CN109687715A - 一种提高llc增益范围的变换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高LLC增益范围的变换器及其控制方法，输入电源Vin，原边全桥开关网络，LLC谐振网络，变压器T1输入端另一端与单刀单掷继电器K1和单刀双掷继电器K2串联支路相连接；副边全桥整流网络，输出电容Co和输出负载RL。本发明在提高LLC谐振变换器增益范围的同时也可以保证变换器在低压输出时仍然能够满功率输出，进一步提高了变换器的恒功率范围，缩小频率调整范围，提高全范围内的效率，提高了电源模块的产品竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高LLC增益范围的变换器及其控制方法，属于变换器控制技术领域。
背景技术
目前，随着新能源汽车的快速发展，电动汽车电池电压的变化范围越来越宽，LLC拓扑结构与其他拓扑结构相比在效率、体积和功率密度上有明显优势，因此得到了广泛的应用和研究。
但是，由于调节频率范围的限制以及固有工作特性的限制，针对如此宽范围的电池电压LLC谐振变换器也难以应对，单纯的调频控制不能满足宽范围的输出要求，调频与脉宽调制相结合的混合调制策略虽然可以宽范围输出，但是在低压输出时不能完全实现ZVS从而导致效率降低，温升也难以满足设计要求，因此需要一种能够适应宽范围输出的LLC变换器和控制方法。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种提高LLC增益范围的变换器及其控制方法，在变换器中增加两颗继电器，根据不同输出电压切换变换器为全桥LLC或半桥LLC工作模式，在实现宽范围输出电压的同时缩小工作频率的调节范围，提高***效率，减小体积。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种提高LLC增益范围的变换器，包括：输入电源Vin，原边全桥开关网络，所述原边全桥开关网络包括：MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4，所述MOS管Q1与MOS管Q2相串联，所述MOS管Q3、MOS管Q4相串联后与MOS管Q1、MOS管Q2的串联支路相并联；LLC谐振网络，所述LLC谐振网络包括：谐振电容Cr，谐振电感Lr，变压器T1，所述谐振电容Cr与谐振电感Lr相串联，谐振电容Cr与谐振电感Lr的串联支路一端连接在MOS管Q1与MOS管Q2之间，另一端与变压器T1输入端一端相连接，变压器T1输入端另一端与单刀双掷继电器K2相连接；所述单刀双掷继电器K2第一端口连接在MOS管Q3与MOS管Q4之间，第二端口连接在MOS管Q4的S极；单刀单掷继电器K1一端连接在MOS管Q1与MOS管Q2之间，另一端连接在MOS管Q3与MOS管Q4之间；副边全桥整流网络，所述副边全桥整流网络包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，所述二极管D1、二极管D2相串联，二极管D3、二极管D4相串联后与二极管D1、二极管D2串联支路相并联；输出电容Co和输出负载RL分别与二极管D1、二极管D2串联支路相并联；所述变压器T1输出端一端与二极管D1、二极管D2之间相连接，另一端与二极管D3、二极管D4之间相连接；所述输入电源Vin与MOS管Q1、MOS管Q2的串联支路相并联。
作为优选方案，所述输入电源Vin采用AC/DC输出端的母线电压。
作为优选方案，所述单刀单掷继电器K1、单刀双掷继电器K2可用MOS管、IGBT、可控硅或其他器件替代。
作为优选方案，所述原边全桥开关网络中的二极管可用MOS管替代。
一种提高LLC增益范围的变换器的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：原边全桥开关网络的MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4分别对应驱动信号Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4，驱动信号的频率通过采样输出电压与参考电压相比较或者采样输出电流与参考电流相比较，得到的误差值经闭环调节器后得到的控制量来设置，用于保证输出电压或输出电流按照设定值工作。
步骤2：当输出电压高于模式切换的设定值时，单刀单掷继电器K1断开，单刀双掷继电器K2闭合在第一端口的位置，此时变换器为全桥LLC工作模式；
步骤3：当输出电压低于模式切换的设定值时，单刀单掷继电器K1闭合，单刀双掷继电器K2闭合在第二端口的位置，此时变换器工作在半桥LLC工作模式。
作为优选方案，当变换器工作在全桥LLC工作模式时，Vgs1和Vgs4驱动信号频率和占空比相同，Vgs2和Vgs3驱动信号频率和占空比相同，Vgs1和Vgs2驱动信号相位互补，Vgs3和Vgs4驱动信号相位互补；当变换器工作在半桥LLC在模式时，Vgs1和Vgs3驱动信号频率和占空比相同，Vgs2和Vgs4驱动信号频率和占空比相同，Vgs1和Vgs2驱动信号相位互补，Vgs3和Vgs4驱动信号相位互补。
有益效果：本发明提供的一种提高LLC增益范围的变换器及其控制方法，在提高LLC谐振变换器增益范围的同时也可以保证变换器在低压输出时仍然能够满功率输出，进一步提高了变换器的恒功率范围，缩小频率调整范围，提高全范围内的效率，提高了电源模块的产品竞争力。
附图说明
图1是本发明的LLC谐振变换器结构示意图；
图2是本发明的LLC谐振变换器工作在全桥和半桥模式时输出电压相对于输入电压的增益曲线示意图；
图3是本发明的LLC谐振变换器工作在全桥模式时电路示意图；
图4是本发明的LLC谐振变换器工作在全桥模式时继电器K1、K2控制方式以及Vgs1、Vgs2、Vgs3和Vgs4驱动信号示意图；
图5是本发明的LLC谐振变换器工作在半桥模式时电路示意图；
图6是本发明的LLC谐振变换器工作在半桥模式时继电器K1、K2控制方式以及Vgs1、Vgs2、Vgs3和Vgs4驱动信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种提高LLC增益范围的变换器，包括：输入电源Vin，原边全桥开关网络，所述原边全桥开关网络包括：MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4，所述MOS管Q1与MOS管Q2相串联，所述MOS管Q3、MOS管Q4相串联后与MOS管Q1、MOS管Q2的串联支路相并联；LLC谐振网络，所述LLC谐振网络包括：谐振电容Cr，谐振电感Lr，变压器T1，所述谐振电容Cr与谐振电感Lr相串联，谐振电容Cr与谐振电感Lr的串联支路一端连接在MOS管Q1与MOS管Q2之间，另一端与变压器T1输入端一端相连接，变压器T1输入端另一端与单刀双掷继电器K2相连接；所述单刀双掷继电器K2第一端口连接在MOS管Q3与MOS管Q4之间，第二端口连接在MOS管Q4的S极；单刀单掷继电器K1一端连接在MOS管Q1与MOS管Q2之间，另一端连接在MOS管Q3与MOS管Q4之间；副边全桥整流网络，所述副边全桥整流网络包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，所述二极管D1、二极管D2相串联，二极管D3、二极管D4相串联后与二极管D1、二极管D2串联支路相并联；输出电容Co和输出负载RL分别与二极管D1、二极管D2串联支路相并联；所述变压器T1输出端一端与二极管D1、二极管D2之间相连接，另一端与二极管D3、二极管D4之间相连接；所述输入电源Vin与MOS管Q1、MOS管Q2的串联支路相并联。
所述输入电源Vin采用AC/DC输出端的母线电压。
所述单刀单掷继电器K1、单刀双掷继电器K2可用MOS管、IGBT、可控硅或其他器件替代。
所述原边全桥开关网络中的二极管可用MOS管替代。
一种提高LLC增益范围的变换器的控制方法：包括如下步骤：
步骤1：原边全桥开关网络的MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4分别对应驱动信号Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4，驱动信号的频率通过采样输出电压与参考电压相比较或者采样输出电流与参考电流相比较，得到的误差值经闭环调节器后得到的控制量来设置，以保证输出电压或输出电流可以按照设定值工作。
步骤2：当输出电压高于模式切换的设定值时，单刀单掷继电器K1断开，单刀双掷继电器K2闭合在第一端口的位置，此时变换器为全桥LLC工作模式；
步骤3：当输出电压低于模式切换的设定值时，单刀单掷继电器K1闭合，单刀双掷继电器K2闭合在第二端口的位置，此时变换器工作在半桥LLC工作模式。
当变换器工作在全桥LLC模式时，Vgs1和Vgs4驱动频率和占空比相同，Vgs2和Vgs3驱动频率和占空比相同，Vgs1和Vgs2驱动相位互补，Vgs3和Vgs4驱动相位互补；当变换器工作在半桥LLC模式时，Vgs1和Vgs3驱动频率和占空比相同，Vgs2和Vgs4驱动频率和占空比相同，Vgs1和Vgs2驱动相位互补，Vgs3和Vgs4驱动相位互补。
通过该控制方法可以提高LLC谐振变换器的增益范围，保证变换器在宽增益范围内工作点仍然在谐振频率附近，降低***损耗提高效率；同时切换到半桥LLC工作模式时，通过继电器K1和K2的配置，可以将开关管Q1和Q3并联，Q2和Q4并联，保证在低压时仍然可以满功率输出。
LLC谐振变换器为单个LLC变换器独立应用，或者为两个LLC谐振变换器通过并联或串联得到的衍生电路。
如图2所示，当确定谐振参数和功率等级后，LLC谐振变换器工作在全桥模式和半桥模式时可以相应得到输出电压相对于输入电压的增益曲线，从图中可以看出若LLC谐振变换器只工作在全桥LLC模式，在设定的工作频率范围内，增益变化范围为0.8-1.6；若LLC谐振变换器只工作在半桥LLC模式，在设定的工作频率范围内，增益变化范围为0.4-0.8；若LLC谐振变换器可以在全桥LLC和半桥LLC模式之间切换时，增益范围可以拓展到0.4-1.6，显著提高了LLC谐振变换器的增益范围，并且在半桥LLC模式时，开关管Q1和Q3为并联方式，Q2和Q4为并联方式，可以保证在半桥工作模式时仍然可以满功率输出。
当工作在全桥模式时，输出电压相对于输入电压的增益关系如下：
当工作在半桥模式时，输出电压相对于输入电压的增益减半，其关系如下：
其中M(k,Q,fn)为输出电压比上输入电压之间增益，k为电感系数，Q为品质因数，fn为归一化谐振频率。
如图3所示，当输出电压高于设定的模式切换电压值时，单刀单掷继电器K1断开，单刀双掷继电器K2连接到第一端口1，LLC谐振变换器工作在全桥模式。
如图4所示，此时Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4为占空比接近50％的方波信号，其中Vgs1和Vgs4驱动信号频率和占空比相同，Vgs2和Vgs3驱动信号频率和占空比相同，Vgs1和Vgs2驱动信号相位互补，Vgs3和Vgs4驱动信号相位互补，同一桥臂Vgs1和Vgs2、Vgs3和Vgs4之间设有一定的死区时间，可以防止同一桥臂的两颗MOS管直通。
如图5所示，当输出电压低于设定的模式切换电压值时，单刀单掷继电器K1闭合，单刀双掷继电器K2连接到第二端口2，LLC谐振变换器工作在半桥模式。
如图6所示，此时Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4为占空比接近50％的方波信号，其中Vgs1和Vgs3驱动信号频率和占空比相同，Vgs2和Vgs4驱动信号频率和占空比相同，Vgs1和Vgs2驱动信号相位互补，Vgs3和Vgs4驱动信号相位互补，同一桥臂Vgs1和Vgs2、Vgs3和Vgs4之间设有一定的死区时间，可以防止同一桥臂的两颗MOS管直通。
本发明专利提出了一种可以实现工作模式切换的LLC谐振变换器，并且说明了切换电路的控制方法。该方法在提高LLC增益范围的同时可以保证变换器在低压输出时仍然能够满功率输出，进一步提高了变换器的恒功率范围，缩小频率调整范围，提高全范围内的效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种提高LLC增益范围的变换器，其特征在于：包括：输入电源Vin，原边全桥开关网络，所述原边全桥开关网络包括：MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4，所述MOS管Q1与MOS管Q2相串联，所述MOS管Q3、MOS管Q4相串联后与MOS管Q1、MOS管Q2的串联支路相并联；LLC谐振网络，所述LLC谐振网络包括：谐振电容Cr，谐振电感Lr，变压器T1，所述谐振电容Cr与谐振电感Lr相串联，谐振电容Cr与谐振电感Lr的串联支路一端连接在MOS管Q1与MOS管Q2之间，另一端与变压器T1输入端一端相连接，变压器T1输入端另一端与单刀双掷继电器K2相连接；所述单刀双掷继电器K2第一端口连接在MOS管Q3与MOS管Q4之间，第二端口连接在MOS管Q4的S极；单刀单掷继电器K1一端连接在MOS管Q1与MOS管Q2之间，另一端连接在MOS管Q3与MOS管Q4之间；副边全桥整流网络，所述副边全桥整流网络包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，所述二极管D1、二极管D2相串联，二极管D3、二极管D4相串联后与二极管D1、二极管D2串联支路相并联；输出电容Co和输出负载RL分别与二极管D1、二极管D2串联支路相并联；所述变压器T1输出端一端与二极管D1、二极管D2之间相连接，另一端与二极管D3、二极管D4之间相连接；所述输入电源Vin与MOS管Q1、MOS管Q2的串联支路相并联。
2.根据权利要求1所述的一种提高LLC增益范围的变换器，其特征在于：所述输入电源Vin采用AC/DC输出端的母线电压。
3.根据权利要求1所述的一种提高LLC增益范围的变换器，其特征在于：所述单刀单掷继电器K1、单刀双掷继电器K2可用MOS管、IGBT、可控硅或其他器件替代。
4.根据权利要求1所述的一种提高LLC增益范围的变换器，其特征在于：所述原边全桥开关网络中的二极管可用MOS管替代。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种提高LLC增益范围的变换器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：原边全桥开关网络的MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4分别对应驱动信号Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4，驱动信号的频率通过采样输出电压与参考电压相比较或者采样输出电流与参考电流相比较，得到的误差值经闭环调节器后得到的控制量来设置，用于保证输出电压或输出电流按照设定值工作；
步骤2：当输出电压高于模式切换的设定值时，单刀单掷继电器K1断开，单刀双掷继电器K2闭合在第一端口的位置，此时变换器为全桥LLC工作模式；
步骤3：当输出电压低于模式切换的设定值时，单刀单掷继电器K1闭合，单刀双掷继电器K2闭合在第二端口的位置，此时变换器工作在半桥LLC工作模式。
6.根据权利要求5所述的一种提高LLC增益范围的变换器的控制方法，其特征在于：当变换器工作在全桥LLC工作模式时，Vgs1和Vgs4驱动信号频率和占空比相同，Vgs2和Vgs3驱动信号频率和占空比相同，Vgs1和Vgs2驱动信号相位互补，Vgs3和Vgs4驱动信号相位互补；当变换器工作在半桥LLC在模式时，Vgs1和Vgs3驱动信号频率和占空比相同，Vgs2和Vgs4驱动信号频率和占空比相同，Vgs1和Vgs2驱动信号相位互补，Vgs3和Vgs4驱动信号相位互补。
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