一种非隔离LLC谐振变换器电路制造技术

本发明专利技术公开一种非隔离LLC谐振变换器电路，该变换器利用电感、电容的谐振原理实现全部开关器件的软开关，利用非隔离变压器耦合关系实现谐振电流倍增和输出电压调整，有效提升了转换效率和功率密度，并降低了成本。此种变换器电路结构简单、安全可靠、易于控制。易于控制。易于控制。

【技术实现步骤摘要】
一种非隔离LLC谐振变换器电路


[0001]本专利技术涉及开关电源领域。本专利技术公开了一种非隔离LLC谐振变换器电路，可实现全部开关管的软开关。

技术介绍

[0002]近年来由于数据市场的持续高速发展，推动了对机架式服务器的需求不断提升，主要包括部署数量和单机计算能力两个方面。随之而来的是如何降低初始资本支出和后期运行维护成本的突出问题。一般而言后期运行成本中重要支出主要包括服务器自身能耗和为保证其本身及附属设备正常工作所需要的环境维持系统的能耗，而后者又受前者制约，前者自身的低能耗也意味着可以减低后者的建设成本和能耗。因此使用高效率的电力传输架构、同时降低板卡的能耗是一种综合解决方案。
[0003]为降低电力传送过程中的电能损耗和电缆成本，采用48V为服务器板卡供电的总线架构替代传统的12V总线架构受到业界青睐；此架构通常是先通过隔离型AC
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DC转换器将电网电压转化为48V直流，传送到板卡后，在其内部用DC
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DC转换器将48V转化为12V、再经由负载点（PoL
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Point of Load）转换器为各芯片组、CPU、GPU或者各种用途的加速芯片进行供电。
[0004]因此为了降低服务器的能耗和成本，这个领域迫切需求一种高转换效率、低成本的48V转12V解决方案。目前得到广泛关注和应用的方案有以下三种技术：一是不断优化在传统通讯领域中广泛应用的48V转12V模块电源方案，这类电源大多采用隔离的半桥或全桥硬开关电路、少部分采用LLC谐振变换器电路。为达到更高的转换效率和功率密度，一般都是通过增加PCB板的层数和铜厚，并优化隔离变压器设计、采用性能更优异的功率MOS管，但结果是不断地推高产品物料成本、加大工艺难度和拉长开发周期。虽然仍有使用这样技术的新产品持续推出，但已经很难在性能和价格之间继续平衡发展。
[0005]二是美国谷歌公司开发公布的非隔离、谐振变换器方案Switched Tank Converters（STC）。其原理是通过多级谐振电路级联实现所有开关器件的软开关，开关器件的应力则通过串联和输出电压钳位的方式得到有效的控制。如此，在使用较低成本的器件基础上，变换器的效率仍然得到非常有效的提升。但是此变换器为多级谐振电路级联组成，不能对输出电压进行调整；开关器件多、控制复杂、多开关器件串联等原因致使驱动方案和辅助源电路设计复杂，推高了电路整体成本。
[0006]三是Delta在2004年专利US7230405B2中公开的串联电容BUCK电路，该电路通过在传统BUCK电路中增加串联电容，使得变换器的占空比可以展开并减小了输出滤波电感前的电压脉动，改善了滤波电感的工作条件。变换器可降低开关频率、减小开关损耗、提升效率，由此降低复杂度。但该电路的开关器件工作于硬开关条件，限制了变换器开关频率的提高，从而限制了功率密度的进一步提升。
[0007]本专利技术公开一种非隔离LLC谐振变换器电路，该变换器利用电感、电容的谐振原理
实现全部开关器件的软开关，利用非隔离变压器耦合关系实现谐振电流倍增和输出电压调整，有效提升了转换效率和功率密度，并降低了成本。此种变换器电路结构简单、安全可靠、易于控制。

技术实现思路

[0008]本专利技术提出一种非隔离LLC谐振变换器电路，其显著特征在于，谐振电容、谐振电感构成LC谐振网络，利用LC的谐振工作，实现了全部开关器件的软开关；利用非隔离变压器耦合关系实现谐振电流倍增；通过调整开关频率和非隔离变压器匝比实现输出电压的调整；由于实现了开关器件的软开关，可以实现电源的高频化、高效率；电路结构简单、安全可靠、控制简单易行。
[0009]本专利技术电路拓扑如图1所示。
[0010]本专利技术提出一种非隔离LLC谐振变换器电路，该变换器电路由电源Vin、两个LC谐振网络、TX变压器、续流管，输出滤波电容Co和输出负载Ro构成，其中：两个LC谐振网络由LC谐振网络A和LC谐振网络B构成；LC谐振网络A由开关管S1、S2及谐振电感Lr1、谐振电容Cr1构成； LC谐振网络B由开关管S6、S5及谐振电感Lr2、谐振电容Cr2构成；TX变压器由绕组TX_1、绕组TX_2、绕组TX_3、绕组TX_4和电感Lm构成；续流管由S3和S4构成；开关管S1左端、S6左端与电源Vin正端相连；S1右端与S2左端、Lr1左端相连， Lr1右端与 Cr1左端相连；S6右端与S5左端、Lr2左端相连， Lr2右端与 Cr2左端相连；Cr1右端与S5右端、Lm上端、TX_3同名端相连，TX_3异名端与S4上端、TX_1同名端相连；Cr2右端与S2右端、Lm下端、TX_4异名端相连，TX_4同名端与S3上端、TX_2异名端相连；TX_1异名端与TX_2同名端、Co上端、Ro上端相连，S3下端、S4下端、Co下端、Ro下端、电源Vin负端与参考地相连；控制S1、S2、S6、S5的开通和关断，使Lr1与Cr1、Lr2与Cr2谐振工作，形成谐振电流，注入TX变压器的一个或几个绕组，利用TX变压器耦合关系在另外一个或几个绕组中形成感应电流，通过S3或S4提供的续流通路，使电流从TX_1异名端和TX_2同名端同时流出，实现注入输出滤波电容Co和负载Ro的总电流按特定比例分配在TX_1绕组和TX_2绕组，减小绕组内电流有效值，将输入电压转换为输出电压。
附图说明
[0011]为了更清楚的说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例以及现有技术描述中所使用的附图做简单介绍。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图来获得其他的附图。
[0012]图1是本专利技术实施例的变换器电路拓扑图；图2是本专利技术实施例的主要工作波形；图3是谷歌提出的STC谐振变换器；图4 是Delta提出的串联电容的BUCK电路；图5 是本专利技术实施例的绕组TX_3、绕组TX_4为零匝的变换器电路拓扑图；图6 是本专利技术实施例的LC谐振网络B去除的变换器电路拓扑图；图7 是本专利技术实施例的LC谐振网络B去除、绕组TX_3为零匝的变换器电路拓扑图；
图8 是本专利技术实施例的LC谐振网络B去除、绕组TX_4为零匝的变换器电路拓扑图；图9 是本专利技术实施例的LC谐振网络B去除、绕组TX_3和绕组TX_4为零匝的变换器电路拓扑图。
具体实施方式
[0013]为下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0014]如图1所示，本专利技术该变换器电路由电源Vin、两个LC谐振网络、TX变压器、续流管，输出滤波电容Co和输出负载Ro构成，其中：两个LC谐振网络由LC谐振网络A和LC谐振网络B构成；LC谐振网络A由开关管S1、S2及谐振电感Lr1、谐振电容Cr1构成； LC谐振网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非隔离LLC谐振变换器电路，其特征在于，该变换器电路由电源Vin、两个LC谐振网络、TX变压器、续流管，输出滤波电容Co和输出负载Ro构成，其中：两个LC谐振网络由LC谐振网络A和LC谐振网络B构成；LC谐振网络A由开关管S1、S2及谐振电感Lr1、谐振电容Cr1构成；LC谐振网络B由开关管S6、S5及谐振电感Lr2、谐振电容Cr2构成；TX变压器由绕组TX_1、绕组TX_2、绕组TX_3、绕组TX_4和电感Lm构成；续流管由S3和S4构成；以上电路中，开关管S1左端、S6左端与电源Vin正端相连；S1右端与S2左端、Lr1左端相连， Lr1右端与 Cr1左端相连；S6右端与S5左端、Lr2左端相连， Lr2右端与 Cr2左端相连；Cr1右端与S5右端、Lm上端、TX_3同名端相连，TX_3异名端与S4上端、TX_1同名端相连；Cr2右端与S2右端、Lm下端、TX_4异名端相连，TX_4同名端与S3上端、TX_2异名端相连；TX_1异名端与TX_2同名端、Co上端、Ro上端相连，S3下端、S4下端、Co下端、Ro下端、电源Vin负端与参考地相连；控制S1、S2、S6、S5的开通和关断，使Lr1与Cr1、Lr2与Cr2谐振工作，形成谐振电流，注入TX变压器的一个或几个绕组，利用TX变压器耦合关系在另外一个或几个绕组中形成感应电流，通过S3或S4提供的续流通路，使电流从TX_1异名端和TX_2同名端同时流出，实现注入输出滤波电容Co和负载Ro的总电流按特定比例分配在TX_1绕组和TX_2绕组，减小绕组内电流有效值，将输入电压转换为输出电压。2.根据权利要求1所述的一种非隔离LLC谐振变换器电路，其特征在于：S1与S5同相导通，S2与S6同相导通，S1、S5与S2、S6互补导通；控制S1、S2、S6、S5的开通与关断，使Lr1与Cr1、Lr2与Cr2谐振工作，利用谐振能量实现S1、S2、S6、S5的零电压开关。3.根据权利要求1所述的一种非隔离LLC谐振变换器电路，其特征在于：通过改变S1、S2、S6、S5的开关频率实现输出电压调整的功能。4.根据权利要求1所述的一种非隔离LLC谐振变换器电路，其中所述LC谐振网络A、LC谐振网络B，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李培永，杨鑫，周远平，乔宗标，李斌，
申请(专利权)人：上海英联电子系统有限公司，
类型：发明
国别省市：