CN210867516U - 一种基于交流开关切换宽电压范围llc变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，属于变流器技术领域。包括原边H桥电路、包含中性点的直流电容桥臂、交流开关电路、副边半桥电路、共享分裂谐振电容的LLC谐振腔和隔离变压器；原边H桥电路和直流电容桥臂连接输入端电源两端；隔离变压器的原边同名端接原边H桥电路的左半桥中点，隔离变压器的原边非同名端接原边H桥电路的右半桥中点，同时交流开关连接原边H桥左半桥电路和直流电容桥臂中性点；隔离变压器的副边同名端接对应LLC谐振腔谐振电感一端，谐振电感另一端连接副边半桥中点；隔离变压器的副边非同名端接分裂谐振电容串中点。本实用新型电路具有开关损耗小，效率高，双向供电等优点。

Description

一种基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器

技术领域

本实用新型涉及一种基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，属于变流器技术领域。

背景技术

近年来，为提高变流器的开关频率以提高变流器的功率密度，零电压导通(zerovoltage switching, ZVS)或零电流关断(zerocurrent switching, ZCS)等软开关技术得到广泛应用，降低了开关损耗，提高了变流器效率。学者提出了基于PWM技术的移相全桥(phaseshift full-bridge, PSFB) DC-DC变流器，通过控制两桥臂驱动脉冲的移相角度实现PSFB DC-DC变流器输出电压的控制；PSFB DC-DC变流器具有结构简单、易实现软开关、效率高等优点，但低载时软开关区域会变小，甚至不能实现软开关，导致变流器故障。LLC谐振软开关变流器一般采用脉冲频率调制(pulse frequency modulation, PFM)控制输出电压，任何负载率时都可实现软开管，但输入电压变化大时，往往导致较大的频率变化。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述不足之处，提供一种基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，从实用性需求出发利用开关切换和LLC变频调压的优势，并结合交流开关切换实现全桥和半桥的快速切换，变流器宽范围内稳定输出，以及变流器宽电压范围内调压控制和软开关。

本实用新型是采取以下技术方案实现的：

一种基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，其内部电路包括1个原边H桥电路、1个包含中性点的直流电容桥臂、1个交流开关电路、1个副边半桥电路、1个共享分裂谐振电容的LLC谐振腔和1个隔离变压器；

所述原边H桥电路和包含中性点的直流电容桥臂分别与输入端电源两端相连；

原边H桥电路由4只MOSFET管搭建而成；副边半桥电路由2只MOSFET管搭建而成；

共享分裂谐振电容的LLC谐振腔由谐振电感、2个分裂谐振电容以及隔离变压器的励磁电感构成；

所述隔离变压器的原边同名端接原边H桥电路的左半桥中点，隔离变压器的原边非同名端接原边H桥电路的右半桥中点，同时交流开关连接原边H桥电路的左半桥和直流电容桥臂中性点；隔离变压器的原边同名端接原边H桥电路的左半桥中点；隔离变压器的副边同名端与对应LLC谐振腔的谐振电感一端相连，谐振电感另一端连接副边半桥中点；隔离变压器的副边非同名端接分裂谐振电容串的中点；

交流开关电路由2只MOSFET管反向串联组成；

副边半桥电路和分裂谐振电容串的直流两端分别与输出直流两端相连，输出直流两端与输出电容和等值负载电阻并联连接。

所述变流器原边H桥电路和副边半桥电路由50%占空比的高频PWM信号控制，所述高频PWM信号用于控制所述原边H桥电路和副边半桥电路中MOSFET管交替导通。

当原边H桥电路施加PWM信号，副边半桥电路运行于同步整流，实现LLC功率正向模式；当副边半桥电路施加PWM信号，原边H桥电路运行于同步整流，实现LLC功率反向模式。

所述隔离变压器的变比为n:1，其中n大于0。

当交流开关电路闭锁时，原边H桥电路的4个MOSFET管工作于全桥模式；当交流开关电路运行时，原边H桥左半桥电路闭锁，原边H桥右半桥电路2个MOSFET工作于半桥模式。

当电压增益位于0.5-0.75时，变流器运行于半桥模式；当电压增益位于0.75-1.3时，变流器运行于全桥模式。

所述电压增益也就是电压的放大倍数，计算公式是：Au=输出电压/输入电压；在本实用新型中，当功率正向时，电压增益为输出值Uo的参考值和n的乘积与实际输入值Ui的比值；当功率反向时，电压增益为输入值Ui的参考值与输出值Uo和n的乘积的比值。

本实用新型和现有技术相比较，开关损耗小，效率高，结构简单，具体的具备以下优点：

1、充分发挥LLC电路变频调压功能，控制简单，轻载或额定电压点效率高；

2、利用交流开关切换功能，实现电压大变化范围调压；

3、全负载范围、全工作电压范围内实现软开关技术。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型做进一步说明：

图1为本实用新型的一种基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器的电路原理图。

图2为本实用新型运行在正向全桥LLC模式时的PWM信号图。

图3为本实用新型运行在正向半桥LLC模式时的PWM信号图。

图4为本实用新型运行在正向全桥LLC模式且电流正向时的电路原理图。

图5为本实用新型运行在正向全桥LLC模式且电流反向时的电路原理图。

图6为本实用新型运行在正向半桥LLC运行模式且电流正向时的电路原理图。

图7为本实用新型运行在正向半桥LLC运行模式且电流反向时的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进详细的说明。需要说明的是以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

参见图1，本实用新型一种基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，由1个原边H桥电路、1个包含中性点的直流电容桥臂、1个交流开关电路、1个副边半桥电路、1个共享分裂谐振电容的LLC谐振腔和1个隔离变压器。

所述原边H桥电路包括2只MOSFET管，分别是S1-S4；包含中性点的直流电容桥臂，具有电容C1和C2。MOSFET管S1、S3的D极和电容C1的一端连接输入正母线，MOSFET管S2、S4的S极和电容C2一端连接输入副母线，MOSFET管S1的S极和MOSFET管S2的D极组成原边左半桥中点，MOSFET管S3的S极和MOSFET管S4的D极组成原边右半桥中点，电容C1的另一端和电容C2另一端组成电容串的中点。

MOSFET管Ss1的D极和电容Cr1一端连接输出正母线，MOSFET管Ss2的S极和电容Cr2一端连接输出副母线，MOSFET管Ss1的S极和MOSFET管Ss2的D极组成副边半桥电路中点，电容Cr1的另一端和电容Cr2另一端组成谐振电容串的中点。

所述LLC谐振腔的电路包括谐振电感Lr1、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、以及隔离变压器T1的励磁电感Lm1，隔离变压器T1原边的同名端连接原边H桥左半桥电路的中点，隔离变压器T1原边的非同名端连接原边H桥右半桥电路的中点；隔离变压器T1副边的同名端连接谐振电感Lr1的一端，谐振电感Lr1的另一端连接副边半桥电路的MOSFET管Ss1和MOSFET管Ss2的中点，隔离变压器T1副边的非同名端连接谐振电容串Cr1和Cr2的中点。

所述交流开关电路包括2只MOSFET管，分别是MOSFET管S5和MOSFET管S6，MOSFET管S5的D极连接电容C1和电容C2电容串的中点，MOSFET管S5的S极连接MOSFET管S6的S极，MOSFET管S6的D极连接原边H桥左半桥电路的中点。

所述隔离变压器T1的励磁电感Lm1是变压器自身寄生的特性参数，不需要单独在变压器外部设置。

如图2、图3所示，本实用新型中，半桥和全桥模式切换的原理如下：当运行在半桥模式时，MOSFET管S5和MOSFET管S6的驱动信号为常开通状态，且MOSFET管S1和MOSFET管S2的驱动信号闭锁；当运行在全桥模式时，MOSFET管S5和MOSFET管S6的驱动信号为闭锁状态，MOSFET管S3和MOSFET管S4的驱动信号互补，且MOSFET管S3与MOSFET管S1有一定移相角。

当本实用新型变流器在LLC模式运行时，如果忽略微小的死区时间，所述频率变化的PWM信号用于控制所述原边H桥电路或副边半桥电路中的MOSFET器件交替导通。根据输出电压反馈，利用输出电压闭环控制器实时调整开关频率和S1与S3之间的移相角，实现输出电压精确控制。如图2所示，当变流器正功率LLC模式运行时，提供能量侧的功率器件MOSFET管S3-S4或MOSFET管S1-S4由50%占空比且频率变化的PWM信号控制，功率器件MOSFET管Ss1和MOSFET管Ss2也由对应50%占空比且频率变化的PWM信号控制，但MOSFET管Ss1和MOSFET管Ss2运行于同步整流器模式，即MOSFET管Ss1和MOSFET管Ss2仅是跟踪MOSFET管S1和MOSFET管S2信号，且存在死区；如果功率反向，MOSFET管Ss1和MOSFET管Ss2由50%占空比且频率变化的PWM信号控制，MOSFET管S3-S4或MOSFET管S1-S4运行于同步整流器模式。

本实用新型变流器如果忽略微小的死区时间，如图4所示，当变流器全桥模式运行，正向功率且当电流为正时，此时谐振电感Lr1、谐振电容Cr2和谐振电容Cr1参与谐振，电源通过MOSFET管S1和MOSFET管S4为隔离变压器一次侧提供能量，因而能量传递至隔离变压器二次侧，二次侧电流从隔离变压器T1同名端出发经过谐振电感Lr1、MOSFET管Ss1、谐振电容Cr1与Cr2、电容C3和负载回到隔离变压器T1非同名端。如图5所示，正向功率且当电流为负时，此时谐振电感Lr1、谐振电容Cr2和谐振电容Cr1参与谐振，电源通过MOSFET管S2和MOSFET管S3为隔离变压器T1一次侧提供能量，因而能量传递至隔离变压器T1二次侧，二次侧电流从隔离变压器T1非同名端出发经过MOSFET管Ss2、电容C3和负载、谐振电容Cr1与Cr2、谐振电感Lr1回到隔离变压器T1同名端。同理，LLC运行模式且反向功率流动时，通过MOSFET管Ss1与MOSFET管Ss2的驱动信号互补实现，原边的MOSFET管S1-S4工作在同步整流模式，功率流传递路径类似上述图4、图5。

本实用新型变流器在半桥模式运行时，正向功率且电流为正时，如图6所示，由于MOSFET管S5和MOSFET管S6处于导通状态，MOSFET管S1和MOSFET管S2处于闭锁状态，电源通过MOSFET管S4和电容C2为隔离变压器一次侧提供能量，因而能量传递至隔离变压器二次侧，二次侧电流从隔离变压器T1同名端出发经过电感Lr1、MOSFET管Ss1、电容C3和负载、谐振电容Cr1与Cr2回到隔离变压器T1非同名端。正向功率且电流为负时，如图7所示，由于MOSFET管S5和MOSFET管S6处于导通状态，MOSFET管S1和MOSFET管S2处于闭锁状态，电源通过MOSFET管S3和电容C1为隔离变压器T1一次侧提供能量，因而能量传递至隔离变压器T1二次侧，二次侧电流从隔离变压器T1非同名端出发经过MOSFET管Ss2、电容C3和负载、谐振电容Cr1与Cr2、电感Lr1回到隔离变压器T1同名端。

本实用新型变流器的隔离变压器变比为n:1。当功率正向，Uo的参考值和n乘积与实际输入值Ui的比值位于0.5-0.75之间时；或功率反向，输入值Ui的参考值与Uo和n乘积的比值位于0.5-0.75之间时，变流器运行于半桥模式。当上述比值位于0.75-1.3的其他值时，变流器运行于全桥模式。

Claims (7)

1.一种基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，其特征在于：其内部电路包括1个原边H桥电路、1个包含中性点的直流电容桥臂、1个交流开关电路、1个副边半桥电路、1个共享分裂谐振电容的LLC谐振腔和1个隔离变压器；

所述原边H桥电路和包含中性点的直流电容桥臂分别与输入端电源两端相连；

原边H桥电路由4只MOSFET管搭建而成；副边半桥电路由2只MOSFET管搭建而成；

共享分裂谐振电容的LLC谐振腔由谐振电感、2个分裂谐振电容以及隔离变压器的励磁电感构成；

所述隔离变压器的原边同名端接原边H桥电路的左半桥中点，隔离变压器的原边非同名端接原边H桥电路的右半桥中点，同时交流开关连接原边H桥电路的左半桥和直流电容桥臂中性点；隔离变压器的原边同名端接原边H桥电路的左半桥中点；隔离变压器的副边同名端接对应LLC谐振腔谐振电感一端，谐振电感另一端连接副边半桥中点；隔离变压器的副边非同名端接分裂谐振电容串中点；

交流开关电路由2只MOSFET管反向串联组成；

副边半桥电路和分裂谐振电容串的直流两端分别与输出直流两端相连，输出直流两端与输出电容和等值负载电阻并联连接。

2.根据权利要求1所述的基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，其特征在于：所述变流器原边H桥电路和副边半桥电路由50%占空比的高频PWM信号控制，所述高频PWM信号用于控制所述原边H桥电路和副边半桥电路中MOSFET管交替导通。

3.根据权利要求2所述的基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，其特征在于：当原边H桥电路施加PWM信号，副边半桥电路运行于同步整流，实现LLC功率正向模式；当副边半桥电路施加PWM信号，原边H桥电路运行于同步整流，实现LLC功率反向模式。

4.根据权利要求1所述的基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，其特征在于：所述隔离变压器的变比为n:1，其中n大于0。

5.根据权利要求3所述的基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，其特征在于：功率正向时，电压增益定义为输出电压与变比n之积除以输入电压；功率负向时，电压增益定义为输入电压除以输出电压与变比n之积；电压增益的范围为0.5-1.3。

6.根据权利要求3所述的基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，其特征在于：当交流开关电路闭锁时，原边H桥电路4个MOSFET工作于全桥模式；当交流开关电路运行时，原边H桥左半桥电路闭锁，原边H桥右半桥电路2个MOSFET工作于半桥模式。

7.根据权利要求6所述的基于交流开关切换宽电压范围LLC变流器，其特征在于：当电压增益位于0.5-0.75时，变流器运行于半桥模式；当电压增益位于0.75-1.3时，变流器运行于全桥模式。

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