一种定频宽增益LLC谐振变换器

一种定频宽增益llc谐振变换器
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域中的开关电源技术，涉及一种定频宽增益两相并联llc谐振变换器装置。


背景技术：

2.目前，随着新能源汽车和储能技术的不断发展，其内部的电源设备，例如车载充电机等，对功率密度、emi、效率等关键要素的要求逐渐提高。传统llc谐振变换器通常采用脉冲频率调制技术(pulse frequency modulation，简称pfm)，能实现原副边所有功率器件软开关，因此能实现高效率，尤其适合上述应用。然而，在负载范围比较宽的车载应用中，开关频率和谐振频率通常差距较大，这严重影响了llc谐振变换器的性能如效率特，而宽范围变化的频率也增加了emi的影响。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术不足，提出了一种新型定频宽增益llc谐振变换器。
4.具体而言，本发明提出的定频宽增益范围llc谐振变换器包含：第一llc谐振变换器和第二llc谐振变换器，其中：
5.第一llc谐振变换器和第二llc谐振变换器分别包括各自的输入端口和输出端口，第一llc谐振变换器和第二llc谐振变换器的输入端口串联或输出端口串联或同时串联；
6.第一llc谐振变换器的变压器的一个辅助绕组w
aux
两端串入第二llc谐振变换器的桥臂中点与其谐振腔之间；
7.所述第一llc谐振变换器与第二llc谐振变换器采用频率固定的移相控制，即第一llc谐振变换器和第二llc谐振变换器的控制脉冲为频率固定、相位差可调的方波信号，通过移相控制改变两相llc谐振变换器的相位差调节第二llc谐振变换器的谐振腔的等效电压输入电压来调节变换器增益。
8.优选的，所述第一llc谐振变换器的输入端口并联输入电容c
in1
，输出端口并联输出电容c
o1
，输入电容c
in1
与开关管q
11
和q
12
构成的开关桥臂1并联，开关桥臂1的中点接谐振电容c
r1
的一端，谐振电容c
r1
的另一端接谐振电感l
r1
的一端，谐振电感l
r1
的另一端接变压器t1原边绕组的同名端，变压器t1原边绕组的异名端接输入电容c
in1
的负端，变压器t1的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
11
的阳极，变压器t1的第一副边绕组的异名端接变压器t1的第二副边绕组的同名端和输出电容c
o1
的负端，变压器t1的第二副边绕组的异名端接输出二极管d
12
的阳极，输出二极管d
11
的阴极与输出二极管d
12
的阴极、输出电容c
o1
的正端连接。
9.优选的，所述的第二llc谐振变换器的输入端口并联输入电容c
in1
，输出端口并联输出电容c
o2
，输入电容c
in2
与开关管q
21
和q
22
构成的开关桥臂2并联，开关桥臂2的中点接变压器t1的辅助绕组w
aux
的同名端，变压器t1的辅助绕组w
aux
的异名端接谐振电容c
r2
的一端，谐振电容c
r2
的另一端接谐振电感l
r2
的一端，谐振电感l
r2
的另一端接变压器t2原边绕组的同名端，变压器t2原边绕组的异名端接输入电容c
in2
的负端，变压器t2的第一副边绕组的同
名端接输出二极管d
21
的阳极，变压器t2的第一副边绕组的异名端接变压器t2的第二副边绕组的同名端和输出电容c
o2
的负端，变压器t2的第二副边绕组的异名端接输出二极管d
22
的阳极，输出二极管d
21
的阴极与输出二极管d
22
的阴极、输出电容c
o2
的正端连接；谐振电容c
r2
和谐振电感l
r2
构成第二llc谐振变换器的谐振腔。
10.优选的，所述第一llc谐振变换器的输入端口并联输入电容c
in1
，输出端口并联输出电容c
o1
，输入电容c
in1
与开关管q
11
和q
12
构成的开关桥臂1并联，开关桥臂1的中点接谐振电容c
r1
的一端，谐振电容c
r1
的另一端接谐振电感l
r1
的一端，谐振电感l
r1
的另一端接变压器t1原边绕组的同名端；所述的第二llc谐振变换器的输入端口并联输入电容c
in1
，输出端口并联输出电容c
o2
，输入电容c
in2
与开关管q
21
和q
22
构成的开关桥臂2并联，开关桥臂2的中点接变压器t1的辅助绕组w
aux
的同名端；变压器t1的辅助绕组w
aux
的异名端接谐振电容c
r2
的一端，谐振电容c
r2
的另一端接谐振电感l
r2
的一端，谐振电感l
r2
的另一端接变压器t2原边绕组的同名端，变压器t2原边绕组的异名端接输入电容c
in2
的负端，变压器t1原边绕组的异名端接输入电容c
in1
的负端，变压器t1的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
11
的阳极，输出二极管d
11
的阴极接电容c
o1
的正端，变压器t1副边绕组的异名端接变压器t2副边绕组的异名端，变压器t2副边绕组的同名端接输出电容c
o1
的负端和输出电容c
o2
的正端，输出电容c
o2
的负端接输出二极管d
21
的阳极和副边地gnd-s，输出二极管d
21
的阴极接输出二极管d
11
的阳极。
11.优选的，所述第一llc谐振变换器和第二llc谐振变换器中，谐振电感用变压器的漏感替代。
12.优选的，在第二llc谐振变换器中，变压器t1的辅助绕组w
aux
的同名端颠倒。
13.本发明的益处在于：本发明在两相并联llc谐振变换器中的其中一相变换器中串入另一相变换器的辅助绕组，通过移相控制改变该相变换器的谐振腔的等效输入电压，从而在定频控制方式下即可实现整个两相llc谐振变换器llc变换器的增益宽范围变化。本发明克服了传统llc谐振变换器在输入或输出电压变化较大时频率变化范围过宽的缺点，优化了变换器的工作情况、增大了输入输出电压范围、降低了emi的影响。此外，本发明采用两相并联结构，可以增大带载能力，同时两相变换器在移相过程中，还具有输出电流纹波抵消效果。
附图说明
14.图1为本发明的定频宽增益llc谐振变换器第一实施例原理示意图；
15.图2为本发明的定频宽增益llc谐振变换器第二实施例原理示意图；
16.图3为本发明的定频宽增益llc谐振变换器第三实施例原理示意图；
17.图4为本发明的定频宽增益llc谐振变换器第三实施例原理示意图；
18.图5为本发明的定频宽增益llc谐振变换器第一实施例的基本原理的矢量示意图；
19.图中：101、第一llc谐振变换器，102、第二llc谐振变换器。
具体实施方式
20.图1示出本发明的定频宽增益llc谐振变换器第一实施例原理示意图。参考图1，所述定频宽增益llc谐振变换器包括第一llc谐振变换器101和第二llc谐振变换器102。
21.所述第一llc谐振变换器101包括一个输入端口和一个输出端口，分别并联输入电容c
in1
和输出电容c
o1
。输入电容c
in1
与开关管q
11
和q
12
构成的开关桥臂1并联，开关桥臂1的中点接谐振电容c
r1
的一端，谐振电容c
r1
的另一端接谐振电感l
r1
的一端，谐振电感l
r1
的另一端接变压器t1原边绕组的同名端，变压器t1原边绕组的异名端接输入电容c
in1
的负端，变压器t1的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
11
的阳极，变压器t1的第一副边绕组的异名端接变压器t1的第二副边绕组的同名端和输出电容c
o1
的负端，变压器t1的第二副边绕组的异名端接输出二极管d
12
的阳极，输出二极管d
11
的阴极与输出二极管d
12
的阴极、输出电容c
o1
的正端连接；
22.所述第二llc谐振变换器102包括一个输入端口和一个输出端口，分别并联输入电容c
in1
和输出电容c
o2
。输入电容c
in2
与开关管q
21
和q
22
构成的开关桥臂2并联，开关桥臂2的中点接变压器t1的辅助绕组w
aux
的同名端，变压器t1的辅助绕组w
aux
的异名端接谐振电容c
r2
的一端，谐振电容c
r2
的另一端接谐振电感l
r2
的一端，谐振电感l
r2
的另一端接变压器t2原边绕组的同名端，变压器t2原边绕组的异名端接输入电容c
in2
的负端，变压器t2的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
21
的阳极，变压器t2的第一副边绕组的异名端接变压器t2的第二副边绕组的同名端和输出电容c
o2
的负端，变压器t2的第二副边绕组的异名端接输出二极管d
22
的阳极，输出二极管d
21
的阴极与输出二极管d
22
的阴极、输出电容c
o2
的正端连接；谐振电容c
r2
和谐振电感l
r2
构成第二llc谐振变换器102的谐振腔。
23.所述第一llc谐振变换器101的输入端口与所述第二llc谐振变换器102的输入端口并联，所述第一llc谐振变换器101的输出端口与所述第二llc谐振变换器102的输出端口串联后接负载。
24.图2示出本发明的定频宽增益llc谐振变换器第二实施例原理示意图。参考图2，所述定频宽增益llc谐振变换器包括第一llc谐振变换器101和第二llc谐振变换器102。
25.所述第一llc谐振变换器101包括一个输入端口和一个输出端口，分别并联输入电容c
in1
和输出电容c
o1
。输入电容c
in1
与开关管q
11
和q
12
构成的开关桥臂1并联，开关桥臂1的中点接谐振电容c
r1
的一端，谐振电容c
r1
的另一端接谐振电感l
r1
的一端，谐振电感l
r1
的另一端接变压器t1原边绕组的同名端，变压器t1原边绕组的异名端接输入电容c
in1
的负端，变压器t1的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
11
的阳极，变压器t1的第一副边绕组的异名端接变压器t1的第二副边绕组的同名端和输出电容c
o1
的负端，变压器t1的第二副边绕组的异名端接输出二极管d
12
的阳极，输出二极管d
11
的阴极与输出二极管d
12
的阴极、输出电容c
o1
的正端连接；
26.所述第二llc谐振变换器102包括一个输入端口和一个输出端口，分别并联输入电容c
in1
和输出电容c
o2
。输入电容c
in2
与开关管q
21
和q
22
构成的开关桥臂2并联，开关桥臂2的中点接变压器t1的辅助绕组w
aux
的同名端，变压器t1的辅助绕组w
aux
的异名端接谐振电容c
r2
的一端，谐振电容c
r2
的另一端接谐振电感l
r2
的一端，谐振电感l
r2
的另一端接变压器t2原边绕组的同名端，变压器t2原边绕组的异名端接输入电容c
in2
的负端，变压器t2的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
21
的阳极，变压器t2的第一副边绕组的异名端接变压器t2的第二副边绕组的同名端和输出电容c
o2
的负端，变压器t2的第二副边绕组的异名端接输出二极管d
22
的阳极，输出二极管d
21
的阴极与输出二极管d
22
的阴极、输出电容c
o2
的正端连接；谐振电容c
r2
和谐振电感l
r2
构成第二llc谐振变换器102的谐振腔。
27.所述第一llc谐振变换器101的输入端口与所述第二llc谐振变换器102的输入端口串联，所述第一llc谐振变换器101的输出端口与所述第二llc谐振变换器102的输出端口并联后接负载。
28.图3示出本发明的定频宽增益llc谐振变换器第三实施例原理示意图。参考图3，所述定频宽增益llc谐振变换器包括第一llc谐振变换器101和第二llc谐振变换器102。
29.所述第一llc谐振变换器101包括一个输入端口和一个输出端口，分别并联输入电容c
in1
和输出电容c
o1
。输入电容c
in1
与开关管q
11
和q
12
构成的开关桥臂1并联，开关桥臂1的中点接谐振电容c
r1
的一端，谐振电容c
r1
的另一端接谐振电感l
r1
的一端，谐振电感l
r1
的另一端接变压器t1原边绕组的同名端，变压器t1原边绕组的异名端接输入电容c
in1
的负端，变压器t1的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
11
的阳极，变压器t1的第一副边绕组的异名端接变压器t1的第二副边绕组的同名端和输出电容c
o1
的负端，变压器t1的第二副边绕组的异名端接输出二极管d
12
的阳极，输出二极管d
11
的阴极与输出二极管d
12
的阴极、输出电容c
o1
的正端连接；
30.所述第二llc谐振变换器102包括一个输入端口和一个输出端口，分别并联输入电容c
in1
和输出电容c
o2
。输入电容c
in2
与开关管q
21
和q
22
构成的开关桥臂2并联，开关桥臂2的中点接变压器t1的辅助绕组w
aux
的同名端，变压器t1的辅助绕组w
aux
的异名端接谐振电容c
r2
的一端，谐振电容c
r2
的另一端接谐振电感l
r2
的一端，谐振电感l
r2
的另一端接变压器t2原边绕组的同名端，变压器t2原边绕组的异名端接输入电容c
in2
的负端，变压器t2的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
21
的阳极，变压器t2的第一副边绕组的异名端接变压器t2的第二副边绕组的同名端和输出电容c
o2
的负端，变压器t2的第二副边绕组的异名端接输出二极管d
22
的阳极，输出二极管d
21
的阴极与输出二极管d
22
的阴极、输出电容c
o2
的正端连接；谐振电容c
r2
和谐振电感l
r2
构成第二llc谐振变换器102的谐振腔。
31.所述第一llc谐振变换器101的输入端口与所述第二llc谐振变换器102的输入端口串联，所述第一llc谐振变换器101的输出端口与所述第二llc谐振变换器102的输出端口串联后接负载。
32.图4示出示出本发明的定频宽增益llc谐振变换器第四实施例原理示意图。参考图4，所述定频宽增益llc谐振变换器包括第一llc谐振变换器101和第二llc谐振变换器102。
33.其中，第一llc谐振变换器101的输入端口并联输入电容c
in1
，输出端口并联输出电容c
o1
，输入电容c
in1
与开关管q
11
和q
12
构成的开关桥臂1并联，开关桥臂1的中点接谐振电容c
r1
的一端，谐振电容c
r1
的另一端接谐振电感l
r1
的一端，谐振电感l
r1
的另一端接变压器t1原边绕组的同名端；第二llc谐振变换器102的输入端口并联输入电容c
in1
，输出端口并联输出电容c
o2
，输入电容c
in2
与开关管q
21
和q
22
构成的开关桥臂2并联，开关桥臂2的中点接变压器t1的辅助绕组w
aux
的同名端；变压器t1的辅助绕组w
aux
的异名端接谐振电容c
r2
的一端，谐振电容c
r2
的另一端接谐振电感l
r2
的一端，谐振电感l
r2
的另一端接变压器t2原边绕组的同名端，变压器t2原边绕组的异名端接输入电容c
in2
的负端，变压器t1原边绕组的异名端接输入电容c
in1
的负端，变压器t1的第一副边绕组的同名端接输出二极管d
11
的阳极，输出二极管d
11
的阴极接电容c
o1
的正端，变压器t1副边绕组的异名端接变压器t2副边绕组的异名端，变压器t2副边绕组的同名端接输出电容c
o1
的负端和输出电容c
o2
的正端，输出电容c
o2
的负端接输出二极管d
21
的阳极和副边地gnd-s，输出二极管d
21
的阴极接输出二极管d
11
的阳极。
34.所述第一llc谐振变换器101和第二llc谐振变换器102中，谐振电感l
r1
和lr2分别用变压器t1和t2的漏感替代。
35.在第二llc谐振变换器102的连接方式中，变压器t1的辅助绕组w
aux
的同名端颠倒。
36.以图1所示本发明的定频宽增益llc谐振变换器第一实施例原理示意图来说明本发明的基本原理。
37.假设第一llc谐振变换器101的变压器辅助绕组waux的两端电压为vs，第二llc谐振变换器102的桥臂中点电压为v
ac2
，二者合成的电压为v
x
，第一llc谐振变换器101与第二llc谐振变换器102之间的相位差为φ，根据矢量关系可以得到：
[0038][0039]
则可以画出第二llc谐振变换器102中的各电压矢量图如图5所示。可见，当φ在0-180
°
之间变化时，第二llc谐振变换器102的谐振腔输入电压v
x
的幅值在|v
ac2
|-|vs|和|v
ac2
| |vs|之间大范围变化。因此调节第一llc谐振变换器101与第二llc谐振变换器102之间的相位差φ即可改变第二llc谐振变换器102的谐振腔输入电压v
x
的幅值，从而改变第二llc谐振变换器102的电压增益g2。进一步，由于，第一llc谐振变换器101的电压增益g1不受相位差φ的影响，而变换器总的电压增益g＝(v
o1
v
o2
)/v
in
＝g1 g2，因此相位差φ可实现变换器总的电压增益g宽范围变化，而此时无需改变变换器频率，这意味着可以实现变换器定频工作。
[0040]
同理，对于图2和图4所示的本发明的第二实施例～第四实施例可参考上述本发明的第一实施例的基本原理进行分析，这里不再赘述。
[0041]
因此，可以得到本发明的定频宽增益llc谐振变换器控制方式为：所述第一llc谐振变换器与第二llc谐振变换器采用频率固定的移相控制。即，第一llc谐振变换器和第二llc谐振变换器的控制脉冲为频率固定、相位差可调的方波信号，通过移相控制改变两相llc谐振变换器的相位差调节第二llc谐振变换器的谐振腔的等效电压输入电压来调节变换器增益。
[0042]
对于本发明提出的电路结构，本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。本说明书选取并具体描述的实施例，是为了更好地阐释本发明的原理和实际应用，使得本领域技术人员可以很好地利用本发明并在本发明基础上进行修改使用。本发明实施例的上述详细说明并不是穷举的或者用于将本发明限制在上述明确的形式上。上述电路结构及其控制方式的细节在其实际实施过程中可以进行相应的变化，然而其仍然包含在本发明中。
[0043]
如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之中。