CN106100344A - 一种具有升高电压增益的llc谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有升高电压增益的LLC谐振变换器，包括直流电源(Vin)、逆变电路、谐振电路、升高电压增益网络、变压器和输出整流滤波电路。直流电源与逆变电路连接，逆变电路上并联有谐振电路，谐振电路与变压器原边绕组串联，谐振电路上连接有升高电压增益网络，变压器副边绕组和输出整流滤波电路相连。本发明的LLC谐振变换器能够在失去交流电的停滞状态，保持较高的电压增益，使变换器在较小的开关频率下都有较高的效率。此拓扑结构简单、频率变化范围窄、效率高，适用于两级变换器和输入电压范围宽的应用场合。

Description

一种具有升高电压增益的LLC谐振变换器
【技术领域】
本发明属于电力电子变换器技术领域，具体涉及一种具有升高电压增益的LLC谐振变换器。
【背景技术】
目前，具有功率因数校正级的两级ac/dc变换器在许多工业场合被广泛应用，PFC级可以获得较高的功率因数，且为后级的DC/DC变换器提供输入电压；后级的DC/DC变换器用于调节稳定的输出电压。由于LLC谐振变换器能够工作在零电压和零电流开关状态，具有高效率、高功率密度、无变压器直流偏置电流等特点而被广泛用于两级结构中。
两级变换器有一个重要的特点是当交流电断电后，输出电压能够保持一段时间，称为停滞时间。为了满足这段停滞时间变换器具有较高的电压增益，保持稳定的输出电压，LLC谐振变换器的设计需要满足较宽的输入电压范围。变换器的电压增益和其品质因数、励磁电感与谐振电感的比值有关系，为获得较大的电压增益，一般可以通过设计较大的品质因数和较小的励磁电感与谐振电感的比值来实现，但这会导致变换器的磁性元件体积庞大。但将变压器的磁性电感设计的较小时，会使变换器有较大的传导和开关损耗，降低其效率。因此为了获得较高的电压增益，且需将变压器的磁性电感设计的较小，这是一个值得研究的问题。
为了使变换器在正常工作时具有较好的性能，且在停滞状态满足电压增益要求，本发明提出了一种具有升高电压增益的LLC谐振变换器，通过一种简单的控制方式，对提高电压增益网络进行控制，使得变换器在较大的变压器磁性电感下具有较高的电压增益，能工作在谐振频率附近，获得较高的效率，且没有变压器直流偏置电流。
【发明内容】
本发明的目的在于解决两级变换器停滞时间电压增益低，变换器效率低的问题，提出了一种具有升高电压增益的LLC谐振变换器。该变换器通过对第三开关MOS管进行PWM控制，将能量从输入端向谐振电路转变，从而升高电压增益；根据输入电压的变化对第四开关MOS管进行控制，通过改变谐振电容大小来实现高电压增益。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种具有升高电压增益的LLC谐振变换器，包括直流电源、逆变电路、谐振电路、升高电压增益网络以及输出整流滤波电路；直流电源与逆变电路连接，逆变电路上并联有谐振电路，谐振电路与变压器原边绕组串联，谐振电路上连接有升高电压增益网络，变压器副边绕组和输出整流滤波电路相连。
本发明进一步的改进在于：
所述逆变电路采用半桥逆变电路，开关管采用MOS管，MOS管的漏极和源极之间并联体二极管和寄生电容。
所述半桥逆变电路包括第一开关MOS管、第二开关MOS管、第一体二极管、第二体二极管、第一寄生电容以及第二寄生电容；
第一开关MOS管的漏极与直流电源的正极相连，第二开关MOS管的源极与直流电源的负极相连，且接地；第一开关MOS管的源极和第二开关MOS管的漏极相连，第一体二极管和第一寄生电容并联在第一开关MOS管的源极与漏极之间，且第一体二极管的阳极与第一开关MOS管的源极相连；第二体二极管和第二寄生电容并联在第二开关MOS管的源极与漏极之间，且第二体二极管的阳极与第二开关MOS管的源极相连；谐振电路并联在第一开关MOS管的源极与漏极之间。
所述变压器原变绕组与谐振电路相连，副边绕组与输出整流电路相连。
所述谐振电路包括谐振电容、第一谐振电感以及第二谐振电感；第一谐振电感和谐振电容串联后接在变压器原边绕组的一端，原边绕组的另一端与谐振电感另一端并联在逆变电路的输出端上；第二谐振电感并联在变压器原边绕组的两端。
所述升高电压增益网络包括第三开关MOS管、第四开关MOS管、辅助谐振电容；第三开关MOS管的源极和第二开关MOS管的源极相连，第三开关MOS管的漏极和第一谐振电感与谐振电容连接点相连，第四开关MOS管的源极和第一谐振电感与谐振电容连接点相连，第四开关MOS管的漏极和辅助谐振电容相连，辅助谐振电容的另一端和谐振电容与第二谐振电感的连接点相连；第三体二极管和第三寄生电容并联在第三开关MOS管的源极与漏极之间，且第三体二极管的阳极与第三开关MOS管的源极相连；第四体二极管和第四寄生电容并联在第四开关MOS管的源极与漏极之间，且第四体二极管的阳极与第四开关MOS管的源极相连。
所述整流滤波电路包括第一整流MOS管、第二整流MOS管、第五体二极管、第六体二极管、滤波电容以及输出负载；变压器副边绕组的两端分别与第五MOS管和第六MOS管的漏极相连，第五MOS管和第六MOS管的源极与输出滤波电容一端相连，变压器的两个副边绕组的公共端和输出滤波电容另一端相连，输出负载并联在滤波电容的两端；第五体二极管并联在第一整流开关MOS管的源极与漏极之间，且第五体二极管的阳极与第一整流开关MOS管的源极相连；第六体二极管并联在第二整流开关MOS管的源极与漏极之间，且第六体二极管的阳极与第二整流开关MOS管的源极相连。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明第三开关MOS管的开关通过PWM控制来实现；第四开关MOS管的开关则通过输入电压的变化而变化，而不用占空比控制。这样的控制没有额外的开关损耗，且控制方法简单。由于对称操作使得变压器没有直流偏置电流。当电路工作在正常状态时，本发明能够使半桥LLC谐振变换器在具有较大变压器磁性电感时，也能工作在谐振频率附近，从而变换器具有较高效率。当电路工作在停滞状态时，本发明不仅能够通过开通第三开关MOS管，将能量从输入端向谐振电路传输；而且能够通过开通第四开关MOS管，增加谐振电容，使变换器能够获得较高的电压增益。
【附图说明】
图1为本发明的电路图；
图2为两级结构的ac/dc变换器结构框图；
图3为dc/dc变换器输入电压变化波形图；
图4为本发明的变换器正常操作模态对应波形图；
图5为本发明的变换器停滞操作模态对应波形图。
其中，Q1为第一MOS管；Q2为第二MOS管；Q3为第三MOS管；Q4为第四MOS管；SR1为第一整流MOS管；SR2为第二整流MOS管；C1为第一寄生电容；C2为第二寄生电容；C3为第三寄生电容；C4为第四寄生电容；D1为第一体二极管；D2为第二体二极管；D3为第三体二极管；D4为第四体二极管；D5为第五二极管；D6为第六二极管；Co为输出滤波电容；Ro为输出电阻；Cr为谐振电容；Lr为第一谐振电感；Lm为第二谐振电感；Cr4为辅助谐振电容。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明包括直流电源Vin、逆变电路、谐振电路、升高电压增益网络、输出整流滤波电路。直流电源与逆变电路连接，逆变电路上并联有谐振电路，谐振电路与变压器原边绕组串联，谐振电路上连接有升高电压增益网络，变压器副边绕组和输出整流滤波电路相连。
半桥逆变电路包括第一开关MOS管Ql、第二开关MOS管Q2、第一体二极管Dl、第二体二极管D2、第一寄生电容Cl以及第二寄生电容C2。谐振电路包括谐振电容Cr、第一谐振电感Lr以及第二谐振电感Lm。升高电压增益网络包括第三开关MOS管Q3、第四开关MOS管Q4、辅助谐振电容Cr4、第三体二极管D3、第三寄生电容C3、第四体二极管D4、第四寄生电容C4。整流滤波电路包括第一整流MOS管SR1、第二整流MOS管SR2、第五体二极管D5、第六体二极管D6、滤波电容Co以及输出负载Ro。
如图2所示，此图为两级变换器的结构框图，第一级功率因数校正级可以使输入电流波形满足谐波失真要求，获得高功率因数，为后级DC/DC变换器提供稳定的输入电压Vbus。第二级为DC/DC变换器，可在失去交流电的情况下，通过Cbus中储存的能量精确调节输出电压Vo。本发明提出了一种具有升高电压增益的LLC谐振变换器，可用于两级变换器中，避免了两级变换器在停滞状态的电压增益较低的缺点。
如图3所示，此图是DC/DC变换器输入电压变化波形图，当两级变换器失去交流电的一段时间，其输出电压必须保持一段时间，这段时间被称为停滞时间。在停滞时间内，电容Cbus储存的能量将为LLC谐振变换器提供，以保持稳定的输出电压。因此，DC/DC变换器应满足足够的电压增益来保持稳定的输出电压，本发明则采用附加开关晶体管和辅助电容的方式来获得较大的电压增益。
如图4所示，此图是LLC谐振变换器工作在正常情况下的波形图，在正常的电压操作范围内，附加的第三开关MOS管Q3和第四开关MOS管Q4都处于关断状态。因为C4比Cr小很多，所以C4两端的电压远远小于Cr两端的电压，第四开关MOS管Q4处于截止状态，该状态下的谐振电容为CR＝Cr+Cr4||C4≈Cr。此时的变换器操作就像传统的半桥LLC谐振变换器，其输出电压可通过控制开关频率来控制，变换器工作在谐振频率附近。因此，此种状态下变换器效率较高。
如图5所示，此图是LLC谐振变换器工作在停滞状态的波形图，第四开关MOS管Q4的开关状态将受输入电压的变化而改变，当交流电Vac断电后，DC/DC的输入电压Vbus降到和参考电压Vref相等时，比较器的输出电平将变为高电平，第四开关MOS管Q4被触发导通，此时CR＝Cr+Cr4。因此在停滞状态变换器的谐振电容将增加，使得电路的品质因数降低，变换器将获得较高的电压增益。在停滞状态，随着Vbus的降低，当第一开关MOS管Q1和第二开关MOS管Q2工作在最小开关频率时，变换器将工作在升压模式，此时的第三开关MOS管Q3工作在PWM模式，将能量从输入端向谐振电路转换，再转换为输出电压，使变换器的电压增益升高。这样的设计使得变换器的开关频率操作范围较窄，效率较高。
第四开关MOS管Q4的通断由输入电压Vbus与参考电压Vref的比较来决定，不影响电路的工作模态。第三开关MOS管Q3的通断则通过PWM来控制，对应的波形图如图5所示：
[t0～t1]阶段：在t0时第二MOS管Q2和第三MOS管Q3导通，随着输入电压给第一谐振电感Lr充电，谐振电流iLr逐渐升高，谐振电容给第二谐振电感Lm充电，电流流过第三MOS管Q3和第二MOS管Q2的体二极管。
[t1～t2]阶段：在t1时第三MOS管Q3关断，有较大的谐振电流通过谐振电容Cr、励磁电感Lm、变压器、第二MOS管Q2，则输出端有较大的整流电流，通过开关管SR2给输出电容Co充电。
[t2～t3]阶段：在t2时iLr和iLm相等，变压器原边不向副边传递能量，谐振电容Cr、第一谐振电感Lr和第二谐振电感Lm发生谐振。
[t3～t4]阶段：在t3时第二MOS管Q2关断，第一MOS管Q1开通，第二谐振电感Lm两端的电压被钳位在NVo，输入能量将向变压器副边传递，这个阶段和传统LLC谐振变换器的工作方式相同。
[t4～t5]阶段：在t4时iLr和iLm相等，变压器原边不向副边传递能量，谐振电容Cr、第一谐振电感Lr和第二谐振电感Lm发生谐振。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有升高电压增益的LLC谐振变换器，其特征在于，包括直流电源(Vin)、逆变电路、谐振电路、升高电压增益网络以及输出整流滤波电路；直流电源(Vin)与逆变电路连接，逆变电路上并联有谐振电路，谐振电路与变压器原边绕组串联，谐振电路上连接有升高电压增益网络，变压器副边绕组和输出整流滤波电路相连。
2.根据权利要求1所述的具有升高电压增益的LLC谐振变换器，其特征在于，所述逆变电路采用半桥逆变电路，开关管采用MOS管，MOS管的漏极和源极之间并联体二极管和寄生电容。
3.根据权利要求2所述的具有升高电压增益的LLC谐振变换器，其特征在于：所述半桥逆变电路包括第一开关MOS管(Ql)、第二开关MOS管(Q2)、第一体二极管(Dl)、第二体二极管(D2)、第一寄生电容(Cl)以及第二寄生电容(C2)；
第一开关MOS管(Ql)的漏极与直流电源(Vin)的正极相连，第二开关MOS管(Q2)的源极与直流电源(Vin)的负极相连，且接地；第一开关MOS管(Ql)的源极和第二开关MOS管(Q2)的漏极相连，第一体二极管(Dl)和第一寄生电容(Cl)并联在第一开关MOS管(Ql)的源极与漏极之间，且第一体二极管(Dl)的阳极与第一开关MOS管(Ql)的源极相连；第二体二极管(D2)和第二寄生电容(C2)并联在第二开关MOS管(Q2)的源极与漏极之间，且第二体二极管(D2)的阳极与第二开关MOS管(Q2)的源极相连；谐振电路并联在第一开关MOS管(Q1)的源极与漏极之间。
4.根据权利要求1所述的具有升高电压增益的LLC谐振变换器，其特征在于，所述变压器原变绕组与谐振电路相连，副边绕组与输出整流电路相连。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的具有升高电压增益的LLC谐振变换器，其特征在于，所述谐振电路包括谐振电容(Cr)、第一谐振电感(Lr)以及第二谐振电感(Lm)；第一谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)串联后接在变压器原边绕组的一端，原边绕组的另一端与谐振电感(Lr)另一端并联在逆变电路的输出端上；第二谐振电感(Lm)并联在变压器原边绕组的两端。
6.根据权利要求5任意一项所述的具有升高电压增益的LLC谐振变换器，其特征在于，所述升高电压增益网络包括第三开关MOS管(Q3)、第四开关MOS管(Q4)、辅助谐振电容(Cr4)；第三开关MOS管(Q3)的源极和第二开关MOS管(Q2)的源极相连，第三开关MOS管(Q3)的漏极和第一谐振电感(Lr)与谐振电容(Cr)连接点相连，第四开关MOS管(Q4)的源极和第一谐振电感(Lr)与谐振电容(Cr)连接点相连，第四开关MOS管(Q4)的漏极和辅助谐振电容(Cr4)相连，辅助谐振电容(Cr4)的另一端和谐振电容(Cr)与第二谐振电感(Lm)的连接点相连；第三体二极管(D3)和第三寄生电容(C3)并联在第三开关MOS管(Q3)的源极与漏极之间，且第三体二极管(D3)的阳极与第三开关MOS管(Q3)的源极相连；第四体二极管(D4)和第四寄生电容(C4)并联在第四开关MOS管(Q4)的源极与漏极之间，且第四体二极管(D4)的阳极与第四开关MOS管(Q4)的源极相连。
7.根据权利要求1所述的具有升高电压增益的LLC谐振变换器，其特征在于：所述整流滤波电路包括第一整流MOS管(SR1)、第二整流MOS管(SR2)、第五体二极管(D5)、第六体二极管(D6)、滤波电容(Co)以及输出负载(Ro)；变压器副边绕组的两端分别与第五MOS管(SR1)和第六MOS管(SR2)的漏极相连，第五MOS管(SR1)和第六MOS管(SR2)的源极与输出滤波电容(Co)一端相连，变压器的两个副边绕组的公共端和输出滤波电容(Co)另一端相连，输出负载(Ro)并联在滤波电容(Co)的两端；第五体二极管(D5)并联在第一整流开关MOS管(SR1)的源极与漏极之间，且第五体二极管(D5)的阳极与第一整流开关MOS管(SR1)的源极相连；第六体二极管(D6)并联在第二整流开关MOS管(SR2)的源极与漏极之间，且第六体二极管(D6)的阳极与第二整流开关MOS管(SR2)的源极相连。
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