CN116614004B - 一种应用于llc高频变压器的绕组切换方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种应用于LLC高频变压器的绕组切换方法和装置。本申请通过调节LLC中高频变压器的变比或者串联并联变压器来使得在不同电压等级下保持频率调节范围不变，同时保证谐振腔谐振参数不变，第一谐振点不变，有利于谐振参数设计。此外，本申请的绕组切换方式，改变了变压器绕组的连接方式，提高高频变压器的利用率，能够满足不同电压等级下的满功率输入输出。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于LLC高频变压器的绕组切换方法和装置。
背景技术
随着电源行业的发展，开关电源的输入输出电压范围不断扩大，为了满足不同国家的电网电压标准，不同电池的电压标准，宽电压输入输出已经成为关键性需求。对于现有的固定匝比的LLC高频变压器而言，电压调节范围有限，而对于具有中心抽头的变压器而言，能够进行宽电压调节，但是同时受到功率限制，不能进行满功率输出。
现有的针对LLC电路宽电压输出调节的方法大多使用带有中心抽头的高频变压器来调节初次级匝比，从而实现宽电压输出，但是针对这种方法，当不使用全绕组工作时，高频变压器的电流密度是高于使用全绕组工作的，为了使得电路正常工作，设计高频变压器之初就需要考虑电流密度降额，从而使得电路能够工作在满功率状态，这样势必会造成高频变压器成本和体积的增大，造成一些不必要的损失和浪费。现有技术中LLC宽电压调节时的一些缺陷和问题，主要有以下几点：
（1）频率调节范围宽，为了实现目标电压调节范围，必须增加频率调节范围，不利于磁性元器件的设计；
（2）谐振参数设计复杂，LLC的电压增益不仅与开关频率有关，还与谐振参数有关；
（3）难以实现宽电压目标下的满功率输入输出。
发明内容
针对上述缺点，本申请提出了一种应用于LLC高频变压器的绕组切换方法和装置，通过调节高频变压器绕组间的串并联方式，从而实现宽电压下的满功率输出，减少绕组的浪费，降低高频变压器的成本和体积。本发明所采用的技术方案如下：
一种应用于LLC高频变压器的绕组切换方法，该方法应用于单高频变压器，该方法包括如下步骤：
步骤1、将LLC高频变压器高压侧或低压侧绕组分为两个绕组；
步骤2、两绕组针对不同的输入电压调节串并联方式，以调节高压侧与低压侧匝比；
步骤3、开关电源在不同的电压等级下进行充电或放电。
进一步的，在步骤2中，两绕组针对不同的输入电压调节串并联方式，具体包括：若要满足高压侧或低压侧的宽电压输入输出，LLC高频变压器做成三绕组变压器，其中高压侧绕组或低压侧绕组由所述三绕组变压器中的两个绕组串联或者并联而成，实现方式通过两只单刀双掷开关实现。
进一步的，所述通过两只单刀双掷开关实现，包括：若要满足高压侧宽电压输入输出，当输入电压高于目标电压时，A开关打到该开关的2号位，B开关打到该开关的1号位，使得两绕组实现串联，高压侧和低压侧匝比变大，实现恒定电压输出；当输入电压低于目标电压时，A开关打到该开关的1号位，B开关打到该开关的2号位，使得两绕组并联，高压侧和低压侧匝比变小，并且增大电流密度。
进一步的，所述通过两只单刀双掷开关实现，包括：若要满足低压测宽电压输入输出，当输出电压高于目标电压时，A开关打到该开关的1号位，B开关打到该开关的2号位，使得两绕组实现并联，高压侧和低压侧匝比变大，实现低电压输出；当输出电压低于目标电压时，A开关打到该开关的2号位，B开关打到该开关的1号位，使得两绕组串联，高压侧和低压侧匝比变小，能够满足高电压下的恒功率输出。
一种应用于LLC高频变压器的绕组切换方法，该方法应用于双高频变压器，该方法包括如下步骤：
步骤1、将LLC高频变压器高压侧或低压侧绕组分为两个绕组；
步骤2、将两个高频变压器的高压绕组和低压绕组进行串联并联组合；
步骤3、开关电源在不同的电压等级下进行充电或放电。
进一步的，在步骤2中，将两个高频变压器的高压绕组和低压绕组进行串联并联组合，具体包括：若要满足高压侧或低压侧的宽电压输入输出，LLC电路需要两个高频变压器，分别对两个高频变压器的高压侧和低压侧进行串联并联调节，实现方式通过两只单刀双掷开关实现。
进一步的，所述通过两只单刀双掷开关实现，包括：若要满足高压侧的宽电压输入输出，当输入电压高于目标电压时，A开关打到该开关的2号位，B开关打到该开关的1号位，使得两高频变压器的高压绕组串联，每个高压绕组分得一半电压，使得输出电压维持恒定。
进一步的，所述通过两只单刀双掷开关实现，包括：当输入电压低于目标电压时，A开关打到该开关的1号位，B开关打到该开关的2号位，使得两高频变压器的低压绕组并联，此时两个变压器高低压侧均并联，等效为一个变压器，保持输出电压恒定。
一种应用于LLC高频变压器的绕组切换装置，该装置用于实现单高频变压器的绕组切换方法，根据LLC谐振电路设计变压器的高压侧和低压侧匝比分别为4:1和8:1，将高压侧绕组或者低压侧绕组分为匝数相等的两个绕组。
一种应用于LLC高频变压器的绕组切换装置，该装置用于实现双高频变压器的绕组切换方法，根据LLC谐振电路设计双变压器的连接方式，不改变单个变压器的匝比，将高压侧或者低压侧进行分压处理。
通过本申请实施例，可以获得如下技术效果：
（1）本申请能够避免绕组浪费，提高高频变压器的利用率；降低了高频变压器的成本与体积，同时能够满足宽电压范围内的满功率输出；增加了高频变压器的散热面积，能够降低高频变压器的温度，而不需要增大开关频率调节范围；
（2）不用过分增加绕组降额，充分利用了LLC高频变压器，使得其效率提高，成本更低；通过并联绕组方式增加了散热面积，更有利于变压器散热；对于大多数宽电压输入输出电路减少了一级DC-DC拓扑，降低了成本，提高了效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为单变压器高压侧宽输入输出电路原理图；
图2为单变压器低压侧宽输入输出电路原理图；
图3为双变压器高压侧宽输入输出电路原理图；
图4为双变压器低压侧宽输入输出电路原理图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请提供两种方案选择，一种属于单高频变压器，将LLC高频变压器高压侧或低压侧绕组分为两个绕组，两绕组针对不同的输入电压调节串并联方式，从而调节高压侧与低压侧匝比，使得开关电源可以在不同的电压等级下进行充电。反之，放电时同样通过调节高压侧绕组的串并联方式从而输出不同的电压，并且此过程中能够保证产品的满功率输入输出。另一种属于双高频变压器，将两个高频变压器的高压绕组和低压绕组进行串联并联组合，使得开关电源可以在不同的电压等级下进行输入输出。
应用于单高频变压器中的绕组切换方法包括如下步骤：
步骤1、将LLC高频变压器高压侧或低压侧绕组分为两个绕组；
步骤2、两绕组针对不同的输入电压调节串并联方式，以调节高压侧与低压侧匝比；
步骤3、开关电源在不同的电压等级下进行充电或放电。
本发明第一实例（单变压器高压侧宽输入输出电路原理图）的工作原理图如图1所示，若要满足高压侧的宽电压输入输出，LLC高频变压器做成三绕组变压器，其中高压侧绕组由其中的两个绕组串联或者并联而成，实现方式通过两只单刀双掷开关实现。当输入电压高于目标电压时，A开关打到该开关的2号位，B开关打到该开关的1号位，使得两绕组实现串联，高压侧和低压侧匝比变大，实现恒定电压输出。当输入电压低于目标电压时，A开关打到该开关的1号位，B开关打到该开关的2号位，使得两绕组并联，高压侧和低压侧匝比变小，并且增大电流密度，能够满足低电压下的恒功率输入。反之，当想要输出不同电压等级时，也使用相同的操作，从而实现宽电压，满功率输出。
本发明第二实例（单变压器低压侧宽输入输出电路原理图）的工作原理图如图2所示，若要满足低压侧的宽电压输入输出，LLC高频变压器做成三绕组变压器，其中低压侧绕组由其中的两个绕组串联或者并联而成，实现方式通过两只单刀双掷开关实现。当输出电压高于目标电压时，A开关打到该开关的1号位，B开关打到该开关的2号位，使得两绕组实现并联，高压侧和低压侧匝比变大，实现低电压输出。当输出电压低于目标电压时，A开关打到该开关的2号位，B开关打到该开关的1号位，使得两绕组串联，高压侧和低压侧匝比变小，能够满足高电压下的恒功率输出。反之，当想要输入不同电压等级时，也使用相同的操作，从而实现宽电压，满功率输入。
应用于双高频变压器中的绕组切换方法包括如下步骤：
步骤1、将LLC高频变压器高压侧或低压侧绕组分为两个绕组；
步骤2、将两个高频变压器的高压绕组和低压绕组进行串联并联组合；
步骤3、开关电源在不同的电压等级下进行充电或放电。
本发明第三实例（双变压器高压侧宽输入输出电路原理图）的工作原理图如图3所示，若要满足高压侧的宽电压输入输出，当输入电压高于目标电压时，A开关打到该开关的2号位，B开关打到该开关的1号位，使得两高频变压器的高压绕组串联，每个高压绕组分得一半电压，使得输出电压维持恒定。当输入电压低于目标电压时，A开关打到该开关的1号位，B开关打到该开关的2号位，使得两高频变压器的低压绕组并联，此时两个变压器高低压侧均并联，等效为一个变压器，保持输出电压恒定。反向传输时，也使用相同的操作，从而实现宽电压的输入输出。
本发明第四实例（双变压器低压侧宽输入输出电路原理图）的工作原理图如图4所示，若要满足低压侧的宽电压输入输出，当输出电压低于目标电压时，A开关打到该开关的2号位，B开关打到该开关的1号位，使得两高频变压器的低压绕组串联，提高输出电压。当输出电压高于目标电压时，A开关打到该开关的1号位，B开关打到该开关的2号位，使得两高频变压器的低压绕组并联，此时两个变压器高低压侧均并联，等效为一个变压器，保持输出电压恒定。反向传输时，也使用相同的操作，从而实现宽电压的输入输出。
以美标市电和国标市电为例，120V和230V输入经PFC升压整流之后分别得到200-240V母线和380-420V母线作为高压侧输入，最后输出50V左右电压给电池充电。根据LLC谐振电路设计变压器的高压侧和低压侧匝比分别为4:1和8:1，则可以将高压侧绕组分为匝数相等的两个绕组。同时也可以采用两只均为4:1匝比的高频变压器方案，从而对于不同的市电等级采用不同的绕组连接方式，以国标使用则串联两绕组，串联方式如实例一和实例三所述，能够满足满功率输入。以美标使用则并联两绕组，并联方式如实例一和实例三所述，同样能够满足满功率输入。
综上所述，本申请提供两种方案选择，一种属于单高频变压器，将LLC高频变压器高压侧或低压侧绕组分为两个绕组，两绕组针对不同的输入电压调节串并联方式，从而调节高压侧与低压侧匝比，使得开关电源可以在不同的电压等级下进行充电。反之，放电时同样通过调节高压侧绕组的串并联方式从而输出不同的电压，并且此过程中能够保证产品的满功率输入输出。另一种属于双高频变压器，将两个高频变压器的高压绕组和低压绕组进行串联并联组合，使得开关电源可以在不同的电压等级下进行输入输出。
专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
应理解，本发明的发明内容及实施例中各步骤的序号的大小并不绝对意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
Claims (4)
1.一种应用于LLC高频变压器的绕组切换方法，该方法应用于单高频变压器，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1、将LLC高频变压器高压侧绕组或低压侧绕组分为两个绕组；
步骤2、两绕组针对不同的输入电压调节串并联方式，以调节高压侧与低压侧匝比；
步骤3、开关电源在不同的电压等级下进行充电或放电；
在步骤2中，两绕组针对不同的输入电压调节串并联方式，具体包括：若要满足高压侧或低压侧的宽电压输入输出，LLC高频变压器做成三绕组变压器，其中高压侧绕组或低压侧绕组由所述三绕组变压器中的两个绕组串联或者并联而成，实现方式通过两只单刀双掷开关实现；
所述通过两只单刀双掷开关实现，包括：若要满足高压侧宽电压输入输出，当输入电压高于目标电压时，单刀双掷开关A打到该单刀双掷开关A的2号位，单刀双掷开关B打到该单刀双掷开关开关B的1号位，使得两绕组实现串联，高压侧和低压侧匝比变大，实现恒定电压输出；当输入电压低于目标电压时，单刀双掷开关A打到该单刀双掷开关A的1号位，单刀双掷开关B打到该单刀双掷开关B的2号位，使得两绕组并联，高压侧和低压侧匝比变小，并且增大电流密度；
所述通过两只单刀双掷开关实现，包括：若要满足低压侧宽电压输入输出，当输出电压高于目标电压时，单刀双掷开关A打到该单刀双掷开关A的1号位，单刀双掷开关B打到该单刀双掷开关开关B的2号位，使得两绕组实现并联，高压侧和低压侧匝比变大，实现低电压输出；当输出电压低于目标电压时，单刀双掷开关A打到该单刀双掷开关A的2号位，单刀双掷开关B打到该单刀双掷开关B的1号位，使得两绕组串联，高压侧和低压侧匝比变小，能够满足高电压下的恒功率输出；
将LLC高频变压器高压侧绕组或低压侧绕组分为两个绕组，两绕组针对不同的输入电压调节串并联方式，从而调节高压侧与低压侧匝比，使得开关电源可以在不同的电压等级下进行充电；反之，放电时同样通过调节高压侧绕组的串并联方式从而输出不同的电压，并且此过程中能够保证LLC高频变压器的满功率输入输出。
2.一种应用于LLC高频变压器的绕组切换方法，该方法应用于双高频变压器，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1、将LLC高频变压器高压侧绕组或低压侧绕组分为两个绕组；
步骤2、将两个高频变压器的高压侧绕组和低压侧绕组进行串联并联组合；
步骤3、开关电源在不同的电压等级下进行充电或放电；
在步骤2中，将两个高频变压器的高压侧绕组和低压侧绕组进行串联并联组合，具体包括：若要满足高压侧或低压侧的宽电压输入输出，LLC谐振电路需要两个高频变压器，分别对两个高频变压器的高压侧和低压侧进行串联并联调节，实现方式通过两只单刀双掷开关实现；
所述通过两只单刀双掷开关实现，包括：若要满足高压侧的宽电压输入输出，当输入电压高于目标电压时，单刀双掷开关A打到该单刀双掷开关A的2号位，单刀双掷开关B打到该单刀双掷开关B的1号位，使得两高频变压器的高压侧绕组串联，每个高压侧绕组分得一半电压，使得输出电压维持恒定；
所述通过两只单刀双掷开关实现，包括：当输入电压低于目标电压时，单刀双掷开关A打到该单刀双掷开关A的1号位，单刀双掷开关B打到该单刀双掷开关B的2号位，使得两高频变压器的低压侧绕组并联，此时两个高频变压器的高压侧和低压侧均并联，等效为一个高频变压器，保持输出电压恒定；
将两个高频变压器的高压侧绕组和低压侧绕组进行串联并联组合，使得开关电源可以在不同的电压等级下进行输入输出。
3.一种应用于LLC高频变压器的绕组切换装置，该装置用于实现如权利要求1所述的绕组切换方法，其特征在于，根据LLC谐振电路设计高频变压器的高压侧和低压侧匝比分别为4:1和8:1，将高压侧绕组或者低压侧绕组分为匝数相等的两个绕组。
4.一种应用于LLC高频变压器的绕组切换装置，该装置用于实现如权利要求2所述的绕组切换方法，其特征在于，根据LLC谐振电路设计双高频变压器的连接方式，不改变单个高频变压器的匝比，将高压侧或者低压侧进行分压处理。
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