CN108183614B - 一种复合桥式双输出llc谐振变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合桥式双输出LLC谐振变换器，解决的是功率器件的数量多、成本高的技术问题，通过采用包括依次连接的输入源Uin、开关网络、谐振网络、变压器、整流滤波网络、负载，变压隔包括第一变压器T1和第二变压器T2，第一变压器由两个原边绕组Np1、Np2和副边绕组Ns1构成，第二变压器由原边绕组Np3和副边绕组Ns2构成；开关网络包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3及第四开关管Q4；整流滤波网络包括第一整流滤波网络与第二整流滤波网络；负载包括第一负载为Ro1与第二负载为Ro2的技术方案，较好的解决了该问题，可用于通信、航空航天、新能源并网、电动汽车、LED照明等领域。

Description

一种复合桥式双输出LLC谐振变换器

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换应用领域，具体涉及一种复合桥式双输出LLC谐振变换器。

背景技术

近年来，随着全球能源危机、环境污染等问题突显。如何高效地利用电力能源，已经成为当今学术界的一个重要研究议题。DC/DC作为电网与负载的接口，其目的是为了高效地为各种用电设备提供高质量的电能。三元件谐振型直流–直流变换器在20世纪90年代初就被归纳提出，但由于控制复杂加上当时没有合适的变频控制集成芯片而未被更深入研究及广泛应用。近年来，由于以移相全桥电路为代表的中大功率隔离型软开关直流–直流变换器的循环电流损耗及占空比丢失的瓶颈问题无法彻底解决，再加上移相全桥电路需要输出滤波电感并带来了整流二极管耐压需求较高的问题，使得学术界及工业界都对能够实现功率管全软开关工作的LLC谐振型电路重新重视起来。适合不同场合的半桥式、全桥式三电平式和全桥三电平式LLC谐振型电路，以及适合高压输出多路输出的LLC谐振型电路得到深入研究。

LLC谐振变换器是在传统LC二阶谐振变换器的基础上增加一个并联谐振电感改进而来的，相对于普通串联、并联谐振变换器在特性上有明显改善。谐振变换器是以谐振电路为基本变换单元，利用电路发生谐振时，电流或电压周期性地过零点，使得开关器件在零电压或者零电流条件下开通或者关断，从而实现软开关，达到降低开关损耗的目的。在航空航天、汽车、医疗、计算机、通信***等实际工程技术领域的应用中，为了满足不同负载供电的电压电流需求，经常需要采用双输出电源。

现有的双输出LLC谐振变换器至少采用8个功率型器件，存在变换器所用功率器件的数量多、成本高、变换器控制复杂、变换器效率低的技术问题。因此，提供一种能够解决上述问题的双输出LLC谐振变换器就很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的功率器件的数量多、成本高的技术问题。提供一种新的复合桥式双输出LLC谐振变换器，该复合桥式双输出LLC谐振变换器具有功率器件的数量少、成本低、变换器控制简单、变换器效率高的的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种复合桥式双输出LLC谐振变换器，所述复合桥式双输出LLC谐振变换器包括依次连接的输入源Uin、开关网络、谐振网络、变压器、整流滤波网络、负载；所述变压隔包括第一变压器T1和第二变压器T2，第一变压器由两个原边绕组Np1、Np2和副边绕组Ns1构成，第二变压器由原边绕组Np3和副边绕组Ns2构成；所述开关网络包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3及第四开关管Q4；所述整流滤波网络包括第一整流滤波网络与第二整流滤波网络；所述负载包括第一负载为Ro1与第二负载为Ro2；所述谐振网络包括与开关网络连接的第一谐振腔、第二谐振腔与第三谐振腔；所述第一谐振腔由第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1、第一励磁电感Lm1构成；第二谐振腔由第二谐振电容Cr2、第二谐振电感Lr2、第二励磁电感Lm2构成；第三谐振腔由第三谐振电容Cr3、第三谐振电感Lr3、第三励磁电感Lm3构成。

本发明的工作原理：本发明通过设置开关网络来切换半桥和全桥的结构的组合，使得两路功率变换相对独立，可灵活设计参数。将交错并联的双半桥LLC谐振变换器通过同一个变压器进行磁集成，减少磁性元件的数量，有利于提高功率密度。相较于现有的8个功率器件，本实施例只使用4个功率器件，开关管。交错并联的双半桥结构能减小输入端开关管电流应力，采用移相控制减小输出电压电流纹波。全桥输出端能实现倍压倍流的功率变换。该拓扑只使用了四个开关管，让一个开关网络同时服务于三个谐振腔，从而实现了两种不同需求的电能供应。为简化的高效、高功率密度双输出直流功率变换需求提供了一种新的解决方案。

上述方案中，为优化，进一步地，所述第一开关管Q1漏极连于第三开关管Q3漏极，所述第四开关管Q4源极连于第二开关管Q2源极；所述第一开关管Q1源极连接第二开关管Q2漏极，所述第三开关管Q3源极连接第四开关管Q4漏极。

进一步地，所述第一谐振电容Cr1一端连接第一开关管Q1的漏极，另一端连于第一谐振电感Lr1的一端，第一谐振电感Lr1的另一端连于第一励磁电感Lm1的一端和变压器T1的原边第一绕组Np1同名端，第一励磁电感Lm1的另一端和变压器T1的原边第一绕组Np1非同名端连于第三开关管Q3源极。

进一步地，所述第二谐振电容Cr2的一端连接第二开关管Q2的漏极，另一端连于第二谐振电感Lr2的一端；第二谐振电感Lr2的另一端连于第二励磁电感Lm2的一端和变压器T1的原边第二绕组Np2同名端；第二励磁电感Lm2的另一端和变压器T1的原边第二绕组Np2非同名端连于第二开关管Q2源极。

进一步地，所述第三谐振电容Cr3的一端连接第三开关管Q3源极连接第四开关管Q4漏极，第三谐振电容Cr3的另一端连于第三谐振电感Lr3的一端，第三谐振电感Lr3的另一端连于第三励磁电感Lm3的一端和第二变压器T2的原边绕组Np3；第三励磁电感Lm3的另一端和第二变压器T2的原边绕组Np3的另一端连于第二开关管Q2漏极。

进一步地，所述第一整流滤波网络由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一滤波电容Co1构成；所述第二整流滤波网络由第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第二滤波电容Co2构成。

进一步地，所述第一整流二极管D1的阳极连接于第一变压器T1的第一变压器T1副边绕组NS1同名端；第一整流二极管D1的阴极，连于第一滤波电容Co1的一端和第一负载Ro1的一端；第一滤波电容Co1的另一端和第一负载Ro1的另一端连于第一变压器T1的中心抽头；

第二整流二极管D2的阳极连于第一变压器T1的副边绕组NS1非同名端，第二整流二极管D2的阴极连于第一整流二极管D1的阴极、第一滤波电容Co1的一端和第一负载Ro1的一端；

第三整流二极管D3的阳极连接于第二变压器T2的副边绕组NS2同名端，第三整流二极管D3的阴极连接于第四整流二极管D4的阴极、第二滤波电容Co2的一端和第二负载Ro2的一端；所述第二滤波电容Co2的另一端和第二负载Ro2的另一端与第二变压器T2的副边绕组Ns2中心抽头连接；

第四整流二极管D4的阳极连于第二变压器T2的副边绕组Ns2非同名端。

本发明的有益效果：

输出电路拓扑整合了半桥和全桥的结构，两路功率变换相对独立，可灵活设计参数。将交错并联的双半桥LLC谐振变换器通过同一个变压器进行磁集成，减少磁性元件的数量，有利于提高功率密度。交错并联的结构有利于输入大电流的分流，有效减小开关管电流应力。交错并联结构采取90度移相控制的策略能有效较小输出电压电流纹波。统一的谐振腔参数设计，能达成倍压倍流双输出的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，实施例1中复合桥式双输出LLC谐振变换器的示意图。

图2，输出电压电流波形示意图。

图3，输出电压波形示意图。

图4，输出电流波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种复合桥式双输出LLC谐振变换器，如图1，所述复合桥式双输出LLC谐振变换器包括依次连接的输入源Uin、开关网络、谐振网络、变压器、整流滤波网络、负载；所述变压隔包括第一变压器T1和第二变压器T2，第一变压器由两个原边绕组Np1、Np2和副边绕组Ns1构成，第二变压器由原边绕组Np3和副边绕组Ns2构成；所述开关网络包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3及第四开关管Q4；所述整流滤波网络包括第一整流滤波网络与第二整流滤波网络；所述负载包括第一负载为Ro1与第二负载为Ro2；所述谐振网络包括与开关网络连接的第一谐振腔、第二谐振腔与第三谐振腔；所述第一谐振腔由第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1、第一励磁电感Lm1构成；第二谐振腔由第二谐振电容Cr2、第二谐振电感Lr2、第二励磁电感Lm2构成；第三谐振腔由第三谐振电容Cr3、第三谐振电感Lr3、第三励磁电感Lm3构成。

本实施例的工作流程：输出电路拓扑整合了半桥和全桥的结构，两路功率变换相对独立，可灵活设计参数。将交错并联的双半桥LLC谐振变换器通过同一个变压器进行磁集成，减少磁性元件的数量，有利于提高功率密度。交错并联的结构有利于输入大电流的分流，有效减小开关管电流应力。交错并联结构采取90度移相控制的策略能有效较小输出电压电流纹波。统一的谐振腔参数设计，能达成倍压倍流双输出的目的。相较于现有的8个功率器件，本实施例只使用4个功率器件，开关管。

具体地，如图1，所述第一开关管Q1漏极连于第三开关管Q3漏极，所述第四开关管Q4源极连于第二开关管Q2源极；所述第一开关管Q1源极连接第二开关管Q2漏极，所述第三开关管Q3源极连接第四开关管Q4漏极。

具体地，如图1，所述第一谐振电容Cr1一端连接第一开关管Q1的漏极，另一端连于第一谐振电感Lr1的一端，第一谐振电感Lr1的另一端连于第一励磁电感Lm1的一端和变压器T1的原边第一绕组Np1同名端，第一励磁电感Lm1的另一端和变压器T1的原边第一绕组Np1非同名端连于第三开关管Q3源极。

详细地，如图1，所述第二谐振电容Cr2的一端连接第二开关管Q2的漏极，另一端连于第二谐振电感Lr2的一端；第二谐振电感Lr2的另一端连于第二励磁电感Lm2的一端和变压器T1的原边第二绕组Np2同名端；第二励磁电感Lm2的另一端和变压器T1的原边第二绕组Np2非同名端连于第二开关管Q2源极。

具体地，如图1，所述第三谐振电容Cr3的一端连接第三开关管Q3源极连接第四开关管Q4漏极，第三谐振电容Cr3的另一端连于第三谐振电感Lr3的一端，第三谐振电感Lr3的另一端连于第三励磁电感Lm3的一端和第二变压器T2的原边绕组Np3；第三励磁电感Lm3的另一端和第二变压器T2的原边绕组Np3的另一端连于第二开关管Q2漏极。

具体地，如图1，所述第一整流滤波网络由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一滤波电容Co1构成；所述第二整流滤波网络由第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第二滤波电容Co2构成。

详细地，如图1，所述第一整流二极管D1的阳极连接于第一变压器T1的第一变压器T1副边绕组NS1同名端；第一整流二极管D1的阴极，连于第一滤波电容Co1的一端和第一负载Ro1的一端；第一滤波电容Co1的另一端和第一负载Ro1的另一端连于第一变压器T1的中心抽头；第二整流二极管D2的阳极连于第一变压器T1的副边绕组NS1非同名端，第二整流二极管D2的阴极连于第一整流二极管D1的阴极、第一滤波电容Co1的一端和第一负载Ro1的一端；第三整流二极管D3的阳极连接于第二变压器T2的副边绕组NS2同名端，第三整流二极管D3的阴极连接于第四整流二极管D4的阴极、第二滤波电容Co2的一端和第二负载Ro2的一端；所述第二滤波电容Co2的另一端和第二负载Ro2的另一端与第二变压器T2的副边绕组NS2中心抽头连接；第四整流二极管D4的阳极连于第二变压器T2的副边绕组NS2非同名端。

通过实验仿真，如图2为本实施例中的复合桥式双输出LLC谐振变换器输出电压电流波形示意图。图3为复合桥式双输出LLC谐振变换器输出电压波形示意图。图4为复合桥式双输出LLC谐振变换器输出电流波形示意图。

因此，本实施例在较少的功率器件情况下，达到了较好的效果。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种复合桥式双输出LLC谐振变换器，其特征在于：所述复合桥式双输出LLC谐振变换器包括依次连接的输入源Uin、开关网络、谐振网络、变压器、整流滤波网络、负载；

所述变压器包括第一变压器T1和第二变压器T2，第一变压器由两个原边绕组Np1、Np2和副边绕组Ns1构成，第二变压器由原边绕组Np3和副边绕组Ns2构成；所述开关网络包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3及第四开关管Q4；所述整流滤波网络包括第一整流滤波网络与第二整流滤波网络；所述负载包括第一负载为Ro1与第二负载为Ro2；

所述谐振网络包括与开关网络连接的第一谐振腔、第二谐振腔与第三谐振腔；

所述第一谐振腔由第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1、第一励磁电感Lm1构成；

第二谐振腔由第二谐振电容Cr2、第二谐振电感Lr2、第二励磁电感Lm2构成；

第三谐振腔由第三谐振电容Cr3、第三谐振电感Lr3、第三励磁电感Lm3构成；

所述第一开关管Q1漏极连于第三开关管Q3漏极，所述第四开关管Q4源极连于第二开关管Q2源极；所述第一开关管Q1源极连接第二开关管Q2漏极，所述第三开关管Q3源极连接第四开关管Q4漏极；

所述第一谐振电容Cr1一端连接第一开关管Q1的漏极，另一端连于第一谐振电感Lr1的一端，第一谐振电感Lr1的另一端连于第一励磁电感Lm1的一端和变压器T1的原边第一绕组Np1同名端，第一励磁电感Lm1的另一端和变压器T1的原边第一绕组Np1非同名端连于第三开关管Q3源极；

所述第二谐振电容Cr2的一端连接第二开关管Q2的漏极，另一端连于第二谐振电感Lr2的一端；第二谐振电感Lr2的另一端连于第二励磁电感Lm2的一端和变压器T1的原边第二绕组Np2同名端；第二励磁电感Lm2的另一端和变压器T1的原边第二绕组Np2非同名端连于第二开关管Q2源极；

所述第三谐振电容Cr3的一端连接第三开关管Q3源极连接第四开关管Q4漏极，第三谐振电容Cr3的另一端连于第三谐振电感Lr3的一端，第三谐振电感Lr3的另一端连于第三励磁电感Lm3的一端和第二变压器T2的原边绕组Np3；第三励磁电感Lm3的另一端和第二变压器T2的原边绕组Np3的另一端连于第二开关管Q2漏极；

所述副边绕组Ns1连接第一整流滤波网络，副边绕组Ns2连接第二整流滤波网络。

2.根据权利要求1所述的复合桥式双输出LLC谐振变换器，其特征在于：所述第一整流滤波网络由第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一滤波电容Co1构成；所述第二整流滤波网络由第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第二滤波电容Co2构成。

3.根据权利要求2所述的复合桥式双输出LLC谐振变换器，其特征在于：所述第一整流二极管D1的阳极连接于第一变压器T1的第一变压器T1副边绕组NS1同名端；第一整流二极管D1的阴极，连于第一滤波电容Co1的一端和第一负载Ro1的一端；第一滤波电容Co1的另一端和第一负载Ro1的另一端连于第一变压器T1的中心抽头；

第二整流二极管D2的阳极连于第一变压器T1的副边绕组NS1非同名端，第二整流二极管D2的阴极连于第一整流二极管D1的阴极、第一滤波电容Co1的一端和第一负载Ro1的一端；

第三整流二极管D3的阳极连接于第二变压器T2的副边绕组NS2同名端，第三整流二极管D3的阴极连接于第四整流二极管D4的阴极、第二滤波电容Co2的一端和第二负载Ro2的一端；所述第二滤波电容Co2的另一端和第二负载Ro2的另一端与第二变压器T2的副边绕组NS2中心抽头连接；

第四整流二极管D4的阳极连于第二变压器T2的副边绕组NS2非同名端。