CN204858982U - 一种三电平llc谐振变换器 - Google Patents
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Abstract
一种三电平LLC谐振变换器，包括依次连接的输入分压电容、开关桥臂、谐振腔、变压器和整流滤波电路；输入分压电容由串联连接的两个电容组成，两个电容的另外一端分别与电源的正极连接；所述开关桥臂是由带有体二极管的四个开关管的漏源极依次串联连，位于开关桥臂两端的开关管的漏源极分别与电源的正极和负极相连，中间两个开关管的中间连接点与两个电容的中间连接点相连；谐振腔是由电感、电容和励磁电感依次串联组成，电感另一端与第一开关管和第二开关管的中间连接点相连，励磁电感另一端与第三开关管和第四开关管的中间连接点相连；变压器的原边与励磁电感并联连接，副边与整流滤波电路的输入端相连；本实用新型简化了电路结构，减少了功率器件，降低了成本，提高了***可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种谐振变换器，具体涉及一种三电平LLC谐振变换器。
背景技术
谐振变换器具有开关频率高、开关损耗小、效率高、质量轻、体积小、EMI噪声小、开关应力小等优点。LLC谐振变换器具有原边MOS管易实现全负载范围ZVS，次级二极管易实现ZCS，谐振电感和变压器易实现磁集成等优点，近年来得到广泛的应用。同时，为解决高输入电压场合下初级MOS管电压应力高问题，将三电平引入到LLC变换器中。传统的三电平LLC谐振变换器需要引入篏位二极管来实现将MOS管电压应力限制到输入电压一半，这样可以选用相对低电压规格的MOS管。但篏位二极管的引入增加了成本，同时电路较复杂。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种三电平LLC谐振变换器，通过对变换器中各开关管的控制，控制过程中充分利用拓扑电路中开关管的体二极管实现对开关管两端电压的篏位，达到降低开关管电压应力的目的。与传统三电平LLC电路拓扑相比，该电路拓扑结构比传统的三电平LLC电路少了独立的篏位二极管，该电路在一定程度上简化了电路结构，减少了功率器件，从整体上降低了成本，提高了***可靠性。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种三电平LLC谐振变换器，包括依次连接的输入分压电容1、开关桥臂2、谐振腔3、变压器4和整流滤波电路5；所述输入分压电容1由串联连接的第一电容C1和第二电容C2组成，第一电容C1和第二电容C2的另外一端分别与电源的正极和负极分别连接；所述开关桥臂2是由带有体二极管的第一开关管MOS1、第二开关管MOS2、第三开关管MOS3和第四开关管MOS4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的第一开关管MOS1的漏极和第四开关管MOS4的源极分别与电源的正极和负极相连接，所述第二开关管MOS2和第三开关管MOS3的中间连接点与输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2的中间连接点相连接；所述谐振腔3是由电感Lr、电容Cr和励磁电感Lm依次串联组成谐振电路，所述电感Lr的另一端与开关桥臂2中的第一开关管MOS1和第二开关管MOS2的中间连接点相连接，所述励磁电感Lm的另一端与开关桥臂2中的第三开关管MOS3和第四开关管MOS4的中间连接点相连接；所述变压器4的原边与谐振腔3中的励磁电感Lm并联连接，变压器4的副边与整流滤波电路5的输入端相连接；所述整流滤波电路5是采用整流桥和输出端并联滤波电容的方式进行整流滤波。
各开关管的驱动过程为：从t1到T之间为一个开关周期，在开关周期的正半周，t1时刻第一开关管MOS1和第四开关管MOS4同时导通，第二开关管MOS2和第三开关管MOS3处于关断状态，在t2时刻，第四开关管MOS4先关断，第一开关管MOS1继续导通，直到t3时刻第一开关管MOS1关断，在t3～t4时刻，电路中谐振电流通过续流回路续流，同时谐振电流慢慢减小，直到减小为零，谐振电流开始反向，为负半周期做好准备，整个开关的正半周期结束；在开关周期的负半周期，t4时刻第二开关管MOS2和第三开关管MOS3同时导通，第一开关管MOS1和第四开关管MOS4处于关断状态，在t5时刻，第三开关管MOS3先关断，第二开关管MOS2继续导通，直到t6时刻第二开关管MOS2关断，在t6～T时刻，电路中谐振电流通过续流回路续流，同时谐振电流慢慢增大，直到增大到零，谐振电流开始反向，为下一周期的正半周期做好准备，整个开关的负半周期结束；如此循环。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：
相对于传统的半桥三电平LLC电路，本实用新型去除了两个独立的篏位二极管，使电路中的各开关管关断时所承受的电压应力与使用独立篏位二极管所达到的效果相同。
附图说明
图1为三电平LLC变换器拓扑电路。
图2为LLC变换器拓扑电路中各MOS管驱动波形。
图3为开关正半周期t1～t2时刻电流流向图。
图4为开关正半周期t2～t3时刻电流流向图。
图5为开关正半周期t3～t4时刻电流流向图。
图6为开关负半周期t4～t5时刻谐振电流反向之前电流流向图。
图7为开关负半周期t4～t5时刻谐振电流反向之后电流流向图。
图8为开关负半周期t5～t6时刻电流流向图。
图9为开关负半周期t6～T时刻谐振电流流向图。
图10为开关下一周期开始时刻谐振电流反向之前电流流向图。
图11为关键节点波形图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
如附图所示，本实用新型一种三电平LLC谐振变换器，包括依次连接的输入分压电容1、开关桥臂2、谐振腔3、变压器4和整流滤波电路5；所述输入分压电容1由串联连接的第一电容C1和第二电容C2组成，第一电容C1和第二电容C2的另外一端分别与电源的正极和负极分别连接；所述开关桥臂2是由带有体二极管的第一开关管MOS1、第二开关管MOS2、第三开关管MOS3和第四开关管MOS4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的第一开关管MOS1的漏极和第四开关管MOS4的源极分别与电源的正极和负极相连接，所述第二开关管MOS2和第三开关管MOS3的中间连接点与输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2的中间连接点相连接；所述谐振腔3是由电感Lr、电容Cr和励磁电感Lm依次串联组成谐振电路，所述电感Lr的另一端与开关桥臂2中的第一开关管MOS1和第二开关管MOS2的中间连接点相连接，所述励磁电感Lm的另一端与开关桥臂2中的第三开关管MOS3和第四开关管MOS4的中间连接点相连接；所述变压器4的原边与谐振腔3中的励磁电感Lm并联连接，变压器4的副边与整流滤波电路5的输入端相连接；所述整流滤波电路5是采用通用的整流桥和输出端并联滤波电容的方式进行整流滤波。
如图2所示，从t1到T之间为一个开关周期，在开关周期的正半周，t1时刻第一开关管MOS1和第四开关管MOS4同时导通，第二开关管MOS2和第三开关管MOS3处于关断状态，在t2时刻，第四开关管MOS4先关断，第一开关管MOS1继续导通，直到t3时刻第一开关管MOS1关断，在t3～t4时刻，电路中谐振电流通过续流回路续流，同时谐振电流慢慢减小，直到减小为零，谐振电流开始反向，为负半周期做好准备，整个开关的正半周期结束；在开关周期的负半周期，t4时刻第二开关管MOS2和第三开关管MOS3同时导通，第一开关管MOS1和第四开关管MOS4处于关断状态，在t5时刻，第三开关管MOS3先关断，第二开关管MOS2继续导通，直到t6时刻第二开关管MOS2关断，在t6～T时刻，电路中谐振电流通过续流回路续流，同时谐振电流慢慢增大，直到增大到零，谐振电流开始反向，为下一周期的正半周期做好准备，整个开关的负半周期结束。整个电路就是按照一个开关周期内这种工作方式不断的循环下去。
电路拓扑在一个开关周期内的工作过程及电流流向：
以fm＜fs＜fr为例(fm为谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器励磁电感Lm的串联谐振频率，fr为谐振电感Lr、谐振电容Cr的串联谐振频率，该LLC电路工作过程主要包括以下几个关键阶段：
(a)在开关周期的正半周期
如图3所示，在t1时刻，第一开关管MOS1和第四开关管MOS4同时导通，第二开关管MOS2和第三开关管MOS3处于关断状态，此时电路中的电流依次流过第一开关管MOS1、谐振腔3、第四开关管MOS4，直流输入电压Vin加在谐振腔3上，谐振元件电感Lr、电容Cr和励磁电感Lm进行谐振，向变压器T的副边传递能量，此时第二开关管MOS2和第三开关管MOS3两端所承受的电压分别为输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2两端的电压，即Vin/2。
在t2时刻，第四开关管MOS4先关断，第一开关管MOS1继续导通，第四开关管MOS4关断后，谐振电流对第四开关管MOS4结电容充电、对第三开关管MOS3结电容放电，充放电完成后，第三开关管MOS3结电容端电压为0V，第三开关管MOS3的第三体二极管D3开始导通续流，第四开关管MOS4漏源电压被篏位为第二电容C2两端的电压，即Vin/2，直到t3时刻第一开关管MOS1关断，从t2～t3时刻电路中的电流流向如图4所示，电流依次流过第一开关管MOS1、谐振腔3、第三开关管MOS3的第三体二极管D3、第一电容C1。
第一开关管MOS1关断后，谐振电流对第一开关管MOS1结电容充电，对第二开关管MOS2结电容放电，充放电完成后，第二开关管MOS2结电容端电压为0V，第二开关管MOS2的第二体二极管D2导通续流，第一开关管MOS1漏源电压被篏位在C1两端电压，即Vin/2，直到t4时刻第三开关管MOS3和第二开关管MOS2的体二极管续流结束，开关管的正半周期结束，从t3～t4时刻电路中的电流流向如图5所示，电流依次流过谐振腔3、第三开关管MOS3的第三体二极管D3、第二开关管MOS2的第二体二极管D2、第一电容C1。
(b)在开关周期的负半周期
在t4时刻，第二开关管MOS2和第三开关管MOS3同时导通，第一开关管MOS1和第四开关管MOS4关断，此时谐振电流继续减小，电路中的电流流向如图6所示，依次流过第三开关管MOS3、第二开关管MOS2、谐振腔3，直至谐振电流减小为零；此后，谐振电流反向，电路中的电流流向如图7所示，电流依次流过第二开关管MOS2、第三开关管MOS3、谐振腔3。该过程中，第一开关管MOS1和第四开关管MOS4处于关断状态，其开关管漏源极间的电压分别被篏位为第一电容C1和第二电容C2的端电压，均为Vin/2。
在t5时刻，第三开关管MOS3先关断，第二开关管MOS2继续导通，第三开关管MOS3关断后，谐振电流对第三开关管MOS3结电容充电、对第四开关管MOS4结电容放电，充放电完成后，第四开关管MOS4结电容端电压为0V，第四开关管MOS4的第四体二极管D4开始导通续流，第三开关管MOS3漏源电压被篏位为第二电容C2两端的电压，即Vin/2，直到t6时刻第二开关管MOS2关断，从t5～t6时刻电路中的电流流向如图8所示，电流依次流过第二开关管MOS2、第二电容C2、第四开关管MOS4的第四体二极管D4、谐振腔3。
第二开关管MOS2关断后，谐振电流对第二开关管MOS2结电容充电，对第一开关管MOS1结电容放电，充放电完成后，第一开关管MOS1结电容端电压为0V，第一开关管MOS1的第一体二极管D1开始导通续流，第二开关管MOS2漏源电压被篏位在第一电容C1两端电压，即Vin/2，直到T时刻第一开关管MOS1和第四开关管MOS4的体二极管续流结束，开关管的负半周期结束，从t6～T时刻电路中的电流流向如图9所示，电流依次流过谐振腔3、第一开关管MOS1的第一体二极管D1、第一电容C1和第二电容C2、第四开关管MOS4的第四体二极管D4。
在下一开关周期的开始，第一开关管MOS1和第四开关管MOS4驱动使能，谐振电流继续增加，从第四开关管MOS4源极流入，第一开关管MOS1漏极流出，直至谐振电流增大为零，此时电路中的电流流向图如图10所示；此后，谐振电流反向，电路中的电流流向图如图3所示，再次进入下一个开关周期的正半周，如此不断循环下去。
在电路工作过程中，关键节点波形如图11所示，从上到下依次为：第一开关管MOS1驱动波形、第一开关管MOS1管漏源电压应力波形，变压器初级绕组电压波形、第一开关管MOS1电流波形、第三开关管MOS3电流波形、谐振腔3电流波形。
Claims (1)
1.一种三电平LLC谐振变换器，其特征在于：包括依次连接的输入分压电容(1)、开关桥臂(2)、谐振腔(3)、变压器(4)和整流滤波电路(5)；所述输入分压电容(1)由串联连接的第一电容(C1)和第二电容(C2)组成，第一电容(C1)和第二电容(C2)的另外一端分别与电源的正极和负极分别连接；所述开关桥臂(2)是由带有体二极管的第一开关管(MOS1)、第二开关管(MOS2)、第三开关管(MOS3)和第四开关管(MOS4)的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的第一开关管(MOS1)的漏极和第四开关管(MOS4)的源极分别与电源的正极和负极相连接，所述第二开关管(MOS2)和第三开关管(MOS3)的中间连接点与输入分压电容(1)中第一电容(C1)和第二电容(C2)的中间连接点相连接；所述谐振腔(3)是由电感(Lr)、电容(Cr)和励磁电感(Lm)依次串联组成谐振电路，所述电感(Lr)的另一端与开关桥臂(2)中的第一开关管(MOS1)和第二开关管(MOS2)的中间连接点相连接，所述励磁电感(Lm)的另一端与开关桥臂(2)中的第三开关管(MOS3)和第四开关管(MOS4)的中间连接点相连接；所述变压器(4)的原边与谐振腔(3)中的励磁电感(Lm)并联连接，变压器(4)的副边与整流滤波电路(5)的输入端相连接；所述整流滤波电路(5)是采用整流桥和输出端并联滤波电容的方式进行整流滤波。
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