CN115864614A - 用于宽输出电压范围大功率充电器的llc电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路及其控制方法，涉及充电电路技术领域。初级侧电路由谐振回路LLC₁、LLC₂、开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆组成；S₁、S₂和S₃串联成第一回路，S₄、S₅和S₆串联成第二回路，两回路并联，S₁和S₄与电源正极连接，S₃和S₆与电源负极连接；S₁和S₂连接C_r1，S₄和S₅连接T₁，使S₁和S₂之间与S₄和S₅之间通过LLC₁桥接；S₂和S₃连接C_r2，S₅和S₆连接T₂，使S₂和S₃之间与S₅和S₆之间通过LLC₂桥接。该LLC电路在给定的工作频率范围内实现了更宽的输出电压范围，而且整个电路结构相对简单、实现和控制容易。

Description

用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及充电电路技术领域，具体涉及一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路及其控制方法。

背景技术

当前，具有高效率和高功率密度的LLC电路已被广泛应用于电池充电器转换器。然而，宽输出电压使得LLC电路的增益变化非常大，频率变化也非常大而远离谐振频率，如果工作开关频率偏离LLC谐振频率，则次级二极管整流器的零电流开关条件不满足或产生与磁化电感相关的大循环电流，导致谐振腔环流和关断电流都非常大，从而导致电路工作效率低。

现有技术中，针对宽输出范围电压的充电器设计是输出分段设计成几个充电器，但这样不仅成本高而且不方便携带。

发明内容

本发明的目的就在于解决上述背景技术的问题，而提出一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路及其控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路，包括初级侧电路和次级侧电路；

所述初级侧电路由第一谐振回路LLC₁、第二谐振回路LLC₂、第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄、第五开关S₅和第六开关S₆组成；LLC₁由第一电容C_r1、第一电感L_r1和第一变压器T₁依次串联组成；LLC₂由第二电容C_r2、第二电感L_r2和第二变压器T₂依次串联组成；S₁、S₂和S₃依次串联组成第一回路，S₄、S₅和S₆依次串联组成第二回路，所述第一回路与所述第二回路并联，S₁和S₄与输入电源正极连接，S₃和S₆与输入电源负极连接；S₁和S₂同时连接C_r1，S₄和S₅同时连接T₁，使S₁和S₂之间与S₄和S₅之间通过LLC₁桥接；S₂和S₃同时连接C_r2，S₅和S₆同时连接T₂，使S₂和S₃之间与S₅和S₆之间通过LLC₂桥接；

所述次级侧电路为六脉冲二极管整流器电路。

可选地，所述六脉冲二极管整流器电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆；D₁和D₄串联组成第三回路，D₂和D₅串联组成第四回路，D₃和D₆串联组成第五回路；所述第三回路、所述第四回路和所述第五回路并联连接；

D₁和D₄同时连接T₁同一侧，D₂和D₅同时连接T₁同一侧，使D₁和D₄之间与D₂和D₅之间通过T₁桥接；D₃和D₄同时连接T₂同一侧，D₂和D₅同时连接T₂同一侧，使D₃和D₆之间与D₂和D₅之间通过T₁桥接。

可选地，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆均为NMOS型晶体管。

本发明实施例还提供了一种LLC电路控制方法，用于控制上述的用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路，所述方法包括：

获取当前的实际的输入电压与需要的输出电压，根据所述输出电压与所述输入电压计算电压增益确定的LLC电路的目标工作模式；

根据所述目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式。

可选地，目标工作模式包括单全桥LLC₁变压器模式；所述单全桥LLC₁变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益；

根据所目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

控制第一开关组与第二开关组以0.5占空比交替开启，仅接入LLC₁运行；所述第一开关组为S₁、S₅和S₆，所述第二开关组为S₂、S₃和S₄。

可选地，目标工作模式包括单全桥LLC₂变压器模式；所述单全桥LLC₂变压器模式的电压增益为LLC₂的额定电压增益；

根据所述目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

控制第三开关组与第四开关组以0.5占空比交替开启，仅接入LLC₂运行；所述第三开关组为S₁、S₂和S₆，所述第四开关组为S₃、S₄和S₅。

可选地，目标工作模式包括串联全桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；所述串联全桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的二分之一；

根据所述目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

控制第五开关组与第六开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂串联接入运行；所述第五开关组为S₁、S₃和S₅，所述第六开关组为S₂、S₄和S₆。

可选地，目标工作模式包括串联半桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；所述串联半桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的四分之一；

根据所述目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

控制第五开关组与第七开关组以0.5占空比交替开启，或者，控制第六开关组与第七开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂串联接入运行；所述第五开关组为S₁、S₃和S₅，所述第六开关组为S₂、S₄和S₆，所述第七开关组为S₂和S₅。

可选地，目标工作模式包括并联全桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；所述并联全桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的两倍；

根据所述目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

S₂和S₅始终开启，控制第八开关组与第九开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂并联接入运行；所述第八开关组为S₁和S₆，所述第九开关组为S₃和S₄。

本发明的有益效果：

本发明实施例提供了一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路，包括初级侧电路和次级侧电路；初级侧电路由第一谐振回路LLC₁、第二谐振回路LLC₂、第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄、第五开关S₅和第六开关S₆组成；LLC₁由第一电容C_r1、第一电感L_r1和第一变压器T₁依次串联组成；LLC₂由第二电容C_r2、第二电感L_r2和第二变压器T₂依次串联组成；S₁、S₂和S₃依次串联组成第一回路，S₄、S₅和S₆依次串联组成第二回路，第一回路与第二回路并联，S₁和S₄与输入电源正极连接，S₃和S₆与输入电源负极连接；S₁和S₂同时连接C_r1，S₄和S₅同时连接T₁，使S₁和S₂之间与S₄和S₅之间通过LLC₁桥接；S₂和S₃同时连接C_r2，S₅和S₆同时连接T₂，使S₂和S₃之间与S₅和S₆之间通过LLC₂桥接；次级侧电路为六脉冲二极管整流器电路。本发明实施例提供的LLC电路包括两个谐振回路，通过控制六个开关的开启状态可以改变两个谐振回路的接入方式，进而改变LLC电路整体的电压增益，在给定的工作频率范围内实现了更宽的输出电压范围，而且整个电路结构相对简单、实现和控制容易。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例提供了一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路的电路图；

图2为本发明实施例提供的一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路的LLC电路控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路。参见图1，图1为本发明实施例提供了一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路的电路图。该包括初级侧电路和次级侧电路；

初级侧电路由第一谐振回路LLC₁、第二谐振回路LLC₂、第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄、第五开关S₅和第六开关S₆组成；LLC₁由第一电容C_r1、第一电感L_r1和第一变压器T₁依次串联组成；LLC₂由第二电容C_r2、第二电感L_r2和第二变压器T₂依次串联组成；S₁、S₂和S₃依次串联组成第一回路，S₄、S₅和S₆依次串联组成第二回路，第一回路与第二回路并联，S₁和S₄与输入电源正极连接，S₃和S₆与输入电源负极连接；S₁和S₂同时连接C_r1，S₄和S₅同时连接T₁，使S₁和S₂之间与S₄和S₅之间通过LLC₁桥接；S₂和S₃同时连接C_r2，S₅和S₆同时连接T₂，使S₂和S₃之间与S₅和S₆之间通过LLC₂桥接；

次级侧电路为六脉冲二极管整流器电路。

基于本发明实施例提供的LLC电路包括两个谐振回路，通过控制六个开关的开启状态可以改变两个谐振回路的接入方式，进而改变LLC电路整体的电压增益，在给定的工作频率范围内实现了更宽的输出电压范围，而且整个电路结构相对简单、实现和控制容易。

一种实现方式中，参见图1输入电源为V_in，六脉冲二极管整流器电路与电容C₀、R₀并联，并联电压即为输出电压。第一变压器T₁包括线圈L_m1和铁芯组成，第一变压器T₂包括线圈L_m2和铁芯组成，初级侧电路和次级侧电路各包含铁芯的一侧。

在一个实施例中，参见图1,六脉冲二极管整流器电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆；D₁和D₄串联组成第三回路，D₂和D₅串联组成第四回路，D₃和D₆串联组成第五回路；第三回路、第四回路和第五回路并联连接；

D₁和D₄同时连接T₁同一侧，D₂和D₅同时连接T₁同一侧，使D₁和D₄之间与D₂和D₅之间通过T₁桥接；D₃和D₄同时连接T₂同一侧，D₂和D₅同时连接T₂同一侧，使D₃和D₆之间与D₂和D₅之间通过T₁桥接。

在一个实施例中，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆均为NMOS型晶体管。

本发明实施例提供了一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路的LLC电路控制方法。参见图2，图2为本发明实施例提供的一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路的LLC电路控制方法的流程图。方法包括：

S201，获取当前的实际的输入电压与需要的输出电压，根据输出电压与输入电压计算电压增益确定的LLC电路的目标工作模式。

S202，根据目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式。

基于本发明实施例提供的一种用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路的LLC电路控制方法，通过控制六个开关的开启状态可以改变两个谐振回路的接入方式，进而改变LLC电路整体的电压增益，在给定的工作频率范围内实现了更宽的输出电压范围，而且整个电路结构相对简单、实现和控制容易。

在一个实施例中，目标工作模式包括单全桥LLC₁变压器模式；单全桥LLC₁变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益；

步骤S202具体为：

控制第一开关组与第二开关组以0.5占空比交替开启，仅接入LLC₁运行；第一开关组为S₁、S₅和S₆，第二开关组为S₂、S₃和S₄。

在一个实施例中，目标工作模式包括单全桥LLC₂变压器模式；单全桥LLC₂变压器模式的电压增益为LLC₂的额定电压增益；

步骤S202具体为：

控制第三开关组与第四开关组以0.5占空比交替开启，仅接入LLC₂运行；第三开关组为S₁、S₂和S₆，第四开关组为S₃、S₄和S₅。

在一个实施例中，目标工作模式包括串联全桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；串联全桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的二分之一；

步骤S202具体为：

控制第五开关组与第六开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂串联接入运行；第五开关组为S₁、S₃和S₅，第六开关组为S₂、S₄和S₆。

一种实现方式中，相对于单谐振回路接入，LLC₁和LLC₂串联接入磁化电感和谐振电感减小为一半，谐振电容增加了一倍，导致电压增益变为LLC₁的额定电压增益的二分之一。

在一个实施例中，目标工作模式包括串联半桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；串联半桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的四分之一；

步骤S202具体为：

控制第五开关组与第七开关组以0.5占空比交替开启，或者，控制第六开关组与第七开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂串联接入运行；第五开关组为S₁、S₃和S₅，第六开关组为S₂、S₄和S₆，第七开关组为S₂和S₅。

一种实现方式中，在串联半桥变压器模式的基础上进一步采用半桥式电路，导致电压增益变为LLC₁的额定电压增益的四分之一。

在一个实施例中，目标工作模式包括并联全桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；并联全桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的两倍；

步骤S202具体为：

S₂和S₅始终开启，控制第八开关组与第九开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂并联接入运行；第八开关组为S₁和S₆，第九开关组为S₃和S₄。

一种实现方式中，相对于单谐振回路接入，并联全桥变压器模式谐振回路中的励磁电感和谐振电感是单谐振回路的两倍，而谐振电容是其一半，此外，等效谐振回路的输入电压是单个谐振回路输入电压的两倍，使得电压增益为LLC₁的额定电压增益的两倍。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路，其特征在于，包括初级侧电路和次级侧电路；

所述初级侧电路由第一谐振回路LLC₁、第二谐振回路LLC₂、第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第四开关S₄、第五开关S₅和第六开关S₆组成；LLC₁由第一电容C_r1、第一电感L_r1和第一变压器T₁依次串联组成；LLC₂由第二电容C_r2、第二电感L_r2和第二变压器T₂依次串联组成；S₁、S₂和S₃依次串联组成第一回路，S₄、S₅和S₆依次串联组成第二回路，所述第一回路与所述第二回路并联，S₁和S₄与输入电源正极连接，S₃和S₆与输入电源负极连接；S₁和S₂同时连接C_r1，S₄和S₅同时连接T₁，使S₁和S₂之间与S₄和S₅之间通过LLC₁桥接；S₂和S₃同时连接C_r2，S₅和S₆同时连接T₂，使S₂和S₃之间与S₅和S₆之间通过LLC₂桥接；

所述次级侧电路为六脉冲二极管整流器电路。

2.根据权利要求1所述的用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路，其特征在于，所述六脉冲二极管整流器电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅和第六二极管D₆；D₁和D₄串联组成第三回路，D₂和D₅串联组成第四回路，D₃和D₆串联组成第五回路；所述第三回路、所述第四回路和所述第五回路并联连接；

D₁和D₄同时连接T₁同一侧，D₂和D₅同时连接T₁同一侧，使D₁和D₄之间与D₂和D₅之间通过T₁桥接；D₃和D₄同时连接T₂同一侧，D₂和D₅同时连接T₂同一侧，使D₃和D₆之间与D₂和D₅之间通过T₁桥接。

3.根据权利要求1所述的用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路，其特征在于，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆均为NMOS型晶体管。

4.一种LLC电路控制方法，用于控制权利要求1-3任一所述的用于宽输出电压范围大功率充电器的LLC电路，其特征在于，所述方法包括：

获取当前的实际的输入电压与需要的输出电压，根据所述输出电压与所述输入电压计算电压增益确定的LLC电路的目标工作模式；

根据所目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式。

5.根据权利要求4所述的一种LLC电路控制方法，其特征在于，目标工作模式包括单全桥LLC₁变压器模式；所述单全桥LLC₁变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益；

根据所目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

控制第一开关组与第二开关组以0.5占空比交替开启，仅接入LLC₁运行；所述第一开关组为S₁、S₅和S₆，所述第二开关组为S₂、S₃和S₄。

6.根据权利要求4所述的一种LLC电路控制方法，其特征在于，目标工作模式包括单全桥LLC₂变压器模式；所述单全桥LLC₂变压器模式的电压增益为LLC₂的额定电压增益；

根据所述目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

控制第三开关组与第四开关组以0.5占空比交替开启，仅接入LLC₂运行；所述第三开关组为S₁、S₂和S₆，所述第四开关组为S₃、S₄和S₅。

7.根据权利要求4所述的一种LLC电路控制方法，其特征在于，目标工作模式包括串联全桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；所述串联全桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的二分之一；

根据所目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

控制第五开关组与第六开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂串联接入运行；所述第五开关组为S₁、S₃和S₅，所述第六开关组为S₂、S₄和S₆。

8.根据权利要求4所述的一种LLC电路控制方法，其特征在于，目标工作模式包括串联半桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；所述串联半桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的四分之一；

根据所述目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

控制第五开关组与第七开关组以0.5占空比交替开启，或者，控制第六开关组与第七开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂串联接入运行；所述第五开关组为S₁、S₃和S₅，所述第六开关组为S₂、S₄和S₆，所述第七开关组为S₂和S₅。

9.根据权利要求4所述的一种LLC电路控制方法，其特征在于，目标工作模式包括并联全桥变压器模式；LLC₁和LLC₂具有相同的额定电压增益；所述并联全桥变压器模式的电压增益为LLC₁的额定电压增益的两倍；

根据所述目标工作模式控制S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的开关状态，控制LLC₁与LLC₂的连接方式具体为：

S₂和S₅始终开启，控制第八开关组与第九开关组以0.5占空比交替开启，LLC₁和LLC₂并联接入运行；所述第八开关组为S₁和S₆，所述第九开关组为S₃和S₄。

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