CN113472215A - 一种拓宽llc输出电压范围控制方法、电路及装置 - Google Patents

一种拓宽llc输出电压范围控制方法、电路及装置 Download PDF

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CN113472215A CN202110919876.6A CN202110919876A CN113472215A CN 113472215 A CN113472215 A CN 113472215A CN 202110919876 A CN202110919876 A CN 202110919876A CN 113472215 A CN113472215 A CN 113472215A
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Abstract

本申请提供了一种拓宽LLC输出电压范围控制电路，所述电路为全桥拓扑电路，用于通过预设发波策略控制输出频率范围，包括：发波模块用于依据预设的调频策略转换供电端提供的输入电压，并输出特定频率和波形的第一电压到LLC模块；LLC模块用于将所述第一电压转换为第二电压，并输出所述第二电压到高频整流模块；高频整流模块的输出端作为所述全桥拓扑电路的输出端，用于输出定频输出第三电压。通过上述电路，能解决硬开关，导致开关损耗大，感性关断电压尖峰大，容性开通电流尖峰大，电磁干扰严重的问题；改变LLC增益特性曲线，低压输出实现定频控制；以及实现全范围软开关。

Description

一种拓宽LLC输出电压范围控制方法、电路及装置
技术领域
本申请涉及LLC输出控制技术领域，特别是一种拓宽LLC输出电压范围控制方法、电路及装置。
背景技术
整流电路(rectifying circuit)把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。
传统PWM(脉宽调节)变换器不同，LLC是一种通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振电路。它的优点是：实现原边两个主MOS开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS)，通过软开关技术，可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。
但目前的，LLC模块低压段输出控制方法有增大死区时间控制、移相控制、间歇发波等方案。但一味增大死区时间，会失去软开关工作环境，由于工作频率高，开关损耗大容易炸机；移相控制其滞后臂处于硬开关，开关应力大，容易炸机，间歇发波能解决硬开关问题，大功率电源采用数字控制环路带宽响应不能足够快，输出低压峰峰值杂音会几倍；并且在有技术中输出的电压频率和电压值范围较小，不能直接适用于负载，而再次经过转换后又会增加损耗，能效降低。
发明内容
鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种拓宽LLC输出电压范围控制方法、电路及装置，包括：一种拓宽LLC输出电压范围控制电路，所述电路为全桥拓扑电路，用于通过预设发波策略控制输出频率范围，包括：
发波模块连接到LLC模块的输入端，所述发波模块用于依据预设的调频策略转换供电端提供的输入电压，并输出特定频率和波形的第一电压到所述LLC模块；其中，所述发波模块包括A输出端和B输出端，所述预设的调频策略包括所述A输出端和所述B输出端的输出频率相同，且波形相反；
所述LLC模块的输出端连接到高频整流模块的输入端，所述LLC模块用于将所述第一电压转换为第二电压，并输出所述第二电压到高频整流模块；
所述高频整流模块的输出端，用于输出定频输出第三电压，其中，所述定频输出第三电压是通过所述高频整流模块对所述第二电压进行整流输出获得。
进一步的，所述发波模块包括：
第一滤波单元和转换单元；
所述第一滤波单元与所述转换单元并联，且并联的一端连接到所述供电端，另一端接地；
所述转换单元的两个输出端为连接到所述LLC模块的所述A输出端和所述B输出端。
进一步的，所述转换单元包括：
第一MOS管的D极连接供电端，S极连接第二MOS管的D极作为A输出端，第二MOS管的S极接地；
第三MOS管的D极连接供电端，S极连接第四MOS管的D极作为B输出端，第四MOS管的S极接地；
所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管及第四MOS管均含有寄生二极管和寄生电容，具体的，所述第一MOS管包括，寄生二极管D1和寄生电容C1，所述第二MOS管包括，寄生二极管D2和寄生电容C2，所述第三MOS管包括，寄生二极管D3和寄生电容C3，所述第四MOS管包括，寄生二极管D4和寄生电容C4。
进一步的，所述LLC模块包括：
谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器T1；
所述谐振电感Lr一端连接到所述A输出端，另一端连接所述谐振电容Cr的一端，所述谐振电容Cr的另一端连接所述变压器T1的初级绕组的一端，所述初级绕组的另一端连接到所述B输出端；
所述变压器T1的次级绕组为LLC模块的输出端。
进一步的，所述高频整流模块包括：
高频全波整流桥和第二滤波单元；
所述高频全波整流桥的正、负极与所述第二滤波单元并联；
所述高频全波整流桥的输入端连接到LLC模块的输出端，具体的，所述高频全波整流桥的两个输入端，分别连接LLC模块的两个输出端。
进一步的，所述高频全波整流桥由四只相同的高频二极管组成，包括：
所述第五高频二极管和第六高频二极管同向串联，且串联位置为所述高频整流模块的一输入端；
所述第七高频二极管和第八高频二极管同向串联，且串联位置为所述高频整流模块的另一输入端；
所述第五高频二极管负极与所述第七高频二极管负极连接，作为所述高频整流模块的正极输出端；
所述第六高频二极管负极与所述第八高频二极管负极连接，作为所述高频整流模块的负极输出端；
所述正极输出端和所述负极输出端，作为所述高频全波整流桥的输出端连接负载。
进一步的，所述第一滤波单元至少包括一个输入电容Cin；所述输入电容Cin一端电性连接供电端，另一端接地。
进一步的，所述第二滤波单元至少包括一个输出电容Cout，所述输出电容Cout一端连接所述高频全波整流桥的正极，另一端连接所述高频全波整流桥的负极。
一种拓宽LLC输出电压范围控制方法，所述方法用于通过预设发波策略控制全桥拓扑电路输出频率范围，包括：
依据预设的调频策略，通过发波模块输出特定频率和波形的第一电压到LLC模块；
所述LLC模块转换所述第一电压，生成第二电压，并输出所述第二电压到高频整流模块；
所述高频整流模块对所述第二电压进行整流，并定频输出第三电压。
一种拓宽LLC输出电压范围控制装置，所述装置封装有所述拓宽LLC输出电压范围控制电路。种拓宽LLC输出电压范围控制装置，所述装置封装有所述拓宽LLC输出电压范围控制电路。
本申请具有以下优点：
在本申请的实施例中，通过发波模块电性连接到LLC模块的输入端，用于依据预设的调频策略通过发波模块输出特定频率和波形的第一电压到所述LLC模块；所述LLC模块的输出端电性连接到高频整流模块的输入端，所述LLC模块用于将所述第一电压转换为第二电压，并输出所述第二电压到高频整流模块；所述高频整流模块的输出端电性连接到负载，用于通过所述高频整流模块对所述第二电压进行整流，并定频输出第三电压。通过上述电路，能解决硬开关，导致开关损耗大，感性关断电压尖峰大，容性开通电流尖峰大，电磁干扰严重的问题；改变LLC增益特性曲线，低压输出实现定频控制；以及实现全范围软开关。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制电路示意图
图2是本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制电路的工作波形；
图3是本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制电路的工作流程中的波形；
图4是本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制方法的步骤流程图；
图5是本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制电路通过纯调频可以实现软开关的工作波形；
图6是本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制电路实现硬开关状态的工作波形；
图7是本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制电路通过移相控制实现后的各电压及对应驱动波形。
具体实施方式
为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参照图1，示出了本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制电路，所述电路用于通过LLC调整的电压输出频率范围，包括：发波模块1连接到LLC模块2的输入端，所述发波模块1用于依据预设的调频策略转换供电端提供的输入电压，并输出特定频率和波形的第一电压到所述LLC模块2；其中，所述发波模块1包括A输出端和B输出端，所述预设的调频策略包括所述A输出端和所述B输出端的输出频率相同，且波形相反；所述LLC模块2的输出端连接到高频整流模块3的输入端，所述LLC模块2用于将所述第一电压转换为第二电压，并输出所述第二电压到高频整流模块3；所述高频整流模块3的输出端，用于输出定频输出第三电压，其中，所述定频输出第三电压是通过所述高频整流模块对所述第二电压进行整流输出获得。
通过A输出端和B输出端输出频率(开关频率)一致，同时根据输出电压要求进行占空比斩波。参图2为工作波形，可以看出全新控制方案能解决硬开关问题，同时拓宽输出电压。
在本发明的一实施例中，所述发波模块1包括：第一滤波单元和转换单元；所述第一滤波单元与所述转换单元并联，且并联的一端连接到所述供电端，另一端接地；所述转换单元的两个输出端为连接到所述LLC模块的所述A输出端和所述B输出端；其中，所述第一滤波单元至少包括一个输入电容Cin；所述Cin一端电性连接供电端，另一端接地；所述第一滤波单元使发波模块1的输入电流更稳定。
在本发明的一实施例中，所述转换单元包括：第一MOS管Q1的D极连接供电端，S极连接第二MOS管Q2的D极作为A输出端，第二MOS管Q2的S极接地；第三MOS管Q3的D极连接供电端，S极连接第四MOS管Q4的D极作为B输出端，第四MOS管Q4的S极接地；所述第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3及第四MOS管Q4均含有寄生二极管和寄生电容，具体的，所述第一MOS管Q1包括，寄生二极管D1和寄生电容C1，所述第二MOS管Q2包括，寄生二极管D2和寄生电容C2，所述第三MOS管Q3包括，寄生二极管D3和寄生电容C3，所述第四MOS管Q4包括，寄生二极管D4和寄生电容C4。
在本发明的一实施例中，所述LLC模块2包括：谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器T1；所述谐振电感Lr一端连接到所述A输出端，另一端连接所述谐振电容Cr的一端，所述谐振电容Cr的另一端连接所述变压器T1的初级绕组的一端，所述初级绕组的另一端连接到所述B输出端；所述变压器T1的次级绕组为LLC模块的输出端。
上述实施例中，将变压器T1的初级绕组，与所述谐振电容Cr和谐振电感Lr，组成LLC模块的前级；使振电感Lr通过谐振电容Cr和变压器T1的初级绕组串联形成LLC回路，相对于相有技术减少了与变压器T1的初级绕组并联的电感，有效电感和变压器T1的初级绕组形成的电感回路，提高次级次级绕组和初级绕组的耦合质量；变压器T1的次级绕组对初组绕组进行耦合，作为LLC的输出端连接到所述高频整流模块3。
在本发明的一实施例中，所述高频整流模块3包括：高频全波整流桥和第二滤波单元；所述高频全波整流桥的正、负极与所述第二滤波单元并联；所述高频全波整流桥的输入端连接到LLC模块的输出端，具体的，所述高频全波整流桥的两个输入端，分别连接LLC模块的两个输出端；
进一步，所述第二滤波单元至少包括一个输出电容Cout，所述输出电容Cout一端连接所述高频全波整流桥的正极，另一端连接所述高频全波整流桥的负极；通过输出电容Cout对输出进行滤波，使得拓宽LLC输出电压范围控制电路的输出不会出现高频杂波，从而使输出更稳定。
在本发明的一实施例中，所述高频全波整流桥由四只相同的高频二极管组成，包括：第五高频二极管D5和第六高频二极管56同向串联，且串联位置为所述高频整流模块3的一输入端；第七高频二极管D7和第八高频二极管D8同向串联，且串联位置为所述高频整流模块3的另一输入端；所述第五高频二极管D5负极与所述第七高频二极管D7负极连接，作为所述高频整流模块3的正极输出端；所述第六高频二极管D6负极与所述第八高频二极管D8负极连接，作为所述高频整流模块3的负极输出端；所述正极输出端和所述负极输出端，作为所述高频全波整流桥的输出端连接负载。
在一具体实现中，参照图3示出了本发明电路工作流程中的波形，并结合附图1，其具体工作过程如下：
(1)t0时刻，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的结电容(包括寄生电容C1和寄生电容C2，以及MOS管内D极与G极、G极与S极之间的寄生电容)充放电结束，由于谐振电感Lr电流大于励磁电感电流，施加在谐振腔的电压为正母线电压，高频整流二极管D7、D6导通，变压器T1的原边(初级绕组)向副边(次级绕组)输出电容Cout充电和负载提供能量，ZVS开通第一MOS管Q1和第四MOS管Q4；
(2)t0-t1，谐振电感Lr与谐振电容Cr参与谐振，谐振电感电流正向增加，整流二极管D7、D6继续导通，原边继续向副边输出电容Cout充电和负载提供能量；
(3)t1-t2，t1时刻，第四MOS管Q4斩波关断后，第三MOS管Q3、第四MOS管Q4结电容(包括寄生电容C3和寄生电容C4，以及MOS管内D极与G极、G极与S极之间的寄生电容)完成充放电，谐振电感Lr产生的谐振电流流经第三MOS管Q3内的寄生二极管和第一MOS管Q1，由于谐振电感Lr电流大于励磁电感电流，高频整流二极管D7、D6继续导通，原边向副边输出电容Cout充电和负载提供能量；
(4)t2-t3，t2时刻，谐振电感Lr的电流流经第三MOS管Q3内的寄生二极管D3和第一MOS管Q1，谐振电感Lr电流正向减少，高频整流二极管D7、D6继续导通，原边向副边输出电容Cout充电和负载提供能量；
(5)t3-t4，t3时刻，谐振电感Lr电流等于励磁电感电流，高频整流二极管D7、D6过零关断，励磁电感(变压器初级绕组)与谐振电感Lr同谐振电容Cr一起谐振，原边停止向副边输出电容Cout充电和负载提供能量；
(6)t4-t5，t4时刻，关断第一MOS管Q1后，谐振电感Lr电流大于励磁电感电流，高频整流二极管D5、D8导通，原边开始向副边输出电容Cout充电和负载提供能量，同时这个阶段完成了第二MOS管Q2和第三MOS管Q3的结电容(包括寄生电容C2和寄生电容C3，以及第二MOS管Q2和第三MOS管Q3内D极与G极、G极与S极之间的寄生电容)的充放电，为下一阶段ZVS开通做好准备；
(7)之后为下半个周期的工作过程，原理类似，不再赘述。
本发明的有益效果还包括，改变LLC增益特性曲线，低压输出实现定频控制；实现全范围软开关；通过高频整流二极管组成的全波整流桥，实现快速高频率的快速导通与关断响应。
需要说明的是，MOS管中的寄生电容是其制备过程中必然会产生的，其大小会影响MOS管的导通，因此，本发明中的实施例中，需要充分考虑寄生电容对电路的影响，从而通过发波策略配合全桥拓扑电路，使其输出输宽频率范围电压，以及输较大范围的电压值(例如，可稳定输出200～406V电压)。
作为一种示例，所述LLC模块2的谐振腔参数Lr＝11uH，Cr＝117nF，Lm＝55uH，Nps＝10/14，Vin＝415V，fs＝250KHz，RL＝50Ω，其中，Lm为变压器初级绕组的电感，Nps为变压器初级绕组与次级绕组(原边与副边)的线圈匝数比，Vin为输入电压值，fs为谐振频率，RL为负载阻抗；在现有技术中，通过纯调频可以实现软开关，其波形如图5所示，但对应输出电压Vout＝406V；
而在本申请中，为控制输出电压到200V，调节死区实现后的各电压及对应驱动波形如图6所示，可以看出所有MOS管均工作在硬开关状态：移相控制实现后的各电压及对应驱动波形如图7所示，超前臂可以软开关工作，滞后臂不能实现软开关。
参照图4，示出了本申请一实施例提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制方法，所述方法用于通过预设发波策略控制全桥拓扑电路输出频率范围，包括：
S410、依据预设的调频策略，通过发波模块输出特定频率和特定波形的第一电压到LLC模块；
S420、所述LLC模块转换所述第一电压，生成第二电压，并输出所述第二电压到高频整流模块；
S430、所述高频整流模块对所述第二电压进行整流，并定频输出第三电压。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
在本发明的一实施例中，公开了一种拓宽LLC输出电压范围控制装置，所述装置封装有所述的拓宽LLC输出电压范围控制电路。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种拓宽LLC输出电压范围控制方法、电路及装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种拓宽LLC输出电压范围控制电路，其特征在于，所述电路为全桥拓扑电路，用于通过预设发波策略控制输出频率范围，包括：
发波模块连接到LLC模块的输入端，所述发波模块用于依据预设的调频策略转换供电端提供的输入电压，并输出特定频率和波形的第一电压到所述LLC模块；其中，所述发波模块包括A输出端和B输出端，所述预设的调频策略包括所述A输出端和所述B输出端的输出频率相同，且波形相反；
所述LLC模块的输出端连接到高频整流模块的输入端，所述LLC模块用于将所述第一电压转换为第二电压，并输出所述第二电压到高频整流模块；
所述高频整流模块的输出端作为所述全桥拓扑电路的输出端，用于输出定频输出第三电压，其中，所述定频输出第三电压是通过所述高频整流模块对所述第二电压进行整流输出获得。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述发波模块包括：
第一滤波单元和转换单元；
所述第一滤波单元与所述转换单元并联，且并联的一端连接到所述供电端，另一端接地；
所述转换单元的两个输出端为连接到所述LLC模块的所述A输出端和所述B输出端。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述转换单元包括：
第一MOS管的D极连接供电端，S极连接第二MOS管的D极作为作述A输出端，第二MOS管的S极接地；
第三MOS管的D极连接供电端，S极连接第四MOS管的D极作为所述B输出端，第四MOS管的S极接地；
所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管及第四MOS管均含有寄生二极管和寄生电容，具体的，所述第一MOS管包括，寄生二极管D1和寄生电容C1，所述第二MOS管包括，寄生二极管D2和寄生电容C2，所述第三MOS管包括，寄生二极管D3和寄生电容C3，所述第四MOS管包括，寄生二极管D4和寄生电容C4。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述LLC模块包括：
谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器T1；
所述谐振电感Lr一端连接到所述A输出端，另一端连接所述谐振电容Cr的一端，所述谐振电容Cr的另一端连接所述变压器T1的初级绕组的一端，所述初级绕组的另一端连接到所述B输出端；
所述变压器T1的次级绕组为LLC模块的输出端。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述高频整流模块包括：
高频全波整流桥和第二滤波单元；
所述高频全波整流桥的正、负极与所述第二滤波单元并联；
所述高频全波整流桥的输入端连接到LLC模块的输出端。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述高频全波整流桥由四只相同的高频二极管组成，包括：
第五高频二极管和第六高频二极管同向串联，且串联位置为所述高频整流模块的一输入端；
第七高频二极管和第八高频二极管同向串联，且串联位置为所述高频整流模块的另一输入端；
所述第五高频二极管负极与所述第七高频二极管负极连接，作为所述高频整流模块的正极输出端；
所述第六高频二极管负极与所述第八高频二极管负极连接，作为所述高频整流模块的负极输出端；
所述正极输出端和所述负极输出端，作为所述高频全波整流桥的输出端连接负载。
7.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一滤波单元至少包括一个输入电容Cin；所述输入电容Cin一端电性连接供电端，另一端接地。
8.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述第二滤波单元至少包括一个输出电容Cout，所述输出电容Cout一端连接所述高频全波整流桥的正极，另一端连接所述高频全波整流桥的负极。
9.一种拓宽LLC输出电压范围控制方法，其特征在于，所述方法用于通过预设发波策略控制全桥拓扑电路输出频率范围，包括：
依据预设的调频策略，通过发波模块输出特定频率和特定波形的第一电压到LLC模块；
所述LLC模块转换所述第一电压，生成第二电压，并输出所述第二电压到高频整流模块；
所述高频整流模块对所述第二电压进行整流，并定频输出第三电压。
10.一种拓宽LLC输出电压范围控制装置，其特征在于，所述装置封装有如权利要求1-8任一项所述的拓宽LLC输出电压范围控制电路。
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