CN110266193B - 一种适用于大功率升压型llc谐振变换器的结构 - Google Patents

一种适用于大功率升压型llc谐振变换器的结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，包括逆变侧、整流侧、变压器和散热器，逆变侧和整流侧与变压器相连，并共同设在散热器上方；在逆变侧顶部插有驱动板，驱动板上插有最小***板；逆变侧上分别设有两个半桥模块、两个谐振电感和逆变侧PCB板，逆变侧PCB板上方分别设正、负母线铜片和一对谐振电容组；通过利兹线接两个谐振电感连接到变压器的逆变侧接线端上；整流侧包括四个二极管模块，四个二极管模块上方连接一块整流侧PCB板，整流侧PCB板上设有由五个电容并联的滤波电容组，四个二极管模块和滤波电容组通过整流侧PCB板与变压器相连。在保证散热和电磁兼容性的前提下，实现较高的功率密度。

Description

一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构
技术领域
本发明属于电力电子变换器结构设计领域，具体涉及一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构。
背景技术
电力电子技术的迅速发展，对变换器的功率密度和效率提出了更高的要求。LLC谐振变换器能实现原边开关管零电压开通、副边整流管零电流关断，其优良的软开关特性可以大幅减小开关损耗，提高效率；可实现开关高频化设计，从而提高功率密度；同时，LLC谐振变换器的可输入电压范围宽、开关应力小，这些优点使其成为目前普遍使用的拓扑。
大功率升压型LLC变换器是LLC变换器的一种实际应用分类。在该类型变换器的结构设计过程中，主要存在以下问题：第一，一般情况下，大功率意味着变换器有源器件（开关管、二极管）和无源器件（电感、电容、变压器）的尺寸也会相应增大，器件排布困难，从而影响变换器功率密度；第二，大功率升压型LLC变换器的谐振电流较大，变换器中的发热元件，如开关器件、谐振电感、变压器，散热更为困难；第三，含高速动作开关管的大功率主电路容易对控制回路造成电磁干扰，影响控制的稳定性，同时也容易对外造成电磁污染。
因此，为实现高功率密度的大功率升压型LLC谐振变换器，需要综合器件选型、散热、电磁兼容等多方面进行合理的结构设计。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种大功率升压型LLC谐振变换器结构，在保证散热和电磁兼容性的前提下，实现较高的功率密度。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，包括逆变侧、整流侧、变压器和散热器，所述逆变侧和整流侧与变压器相连，逆变侧和整流侧并共同设在散热器上方；在逆变侧顶部插有驱动板，驱动板上插有最小***板；
所述逆变侧上分别设有两个半桥模块和两个谐振电感，还包括在两个半桥模块和两个谐振电感上的一块逆变侧PCB板，逆变侧PCB板的上方分别设有与两个半桥模块正负极连接的正母线铜片和负母线铜片和一对谐振电容组；在正母线铜片和负母线铜片之间接有一对输入滤波电容组，在逆变侧PCB板下方设有利兹线；两个谐振电感通过利兹线连接到变压器的第一逆变侧接线端上；
所述整流侧包括四个二极管模块，四个二极管模块上方连接一块整流侧PCB板，整流侧PCB板上设有由五个电容并联的滤波电容组，四个二极管模块和滤波电容组通过整流侧PCB板与变压器相连。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述两个半桥模块并列分布在逆变侧的左侧，两个谐振电感前后分布在逆变侧的右侧，两个半桥模块和两个谐振电感通过螺丝紧固在散热器上。
进一步，两个半桥模块上的第一半桥模块的正极和第二半桥模块的正极通过正母线铜片连接，第一半桥模块的负极和第二半桥模块的负极通过负母线铜片连接。
进一步，第一半桥模块通过第一半桥模块的中点与逆变侧PCB板上的谐振电容组连接，然后接到变压器的第二逆变侧接线端上。
进一步，第二半桥模块通过第二半桥模块的中点与利兹线的接线端子相接，通过利兹线接两个串联的谐振电感，再连接到变压器的第一逆变侧接线端上。
进一步，所述利兹线和逆变侧PCB板相贴。
进一步，所述驱动板置于半桥模块正上方，通过插针连接到半桥模块上。
进一步，所述最小***板通过插针连接到驱动板上，与半桥模块垂直向上形成的空间错开。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1）本发明采用合理的器件选型方法和紧凑型的布局方式，将大功率升压型LLC谐振变换器集成在一个长方体结构中，实现高功率密度，有利于模块化的组合；
2）将变换器中原边半桥模块、副边整流二极管模块、变压器和电感紧贴散热器，满足其在大电流工作条件下的散热需求；
3）通过最大程度减小驱动回路、主功率回路面积，将DSP最小***板与半桥模块垂直空间错开等方式，减少电路主功率回路对控制回路的电磁干扰、减小回路中的寄生参数、保证控制回路的良好运行，降低两回路的电磁敏感性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明所涉及的大功率升压型LLC谐振变换器拓扑；
图2是本发明的整体结构俯视图；
图3(a)是逆变侧的主视图；
图3(b)是逆变侧的A-A剖视图；
图4(a)是整流侧的主视图；
图4(b)是整流侧的俯视图。
图中：101.逆变侧，102.整流侧，103.变压器，104.散热器，105.驱动板，106.最小***板， 1.第一半桥模块，2.第二半桥模块，3.垫片，4.负母线铜片，5.螺丝，6.插针，7.第一谐振电容组，8. 第二谐振电容组，9.第一谐振电感，10.第二谐振电感，11. 逆变侧PCB板，12.第一逆变侧接线端子，13.第二逆变侧接线端子，14. 正母线铜片，15.第一输入滤波电容组，16.第二输入滤波电容组，17.第一半桥模块的正极，18.第一半桥模块的负极，19.第一半桥模块的中点，20.第二半桥模块的正极，21.第二半桥模块的负极，22.第二半桥模块的中点，23.利兹线，24.利兹线接线端子，25.第一二极管模块，26.第二二极管模块，27.第三二极管模块，28.第四二极管模块，29.滤波电容组，30. 整流侧PCB板，31.第一整流侧接线端子，32.第二整流侧接线端子，33.第一输出接线端，34.第二输出接线端。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1是本发明所涉及的大功率升压LLC谐振变换器拓扑。LLC谐振变换器的逆变侧与整流侧通过变压器相连。逆变侧由输入滤波电容Ci、开关管S1~S4、谐振电感Lr、谐振电容Cr组成，整流侧由整流二极管D1~D4、输出滤波电容Co组成。开关管S1~S4实际采用两个半桥模块1和2，整流二极管D1~D4实际采用四个二极管模块25~28。
如图2所示为本发明的整体结构俯视图，俯视图中可见LLC谐振变换器的三个主体部分：逆变侧101、整流侧102和变压器103。考虑到大功率的应用场合，逆变侧101和整流侧102设计成分立的两部分，在其宽度方向上并列排布，在逆变侧101和整流侧102一侧设有变压器103，逆变侧101和整流侧102与变压器103相连，逆变侧101和整流侧102的宽度之和与变压器103的长度对应。逆变侧101、整流侧102与变压器103整体布局的俯视图为长方形，且三者高度相同。逆变侧101和整流侧102与变压器103相连并整体布置在散热器104上方，见图3(a)所示，长宽根据逆变侧101、整流侧102、变压器103的整体长宽确定。整个谐振变换器是一个长方体模块。在逆变侧101顶部插有驱动板105，在逆变侧101、整流侧102顶部设有最小***板106。最小***板106插在驱动板105上。
如图3(a)、3(b)所示，为逆变侧101的主视图和A-A剖视图。两个半桥模块，即第一、第二半桥模块1、2并列分布在逆变侧101的左侧，两个谐振电感，即第一、第二谐振电感9、10前后分布在逆变侧101的右侧，第一、第二半桥模块1、2和第一、第二谐振电感9、10通过螺丝紧固在散热器104上，保证其散热。第一、第二半桥模块1、2和第一、第二谐振电感9、10顶部设有一块逆变侧PCB板11，在逆变侧PCB板11的上方分别设有负母线铜片4和正母线铜片14，负母线铜片4和正母线铜片14与第一、第二半桥模块1、2的正负极相连。在逆变侧PCB板11的上方设有一对谐振电容组，即第一、第二谐振电容组7、8，第一、第二谐振电容组7、8沿逆变侧PCB板11中部对称分布；在逆变侧PCB板11下方设有利兹线23。
如图3(b)所示，在两个半桥模块1、2上的第一半桥模块的正极17和第二半桥模块的正极20通过正母线铜片14连接，第一半桥模块的负极18和第二半桥模块的负极21通过负母线铜片4连接，第一输入滤波电容组15和第二输入滤波电容组16焊接在正母线铜片14和负母线铜片4之间，用于减小半桥模块的开关高频震荡。其中，第一半桥模块的正极17和第一半桥模块的负极18上垫有垫片，用于在垂直方向与逆变侧PCB板11错开，负母线铜片4、正母线铜片14通过螺丝5连接第一、第二半桥模块1、2，驱动板105通过插针6与第一、第二半桥模块1、2连接。
第一半桥模块1通过第一半桥模块的中点19与逆变侧PCB板11上的第一、第二谐振电容组7、8连接，然后接到变压器103的第二逆变侧接线端13上。第二半桥模块2通过第二半桥模块的中点22与利兹线接线端子24相接，通过利兹线23接两个串联的第一、第二谐振电感9、10，再连接到第一变压器的逆变侧接线端12上。利兹线23和逆变侧PCB板11相贴，以减小功率回路面积，提高电磁兼容性。
垫片3用于将正、负母线的铜片14、4和逆变侧PCB板11在垂直方向上错开。驱动板105置于第一、第二半桥模块1、2正上方，通过插针6连接到第一、第二半桥模块1、2上为其提供驱动信号，从而减小驱动回路的面积，以减小驱动回路寄生参数、避免栅极振荡，且降低电磁敏感性。
最小***板106通过插针6连接到驱动板上，注意与第一、第二半桥模块1、2垂直向上形成的空间错开，以减小主功率回路对最小***板106的电磁干扰。
如图4(a)、4(b)所示，为整流侧102的主视图和俯视图。四个二极管模块即第一、第二、第三、第四二极管模块25、26、27、28通过螺丝连接在散热器104上，并通过螺丝连接到整流侧PCB板30上。在四个二极管模块左侧设有由五个电容并联的滤波电容组29，在电容选型阶段需注意其高度，且在布局时留出最小***板106的位置。第一、第二整流侧接线端子31、32通过螺丝连接到整流侧PCB板30上。变压器103输出到第一、第二整流侧接线端子31、32的交流电通过四个二极管模块25、26、27、28整流和输出滤波电容组29的滤波变为直流电，最后通过第一、第二输出接线端33、34连接到负载。
本发明将整体结构分为四个部分：逆变侧、变压器、整流侧和散热器，该结构不同于多数LLC变换器将逆变侧、整流侧、变压器设计在同一块PCB上。本发明考虑到大功率的应用场合，将逆变侧和整流侧设计成分立的两部分，在其宽度方向上并列排布。逆变侧和整流侧的宽度之和与变压器的长度接近，整体布局的俯视图为长方形，三者高度接近。散热器放在底部，长宽根据前三者的整体布局确定。谐振变换器整体为一个长方体模块。
进一步，逆变侧采用由两个半桥模块及其驱动板、DSP最小***板、输入滤波电容、谐振电感和谐振电容组成。其中，半桥模块、谐振电感须紧贴散热器散热，因此布置于逆变侧PCB板下方。两个半桥模块的正端和负端通过铜片连接，输入滤波电容焊接在两片铜片之间，用于减小半桥模块的开关高频震荡。半桥模块的驱动板与两个半桥模块通过插针连接，置于其正上方，减小驱动回路的面积，以减小驱动回路寄生参数、避免栅极振荡，同时降低电磁敏感性。DSP最小***板通过插针外接在驱动板上方，但与半桥模块的垂直向上形成的空间错开，减小主功率回路对DSP最小***板的电磁干扰。大功率升压型LLC谐振变换器的谐振电流较大，导致满足电流要求的电容体积较大，无法很好地集成在电路中，因此选取高度合适的小电容并联，减小电容总体积，布置于PCB板上方。谐振电感磁芯高度的选取原则为不高于PCB与散热器之间的距离，在此原则下，若最大电感值无法达到设计的谐振电感值，则改为多个电感串联的形式。谐振电感接线为利兹线，紧贴PCB板，使主功率回路面积最小。
进一步，整流侧采用由四个二极管模块和输出滤波电容组成。二极管模块须紧贴散热器散热，布置于PCB板下方。输出滤波电容由高度合适的电容并联组成，并注意留出最小***板的位置。
本发明采用了上述结构布置方式能够在保证散热和电磁兼容性的前提下，实现较高的功率密度。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，其特征在于，包括逆变侧（101）、整流侧（102）、变压器（103）和散热器（104），所述逆变侧（101）和整流侧（102）与变压器（103）相连，逆变侧（101）、整流侧（102）和变压器（103）并共同设在散热器（104）上方；在逆变侧（101）顶部插有驱动板（105），驱动板（105）上插有最小***板（106）；
所述逆变侧（101）上分别设有两个半桥模块（1、2）和两个谐振电感（9、10），还包括在两个半桥模块（1、2）和两个谐振电感（9、10）上的一块逆变侧PCB板（11），逆变侧PCB板（11）的上方分别设有与两个半桥模块（1、2）正负极连接的正母线铜片（14）和负母线铜片（4），逆变侧PCB板（11）的上方还设有一对谐振电容组（7、8）；在正母线铜片（14）和负母线铜片（4）之间接有一对输入滤波电容组（15、16），在逆变侧PCB板（11）下方设有利兹线（23）；两个谐振电感（9、10）通过利兹线（23）连接到变压器的第一逆变侧接线端（12）上；
所述整流侧（102）包括四个二极管模块（25）、（26）、（27）、（28），四个二极管模块上方连接一块整流侧PCB板（30），整流侧PCB板（30）上设有与四个二极管模块错位分布的由五个电容并联的滤波电容组（29），四个二极管模块和滤波电容组（29）通过整流侧PCB板（30）与变压器（103）相连。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，其特征在于，所述两个半桥模块（1、2）并列分布在逆变侧（101）的左侧，两个谐振电感（9、10）前后分布在逆变侧（101）的右侧，两个半桥模块（1、2）和两个谐振电感（9、10）通过螺丝紧固在散热器（104）上。
3.根据权利要求1所述的一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，其特征在于，两个半桥模块（1、2）上的第一半桥模块的正极（17）和第二半桥模块的正极（20）通过正母线铜片（14）连接，第一半桥模块的负极（18）和第二半桥模块的负极（21）通过负母线铜片（4）连接。
4.根据权利要求3所述的一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，其特征在于，第一半桥模块（1）通过第一半桥模块的中点（19）与逆变侧PCB板（11）上的谐振电容组（7、8）连接，然后接到变压器（103）的第二逆变侧接线端（13）上。
5.根据权利要求3所述的一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，其特征在于，第二半桥模块（2）通过第二半桥模块的中点（22）与利兹线（23）的接线端子（24）相接，通过利兹线（23）接两个串联的谐振电感（9、10），再连接到变压器的第一逆变侧接线端（12）上。
6.根据权利要求1所述的一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，其特征在于，所述利兹线（23）和逆变侧PCB板（11）相贴。
7.根据权利要求1所述的一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，其特征在于，所述驱动板（105）置于两个半桥模块（1、2）正上方，通过插针（6）连接到两个半桥模块（1、2）上。
8.根据权利要求1所述的一种适用于大功率升压型LLC谐振变换器的结构，其特征在于，所述最小***板（106）通过插针（6）连接到驱动板（105）上，与两个半桥模块（1、2）垂直向上形成的空间错开。
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