CN108900090B - 一种超宽调压范围的谐振隔离变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超宽调压范围的谐振隔离变换器，其特征在于，包括具有变压器一的半桥LLC谐振网络一及具有变压器二的半桥LLC谐振网络二，变压器一的副边为半桥LLC谐振网络一的输出端，变压器二的副边为半桥LLC谐振网络二的输出端，输入电压同时输入半桥LLC谐振网络一及半桥LLC谐振网络二，半桥LLC谐振网络一的输出端与半桥LLC谐振网络二的输出端串联后依次连接整流电路及滤波电路后连接负载。本发明大幅提升LLC谐振电路的降压能力，可以在任意负载情况下，降压至0；原边开关的零电压导通特性大幅提升。

Description

一种超宽调压范围的谐振隔离变换器
技术领域
本发明涉及一种谐振隔离变换器。
背景技术
在众多隔离型DC/DC变换器中，LLC隔离谐振变换器由于其结构简单、高效能、易实现原边开关的零电压开通(ZVS)和副边二极管的零电流关断(ZCS)、电磁干扰低等优点而得到广泛地应用。
但LLC谐振变换器存在两大问题：
1)调压性能受限，尤其轻载情况下的降压能力。LLC谐振变换器为频率调制拓扑。如图1所示，横坐标为归一化开关频率(开关频率/谐振频率)，纵坐标为归一化增益(去除变压器变比的影响)，不同曲线对应不同Q值。负载越轻，Q值越小。如图所示，轻负载降压的情况下，改变开关频率对于增益影响很小。
2)在归一化开关频率远大于1，同时轻载的情况下，原边开关会丢失零电压导通特性。
上述两个问题一方面使得LLC谐振电路无法满足很多应用的宽调压要求。另一方面，零电压导通特性的丢失使得开关损耗增大，易引发电流尖峰，增大电磁干扰问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种LLC电路的改进方案，使其在继承LLC谐振电路优点的同时，扩大其调压范围，增强其软开关特性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种超宽调压范围的谐振隔离变换器，其特征在于，包括具有变压器一的半桥LLC谐振网络一及具有变压器二的半桥LLC谐振网络二，变压器一的副边为半桥LLC谐振网络一的输出端，变压器二的副边为半桥LLC谐振网络二的输出端，输入电压同时输入半桥LLC谐振网络一及半桥LLC谐振网络二，半桥LLC谐振网络一的输出端与半桥LLC谐振网络二的输出端串联后经由整流滤波电路连接负载。
优选地，所述整流滤波电路包括依次连接的整流电路及滤波电路，整流电路与所述半桥LLC谐振网络一及所述半桥LLC谐振网络二的输出端相连，滤波电路连接所述负载。
优选地，所述半桥LLC谐振网络一与所述半桥LLC谐振网络二的电路结构相同。
优选地，所述半桥LLC谐振网络一或所述半桥LLC谐振网络二包括开关一及开关二，开关一及开关二的一端形成所述半桥LLC谐振网络一或所述半桥LLC谐振网络二的输入端，开关一的另一端与开关二的另一端相连后连接电感的一端，电感的另一端连接变压器一或变压器二的原边的一端，变压器一或变压器二的原边的另一端连接电容的一端，电容的另一端与开关二的一端相连，变压器一或变压器二的原边的两端之间还跨接有励磁电感。
优选地，所述整流电路采用二极管整流桥。
优选地，所述滤波电路采用电容滤波器。
本发明的重要有益效果：
1)大幅提升LLC谐振电路的降压能力，可以在任意负载情况下，降压至0。
2)与传统LLC电路相比，原边开关的零电压导通特性大幅提升。这是由于所提电路在降压时采用两个半桥的移相控制取代调频控制，对于单个半桥而言，其开关网络输出(vab1，vab2)始终为频率不变的方波，从而在励磁电感Lm1与Lm2上产生恒定不变的循环电流。循环电流的大小是影响零电压导通特性的关键因素。当循环电流大小不受到输出电压和负载的影响，就意味着全范围的零电压导通特性。
附图说明
图1为传统LLC电路中归一化电压增益与工作频率的对应关系；
图2为复合半桥LLC谐振隔离变换电路；
图3为调频控制下驱动波形与半桥输出波形；
图4为移相控制下驱动波形与半桥输出波形；
图5为移相控制下归一化电压增益与移相角的对应关系。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明公开的一种超宽调压范围的谐振隔离变换器提出了一种基于LLC的新型谐振拓扑以及相应的控制策略。采用所提拓扑及控制策略，谐振电路可以实现超宽调压范围，一方面其具备与传统LLC谐振电路相同的优异升压特性。另一方面，在任意负载情况下，可以降压至零。此外在全负载、增益范围内都可以实现原边开关的零电压导通。
本发明公开的一种超宽调压范围的谐振隔离变换器的电路结构如图2所示。输入电压Vin接入两个相同的半桥LLC谐振网络。上方的半桥LLC谐振网络由开关S1、开关S2、电感Lr1、电容Cr1、励磁电感Lm1和变压器T1构成。下方的半桥LLC谐振网络由开关S3、开关S4、电感Lr2、电容Cr2、励磁电感Lm2和变压器T2构成。两个半桥LLC谐振网络通过变压器T1和变压器T2的副边串联在一起，后面接由二极管D1至D4构成的二极管整流桥和电容滤波器Co，最后接负载R0。
上述的控制策略分为两种：一种是升压时采用调频控制；另一种是降压时采用移相控制。调频控制下驱动波形与半桥输出波形如图3所示。信号vgs1-4对应开关S1-4包含死区的驱动波形，S1与S3驱动波形相同，S2与S4驱动波形相同。信号vab1与vab2是半桥输出波形，其在图2中已经标识出来。在调频控制中vab1与vab2波形重合，频率可变。通过降低开关频率，本发明的电路增益大于1且可调。其工作方式与传统LLC电路开关频率小于1时一致，增益曲线可参考图1中归一化开关频率小于1的曲线。
降压时采用移相控制，驱动波形与半桥输出波形如图4所示。此时S1与S2的驱动信号互补有死区，S3与S4的信号互补有死区，同时S1、S2与S3、S4开关频率恒定，有相位差。利用控制移相角的大小来控制电路增益。如图5所示，当移相角为0，归一化增益为1；随着移相角增大，增益减小；当移相角为180度时，无论负载大小，增益降为0。
将本发明提供的电路应用在车载充电领域，采用如图2而所示电路连接。其中输入电压设为390V，谐振频率设为100kHz，输出电压范围设为[100V，420V]，T1与T2变压器变比设置为13∶14。这里只采用移相控制，当移相角为0时，归一化增益为1，输出电压为最大值＝390*1*14/13＝420V。增大移相角，电压输出减小，直至降低为100V。

Claims (4)

1.一种超宽调压范围的谐振隔离变换器，其特征在于，包括具有变压器T1的半桥LLC谐振网络一及具有变压器T2的半桥LLC谐振网络二，变压器T1的副边为半桥LLC谐振网络一的输出端，变压器T2的副边为半桥LLC谐振网络二的输出端，输入电压同时输入半桥LLC谐振网络一及半桥LLC谐振网络二，半桥LLC谐振网络一的输出端与半桥LLC谐振网络二的输出端串联后经由整流滤波电路连接负载；
半桥LLC谐振网络一由开关S1、开关S2、电感Lr1、电容Cr1、励磁电感Lm1和变压器T1构成，开关S1的一端及开关S2的一端形成半桥LLC谐振网络一的输入端，开关S1的另一端与开关S2的另一端相连后连接电感Lr1的一端，电感Lr1的另一端连接变压器T1的原边的一端，变压器T1的原边的另一端为同名端，变压器T1的原边的同名端连接电容Cr1的一端，电容Cr1的另一端与开关S2的一端相连，变压器T1的原边的两端之间还跨接有励磁电感Lm1；
半桥LLC谐振网络二由开关S3、开关S4、电感Lr2、电容Cr2、励磁电感Lm2和变压器T2构成，开关S3的一端及开关S4的一端形成半桥LLC谐振网络二的输入端，开关S3的另一端与开关S4的另一端相连后连接电感Lr2的一端，电感Lr2的另一端连接变压器T2的原边的一端，变压器T2的原边的一端为同名端，变压器T2的原边的另一端连接电容Cr2的一端，电容Cr2的另一端与开关S4的一端相连，变压器T2的原边的两端之间还跨接有励磁电感Lm2；
谐振隔离变换器降压时采用移相控制，此时开关S1与开关S2的驱动信号互补有死区，开关S3与开关S4的驱动信号互补有死区，同时开关S1、开关S2与开关S3、开关S4开关频率恒定，有相位差，利用控制移相角的大小来控制电路增益。
2.如权利要求1所述的一种超宽调压范围的谐振隔离变换器，其特征在于，所述整流滤波电路包括依次连接的整流电路及滤波电路，整流电路分别与所述半桥LLC谐振网络一的输出端及所述半桥LLC谐振网络二的输出端相连，滤波电路连接所述负载。
3.如权利要求2所述的一种超宽调压范围的谐振隔离变换器，其特征在于，所述整流电路采用二极管整流桥。
4.如权利要求2所述的一种超宽调压范围的谐振隔离变换器，其特征在于，所述滤波电路采用电容滤波器。
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