降低励磁电流并能提供高增益的LLC转换器制造技术

提供一种降低励磁电流并能提供高增益的LLC转换器，LLC转换器包括谐振网络，所述谐振网络包括谐振电容元件(Cr)、谐振电感元件(Lr)和励磁电感单元，所述励磁电感单元包括串联连接的电容元件(Cm)和电感元件(Lm)，所述LLC转换器的最低工作频率高于所述电容元件(Cm)与所述电感元件(Lm)的谐振频率。据此，本发明专利技术能够借助于由电感元件(Lm)和电容元件(Cm)构成的谐振网络引入可变励磁电感，其等效励磁电感值能够根据转换器的工作频率而平滑地变化。

【技术实现步骤摘要】
降低励磁电流并能提供高增益的LLC转换器
本专利技术涉及LLC转换器，尤其涉及降低励磁电流并能提供高增益的LLC转换器。
技术介绍
随着电子技术的发展，针对电源系统，对功率密度和转换器转换效率的要求变得越来越严格，LLC(电感-电感-电容)转换器拓扑是实现高功率密度和高转换效率的转换器的最佳选择之一，这是因为主开关的ZVS(zerovoltageswitch，零电压开关)和次级同步整流器的ZCS(zerocurrentswitch，零电流开关)可以实现低开关损耗。图15是示意性示出现有的LLC转换器的等效电路的图。如图15所示，LLC转换器包括开关电源S1和谐振网络，其中，谐振网络由谐振电感元件Lr、谐振电容元件Cr和励磁电感元件Lmag构成。对于励磁电感元件Lmag的参数设计，为了最大化LLC转换器效率，期望最大化励磁电感，以便最小化主开关的有效值电流即RMS(rootmeansquare，均方根)电流并且为ZVS操作提供恰好足够的电流。但实际上，为了满足保持时间要求并保持较低的大容量电容以获得高功率密度，需要较低的励磁电感来提供足够的LLC级增益，以便在发生AC电源故障时处理大电压的大幅下降。这在正常工作期间不可避免地降低了传统LLC转换器转换效率。为了解决该问题，在现有技术中，例如在专利文献1中，提出了利用附加电感元件的方法，在该方法中，附加电感元件能够通过功率半导体开关被控制为与励磁电感元件并联连接，使得在由于AC电源故障而导致LLC转换器的输入电压下降的情况下降低等效励磁电感以提高增益。在该方法中，励磁电感元件可以仅针对标称工作条件进行优化以获得最佳效率，但是该方法引入了附加电感元件和功率半导体开关，这增加了转换器的尺寸和成本。此外，在等效励磁电感突然改变的情况下，转换器将表现出明显的特性变化，这会显著地影响输出调节。现有技术文献专利文献专利文献1：美国专利US2014247626A1
技术实现思路
本专利技术鉴于上述情况而完成，目的在于提供一种等效励磁电感能够根据转换器的工作频率而平滑地变化的LLC转换器。另外，目的在于提供一种降低励磁电流并能提供高增益的LLC转换器。为了解决上述技术问题的至少一部分，本专利技术所涉及的LLC转换器，包括谐振网络，所述谐振网络包括谐振电容元件(Cr)、谐振电感元件(Lr)和励磁电感单元，所述励磁电感单元包括串联连接的电容元件(Cm)和电感元件(Lm)，所述LLC转换器的最低工作频率高于所述电容元件(Cm)与所述电感元件(Lm)的谐振频率。专利技术效果本专利技术借助于励磁电感单元引入可变励磁电感，其等效励磁电感根据转换器的工作频率而平滑地变化。据此，能够实现标称工作条件下的转换效率的最佳优化以及AC电源故障等情况下的转换器特性的平稳变化，而无需额外的控制方法和功率半导体开关。据此，能够提供一种等效励磁电感能够根据转换器的工作频率而平滑地变化的LLC转换器。此外，能够提供一种降低励磁电流并能提供高增益的LLC转换器。附图说明图1是示意性示出本专利技术实施方式的LLC转换器的等效电路的图。图2是用于比较本专利技术实施方式的一个实施例与比较例的图，其中(a)是示出作为比较例的现有设计的图，(b)是示出本专利技术实施方式的一个实施例的图。图3是示出在标称工作条件下图2的(a)的仿真结果的图。图4是示出在标称工作条件下图2的(b)的仿真结果的图。图5是示出在输入电压降至最小值时图2的(a)的仿真结果的图，其中工作频率为106KHz。图6是示出在输入电压降至最小值时图2的(b)的仿真结果的图，其中工作频率为106KHz。图7是示出本专利技术实施方式的另一个实施例的图。图8是示出本专利技术实施方式的另一个实施例的图。图9是示出本专利技术实施方式的另一个实施例的图。图10是示出本专利技术实施方式的另一个实施例的图。图11是示出本专利技术实施方式的另一个实施例的图。图12是示出本专利技术实施方式的另一个实施例的图。图13是示出本专利技术实施方式的另一个实施例的图。图14是示出本专利技术实施方式的另一个实施例的图。图15是示意性示出现有的LLC转换器的等效电路的图。具体实施方式本专利技术提出了一种利用励磁电感单元(谐振网络)来代替传统LLC转换器中的励磁电感的方法。该谐振网络被设计用于在电感区域内工作，使得它用作LLC转换器中的励磁电感，但其电感值随工作频率而变化。图1是示意性示出本专利技术实施方式的LLC转换器的等效电路的图。如图1所示，在本专利技术中，相对于以往的LLC转换器，例如与图15所示的现有的LLC转换器相比，本专利技术中用串联连接的谐振网络(励磁电感单元)来代替励磁电感元件，该谐振网络包括电感元件Lm和电容元件Cm，该谐振网络具有等效励磁电感Lm_eq。图1中符号S1是LLC转换器的开关电源，在一些实施方式中，它可以由DC输入电源(从功率因数校正(powerfactorcorrection，PFC)级产生的大容量电容元件电压)以及半桥或全桥开关电路组成，谐振电感元件Lr和谐振电容元件Cr构成LLC转换器的串联谐振网络。在本专利技术中，电感元件Lm的电感(以下，有时也用符号Lm来表示)和电容元件Cm的电容(以下，有时也用符号Cm来表示)可以基于以下两个参数来确定，1)期望的平时励磁电感Lm_eq_nom，用于确保在标称大容量电容元件电压和开关频率为谐振电感元件Lr和谐振电容元件Cr的谐振频率fr的情况下在正常工作条件期间实现开关电源S1的开关的ZVS接通；2)期望的最小励磁电感Lm_eq_min，用于确保足够的增益，以便在大容量电容元件电压下降到目标最小值并且开关频率降低到最低工作频率fsw_min时保持输出稳定。基于这两个参数，在由电感元件Lm和电容元件Cm构成的谐振网络跨主隔离变压器的初级绕组设置的情况下，可以根据以下的数学式1和数学式2计算电感元件Lm的电感值和电容元件Cm的电容值以满足这些要求：(数学式1)(数学式2)其中，j表示虚部，Lm表示电感元件Lm的电感值，Cm表示电容元件Cm的电容值。接下来，以全桥LLC转换器为例来说明应用本专利技术能够取得的有益技术效果。图2是用于比较本专利技术实施方式的一个实施例与比较例的图，其中(a)是示出作为比较例的现有设计的图，(b)是示出本专利技术实施方式的一个实施例的图。在图2中，设标称输入电压为450V、Lr＝11.97uH、Cr＝33.86nF、谐振频率为250KHz，并且设目标最小输入电压为368V，以便满足保持时间要求。为了在最小输入电压下具有足够增益所需的励磁电感在3600W输出时为220.6uH，其中最低工作频率fsw_min＝106KHz。假设在标称工作条件下所需的励磁电感为400uH，则在本实施例中，LLC转换器的励磁电感可由图2的(b)所示的谐振网络代替。图3至图6示出了图2的(a)和(b)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LLC转换器，包括谐振网络，所述谐振网络包括谐振电容元件(Cr)、谐振电感元件(Lr)和励磁电感单元，/n所述励磁电感单元包括串联连接的电容元件(Cm)和电感元件(Lm)，/n所述LLC转换器的最低工作频率高于所述电容元件(Cm)与所述电感元件(Lm)的谐振频率。/n

【技术特征摘要】
1.一种LLC转换器，包括谐振网络，所述谐振网络包括谐振电容元件(Cr)、谐振电感元件(Lr)和励磁电感单元，
所述励磁电感单元包括串联连接的电容元件(Cm)和电感元件(Lm)，
所述LLC转换器的最低工作频率高于所述电容元件(Cm)与所述电感元件(Lm)的谐振频率。


2.根据权利要求1所述的LLC转换器，其中，
所述LLC转换器还包括主隔离变压器，
所述励磁电感单元设置为跨所述主隔离变压器的初级绕组、跨所述主隔离变压器的次级输出绕组、跨所述主隔离变压器的附加初级绕组或者跨所述主隔离变压器的附加次级绕组。


3.根据权利要求1或2所述的LLC转换器，其中，
所述LLC转换器是半桥LLC转换器或者全桥LLC转换器。


4.根据权利要求2所述的LLC转换器，其中，
将所述电容元件的电容值设为Cm，将所述电感元件的电感值设为Lm，将对所述励磁电感单元期望的平时励磁电感设为Lm_eq_nom，将对所述励磁电感单元期望的最小励磁电感设为Lm_eq_min，将所述谐振电感元件与所述谐振电容元件的谐振频率设为fr，将所述LLC...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖柱帮，卢国财，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：日本;JP