一种宽增益范围LLC谐振变换器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种宽增益范围LLC谐振变换器及其控制方法，变换器包括逆变电路、LLC谐振腔、变压器和整流网络；LLC谐振腔包括谐振电感Lr、Lm和谐振电容Cr；LLC谐振腔内还增设有双向开关；谐振电容Cr、谐振电感Lr依次串联在逆变电路的1号输出端与变压器原边线圈的1端之间，逆变电路的2号输出端与变压器原边线圈的2端连接，谐振电感Lm与变压器原边线圈并联，双向开关的1端通过连在谐振电容Cr、谐振电感Lr之间与变压器原边线圈的1端连接，双向开关的2端与变压器原边线圈的2端连接；逆变电路为全桥/半桥相结合的变拓扑电路。本发明专利技术通过全桥/半桥这种拓扑结构的变换，大大拓宽本发明专利技术的增益范围，而且本发明专利技术电路结构降低了变换器的设计难度。

A wide gain range LLC resonant converter and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种宽增益范围LLC谐振变换器及其控制方法
本专利技术涉及开关变换器
，具体地说涉及一种LLC谐振变换器及其控制方法。
技术介绍
电力电子领域迅猛发展，开关变换器应用越来越广泛。人们对开关变换器提出更多要求：高功率密度、高可靠性和小体积。LLC谐振变换器作为一种谐振变换器，具有诸多优点，比如低噪声、低应力、开关损耗低等。LLC谐振变换器一般采用变频控制和定频控制两种工作方式，然而当输入电压和负载变化范围很宽时，单独采用变频控制的的LLC谐振变换器工作频率变化范围宽，这使得其中的磁性元件设计困难，而且当电压增益较宽时，传统变频控制LLC谐振变换器的效率明显下降；而单独采用定频移相控制的LLC，由于工作频率固定因而磁性元件便于设计，但是为了使得输入电压和负载在宽范围下保证输出电压不变，需要电路在较大的移相角下工作，由于移相电路存在滞后桥臂难以实现软开关的特点，此时电路可能会失去软开关的特点，所以在这种控制方式下，需要考虑最大移相角下滞后桥臂仍能实现软开关的需求，移相角越大，增益范围越宽，由于有前述顾虑，所以移相角受到限制，因此，传统定频移相控制的LLC谐振变换器虽可达到较高效率但增益范围受限。总之，当LLC谐振变换器应用于超宽输入场合下时，电路不能兼顾高效率和高增益的特点。由廖政伟、张雪、尤伟等人2013年发表于浙江大学学报(工学报)的《应用于超宽输入范围的变拓扑LLC电路》中，在全桥LLC(FBLLC)拓扑中找到半桥LLC(HBLLC)结构，当输入电压低时采用FBLLC拓扑，当输入电压高时采用HBLLC拓扑，等效电路如图1所示，图2为两种拓扑下的增益比较，由附图可以看出，通过在全桥与半桥结构间切换，可以将电路增益提高一倍，并且电路效率也得到有利提高。但是，其还是属于变频控制，磁性元件的设计还是较为复杂。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种宽增益范围LLC谐振变换器及其控制方法。本专利技术变换器采取的技术方案如下：一种宽增益范围LLC谐振变换器，包括从输入到输出依次连接的逆变电路、LLC谐振腔、变压器和整流网络；所述LLC谐振腔包括谐振电感Lr、Lm和谐振电容Cr；其特征在于，所述LLC谐振腔内还增设有双向开关；所述谐振电容Cr、谐振电感Lr依次串联在逆变电路的1号输出端与变压器原边线圈的1端之间，逆变电路的2号输出端与变压器原边线圈的2端连接，谐振电感Lm与变压器原边线圈并联，双向开关的1端通过连在谐振电容Cr、谐振电感Lr之间与变压器原边线圈的1端连接，双向开关的2端与变压器原边线圈的2端连接；所述逆变电路为全桥/半桥相结合的变拓扑电路。半桥的增益范围是全桥的一半，如果全桥的增益范围是2-4，半桥就是1-2，那么整个电路的增益范围就可以做到1-4，可见本专利技术电路结构可大大拓宽变换器的增益范围。另外，本专利技术在谐振腔内增设双向开关，可通过控制双向开关的导通时间来实现输出稳压，从而实现定频控制，降低了对变压器等磁性元件的要求，而且开关器件同逆变电路同位于变压器原边，无需考虑隔离驱动的问题，再者，本专利技术中双向开关、谐振电感Lr、谐振电容Cr形成降压电路，器件应力小，而且双向开关闭合时，电流在谐振电感Lr、励磁电感和双向开关之间环流，避开了谐振电容Cr，有利于降低能量在谐振电容Cr的寄生电阻上的损耗，从而有利于提升本专利技术电路的工作效率。需要说明的是，上面陈述的1端、2端只是为了便于描述而给予的代号，若对应到图3中，则分别对应逆变电路、双向开关和变压器原边绕组的在上输入/输出端和在下输入/输出端。所述逆变电路由四个开关管S1、S2、S3、S4组成，其中，开关管S1、S2分别用于控制输入电源Vin正极与所述逆变电路的1、2号输出端连通与否，开关管S3、S4分别用于控制所述逆变电路的1、2号输出端与输入电源Vin负极连通与否；所述输入电源Vin的输入电压范围分成两段：高电压和低电压，当输入低电压时，所述逆变电路工作在FBLLC模态，当输入高电压时，所述逆变电路工作在HBLLC模态，即当输入高电压时，开关管S2持续关断，开关管S4持续导通。电路随输入电压的变化在HBLLC(全桥LLC)和FBLLC(半桥LLC)之间切换，这种变拓扑电路完全不增加额外器件，可单纯依靠软件控制实现。所述双向开关由两个反向串联的开关管S5、S6构成，其中，寄生二极管指向所述双向开关与所述谐振电感Lr、谐振电容Cr连接端的为开关管S5。所述整流网络采用全波整流结构，如全桥整流结构，所述全桥整流结构由整流二极管或开关管构成。本专利技术控制方法采用技术方案如下：一种上述LLC谐振变换器的控制方法，其特征在于，所述LLC谐振变换器采用定频PWM(PulseWidthModulation的简称)控制。具体：当输入低电压，逆变电路工作在FBLLC模态时，开关管S1～S6的开关频率相等且固定，开关管S1和开关管S5互补导通，开关管S2和开关管S6互补导通，开关管S1和开关管S4同时导通、同时关断，开关管S2和开关管S3同时导通、同时关断，开关管S1的占空比与开关管S2的占空比相等，均不大于0.5且两者相位差180°，开关管S5的占空比与开关管S6的占空比相等，均不小于0.5且两者相位差180°，通过调节开关管S1的占空比大小实现输出电压V0的控制(开关管S1的占空比变化，双向开关的导通时间同步变化)，开关管S1的占空比越大，输出电压增益越大；当输入高电压，逆变电路工作在HBLLC模态时，开关管S1～S6的开关频率相等且固定，开关管S1和开关管S5互补导通，开关管S3和开关管S6互补导通，开关管S4持续导通，开关管S2持续关断，开关管S1的占空比与开关管S3的占空比相等，均不大于0.5且两者相位差180°，开关管S5的占空比与开关管S6的占空比相等，均不小于0.5且两者相位差180°，通过调节开关管S1的占空比大小实现输出电压V0的控制，开关管S1的占空比越大，输出电压增益越大。有益效果：1)本专利技术采用全桥/半桥相结合的变拓扑电路作为逆变电路，半桥的增益范围是全桥时的一半，通过这种拓扑结构的变换，可大大拓宽本专利技术的增益范围，而且还能提升本专利技术的工作效率；2)本专利技术在谐振腔内增设双向开关，可通过控制双向开关的导通时间来实现输出稳压，从而实现定频控制，降低了对变压器等磁性元件的要求，而且开关器件同逆变电路同位于变压器原边，降低了电路控制及驱动难度，再者，本专利技术中双向开关、谐振电感Lr、谐振电容Cr形成降压电路，器件应力小，总之，本专利技术结构的LLC谐振变换器降低了LLC谐振变换器的设计难度，而且可以采用定频PWM控制；3)本专利技术结构的LLC谐振变换器，在双向开关导通时，谐振电流在环流阶段能量存储在由变压器励磁电感Lm、谐振电感Lr及双向开关组成的回路中，不会流经谐振电容Cr，由于谐振电容Cr存在寄生电阻，这样有利于降低能量在谐振电容Cr的寄生电阻上的损耗，从而提升本专利技术电路的工作效率；4)本专利技术采用定频PWM控制，能分别与半本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽增益范围LLC谐振变换器，包括从输入到输出依次连接的逆变电路、LLC谐振腔、变压器和整流网络；/n所述LLC谐振腔包括谐振电感Lr、Lm和谐振电容Cr；/n其特征在于，所述LLC谐振腔内还增设有双向开关；所述谐振电容Cr、谐振电感Lr依次串联在逆变电路的1号输出端与变压器原边线圈的1端之间，逆变电路的2号输出端与变压器原边线圈的2端连接，谐振电感Lm与变压器原边线圈并联，双向开关的1端通过连在谐振电容Cr、谐振电感Lr之间与变压器原边线圈的1端连接，双向开关的2端与变压器原边线圈的2端连接；/n所述逆变电路为全桥/半桥相结合的变拓扑电路。/n

【技术特征摘要】
1.一种宽增益范围LLC谐振变换器，包括从输入到输出依次连接的逆变电路、LLC谐振腔、变压器和整流网络；
所述LLC谐振腔包括谐振电感Lr、Lm和谐振电容Cr；
其特征在于，所述LLC谐振腔内还增设有双向开关；所述谐振电容Cr、谐振电感Lr依次串联在逆变电路的1号输出端与变压器原边线圈的1端之间，逆变电路的2号输出端与变压器原边线圈的2端连接，谐振电感Lm与变压器原边线圈并联，双向开关的1端通过连在谐振电容Cr、谐振电感Lr之间与变压器原边线圈的1端连接，双向开关的2端与变压器原边线圈的2端连接；
所述逆变电路为全桥/半桥相结合的变拓扑电路。


2.根据权利要求1所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述逆变电路由四个开关管S1、S2、S3、S4组成，其中，开关管S1、S2分别用于控制输入电源Vin正极与所述逆变电路的1、2号输出端连通与否，开关管S3、S4分别用于控制所述逆变电路的1、2号输出端与输入电源Vin负极连通与否；
所述输入电源Vin的输入电压范围分成两段：高电压和低电压，当输入低电压时，所述逆变电路工作在FBLLC模态，当输入高电压时，所述逆变电路工作在HBLLC模态，即当输入高电压时，开关管S2持续关断，开关管S4持续导通。


3.根据权利要求2所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述双向开关由两个反向串联的开关管S5、S6构成，其中，寄生二极管指向所述双向开关与所述谐振电感Lr、谐振电容Cr连接端的为开关管S5。


4.根据权利要求3所述的LLC谐振变换器，其特征在于，所述整流网络采用全波整流结构。

【专利技术属性】
技术研发人员：余逸群，李思远，李永昌，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44