波稳压电路包括锁相斩波控制器MCU、场效应管V2和场效应管V4，锁相斩波控制器MCU通过信号隔离器U2与所述锁相斩波稳压电路的信号采集端相连接，锁相斩波控制器MCU通过电压信号采集线与电压输出端相连接，锁相斩波控制器MCU的输出端PWMA和输出端PWMB分别与场效应管V2的栅极和场效应管V4的栅极相连接，场效应管V2的漏极和场效应管V4的漏极均与电压负输出端相连接，场效应管V2的源极和场效应管V4的源极分别作为锁相斩波稳压电路的第一输入端和第二输入端与所述LLC谐振电路的第一输出端和第二输出端相连接。
由于控制器U3输出的PFMH和PFML信号分别控制场效应管V1和场效应管V3的开通关断，并且PFMH信号和PFML信号的相位互补。场效应管V1和场效应管V3决定了变压器PT1的工作频率和相位，因此采集芯片U3的PFML信号即可获得变压器的开关频率和相位。所述锁相斩波控制器MCU通过信号隔离器U2采集变压器PT1的输出频率和相位作为控制场效应管V2、场效应管V4开关的时间基准，通过Vout+和Vout-电压信号线采集输出电压，通过PWMA和PWMB控制场效应管V2和V4的开通相位角，实现输出稳压。
具体地，如图2，当锁相斩波控制器MCU检测到PFML信号的上升沿时，PWMB延迟一定的相位角TB再输出高电平开通场效应管V4；当检测到PWML信号的下降沿时，PWMB迅速输出低电平关断场效应管V4，与此同时，PWMA延迟一定的相位角TA再输出高电平开通场效应管V2；当MCU检测到PFML信号的上升沿时，PWMA迅速输出低电平关断场效应管V2。
锁相斩波控制器MCU通过ADC采集电压输出端Vout+与Vout-之间的电压，当电压高于设定值时，锁相斩波控制器MCU增加延迟相位角TA与TB，从而降低导通角度，降低输出电压；当输出电压低于设定值时，MCU降低延迟相位角TA与TB，从而增加导通角度，提高输出电压。输出电压与延迟相位角TA、TB经过PID运算形成精准的电压闭环控制，从而实现输出稳压。
由于LLC谐振电流是正弦波，变压器PT1的输出电流也是正弦波，本电路中场效应管V2和场效应管V4在PFML信号上升沿或下降沿时关断，此时场效应管V2或V4的电流处于过零点，实现了输出可控整流的ZCS关断，从而降低了损耗和电磁噪声。
所述锁相斩波稳压电路还包括电感Lout、二极管D1和输出电容Cout，所述电感Lout的一端与电压正输出端相连接，电感Lout的另一端作为锁相斩波稳压电路的第三输入端与所述LLC谐振电路的第三输出端相连接，电感Lout的另一端还通过二极管D1与电压负输出端相连接，二极管D1的电流导通方向为由电压负输出端指向电感Lout，所述电容Cout连接于电压正输出端与电压负输出端之间。所述电感Lout用于电容充电限流，二极管D1用于电感续流。
综上所述，本电路采用分级控制实现了单级LLC宽输入电压及输出稳压，包括LLC谐振频率控制和输出锁相斩波整流控制。其中LLC谐振频率控制实现了LLC变压器输出预稳压：当输入电压高于设定的阀值电压，提高开关频率，降低增益；当输入电压低于阀值电压，维持谐振频率Fr不变，此时的LLC会取得最好的转换效率。在变压器输出端实现,预稳压的前提下，对变压器输出进行锁相斩波控制，使输出电压稳定，实现稳压或者恒流。
本电路能够实现单级LLC宽电压输入，在于输出可控整流分担了一半稳压工作，LLC只需要将变压器的输出电压稳定在一定范围内即可。例如设计输入电压为200V-750V、输出电压为27.5V，LLC只需要将变压器PT1的输出端电压稳定在70V左右即可。当输入电压高于500V时，LLC频率提高，降低增益；当输入电压低于500V时，LLC只需要工作在谐振频率附近开环工作即可。由此对LLC谐振电路而言，输入电压范围变成了500-750V。锁相斩波稳压电路通过斩波实现70V电压转换为27.5V电压，采用锁相控制策略，只需要控制导通角度即可控制输出电压。
本实施例描述的宽电压输入单级LLC稳压电路可实现200V-750V输入、27.5V输出应用，输出电压稳定。由于输出整流采用斩波控制方案，输出可实现恒流模式，克服了LLC自身无法做恒流源的弊端。整个电路均工作在软开关模式，降低了电磁污染。
Claims (4)
1.一种宽输入电压单级LLC隔离稳压电路，其特征在于：包括LLC谐振电路、预稳压控制电路和锁相斩波稳压电路，所述预稳压控制电路的输入端和LLC谐振电路的输入端均与电压输入端相连接，预稳压控制电路的输出端与LLC谐振电路的控制端相连接，用于控制LLC谐振电路的开关频率以实现宽输入电压单级LLC隔离稳压电路的输出预稳压；LLC谐振电路的输出端与锁相斩波稳压电路的输入端相连接，锁相斩波稳压电路的信号采集端与LLC谐振电路的控制端相连接，用于根据LLC谐振电路的开关频率和相位控制内部开关的通断以实现宽输入电压单级LLC隔离稳压电路的输出稳压；锁相斩波稳压电路的输出端与电压输出端相连接；
所述预稳压控制电路包括运算放大器U2B、三极管T1和控制器U3，所述运算放大器U2B的正输入端和负输入端分别通过采集电阻与所述预稳压控制电路的输入端相连接，运算放大器U2B的负输入端与运算放大器U2B的输出端之间设有电阻R114，运算放大器U2B的正输入端通过电阻R111与电压输入端的负极相连接，运算放大器U2B的输出端通过电阻R116与三极管T1的基极相连接，三极管T1的发射极与电压输入端的负极相连接，三极管T1的集电极与电阻R38的一端相连接，电阻R38的另一端通过电阻R35与控制器U3的最小振荡频率设定引脚相连接，电阻R38的另一端还通过电阻R40与控制器U3的待机模式设定引脚相连接，控制器U3的故障锁死引脚与电压输入端的负极相连接，控制器U3的定时电容引脚通过电容C20与电压输入端的负极相连接，控制器U3的待机模式设定引脚通过电容C25与电压输入端的负极相连接，控制器U3的最小振荡频率设定引脚通过电阻R39与电压输入端的负极相连接， 控制器U3的上管驱动输出引脚和下管驱动输出引脚分别作为所述预稳压控制电路的第一输出端和第二输出端；控制器U3的型号为 L6599A。
2.如权利要求1所述的宽输入电压单级LLC隔离稳压电路，其特征在于：所述锁相斩波稳压电路包括锁相斩波控制器MCU、场效应管V2和场效应管V4，锁相斩波控制器MCU通过信号隔离器U2与所述锁相斩波稳压电路的信号采集端相连接，锁相斩波控制器MCU通过电压信号采集线与电压输出端相连接，锁相斩波控制器MCU的输出端PWMA和输出端PWMB分别与场效应管V2的栅极和场效应管V4的栅极相连接，场效应管V2的漏极和场效应管V4的漏极均与电压输出端的负极相连接，场效应管V2的源极和场效应管V4的源极分别作为锁相斩波稳压电路的第一输入端和第二输入端与所述LLC谐振电路的第一输出端和第二输出端相连接。
3.如权利要求2所述的宽输入电压单级LLC隔离稳压电路，其特征在于：所述锁相斩波稳压电路还包括电感Lout、二极管D1和输出电容Cout，所述电感Lout的一端与电压输出端的正极相连接，电感Lout的另一端作为锁相斩波稳压电路的第三输入端与所述LLC谐振电路的第三输出端相连接，电感Lout的另一端还通过二极管D1与电压输出端的负极相连接，二极管D1的电流导通方向为由电压输出端的负极指向电感Lout，所述电容Cout连接于电压输出端的正极与电压输出端的负极之间。
4.如权利要求1至3任一所述的宽输入电压单级LLC隔离稳压电路，其特征在于：所述LLC谐振电路包括场效应管V1、场效应管V3和变压器PT1，场效应管V1的栅极和场效应管V3的栅极分别作为所述LLC谐振电路的第一控制端和第二控制端与预稳压控制电路的第一输出端和第二输出端相连接，场效应管V1的漏极与电压输入端的正极相连接，场效应管V1的源极与场效应管V3的漏极相连后通过谐振电感Lr与变压器PT1的第一输入端相连接，场效应管V3的源极与电压输入端的负极相连接，场效应管V3的源极通过谐振电容Cr与变压器PT1的第二输入端相连接，场效应管V1的漏极与场效应管V3的源极之间设有电容Cin；变压器PT1的第一输出端、第二输出端和第三输出端分别作为所述LLC谐振电路的第一输出端、第二输出端和第三输出端。
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- 2021-12-28 CN CN202111619544.2A patent/CN114257098B/zh active Active
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Denomination of invention: A Wide Input Voltage Single Stage LLC Isolation Stabilizer Circuit Effective date of registration: 20231227 Granted publication date: 20230808 Pledgee: Yantai Branch of China Merchants Bank Co.,Ltd. Pledgor: EURA DRIVES ELECTRIC Co.,Ltd. Registration number: Y2023980074469 |
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