CN109327144A - 一种宽输入电压范围的llc谐振变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽输入电压范围的LLC谐振变换器。本发明的目的是为了解决现有技术中的LLC谐振变换器输入电压窄，以及负载是轻载或空载时，电压增益小，输出电压漂高的问题。本发明所述LLC谐振变换器包括依次连接的电源输入端、开关回路、LLC谐振网络和输出整流电路，本发明所述的复合式全桥三电平结构通过两电平桥臂和三电平桥臂的拓扑结构，增大了输入电压的范围，通过对谐振电容的分体配置，改变LLC谐振变换器的增益曲线，获得稳定的输出电压，没有额外的损耗产生。

Description

一种宽输入电压范围的LLC谐振变换器

技术领域

本发明涉及一种开关电源，特别是涉及一种开关电源的LLC变换器。

背景技术

近年来，随着人们生活水平的提高和对生活物质条件的要求逐渐增高，地铁车辆的发达为人们的日常出行带来了很大的便利。随着对地铁车辆在运营可靠性、舒适性、节能降噪和可维护性等方面要求的进一步提高，人们对地铁辅助变流器的效率、功率密度、噪声振动等指标的要求也更加严格。谐振变换器因其可满足开关电源高开关频率、高功率密度和变换效率的发展趋势，近年来得到了广泛的关注。由于LLC谐振变换器可实现全负载范围内的零电压开通，且二次侧整流二极管可实现零电流关断。同时，该变换器的主电路中的磁性元件容易集成，有限的利用了变压器的漏感，使得LLC谐振变换器广泛应用于中大功率场合。

传统的LLC变换器拓扑结构，当它的输入电压范围增大时，开关频率调节的范围也要随之增大，此时可能会出现的高压输入会引起过高的开关频率，激化电路的寄生参数等对***带来的影响。同时，为了适应较宽范围的输入电压，励磁电感需要设计的很小，从而引起变换器谐振电流的增加，以致***导通损耗和磁滞损耗随之增加，大大降低变换器效率。有学者提出适用于高压大功率场合的三电平变换器，实现了高压输入时通过三电平工作模式，降低了功率器件的电压应力，从而缩小了开关频率的调节范围。但是，三电平变换器在低压输入时为实现稳定的输出电压，需要较大的电压增益，而且在低压输入时的效率较低，谐振元件应力较大，因此只能在较小范围内解决输入电压波动的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的LLC谐振变换电路在输入电压较高时，功率二极管所承受的电压应力过大的缺陷，以及负载是轻载或空载时，输出电压漂高的情况。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种非常适合于宽输入电压范围的复合式全桥三电平变换器，包括直流供电电源Vin、逆变电路、LLC谐振网络和输出整流电路，其中，所述的LLC谐振变换器还包括一副边谐振电容。直流供电电源Vin与逆变电路连接，逆变电路上并联有谐振网络，输出整流滤波通过变压器和谐振网络相连，所述副边谐振电容的一端与所述变压器的副边连接，所述副边谐振电容的另一端与所述整流电路连接。

结合本发明所采用的技术方案，本发明所采用的技术方案的第一种实现方式中，所述逆变电路采用复合式全桥三电平逆变器，开关管采用IGBT，IGBT的集电极和发射极之间并联体二极管和寄生电容。

所述复合式全桥三电平逆变器采用三电平桥臂和两电平桥臂并联连接。。

所述三电平桥臂包括开关IGBT管Q1、开关IGBT管Q2、开关IGBT管Q3、开关IGBT管Q4、体二极管D1、体二极管D2、体二极管D3、体二极管D4、寄生电容C1、寄生电容C2、寄生电容C3、寄生电容C4，两个串联连接的分压电容Cin1和Cin2、续流二极管D7和D8以及飞跨电容Css。

两个输入分压电容Cin1和Cin2的两端分别与直流供电电源Vin的正极和负极连接，逆变器的三电平开关桥臂由开关IGBT管Q1、开关IGBT管Q2、开关IGBT管Q3、开关IGBT管Q4的发射极与集电极依次串联连接，位于开关桥臂两端的IGBT管Q1的集电极和开关IGBT管Q4的发射极分别与电源的正极和负极相连接，开关IGBT管Q2和开关IGBT管Q3的中间连接点与两分压电容Cin1和Cin2的中间连接点相连接；体二极管D1和寄生电容C1并联在开关IGBT管Q1的集电极与发射极之间，且体二极管D1的阳极与开关IGBT管Q1的发射极相连；体二极管D2和寄生电容C2并联在开关IGBT管Q2的集电极与发射极之间，且体二极管D2的阳极与开关IGBT管Q2的发射极相连；体二极管D3和寄生电容C3并联在开关IGBT管Q3的集电极与发射极之间，且体二极管D2的阳极与开关IGBT管Q3的发射极相连；体二极管D4和寄生电容C4并联在开关IGBT管Q4的集电极与发射极之间，且体二极管D4的阳极与开关IGBT管Q4的发射极相连。

开关IGBT管Q1的发射极和开关IGBT管Q2的集电极中点与飞跨电容Css的一端相连接，开关IGBT管Q3的发射极和开关IGBT管Q4的集电极中点与飞跨电容Css的另一端相连接。

续流二极管D7的阳极与分压电容Cin1和Cin2的中点相连接，阴极与开关IGBT管Q1的发射极和开关IGBT管Q2的集电极中点相连接；续流二极管D8的阴极与分压电容Cin1和Cin2的中点相连接，阳极与开关IGBT管Q3的发射极和开关IGBT管Q4的集电极中点相连接。

所述两电平桥臂包括开关IGBT管Q5、开关IGBT管Q6、体二极管D5、体二极管D6、寄生电容C5、寄生电容C6。

开关IGBT管Q5的集电极与开关IGBT管Q1的集电极相连接，开关IGBT管Q6的发射极与开关IGBT管Q4的发射极相连接；体二极管D5和寄生电容C5并联在开关IGBT管Q5的集电极与发射极之间，且体二极管D5的阳极与开关IGBT管Q5的发射极相连；体二极管D6和寄生电容C6并联在开关IGBT管Q6的集电极与发射极之间，且体二极管D6的阳极与开关IGBT管Q6的发射极相连。

所述变压器原绕组与谐振电路相连，副边绕组与副边谐振电容的一端连接，副边谐振电容的另一端与整流电路相连接。

所述谐振电路包括谐振电容Cr、谐振电感Lr以及谐振电感Lm.

谐振电感Lr的一端和变压器原边绕组Np的一端相连，另一端与开关IGBT管Q2和开关IGBT管Q3的连接点相连接；变压器原边绕组Np的另一端与谐振电容Cr一端相连；谐振电容Cr的另一端与开关IGBT管Q5和开关IGBT管Q6的连接点相连接，谐振电感Lm并联在变压器原边绕组Np的两端。

本发明所采用的技术方案的第一种实现方式中，所述输出整流电路为全桥整流电路，所述副边谐振电容的一端与所述变压器的副边连接，所述副边谐振电容的另一端与所述全桥整流电路连接。

本发明所采用的技术方案的第二种实现方式，所述输出整流电路为半桥整流电路，所述副边谐振电容的一端与所述变压器的副边相连，所述副边谐振电容的另一端与所述半桥整流电路相连接。

本发明所采用的技术方案的第一种实现方式中，所述输出整流电路包括整流二极管DR1、整流二极管DR2、整流二极管DR3、和整流二极管DR4、副边谐振电容C0、滤波电容Cf以及输出负载R0；变压器副边绕组的同名端和副边谐振电容C0的一端相连接，变压器副边绕组的异名端和整流二极管DR4的阴极相连接；副边谐振电容C0的另一端和整流二极管DR1的阳极相连接；整流二极管DR1的阳极和整流二极管DR2的阴极相连接；整流二极管DR3的阳极和整流二极管DR4的阴极相连接；输出滤波电容Cf的一端和整流二极管DR3的阴极相连接，输出滤波电容Cf的另一端和DR4的阳极相连接；输出负载R0并联在滤波电容C0的两端。

本发明所采用的技术方案的第二种实现方式中，所述输出整流电路包括整流二极管DR1、整流二极管DR2、副边谐振电容C0、滤波电容Cf以及输出负载R0；所述输出整流电路为变压器副边绕组中心抽头的全波整流电路，所述副边谐振电容C0的一端与所述全波整流电路的输出端连接，所述副边谐振电容C0的另一端为LLC谐振变换器的输出端。

本发明实施例提供的LLC谐振变换器，适合于宽输入电压范围的应用场合，并且三电平桥臂的开关管电压应力只有输入电压的一半，同时通过对谐振电容进行分体配置，改变LLC谐振变换器的增益曲线，获得稳定的输出电压。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式，应当理解附图中示出和描述的实施方式仅是示例性的，意在阐述本发明的原理和方法，而并非限制本发明的范围。

请参考图1所示，本发明实施例提出一种LLC谐振变换器，所述LLC谐振变换器包括依次连接的电源输入端(Vin)、开关回路1、LLC谐振网络2和输出整流电路3，LLC谐振变换器还包括副边谐振电容C0.

具体地，如图1所示，复合式全桥功率开关管变换器由功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4及功率开关管Q5构成。功率开关管Q1和功率开关管Q5的集电极与电源输入端的正极Vin+连接，功率开关管Q4和功率开关管Q6的发射极和电源输入端的负极Vin-连接。功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、功率开关管Q5及功率开关管Q6的门极与外部驱动模块(如图所示)连接，外部驱动模块可输出一控制信号，控制功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、功率开关管Q5及功率开关管Q6的开通和关断。

开关回路1通过控制功率开关管的开通和关断，可输出方波信号给到LLC谐振网络2。

在本实施例中，如图1所示，LLC谐振网络2包括变压器T、与变压器T原边串联连接的谐振电感Lr和谐振电容Cr，即构成串联型LLC谐振网络。其中Lm为变压器T的励磁电感。

请再参考附图1所示，在本实施例中，输出整流电路3可为全桥整流电路，全桥整流电路由二极管DR1、二极管DR2、二极管DR3及二极管DR4构成。副边谐振电容C0的一端与变压器T的副边连接，副边谐振电容C0的另一端与全桥整流电路连接。

请再参考附图2所示，在本实施例中，输出整流电路3可为变压器副边绕组中心抽头的全波整流电路，全波整流电路由二极管D1和二极管D2构成。副边谐振电容C0的一端与全波整流电路的输出端连接，副边谐振电容C0的另一端为LLC谐振变换器的输出端。

在本实施例中，LLC谐振变换器还包括输出负载阻抗R0，输出负载阻抗R0与输出滤波电容C0并联连接，V0+和V0-为LLC谐振变换器的输出端。

LLC谐振变换器的工作原理大致为：

功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q6开通时，直流电源经过电流输入端(Vin+)流入Lp,变压器原边将能量储存在电容Cr中，同时能量通过变压器线圈耦合到副边，并通过二极管DR1和DR4存储在电容Cf和电容C0内；

功率开关管Q2、功率开关管Q6开通，功率开关管Q1关断时，电容Cr通过变压器原边电感Lp,功率开关管Q2和功率开关管Q6释放能量，同时能量通过变压器线圈耦合到副边，同时C0放电并通过二极管DR2和DR4存储在电容Cf内，实现能量交换。

如图3所示，当工作频率是Lp、Cp构成的谐振频率的6倍及以上时，所有的负载线几乎重合，空载特性得到很大改善，其中变压器原边和副边的耦合系数为0.98，fn为工作频率和Lp、Cp构成的谐振频率的比值。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行完全部操作才能实现预期的结果。相反，可以通过省略某些步骤、将多个步骤合为一个步骤或者将一个步骤分解为多个步骤来实现原有的功能。

附图说明

图1，本发明所述的一种宽输入范围的LLC谐振变换器的拓扑结构图

图2，本发明所述的另一种宽输入范围的LLC谐振变换器的拓扑结构图

图3，本发明实施例的LLC谐振变换器的增益曲线结构示意图。

Claims (7)

1.一种宽输入电压范围的LLC谐振变换器，所述LLC谐振变换器包括依次连接的电源输入端、开关回路、LLC谐振变换器和输出整流电路，其特征在于，所述LLC谐振变换器开关回路为复合式全桥三电平，输出整流电路还包括一副边谐振电容。

2.根据权利要求1所述的一种LLC谐振变换器，其特征在于，所述开关回路为复合式全桥三电平，所述开关回路包括两电平桥臂和三电平桥臂。

3.根据权利要求1-2所述的一种LLC谐振变换器，其特征在于，所述输出整流电路为全桥整流电路，所述副边谐振电容的一端与所述变压器的副边连接，所述副边谐振电容的一端与所述全桥整流电路连接。

4.根据权利要求1-2所述的一种LLC谐振变换器，其特征在于，所述输出整流电路为变压器副边绕组中心抽头的全波整流电路，所述副边谐振电容的一端与所述全波整流电路的连接，所述副边谐振电容的另一端为LLC谐振变换器的输出端。

5.根据权利要求2所述的一种LLC谐振变换器，其特征在于，所述功率开关管为绝缘栅双极型晶体管变换器。

6.根据权利要求1-4任一所述的LLC谐振变换器，其特征在于所述谐振网络包括变压器、与变压器原边串联连接的第一谐振电感和第一谐振电容。

7.根据权利要求1-4任一所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述LLC谐振变换器还包括一输出滤波电容，所述输出滤波电容与所述输出整流电路的输出端串联连接。