一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统及调制策略技术方案

本发明专利技术公开了一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统及调制策略，该系统包括电源、半桥变换电路、谐振网络电路、高频变压器、倍流整流电路和输出负载；该策略利用高频变压器二次侧同步整流管的结构，当系统工作在轻载时，通过调节高频变压器一次侧功率管和二次侧同步整流管的移相角，使输出电容向电源侧回馈能量，来达到降低轻载输出电压，同时根据系统输入输出电压关系使输出电压稳定在额定电压。本发明专利技术通过调制策略解决了LLC谐振变换器轻载下输出电压泵升问题，稳定了输出电压，无需增加硬件成本，且不存在效率降低、应用范围受限、输出电压纹波大等问题，在工业应用上有较大的前景。

An energy feedback LLC resonant converter with light load voltage modulation system and modulation strategy

The invention discloses a light-load voltage modulation system and a modulation strategy for an energy-feedback LC resonant converter. The system comprises a power supply, a half-bridge converter, a resonant network circuit, a high-frequency transformer, a double-current rectifier circuit and an output load. The strategy utilizes the structure of a synchronous rectifier tube on the secondary side of a high-frequency transformer when the system is in operation. The output capacitor can feed back energy to the power supply side by adjusting the phase shifting angle of the primary power tube and the secondary synchronous rectifier tube of the high frequency transformer under light load to reduce the output voltage under light load and stabilize the output voltage at the rated voltage according to the relationship between the input and output voltage of the system. The invention solves the problem of output voltage pump-up under light load of LLC resonant converter by modulation strategy, stabilizes the output voltage, does not need to increase the hardware cost, and does not have the problems of low efficiency, limited application range, large output voltage ripple, etc. It has a great prospect in industrial application.

【技术实现步骤摘要】
一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统及调制策略
本专利技术涉及LLC谐振变换器
，尤其涉及一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统及调制策略。
技术介绍
LLC变换器作为直流谐振变换器的一种，因其电压调节范围广、效率高、输出侧无需滤波电感等优点而被广泛应用于通讯电压、电池充电等直流变换领域。但由于变压器和功率管的寄生电容以及负载断流的原因，LLC变换器存在轻载时输出电压泵升难以调节的问题，这导致轻载下变换器闭环控制变得不稳定，功率管的耐压需要选取更大的余量，负载由于电压高于额定值而被损坏，这些问题给变换器设计、稳定运行和供电可靠性带来极大的挑战。目前存在的研究方法能够调节轻载下的输出电压使其降低，但存在效率降低、应用场合受限、硬件成本高、输出电压纹波增加等缺点。因此，研究轻载下LLC变换器的电压调制方法具有重要意义。针对轻载电压泵升问题，传统LLC谐振变换器主要有两种解决方案，一种是从参数设计、拓扑结构优化方面来降低启动电压，但这些方法存在效率较低、硬件实现困难、成本增加等问题；另一种是通过不同控制策略来降低启动电压，目前主要有通过调节频率、调节占空比、或采用间歇式调控等方式来解决，这些方法存在损耗大且输出电压纹波变大等缺点。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中存在损耗大且输出电压纹波大的缺陷，提供一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统及调制策略。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统，包括电源、半桥变换电路、谐振网络电路、高频变压器、倍流整流电路和输出负载；其中：半桥变换电路包括串联连接的第一功率管和第二功率管；半桥变换电路的第一功率管的漏级与电源正极相连，第二功率管的源级与电源负极相连；谐振网络电路包括谐振电容、谐振电感和高频变压器，谐振电容一端与半桥变换电路的中点相连，另一端与谐振电感串联连接后与高频变压器一次侧绕组相连，高频变压器一次侧绕组的另一端与电源负极相连；倍流整流电路中设置有第一同步整流管和第二同步整流管；高频变压器的二次侧采用带中心抽头结构，其中心抽头与输出负载端的负极相连，二次侧两端分别与第一同步整流管和第二同步整流管的源级相连；第一同步整流管和第二同步整流管的漏极并联连接并与输出电容和输出负载的正极相连。进一步地，本专利技术的谐振网络电路中还设置有高频变压器励磁电感，谐振电感、谐振电容和高频变压器励磁电感依次连接。本专利技术提供一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制策略，包括以下工作状态：当LLC谐振变换器轻载电压调制系统正常工作时，检测输出电压与给定电压相比较，结果送入控制器生成控制指令，再经压频转换环节生成开关频率调节指令，控制变换器第一功率管和第二功率管开关频率，从而调节输出电压到给定电压，系统向输出负载提供能量；当LLC谐振变换器轻载电压调制系统工作在轻载时，系统进入能量回馈模式，调节第一功率管和第二功率管与第一同步整流管和第二同步整流管之间的移相角，控制输出电容向输入侧释放能量，从而降低输出电压幅值。进一步地，本专利技术的该策略还包括以下工作状态：当负载变轻时，系统工作在最大开关频率，经过几个开关周期，输出电压上升，上升到一定值系统进入能量回馈模式，当输出电压大于给定值时，通过PI调节第一同步整流管和第二同步整流管，增大移相角，加快电容能量向输入回馈，从而迅速降低输出电压；当输出电压下降时，则通过PI调节第一同步整流管和第二同步整流管，减小移相角，减小电容能量向输入回馈，从而提高输出电压。进一步地，本专利技术的LLC谐振变换器轻载电压调制系统的输入输出电压关系为：其中，V2为输出电压幅值，V1为输入电压幅值，Ro为输出负载，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，ω为角频率，为移相角，输出电压受输入电压、谐振电感和电容、负载及二次侧移相角的影响。进一步地，本专利技术的该策略中通过调节LLC谐振变换器轻载电压调制系统的高频变压器二次侧同步整流管的导通角使其超前于一次侧功率管，使输出功率从负载侧传递到电源侧，从而调节输出电压；LLC谐振变换器轻载电压调制系统电路模态分6个阶段：S1阶段：时刻为t0-t1；当t0时刻时，第二功率管关断，第二功率管两端的输出电容被谐振电流充电，第一功率管两端的输出电容被放电，导致桥臂中点电压不断的升高；由于谐振和励磁电感电流的幅值不相等，因此高频变压器二次侧流过电流；由于第一同步整流管的脉冲信号在此阶段之前到来，因此第一功率管流过电流，在此之前第二功率管的体二极管导通，由于电流未减小为0，因此继续导通；此时第一同步整流管和第二同步整流管同时导通，因此高频变压器两端电压为0；此阶段输出电容向电源侧放电；S2阶段：时刻为t1-t2；当t1时刻时，第一功率管和第二功率管两端的输出电容完成充放电，因此第一功率管的体二极管通过谐振网络的电流；谐振网络电路和倍流整流电路的状态与S1阶段相同；第一同步整流管通过的电流继续不断的增加，第二同步整流管的体二极管通过的电流不断的减小；S3阶段：时刻为t2-t3；当t2时刻时，流过第二同步整流管的体二极管的电流减小为0，输出侧只有第一同步整流管导通，输出电容向电源侧放电回馈能量，半桥变换电路和谐振网络电路的状态与S2阶段相同；高频变压器两端电压保持在正的输出电压，因此励磁和谐振电感电流的幅值由负值逐渐减小为0；S4阶段：时刻为t3-t4；当t3时刻时，谐振和励磁电感电流相等而且幅值为0，此后其值向正值增加，且励磁电感幅值大于谐振电感；第一功率管的体二极管关断，原边电流流过第一功率管本身；二次侧电流流出变压器同名端通过第一同步整流管的体二极管向输出电容充电，导致输出电压升高；S5阶段：时刻为t4-t5；当t4时刻时，第一同步整流管关断，导致同步整流状态消失，但不影响半桥变换电路和谐振网络电路的运行状态；S6阶段：时刻为t5-t6；当t5时刻时，第二同步整流管的脉冲信号到来使其导通，则有一部分电流流过，但数值小于流过第一同步整流管的体二极管的电流，因此另一部分电流流向负载；直至第一同步整流管和第二同步整流管换流完成，半个开关周期结束，进入下一状态。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统及策略，通过控制策略解决了LLC谐振变换器轻载下输出电压泵升问题，稳定了输出电压，无需增加硬件成本，且不存在效率降低、应用范围受限、输出电压纹波大等问题，在工业应用上有较大的前景。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的电路图；图2是本专利技术实施例的同步整流轻载移相控制调制波形示意图；图3是本专利技术实施例的电压增益分析电路图；图4(a)是本专利技术实施例的轻载调控电路工作模态图(a)；图4(b)是本专利技术实施例的轻载调控电路工作模态图(b)；图4(c)是本专利技术实施例的轻载调控电路工作模态图(c)；图4(d)是本专利技术实施例的轻载调控电路工作模态图(d)；图4(e)是本专利技术实施例的轻载调控电路工作模态图(e)；图4(f)是本专利技术实施例的轻载调控电路工作模态图(f)；图5是本专利技术实施例的轻载电压调控实现方式；图中：Q1-第一功率管，Q2-第二功率管，Q3-第一同步整流管，Q4-第二同步整流管，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统，其特征在于，包括电源、半桥变换电路、谐振网络电路、高频变压器、倍流整流电路和输出负载；其中：半桥变换电路包括串联连接的第一功率管(Q1)和第二功率管(Q2)；半桥变换电路的第一功率管(Q1)的漏级与电源正极相连，第二功率管(Q2)的源级与电源负极相连；谐振网络电路包括谐振电容(Cr)、谐振电感(Lr)和高频变压器(Tr)，谐振电容(Cr)一端与半桥变换电路的中点相连，另一端与谐振电感(Lr)串联连接后与高频变压器(Tr)一次侧绕组相连，高频变压器(Tr)一次侧绕组的另一端与电源负极相连；倍流整流电路中设置有第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)；高频变压器(Tr)的二次侧采用带中心抽头结构，其中心抽头与输出负载端的负极相连，二次侧两端分别与第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)的源级相连；第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)的漏极并联连接并与输出电容(Co)和输出负载的正极相连。

【技术特征摘要】
1.一种能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统，其特征在于，包括电源、半桥变换电路、谐振网络电路、高频变压器、倍流整流电路和输出负载；其中：半桥变换电路包括串联连接的第一功率管(Q1)和第二功率管(Q2)；半桥变换电路的第一功率管(Q1)的漏级与电源正极相连，第二功率管(Q2)的源级与电源负极相连；谐振网络电路包括谐振电容(Cr)、谐振电感(Lr)和高频变压器(Tr)，谐振电容(Cr)一端与半桥变换电路的中点相连，另一端与谐振电感(Lr)串联连接后与高频变压器(Tr)一次侧绕组相连，高频变压器(Tr)一次侧绕组的另一端与电源负极相连；倍流整流电路中设置有第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)；高频变压器(Tr)的二次侧采用带中心抽头结构，其中心抽头与输出负载端的负极相连，二次侧两端分别与第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)的源级相连；第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)的漏极并联连接并与输出电容(Co)和输出负载的正极相连。2.根据权利要求1所述的能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制系统，其特征在于，谐振网络电路中还设置有高频变压器励磁电感(Lm)，谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)和高频变压器励磁电感(Lm)依次连接。3.一种采用权利要求1所述的能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制策略，其特征在于，包括以下工作状态：当LLC谐振变换器轻载电压调制系统正常工作时，检测输出电压与给定电压相比较，结果送入控制器生成控制指令，再经压频转换环节生成开关频率调节指令，控制变换器第一功率管(Q1)和第二功率管(Q2)开关频率，从而调节输出电压到给定电压，系统向输出负载提供能量；当LLC谐振变换器轻载电压调制系统工作在轻载时，系统进入能量回馈模式，调节第一功率管(Q1)和第二功率管(Q2)与第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)之间的移相角，控制输出电容(Co)向输入侧释放能量，从而降低输出电压幅值。4.根据权利要求3所述能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制策略，其特征在于，该策略还包括以下工作状态：当负载变轻时，系统工作在最大开关频率，经过几个开关周期，输出电压上升，上升到一定值系统进入能量回馈模式，当输出电压大于给定值时，通过PI调节第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)，增大移相角，加快电容(Co)能量向输入回馈，从而迅速降低输出电压；当输出电压下降时，则通过PI调节第一同步整流管(Q3)和第二同步整流管(Q4)，减小移相角，减小电容能量向输入回馈，从而提高输出电压。5.根据权利要求3所述的能量回馈的LLC谐振变换器轻载电压调制策略，其特征在于，LLC谐振变换器轻载电压调制系统的输入输出电压关系为：其中，V2为输出电压幅值，V1为...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡国珍，方支剑，李伟雷，
申请(专利权)人：湖北理工学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42