CN218850633U - Llc谐振变换器及工业电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电力电子领域，具体涉及一种LLC谐振变换器及工业电源，所述LLC谐振变换器包括半桥逆变电路、谐振电路、隔离变压器、半桥整流电路和母线电容，所述半桥逆变电路分别与电源和所述谐振电路连接，所述谐振电路通过所述隔离变压器连接所述半桥整流电路，所述半桥整流电路通过所述母线电容连接负载；其中，所述母线电容由多个同型号电容并联组成。本实用新型将用于滤波的母线电容由一个电容改为多个同型号电容并联，电容容量不变的情况下减小了母线电容的整体内阻，从而提高了LLC谐振变换器的低频响应快速性。

Description

LLC谐振变换器及工业电源

技术领域

本实用新型涉及电力电子领域，特别是涉及一种LLC谐振变换器及工业电源。

背景技术

随着5G通讯技术和新能源电车技术快速发展和普及，直流变换器的应用数量越来越多的同时也消耗了大量的电能，LLC谐振变换器因降低了开关管的导通损耗、提高了直流变换器的效率而备受技术人员的青睐，现有技术人员在提高LLC谐振变换器效率的同时对性能指标也有更高的要求，尤其是整个LLC谐振变换器的低频响应速度。

在实现本实用新型实施例的过程中，发明人发现：现有LLC谐振变换器的低频响应速度无法达到预期。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型实施例提供了一种LLC谐振变换器及工业电源，克服了上述问题或者至少部分地解决了上述问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种LLC谐振变换器，所述LLC谐振变换器包括半桥逆变电路、谐振电路、隔离变压器、半桥整流电路和母线电容，所述半桥逆变电路分别与电源和所述谐振电路连接，所述谐振电路通过所述隔离变压器连接所述半桥整流电路，所述半桥整流电路通过所述母线电容连接负载；其中，所述母线电容由多个同型号电容并联组成。

在一种可选的方式中，所述半桥逆变电路包括MOS管T1和MOS管T2，所述MOS管T1的漏极分别与所述电源的正极和所述谐振电路连接，所述MOS管T1的源极与所述MOS管T2的漏极连接，所述MOS管T2的源极分别与所述电源的负极和所述谐振电路连接。

在一种可选的方式中，所述MOS管T1还包括结电容C1和寄生二极管D1，所述MOS管T2还包括结电容C2和寄生二极管D2。

在一种可选的方式中，所述谐振电路包括：谐振电容、谐振电感Lr；所述谐振电容连接所述半桥逆变电路和所述隔离变压器，所述谐振电感Lr的第一端连接所述MOS管T1和所述MOS管T2的公共端，所述谐振电感Lr的第二端连接所述隔离变压器。

在一种可选的方式中，所述谐振电容包括第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2；所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2串联后的两端分别连接所述MOS管T1的漏极和所述MOS管T2的源极，所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2的公共端连接所述隔离变压器的原边。

在一种可选的方式中，所述隔离变压器的原边包括励磁电感Lm；所述励磁电感Lm的第一端连接所述谐振电感Lr的第二端，所述励磁电感Lm的第二端连接所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2的公共端。

在一种可选的方式中，所述半桥整流电路包括：二极管D3和二极管D4；所述二极管D3的阳极和所述二极管D4的阳极分别连接所述隔离变压器的副边线圈的两端，所述二极管D3的阴极分别连接所述二极管D4的阴极和所述母线电容。

在一种可选的方式中，所述多个同型号电容并联的母线电容的第一端分别连接所述二极管D3和所述二极管D4的公共端，所述多个同型号电容并联的母线电容的第二端连接所述隔离变压器的副边线圈的中点，所述多个同型号电容并联的母线电容的两端还分别连接所述负载的两端。

根据本实用新型实施例的另一个方面，提供了一种工业电源，所述工业电源包括以上任一项所述的LLC谐振变换器。

区别于相关技术的情况，本实用新型提供一种LLC谐振变换器及工业电源，所述LLC谐振变换器将用于滤波的母线电容由一个电容改为多个同型号电容并联，电容容量不变的情况下减小了母线电容的整体内阻，从而提高了LLC谐振变换器的低频响应快速性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种LLC谐振变换器的结构框图；

图2是本实用新型实施例提供的图1中LLC谐振电路的电路结构图；

图3是本实用新型提供的在不同母线电容的整体内阻下的幅频曲线简图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。

在负载大的情况下，LLC谐振变换器通过谐振电路发生谐振能实现开关管的零电压开通，大大降低了开关管的导通损耗，在直流变换器的数量日益增长的同时节约了巨大的电能，但现有LLC谐振变换器的低频响应速度并未达到最优，因此本实用新型提出了一种LLC谐振变换器，将现有LLC谐振变换器中用于滤波的母线电容由一个电容改为多个同型号电容并联，电容容量不变的情况下减小了母线电容的整体内阻，从而提高了LLC谐振变换器的低频响应快速性。

请参阅图1，本实用新型实施例提供一种LLC谐振变换器1，所述谐振变换器1包括半桥逆变电路11、谐振电路12、隔离变压器13、半桥整流电路14和母线电容15，所述半桥逆变电路11分别与电源和所述谐振电路12连接，所述谐振电路12通过所述隔离变压器13连接所述半桥整流电路14，所述半桥整流电路14通过所述母线电容15连接负载；其中，所述母线电容15由多个同型号电容并联组成；所述电源由交流电源和直流电源组成，所述直流电源为主，所述交流电源相当于所述直流电源具有小于5％的交流纹波；所述负载具体可以为用电设备。

具体的，所述半桥逆变电路11用于将直流电信号逆变成方波交流电信号，所述谐振电路12用于将所述方波电信号转换成正弦电信号，所述隔离变压器13用于调整所述正弦电信号，所述半桥整流电路14用于将所述调整后的正弦电信号整流为脉动电信号，所述母线电容15用于将所述脉动电信号转换成平滑的直流电信号供给负载，其中，所述母线电容15由多个同型号电容并联而成，使得所述母线电容15容值不变的情况下，整体内阻esr减小，以提高整个系统的低频响应快速性。

请参阅图2，图2提供了LLC谐振变换器1的电路结构图。

所述半桥逆变电路11包括MOS管T1和MOS管T2，所述MOS管T1的漏极分别与所述电源的正极和所述谐振电路12连接，所述MOS管T1的源极与所述MOS管T2的漏极连接，所述MOS管T2的源极分别与所述电源的负极和所述谐振电路12连接。所述MOS管T1有内置的寄生二极管D1和结电容C1，所述MOS管T2有内置的寄生二极管D2和结电容C2。

其中，所述结电容C1并联在所述MOS管T1的漏极和源极两端，所述寄生二极管D1的阳极连接所述MOS管T1的源极，所述寄生二极管D1的阴极连接所述MOS管T1的漏极；所述结电容C2并联在所述MOS管T2的漏极和源极两端，所述寄生二极管D2的阳极连接所述MOS管T2的源极，所述寄生二极管D2的阴极连接所述MOS管T2的漏极。

具体的，所述MOS管T1和所述MOS管T2串联组成半桥，具体可以用50％的PWM波控制所述半桥的MOS管T1和MOS管T2交替导通，在所述MOS管T1和所述MOS管T2的关断或开通的过程中，所述结电容C1和所述结电容C2为相应的MOS管提供充电或放电回路，实现开关过程中所述MOS管T1和所述MOS管T2的零电压开通，降低了MOS管的导通损耗，所述寄生二极管D1和所述寄生二极管D2用于实现死区时间内的续流工作，即所述MOS管T1、所述MOS管T2及其相应的寄生二极管和结电容一起受控产生方波交流信号。其中，所述开关MOS管T1和所述开关MOS管T2为理想元件，寄生二极管和结电容的参数不影响谐振，所述MOS管T1和所述MOS管T2交替导通的频率即为所述LLC谐振变换器1的工作频率，所述死区时间为所述MOS管T1和所述MOS管T2均不导通的时间，即所述结电容C1和所述结电容C2的充放电时间，设置死区时间是为了防止短路时大电流烧坏所述MOS管T1和所述MOS管T2。

所述谐振电路12包括谐振电容、谐振电感Lr，所述谐振电容连接所述半桥逆变电路11和所述隔离变压器13，所述谐振电感Lr的第一端连接所述MOS管T1和所述MOS管T2的公共端，所述谐振电感Lr的第二端连接所述隔离变压器13。所述谐振电容包括第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2，所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2串联后的两端分别连接所述MOS管T1的漏极和所述MOS管T2的源极，所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2的公共端连接所述隔离变压器13的原边。其中，所述隔离变压器13的原边具体为励磁电感Lm，所述励磁电感Lm的第一端连接所述谐振电感Lr的第二端，所述励磁电感Lm的第二端连接所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2的公共端。

具体的，所述方波交流电信号输入至所述谐振电路12发生谐振，所述谐振电路12能滤除高次谐波，因此只输出正弦电信号。由于谐振作用，所述谐振电路12中电流的相位滞后于电压相位一定角度，以实现所述MOS管T1和所述MOS管T2的零电压开通。所述隔离变压器13具体为隔离变压器Trfmr，所述励磁电感Lm为所述隔离变压器Trfmr的原边电感，满足预设条件则所述励磁电感Lm参与谐振，其中，所述预设条件为所述隔离变压器Trfmr的原边与副边分隔开，所述隔离变压器Trfmr的副边电路不影响所述隔离变压器Trfmr的原边电路；当所述励磁电感Lm不参与谐振时，即所述励磁电感Lm被所述输出平滑的直流电信号钳位，所述谐振电容和所述谐振电感Lr组成的串联谐振电路进行谐振。

所述隔离变压器用于调整所述正弦电信号的波形幅度至一预设值，所述预设值可根据实际情况进行设置，本公开不作具体限定。其中，所述隔离变压器Trfmr为副边匝数相等的中心抽头变压器，所述隔离变压器Trfmr的副边线圈只有一半构成回路。例如：当所述MOS管T1导通，所述MOS管T2断开，所述谐振电路12输出的正弦电信号输入至所述隔离变压器Trfmr的原边时，所述隔离变压器Trfmr的副边只有上半部分的线圈接入电路。

所述半桥整流电路14包括：二极管D3和二极管D4，所述二极管D3的阳极和所述二极管D4的阳极分别连接所述隔离变压器13的副边线圈的两端，所述二极管D3的阴极分别连接所述二极管D4的阴极和所述母线电容15。

具体的，所述调整后的正弦电信号输入至所述半桥整流电路14，所述二极管D3和所述二极管D4利用二极管的单向导电性对所述调整后的正弦电信号进行全波整流，以输出脉动电信号，所述脉动电信号表示所述正弦电信号经过全波整流后下半部分波形翻转上去，即输出波形一直为正。

所述母线电容15为所述多个同型号电容并联组成，所述多个同型号电容并联后的第一端分别连接所述二极管D3和所述二极管D4的公共端，所述多个同型号电容并联后的第二端连接所述隔离变压器的副边线圈的中点，所述多个同型号电容并联后的两端还分别连接所述负载的两端。需要注意的是，图2中所述母线电容15具体包括电容Co1、电容Co2和电容Co3，但所述电容的数量并不固定，例如：所述母线电容15具体可以由四个同型号电容并联组成。

具体的，所述母线电容15用于滤除所述脉动电信号中的交流成分，使输出的直流更平滑。现有技术中常用一个大电容作为母线电容进行滤波，本申请中的母线电容为多个同型号电容并联，因为同一规格的电容内阻基本一致，所以所述多个同型号电容并联比一个容量相同的大电容的整体内阻esr小很多。所述大电容与多个同型号电容并联的电容容量相等，同容量下整体内阻esr的数值越小电容的滤波能力越强，因此输出的所述平滑的直流电信号的纹波小，所述母线电容15的滤波能力更强。需要说明的是，图2电路中所示的电阻均为相应电容或电感的内阻，在电路中没有实际连接关系，便于分析才将内阻可视化，例如：电阻Ro1为电容Co1的内阻，RLr为谐振电感Lr的内阻。

所述母线电容作为滤波器的传递函数为G(S)＝S*Rc*C+1，其中，G(S)表示输出值与输入值的比值，所述C为所述母线电容的电容值，所述Rc等于母线电容的整体内阻esr，所述S为一个复变量，表示拉普拉斯变换的特性，所述S具体为jw，所述w为所述工作频率，所述j包含相位信息。所述传递函数G(S)有一个零点，零初始条件下所述工作频率使输出为零时，此工作频率即为零点，所述零初始条件表示所述LLC谐振变换器1中的储能元件自身初始无储能，具体可以为所述母线电容15中的同型号电容。

幅频特征是频率w的函数，因而可以用曲线表示幅频特征随频率变换的关系，即为幅频曲线，所述幅频曲线表示频率响应的幅度随频率变化的曲线。根据所述传递函数获取所述母线电容15作为滤波器的幅频曲线，所述幅频曲线可作为技术指标检测设计的滤波器是否满足要求。请参阅图3，所述w为所述LLC谐振变换器1的工作频率，L(w)为所述w由0到∞变化时，所述传递函数G(S)的变化特征，如图3所示，多电容并联的幅频曲线相较于单电容的幅频曲线零点发生右移，使得原来的幅频曲线在原点附近略微提高，从而提高了整个系统的低频响应快速性。

本实用新型实施例提供了一种LLC谐振变换器，所述LLC谐振变换器包括半桥逆变电路、谐振电路、隔离变压器、半桥整流电路和母线电容，所述半桥逆变电路分别与电源和所述谐振电路连接，所述谐振电路通过所述隔离变压器连接所述半桥整流电路，所述半桥整流电路通过所述母线电容连接负载；其中，所述母线电容由多个同型号电容并联组成。相比于现有技术，本实用新型将LLC谐振变换器中用于滤波的母线电容由一个电容改为多个同型号电容并联，电容容量不变的情况下减小了母线电容的整体内阻，从而提高了整个LLC谐振变换器的低频响应快速性。

本实用新型实施例提供一种工业电源，所述工业电源包括上述实施例中所述的LLC谐振变换器，未在本实施例中详尽描述的技术细节和有益效果可参见本实用新型实施例所提供的所述LLC谐振变换器。

需要说明的是，在上述各个实施例中，上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序，本领域普通技术人员，根据本申请实施例的描述可以理解，不同实施例中，上述各步骤可以有不同的执行顺序，亦即，可以并行执行，亦可以交换执行等等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种LLC谐振变换器，其特征在于，所述LLC谐振变换器包括半桥逆变电路、谐振电路、隔离变压器、半桥整流电路和母线电容，所述半桥逆变电路分别与电源和所述谐振电路连接，所述谐振电路通过所述隔离变压器连接所述半桥整流电路，所述半桥整流电路通过所述母线电容连接负载；

其中，所述母线电容由多个同型号电容并联组成。

2.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述半桥逆变电路包括MOS管T1和MOS管T2，所述MOS管T1的漏极分别与所述电源的正极和所述谐振电路连接，所述MOS管T1的源极与所述MOS管T2的漏极连接，所述MOS管T2的源极分别与所述电源的负极和所述谐振电路连接。

3.根据权利要求2所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述MOS管T1还包括结电容C1和寄生二极管D1，所述MOS管T2还包括结电容C2和寄生二极管D2。

4.根据权利要求2所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述谐振电路包括：谐振电容、谐振电感Lr；

所述谐振电容连接所述半桥逆变电路和所述隔离变压器，所述谐振电感Lr的第一端连接所述MOS管T1和所述MOS管T2的公共端，所述谐振电感Lr的第二端连接所述隔离变压器。

5.根据权利要求4所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述谐振电容包括第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2；

所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2串联后的两端分别连接所述MOS管T1的漏极和所述MOS管T2的源极，所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2的公共端连接所述隔离变压器的原边。

6.根据权利要求5所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述隔离变压器的原边包括励磁电感Lm；

所述励磁电感Lm的第一端连接所述谐振电感Lr的第二端，所述励磁电感Lm的第二端连接所述第一谐振电容Cr1和所述第二谐振电容Cr2的公共端。

7.根据权利要求3所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述半桥整流电路包括：二极管D3和二极管D4；

所述二极管D3的阳极和所述二极管D4的阳极分别连接所述隔离变压器的副边线圈的两端，所述二极管D3的阴极分别连接所述二极管D4的阴极和所述母线电容。

8.根据权利要求7所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述多个同型号电容并联后的第一端分别连接所述二极管D3和所述二极管D4的公共端，所述多个同型号电容并联后的第二端连接所述隔离变压器的副边线圈的中点，所述多个同型号电容并联后的两端还分别连接所述负载的两端。

9.一种工业电源，其特征在于，所述工业电源包括权利要求1-8任一项所述的LLC谐振变换器。

Images