CN107911027A - 一种定频准谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有LLC谐振变换器工作时开关频率调整范围大及负载变化对变换器带来不利影响的问题，本发明提供一种定频准谐振变换器，属于开关电源技术领域。本发明包括逆变电路、LLC谐振网络和输出电路，直流电压依次经过逆变电路、LLC谐振网络和输出电路后输出电压，所述LLC谐振网络的谐振电容采用可调电容模块实现，用于调节谐振电容的等效电容值，还包括可调电感模块，所述可调电感模块与LLC谐振网络的谐振电感并联连接。本发明通过对调节谐振电容和谐振电感的等效值，改变LLC谐振变换器的增益曲线，减小开关频率的变化范围，同时克服负载变化对变换器带来的不利影响。

Description

一种定频准谐振变换器
技术领域
本发明涉及一种谐振变换器，属于开关电源技术领域。
背景技术
如图1所示的LLC谐振变换器，由于其优良的软开关特性，因此在DC/DC变换器领域得到了广泛的应用。但是其调压范围受到开关频率的限制，当电路需要获得高电压增益，开关频率将大幅下降，当需要获得高电压增益，开关频率将大幅升高，电源工作频带过宽，且调压特性受到负载影响，这些对电源设计产生不利影响。
现有技术往往通过改变变压器抽头来改变电感量，改变调压比来进行调节。由于变压器抽头数在制作时便已确定，无法时时修改，因此调节能力有限。为了调节负载对调压曲线的影响，往往在负载侧并联一个附加负载，但是该负载产生大量损耗，降低了变换器的工作效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有LLC谐振变换器工作时开关频率调整范围大及负载变化对变换器带来不利影响的问题，本发明提供一种定频准谐振变换器。
本发明的一种定频准谐振变换器，包括逆变电路、LLC谐振网络和输出电路，直流电压依次经过逆变电路、LLC谐振网络和输出电路后输出电压，所述LLC谐振网络的谐振电容采用可调电容模块实现。
优选的是，所述可调电容模块包括第一电容和电容调节模块，第一电容与电容调节模块并联连接，所述调节模块为一组反串联开关管或一组并联开关管。
优选的是，所述LLC谐振网络的谐振电容还包括第二电容，所述第二电容与可调电容模块串联连接。
优选的是，所述LLC谐振网络还包括可调电感模块，所述可调电感模块与LLC谐振网络的谐振电感并联连接。
优选的是，所述可调电感模块包括第一电感和电感调节模块，该第一电感与电感调节模块并联连接，所述电感调节模块为一组反串联开关管或一组并联开关管。
优选的是，所述逆变电路为全桥功率变换器或半桥功率变换器。
优选的是，所述输出电路包括整流电路和滤波电容，LLC谐振网络输出的电压经整流电路整流后，再经滤波电路滤波后输出至负载。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明提供一种定频准谐振变换器，通过对调节谐振电容和谐振电感的等效值，改变LLC谐振变换器的增益曲线，减小开关频率的变化范围，同时克服负载变化对变换器带来的不利影响。
附图说明
图1为现有技术的LLC谐振变换器的一种结构示意图。
图2为图1的LLC谐振变换器的增益曲线示意图，其中M表示电压增益，M中的第一参数表示励磁电感Lm与谐振电感Lr的比值，第二个参数是品质因数，fn表示开关频率与谐振频率比值；
图3为本发明实施例1的定频准谐振变换器的结构示意图；
图4为本发明实施例2的定频准谐振变换器的结构示意图；
图5为本发明实施例3的定频准谐振变换器的结构示意图；
图6为本发明实施例4的定频准谐振变换器的结构示意图；
图7为本发明谐振电容和电压的增益的曲线示意图；
图8为本发明实施例4的升压区的换流过程示意图，横坐标表示时间，纵坐标表示幅度，Im表示励磁电感的电流，Ir表示谐振电感的电流，v表示谐振电容的电压；
图9为本发明实施例4的谐振点的换流过程示意图，横坐标表示时间，纵坐标表示幅度，Im表示励磁电感的电流，Ir表示谐振电感的电流，v表示谐振电容的电压；
图10为本发明实施例4的降压区的换流过程示意图，横坐标表示时间，纵坐标表示幅度，Im表示励磁电感的电流，Ir表示谐振电感的电流，v表示谐振电容的电压。
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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式所述的一种定频准谐振变换器，包括逆变电路、LLC谐振网络和输出电路，直流电压依次经过逆变电路、LLC谐振网络和输出电路后输出电压，所述LLC谐振网络的谐振电容采用可调电容模块实现。
本实施方式通过可调电容模块实现调整谐振电容等效容值大小，进而直接控制品质因数Q，调整增益曲线，在不改变开关频率的情况下调整输出电压。
优选实施例中，本实施方式的可调电容模块包括第一电容和电容调节模块，第一电容与电容调节模块并联连接，电容调节模块为一组反串联开关管或一组并联开关管。
本实施方式中，通过控制一组反串联开关管或一组并联开关管的导通时间，来实现对第一电容的控制，改变LLC谐振变换器的增益曲线，减小开关频率的变化范围。
开关管可以为绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管。
开关管与驱动模块连接，外部驱动模块输出控制信号来控制开关管通断输出方波到谐振网络。
优选实施例中，本实施方式中LLC谐振网络的谐振电容还包括第二电容，所述第二电容与可调电容模块串联连接。
本实施方式的第二电容为现有LLC谐振网络中的谐振电容，例如图1中的电容Cr。在现有的LLC谐振变换器的基础上，只需在其谐振电容所在支路上并联本实施方式的可调电容模块就能实现控制谐振电容的功能。
优选实施例中，LLC谐振网络还包括可调电感模块，可调电感模块与LLC谐振网络的谐振电感并联连接。
本实施方式在电容电压可调的同时，还设置电感可调模块，通过可调电感模块实现调整谐振电感的等效感值大小，进而直接控制品质因数Q，调整增益曲线，在不改变开关频率的情况下调整输出电压。
优选实施例中，本实施方式的可调电感模块包括第一电感和电感调节模块，该第一电感与电感调节模块并联连接，所述电感调节模块为一组反串联开关管或一组并联开关管。
本实施方式中，通过控制一组反串联开关管或一组并联开关管的导通时间，来实现对第一电感的控制，改变LLC谐振变换器的增益曲线，减小开关频率的变化范围。
开关管可以为绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管。
开关管与驱动模块连接，外部驱动模块输出控制信号来控制开关管通断输出方波到谐振网络。
优选实施例中，本实施方式的逆变电路为全桥功率变换器或半桥功率变换器。
本实施方式逆变电路为全桥功率变换器，如图1所示，全桥功率变换器由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4构成。
优选实施例中，本实施方式的输出电路包括整流电路和滤波电容，LLC谐振网络输出的电压经整流电路整流后，再经滤波电路滤波后输出至负载。
本实施方式的整流电路采用全桥整流电路，如图1所示，全桥整流电路由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成。
现有LLC谐振网络包括现有谐振电容Cr、现有谐振电感Lr、励磁电感Lm和变压器T，其具体连接关系如图1所示。本实施方式给出四个具体实施例，均是在现有LLC谐振网络的基础上做了改进；
实施例1：如图3所示，本实施例的定频准谐振变换器包括直流电源DC、全桥功率变换器、LLC谐振网络、整流电路和滤波电容Co和负载电阻Ro；
直流电源DC输入的直流电压依次经全桥功率变换器、LLC谐振网络、整流电路和滤波电容Co后，流入负载电阻Ro；
本实施例的LLC谐振网络将现有谐振电容Cr的基础上串联一个可调电容模块，可调电容模块包括第一电容C、开关管Q5和开关管Q6；其中现有谐振电容Cr和第一电容C共同实现电容谐振的功能；
如图3所示，开关管Q5和开关管Q6反串联后与第一电容C并联连接，并联连接后的一端连接全桥功率变换器，另一端与原始谐振电容Cr的一端连接，原始谐振电容Cr的另一端连接励磁电感Lm的一端和变压器T原边的一端；
本实施例的LLC谐振网络将现有谐振电感Lr的基础上串联一个可调电感模块，可调电感模块包括第一电感L、开关管Q7和开关管Q8；其中现有现有谐振电感Lr和第一电感L共同实现电感谐振的功能；
如图3所示，开关管Q7和开关管Q8反串联后与第一电感L并联后，再与谐振电感Lr并联连接。
实施例2：如图4所示，本实施例的定频准谐振变换器包括直流电源DC、全桥功率变换器、LLC谐振网络、整流电路和滤波电容Co和负载电阻Ro；
直流电源DC输入的直流电压依次经全桥功率变换器、LLC谐振网络、整流电路和滤波电容Co后，流入负载电阻Ro；
本实施例的LLC谐振网络利用可调电容模块替换谐振电容Cr，可调电容模块包括第一电容C、开关管Q5和开关管Q6；其中第一电容C实现谐振电感的功能；
如图4所示，开关管Q5和开关管Q6反串联后与第一电容C并联连接，并联连接后的一端连接全桥功率变换器，另一端同时与励磁电感Lm的一端和变压器T原边的一端连接；
本实施例的LLC谐振网络将现有谐振电感Lr的基础上串联一个可调电感模块，LLC谐振网络的其他与图1相同，可调电感模块包括第一电感L、开关管Q7和开关管Q8；其中现有现有谐振电感Lr和第一电感L共同实现电感谐振的功能；
如图3所示，开关管Q7和开关管Q8反串联后与第一电感L并联后，再与谐振电感Lr并联连接。
实施例3：如图5所示，本实施例的定频准谐振变换器包括直流电源DC、全桥功率变换器、LLC谐振网络、整流电路和滤波电容Co和负载电阻Ro；
直流电源DC输入的直流电压依次经全桥功率变换器、LLC谐振网络、整流电路和滤波电容Co后，流入负载电阻Ro；
本实施例的LLC谐振网络将现有谐振电容Cr的基础上串联一个可调电容模块，LLC谐振网络的其他与图1相同，可调电容模块包括第一电容C、开关管Q5和开关管Q6；其中现有谐振电容Cr和第一电容C共同实现电容谐振的功能；
如图5所示，开关管Q5和开关管Q6反串联后与第一电容C并联连接，并联连接后的一端连接全桥功率变换器，另一端与原始谐振电容Cr的一端连接，原始谐振电容Cr的另一端连接励磁电感Lm的一端和变压器T原边的一端；
本实施例不使用可调电感模块。
实施例4：如图6所示，本实施例的定频准谐振变换器包括直流电源DC、全桥功率变换器、LLC谐振网络、整流电路和滤波电容Co和负载电阻Ro；
直流电源DC输入的直流电压依次经全桥功率变换器、LLC谐振网络、整流电路和滤波电容Co后，流入负载电阻Ro；
本实施例的LLC谐振网络利用可调电容模块替换谐振电容Cr，LLC谐振网络的其他与图1相同，可调电容模块包括第一电容C、开关管Q5和开关管Q6；其中第一电容C实现谐振电感的功能；
如图6所示，开关管Q5和开关管Q6反串联后与第一电容C并联连接，并联连接后的一端连接全桥功率变换器，另一端同时与励磁电感Lm的一端和变压器T原边的一端连接。
本实施例不使用可调电感模块。
通过调整第一电容C和第一电感L并联的开关管的导通时间来实现对等效电容、电感的控制，进而直接控制品质因数Q，调整增益曲线，在不改变开关频率的情况下调整输出电压。
由于电感调节方式与电容调节方式基本相同，以实施例4为例，描述定频准谐振变换器的工作状态。由于LLSC变换器的工作频率不改变，所以采用升压区，谐振点，降压区的方式来对工作范围进行划分。实施例4的定频准谐振变换器的调整增益曲线的方法为：
升压区：
如图8所示，在t0-t1时间段内：全桥功率变换器Q1和Q3导通，此时正向旁路Q5导通，由于电流方向为负反向旁路Q6的体二极管无法导通，所以反串联的Q5和Q6形成的旁路支路不导通，第一电容C参与谐振，其电容电压不断增加。电流反向流过开关管续流并不断减小。全桥整流电路中的二极管D2和D4导通，励磁电感Lm被输出电压钳位，励磁电流线性减小。
在t1-t2时间段内：全桥功率变换器Q1和Q3保持导通，谐振腔内电流变为正向，第一电容C的电容电压开始减小。全桥整流电路中的二极管D1和D3导通，励磁电感Lm被输出电压钳位，励磁电流减小到零后反向增加。当第一电容C的电容电压减小到零，反串联的Q5和Q6形成的旁路支路导通，第一电容C被旁路，退出谐振。谐振电流变化变缓。
在t2-t3时间段内：谐振电流逐渐减小，再t3时刻，正向旁路Q5关断，负向旁路Q6导通，由于电流方向为正，正向旁路Q5的体二极管无法导通，所以旁路支路不导通，第一电容C参与谐振。
在t3-t4时间段内：谐振电流逐渐减小，t4时刻谐振电流全部为励磁电流。全桥整流电路的二极管不导通，励磁电感不再被钳位且参与谐振；
在t4-t5时间段内：电路工作在断续状态。在t5时刻，全桥功率变换器中的所有开关管关断，进入死区时间。开关管的寄生电容在励磁电流作用下进行能能量转换为零电压开通做准备。
由于全桥功率变换器的对称性，下半周期与上半周期相同。
谐振点：
如图9所示，当本实施例工作在谐振点时，换流过程与工作在升压区域类似，只是缺少了t3-t4的电流断续过程。
降压区：
本实施例工作在电流连续模式为例介绍换流过程。
如图10所示，在t0-t1时间段内：全桥功率变换器Q1和Q3保持导通，谐振电流开始减小。与升压区不同的是，起初，第一电容C的电容电压为零，所以反串联的Q5和Q6形成的旁路支路导通，第一电容C不参与谐振。在t1时刻，旁路Q5和Q6关断，第一电容C加入谐振，第一电容C的电容电压升高。在此期间正向旁路Q5导通，由于电流方向为负反向旁路Q6的体二极管无法导通，所以旁路支路不导通。
在t1-t2时间段内：全桥功率变换器Q1和Q3保持导通，谐振电流减小至0，第一电容C的电容电压达到最大。
在t2-t3时间段内：谐振电流正向增大，第一电容C的电容电压降低。在t3时刻第一电容C的的电容电压降为0，旁路支路Q5和Q6导通，第一电容C被旁路，退出谐振。
在t3-t4：谐振电流继续增大，第一电容C的电容保持旁路状态。在t4时刻全桥功率变换器中的所有开关管关断，进入死区时间。开关管的寄生电容在励磁电流作用下进行能能量转换为零电压开通做准备。
由于全桥功率变换器的对称性，下半周期与上半周期相同。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种定频准谐振变换器，包括逆变电路、LLC谐振网络和输出电路，直流电压依次经过逆变电路、LLC谐振网络和输出电路后输出电压，其特征在于，所述LLC谐振网络的谐振电容采用可调电容模块实现。
2.根据权利要求1所述的定频准谐振变换器，其特征在于，所述可调电容模块包括第一电容和电容调节模块，第一电容与电容调节模块并联连接，所述电容调节模块为一组反串联开关管或一组并联开关管。
3.根据权利要求2所述的定频准谐振变换器，其特征在于，所述LLC谐振网络的谐振电容还包括第二电容，所述第二电容与可调电容模块串联连接。
4.根据权利要求3所述的定频准谐振变换器，其特征在于，所述输出电路包括整流电路和滤波电容，LLC谐振网络输出的电压经整流电路整流后，再经滤波电路滤波后输出至负载。
5.根据权利要求1所述的定频准谐振变换器，其特征在于，所述LLC谐振网络还包括可调电感模块，所述可调电感模块与LLC谐振网络的谐振电感并联连接。
6.根据权利要求5所述的定频准谐振变换器，其特征在于，所述可调电感模块包括第一电感和电感调节模块，该第一电感与电感调节模块并联连接，所述电感调节模块为一组反串联开关管或一组并联开关管。
7.根据权利要求6所述的定频准谐振变换器，其特征在于，所述逆变电路为全桥功率变换器或半桥功率变换器。
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