CN113224945A - 一种Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构 - Google Patents

一种Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构，利用CLCL形式的拓扑结构取代了现有的Buck+LLC变换器中的半桥LLC结构，解决了其采用效率较低的Buck电路调压，而LLC被限制为定频，效率在重载及轻载下较低以及定频LLC设计时K值选取过大易造成ZVS丢失、参数设计困难的技术问题。尤其是采用对BUCK变换器的占空比固定，并对CLCL变换器的频率进行调整的方式时，能够使***效率曲线在宽输入情况下大大改善。

Description

一种Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构
技术领域
本发明属于开关电源中的功率变换器件技术领域，具体涉及一种由Buck电路与CLCL拓扑结构级联组成的DC/DC功率变换器拓扑结构。
背景技术
在现有的开关电源中BUCK+LLC级联形式的功率变换拓扑结构被较为广泛地采用，其原边开关管能够全负载范围内实现软开关，器件具有较高的集成度，且具有工作时导通损耗小、功率密度高等优点。然而，这种拓扑结构仍然存在以下缺陷和不足：
(1)在通常使用的情况下，级联拓扑的效率主要受限于Buck拓扑，但是由于LLC拓扑调压特性较弱，采用Buck调压时，会对***效率产生很大的影响；
(2)LLC设计时，由于需要降低谐振电流以实现MOS管关断时的低电流应力，并且提高轻载状态下的效率，LLC的励磁电感Lm通常选择的很大，励磁电感Lm与谐振电感Lr的比值K通常会选择10以上以获得较高的轻载效率，但是轻载效率提升却带来了Lm过大引起的谐振能量较小，无法实现全范围软开关，因而对于小功率的场合并不适用。
(3)LLC拓扑采用变频方式进行调压，但是由于是PFM控制，控制环路建模困难，且当电路处于宽范围工作时，频率变化范围大，因此不适用于极轻载与需要宽范围输入和输出的场合，而主要局限在了降压隔离的场合。
发明内容
为克服上述现有技术中的问题，本发明提供了一种Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构，具体由以下元件组成：
前级BUCK变换器包括直流输入电压Ubus，后级LLC变换器包括开关管Q1、开关管Q2、续流二极管1、续流二极管2、并联电容Cds1、并联电容Cds2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、谐振电容Cp、谐振电感Ls、励磁电感Lm、高频变压器、二极管D1、二极管D2、输出电容C0、输出负载电阻R0；
其中，所述开关管Q1和开关管Q2首尾串联，开关管Q1的集电极连接所述直流输入电压Ubus的正极，开关管Q2的集电极连接开关管Q1的发射极，开关管Q2的发射极连接所述直流输入电压Ubus的负极；
所述开关管Q1与所述续流二极管1、并联电容Cds1三者并联；所述开关管Q2与所述续流二极管2、并联电容Cds2三者并联；
所述谐振电容Cr的一端连接开关管Q1、开关管Q2的公共端，另一端与谐振电感Lr、谐振电容Cp的一端依次串联，谐振电容Cr的另一端连接开关管Q2的发射极，构成CLCL拓扑结构；
所述谐振电感Ls与励磁电感Lm两者串联并与谐振电容Cp并联；励磁电感Lm与所述高频变压器的原边并联；
所述高频变压器副边带有中心抽头，中心抽头连接所述输出电容C0的负极，高频变压器副边正极连接二极管DR1的正极，高频变压器副边负极连接二极管DR2的正极，二极管DR1的负极与二极管DR2的负极相连；二极管DR1负极与二极管DR2负极的公共端连接输出电容C0的正极；负载电阻R0与输出电容C0并联。
进一步地，所述Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构具有以下两处谐振频率：
Figure BDA0003047498310000021
Figure BDA0003047498310000022
其中，fL、fH分别表示低和高两处谐振频率，ωL、ωH分别表示低和高两处谐振频率所对应的角频率。
进一步地，所述Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构在工作时，采用对BUCK变换器的占空比固定的方式，并对CLCL变换器的频率进行调整，用于控制所述拓扑结构的效率。
有益效果
上述本发明所提供的Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构，利用CLCL形式的拓扑结构取代了现有的Buck+LLC变换器中的半桥LLC结构，解决了其采用效率较低的Buck电路调压，而LLC被限制为定频，效率在重载及轻载下较低以及定频LLC设计时K值选取过大易造成ZVS丢失、参数设计困难的技术问题。尤其是采用对BUCK变换器的占空比固定，并对CLCL变换器的频率进行调整的方式时，能够使***效率曲线在宽输入情况下大大改善。
附图说明
图1示出了现有的Buck+LLC级联电路拓扑结构；
图2示出了本发明所提供的Buck+CLCL级联拓扑结构；
图3示出了与本发明所提供的拓扑结构对应的多种模态；
图4示出了与本发明的一个优选实例中拓扑结构的谐振特性。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
本发明提供的一种Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构，如图2所示，具体由以下元件组成：
前级BUCK变换器包括直流输入电压Ubus，后级LLC变换器包括开关管Q1、开关管Q2、续流二极管1、续流二极管2、并联电容Cds1、并联电容Cds2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、谐振电容Cp、谐振电感Ls、励磁电感Lm、高频变压器、二极管D1、二极管D2、输出电容C0、输出负载电阻R0；
其中，所述开关管Q1和开关管Q2首尾串联，开关管Q1的集电极连接所述直流输入电压Ubus的正极，开关管Q2的集电极连接开关管Q1的发射极，开关管Q2的发射极连接所述直流输入电压Ubus的负极；
所述开关管Q1与所述续流二极管1、并联电容Cds1三者并联；所述开关管Q2与所述续流二极管2、并联电容Cds2三者并联；
所述谐振电容Cr的一端连接开关管Q1、开关管Q2的公共端，另一端与谐振电感Lr、谐振电容Cp的一端依次串联，谐振电容Cr的另一端连接开关管Q2的发射极，构成CLCL拓扑结构；
所述谐振电感Ls与励磁电感Lm两者串联并与谐振电容Cp并联；励磁电感Lm与所述高频变压器的原边并联；
所述高频变压器副边带有中心抽头，中心抽头连接所述输出电容C0的负极，高频变压器副边正极连接二极管DR1的正极，高频变压器副边负极连接二极管DR2的正极，二极管DR1的负极与二极管DR2的负极相连；二极管DR1负极与二极管DR2负极的公共端连接输出电容C0的正极；负载电阻R0与输出电容C0并联。
上述拓扑结构具有以下两处谐振频率：
Figure BDA0003047498310000041
Figure BDA0003047498310000042
其中，fL、fH分别表示低和高两处谐振频率，ωL、ωH分别表示低和高两处谐振频率所对应的角频率。
如图1所示的现有BUCK+LLC电路在通常使用的情况下，级联拓扑的效率主要受限于Buck拓扑，但是由于LLC拓扑调压特性较弱，采用Buck调压时，会对***效率产生很大的影响。并且，在LLC设计时由于需要降低谐振电流以实现MOS管关断时的低电流应力，并且提高轻载状态下的效率，LLC的励磁电感Lm通常选择的很大，励磁电感Lm与谐振电感Lr的比值K通常会选择10以上以获得较高的轻载效率，但是轻载效率提升却带来了Lm过大引起的谐振能量较小，无法实现软开关。本发明通过CLCL拓扑结构取代了现有BUCK+LLC电路中的半桥LLC结构，则能够有效的克服上述现有技术的缺陷。
在本发明的一个优选实施方式中，CLCL结构工作在如图4所示的区域2中时，具有如图3所示的10种模态，通过模态分析可知，采用CLCL拓扑不仅可以实现LLC具有的零电压开通特性，且零电压开通与负载无关，并且可以实现原边开关的准ZCS关断，准ZCS关断可以避免采用LLC电路时需要将Lm设置的很大从而降低关断电流带来的无法实现ZVS的风险。
当变换器工作于线性区域内时，可以实现的拓扑控制方式为将Buck变换器的占空比固定，调整CLCL变换器的频率，通过合理的参数设计以保证***效率最优，以500W半砖样机为例，前级Buck环节在调压过程中效率在94-92％之间变化，而谐振单元的效率则高达98％以上，采用CLCL拓扑，调频方式调压，则可以将Buck变换器效率控制住94％附近，而CLCL效率由于实现ZVS，始终保持在一个高点，***效率曲线在宽输入情况下大大改善。
以上对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构，其特征在于：具体由以下元件组成：
前级BUCK变换器包括直流输入电压Ubus，后级LLC变换器包括开关管Q1、开关管Q2、续流二极管1、续流二极管2、并联电容Cds1、并联电容Cds2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、谐振电容Cp、谐振电感Ls、励磁电感Lm、高频变压器、二极管D1、二极管D2、输出电容C0、输出负载电阻R0；
其中，所述开关管Q1和开关管Q2首尾串联，开关管Q1的集电极连接所述直流输入电压Ubus的正极，开关管Q2的集电极连接开关管Q1的发射极，开关管Q2的发射极连接所述直流输入电压Ubus的负极；
所述开关管Q1与所述续流二极管1、并联电容Cds1三者并联；所述开关管Q2与所述续流二极管2、并联电容Cds2三者并联；
所述谐振电容Cr的一端连接开关管Q1、开关管Q2的公共端，另一端与谐振电感Lr、谐振电容Cp的一端依次串联，谐振电容Cr的另一端连接开关管Q2的发射极，构成CLCL拓扑结构；
所述谐振电感Ls与励磁电感Lm两者串联并与谐振电容Cp并联；励磁电感Lm与所述高频变压器的原边并联；
所述高频变压器副边带有中心抽头，中心抽头连接所述输出电容C0的负极，高频变压器副边正极连接二极管DR1的正极，高频变压器副边负极连接二极管DR2的正极，二极管DR1的负极与二极管DR2的负极相连；二极管DR1负极与二极管DR2负极的公共端连接输出电容C0的正极；负载电阻R0与输出电容C0并联。
2.如权利要求1所述的Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构，其特征在于：所述Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构具有以下两处谐振频率：
Figure FDA0003047498300000021
Figure FDA0003047498300000022
其中，fL、fH分别表示低和高两处谐振频率，ωL、ωH分别表示低和高两处谐振频率所对应的角频率。
3.如权利要求1所述的Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构，其特征在于：所述Buck+CLCL谐振变换器级联的DC/DC功率变换器拓扑结构在工作时，采用对BUCK变换器的占空比固定的方式，并对CLCL变换器的频率进行调整，用于控制所述拓扑结构的效率。
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