非隔离LLC谐振变换器的制作方法

非隔离llc谐振变换器
技术领域
1.本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种非隔离llc谐振变换器。


背景技术：

2.近年来随着计算量的提高，服务器单板卡的电能需求越来越大，尤其随着机架式服务器的广泛使用，直流供电总线的电流越来越大，采用48v总线为服务器板卡供电的电源架构逐渐取代了12v总线的传统架构；这种48v架构通常是通过交流电源将交流电网电源转化为48v直流总线，再由dcdc电源将48v转换为12v，12v再转换为各芯片组所需的低至0.6v的各种电压为芯片组进行供电，也有一些方案是直接将48v直接转化为1v左右cpu core电压为cpu供电。由于服务器系统中除各芯片组需要低至0.6v的低压供电外，还有许多12v负载，如风扇和内存等，48v转12v后再由12v转为电压为芯片组供电的方式逐渐成为主流。
3.一方面服务器市场的体量巨大，成本压力高；另一方面全球范围的节能降耗要求越来越高，这就使得低成本、高效能的48v转12v成为电力电子领域的一个非常重要的研究方向，许多研究资源进入到这个领域，并且很多研究成果陆续呈现。得到最广泛应用的有两个技术方向：一个方向是在传统通讯领域中广泛应用的48v转12v模块电源基础上不断优化设计。这个方向近年来不断有新的产品推出，功率密度和效率也逐年提高；各头部企业大多采用隔离的半桥或全桥硬开关电路，少部分采用隔离的半桥或全桥非隔离llc谐振变换器电路；为达到更高的效率和功率密度，此发展方向不断的增加pcb板的层数和铜厚，不断优化隔离变压器设计，选择性能更优异的功率mos管，这带来的后果是不断推高产品的成本，加长开发周期，提高设计难度和对技术人员的技术要求，使得该方向的发展到了一个瓶颈，很难在性能和价格之间继续平衡发展。另一个方向是非隔离48v转12v应用，并首先推出了对应的开关储能变换器谐振变换器(switched tank converters，stc)，如图4所示。这个变换器通过多级谐振电路级联，可以实现所有开关器件的软开关，且开关器件的应力通过开关器件串联和输出电压钳位的方式，得到有效的控制，使得变换器的效率在较低的成本上得到非常有效的提升使得该电路一度成为研究领域的热点。不过这个电路同样存在两个先天的不足：首先变换器为开关电容电路的一个谐振方案，输入输出电压的关系为固定变比，不能进行调压，极大的限制了变换器的应用，尤其在几个头部企业相继将其服务器电源方案转向12v电压可控后，这个电路的关注度开始下降；此外，开关器件多、控制复杂，多开关器件串联使驱动方案、辅助源设计复杂，在没有专用模拟控制器的情况下使电路的实现和成本被推高，也在一定程度上限制了电路的应用。在这之后，如图5所示的降压式变换电路再次得到关注，该电路在传统降压式变换电路中增加了串联电容，由于该电容的存在，使得变换器的占空比可以展开，并极大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，使得变换器可降低开关频率，减小开关损耗，提升效率，同时变换器的电路结构同stc电路相比也要简单，降低了设计难度。该电路是当前非隔离48v转12v应用中较为优化的方案。该电路唯一的缺点是硬开关。由于开关器件在工作中处于硬开关条件，一定程度上限制了变换器的开关频率的提高，这就限制了模块进一步提升电源模块的功率密度。
4.因此，有必要提供一种新型的非隔离llc谐振变换器以解决现有技术中存在的上述部分问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种非隔离llc谐振变换器，降低控制难度和成本。
6.为实现上述目的，本发明的所述非隔离llc谐振变换器，包括第一谐振桥、第二谐振桥、谐振网络、整流桥、变压器、负载和输出电容，所述变压器包括第一变压器电感和第二变压器电感，所述第一变压器电感与所述谐振网络串联以构成变压器谐振单元，所述变压器谐振单元的第一端与所述第一谐振桥连接，所述变压器谐振单元的第二端与所述第二谐振桥连接，所述第二变压器电感的两端均与所述整流桥连接，所述整流桥与所述第一谐振桥、所述第二谐振桥、所述负载的一端、所述输出电容的一端连接，所述负载的另一端、所述输出电容的另一端、所述整流桥均与电源的负极连接并接地，所述第一谐振桥用于将所述变压器谐振单元的第一端与电源的正极或所述负载的一端连通，所述第二谐振桥用于将所述变压器谐振单元的第二端与电源的正极或所述负载的一端连通，所述整流桥用于将所述第二变压器电感的两端分别与所述负载的一端和所述负载的另一端连通。
7.所述非隔离llc谐振变换器的有益效果在于：包括第一谐振桥、第二谐振桥、谐振网络、整流桥、变压器、负载和输出电容，所述变压器包括第一变压器电感和第二变压器电感，电路简单，控制简单易行，成本低。
8.可选地，所述第一谐振桥包括第一开关单元和第三开关单元，所述第一开关单元的第一端接电源的正极，所述第一开关单元的第二端与所述第三开关单元的第一端连接，所述第三开关单元的第二端与所述负载的一端连接。
9.可选地，所述第一开关单元和所述第三开关单元均为可控开关器件。
10.可选地，所述第二谐振桥包括第二开关单元和第四开关单元，所述第二开关单元的第一端接电源的正极，所述第二开关单元的第二端与所述第四开关单元的第一端连接，所述第四开关单元的第二端与所述负载的一端连接。
11.可选地，所述第二开关单元和所述第四开关单元均为可控开关器件。
12.可选地，所述整流桥包括第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元和第八开关单元，所述第五开关单元的第一端和所述第六开关单元的第一端均与所述负载的一端连接，所述第五开关单元的第二端与所述第七开关单元的第一端连接，所述第六开关单元的第二端与所述第八开关单元的第一端连接，所述第七开关的第二端与所述第八开关的第二端均与所述负载的另一端连接。
13.可选地，所述第五开关单元、所述第六开关单元、所述第七开关单元和所述第八开关单元均为可控开关器件或不可控开关器件。
14.可选地，所述可控开关器件包括金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、氮化镓晶体管、碳化硅mos管以及第一组合开关单元，所述第一组合开关单元为三极管与二极管的组合。
15.可选地，所述不可控开关器件包括二极管和第二组合开关单元，所述第二组合开关单元包括二极管与金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、氮化镓晶体管、碳化硅mos管中任意一个的组合。
16.可选地，所述谐振网络包括第一谐振电感和谐振电容，所述第一谐振电感、所述谐振电容和所述第一变压器电感串联。
17.可选地，所述谐振网络还包括电阻，所述电阻与所述第一谐振电感、所述谐振电容、所述第一变压器电感串联。
18.可选地，所述变压器还包括第二谐振电感，所述第二谐振电感与所述第一变压器电感或所述第二变压器电感并联。
19.可选地，所述第一变压器电感包括至少一个子变压器电感，所述子变压器电感之间串联。
附图说明
20.图1为本发明一些实施例中非隔离llc谐振变换器的电路示意图；
21.图2为本发明又一些实施例中非隔离llc谐振变换器的电路示意图；
22.图3为本发明一些实施例中图1所示非隔离llc谐振变换器的时序图；
23.图4为现有技术中一种stc谐振变换器的电路示意图；
24.图5为现有技术中一种降压式变换电路的电路示意图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
26.针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种非隔离llc谐振变换器。参照图1，所述非隔离llc谐振变换器100包括第一谐振桥101、第二谐振桥102、谐振网络103、整流桥104、变压器105、负载ro和输出电容co，所述变压器105包括第一变压器电感n1和第二变压器电感n2。
27.一些实施例中，所述第一变压器电感与所述谐振网络串联以构成变压器谐振单元，所述变压器谐振单元的第一端与所述第一谐振桥连接，所述变压器谐振单元的第二端与所述第二谐振桥连接，所述第二变压器电感的两端均与所述整流桥连接，所述整流桥与所述第一谐振桥、所述第二谐振桥、所述负载的一端、所述输出电容的一端连接，所述负载的另一端、所述输出电容的另一端、所述整流桥均与电源的负极连接并接地，所述第一谐振桥用于将所述变压器谐振单元的第一端与电源的正极或所述负载的一端连通，所述第二谐振桥用于将所述变压器谐振单元的第二端与电源的正极或所述负载的一端连通，所述整流桥用于将所述第二变压器电感的两端分别与所述负载的一端和所述负载的另一端连通。
28.一些实施例中，所述第一谐振桥包括第一开关单元和第三开关单元，所述第一开关单元的第一端接电源的正极，所述第一开关单元的第二端与所述第三开关单元的第一端连接，所述第三开关单元的第二端与所述负载的一端连接。
29.一些实施例中，所述第二谐振桥包括第二开关单元和第四开关单元，所述第二开关单元的第一端接电源的正极，所述第二开关单元的第二端与所述第四开关单元的第一端连接，所述第四开关单元的第二端与所述负载的一端连接。
30.一些实施例中，所述整流桥包括第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元和第八开关单元，所述第五开关单元的第一端和所述第六开关单元的第一端均与所述负载的一端连接，所述第五开关单元的第二端与所述第七开关单元的第一端连接，所述第六开关单元的第二端与所述第八开关单元的第一端连接，所述第七开关的第二端与所述第八开关的第二端均与所述负载的另一端连接。
31.一些实施例中，所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元和所述第四开关单元均为可控开关器件，所述第五开关单元、所述第六开关单元、所述第七开关单元和所述第八开关单元均为可控开关器件或不可控开关器件。具体地，所述可控开关器件包括金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、氮化镓晶体管、碳化硅mos管以及第一组合开关单元，所述第一组合开关单元为三极管与二极管的组合，所述不可控开关器件包括二极管和第二组合开关单元，所述第二组合开关单元包括二极管与金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、氮化镓晶体管、碳化硅mos管中任意一个的组合。
32.参照图1，所述第一开关单元为第一nmos管s1，所述第二开关单元为第二nmos管s2，所述第三开关单元为第三nmos管s3，所述第四开关单元为第四nmos管s4，所述第五开关单元为第五nmos管s5，所述第六开关单元为第六nmos管s6，所述第七开关单元为第七nmos管s7，所述第八开关单元为第八nmos管s8。
33.参照图1，所述第一nmos管s1的漏极接电源vin的正极，所述第一nmos管s1的源极与所述第三nmos管s3的漏极、所述第一变压器电感n1的异名端连接，所述第三nmos管s3的源极与所述负载ro的一端、所述输出电容co的一端连接。
34.参照图1，所述第二nmos管s2的漏极接电源vin的正极，所述第二nmos原的源极与所述第四nmos管s4的漏极连接，所述第四nmos管s4的源极与所述负载ro的一端、所述输出电容co的一端连接。
35.参照图1，所述第五nmos管s5的漏极和所述第六nmos管s6的漏极均与所述负载ro的一端连接，所述第五nmos管s5的源极与所述第七nmos管s7的漏极、所述第二变压器电感n2的异名端连接，所述第六nmos管s6的源极与所述第八nmos管s8的漏极、所述第二变压器电感n2的同名端连接，所述第七nmos管s7的源极与所述第八nmos管s8的源极、所述负载ro的另一端、所述输出电容co的另一端、电源vin的负极连接并接地。
36.参照图1，所述第一nmos管s1的栅极接第一控制信号，所述第二nmos管s2的栅极接第二控制信号，所述第三nmos管s3的栅极接第三控制信号，所述第四nmos管s4的栅极接第四控制信号，所述第五nmos管s5的栅极接第五控制信号，所述第六nmos管s6的栅极接第六控制信号，所述第七nmos管s7的栅极接第七控制信号，所述第八nmos管s8的栅极接第八控制信号。
37.一些实施例中，所述谐振网络包括第一谐振电感和谐振电容，所述第一谐振电感、所述谐振电容和所述第一变压器电感串联。
38.又一些实施例中，所述谐振网络还包括电阻，所述电阻与所述第一谐振电感、所述谐振电容、所述第一变压器电感串联。
39.一些实施例中，所述变压器还包括第二谐振电感，所述第二谐振电感与所述第一变压器电感或所述第二变压器电感并联。所述第二谐振电感为独立电感或所述变压器的激磁电感。
40.一些实施例中，所述第一变压器电感包括至少一个子变压器电感，所述子变压器电感之间串联。
41.参照图1，所述谐振网络103包括第一谐振电感lr和谐振电容cr，所述第一谐振电感lr的一端与所述第一变压器电感n1的同名端连接，所述第一谐振电感lr的另一端与所述谐振电容cr的一端连接，所述谐振电容cr的另一端与所述第二nmos管s2的源极连接，所述变压器还包括第二谐振电感lm，所述第二谐振电感lm的一端与所述第一变压器电感n1的同名端连接，所述第二谐振电感lm的另一端与所述第一变压器电感n1的异名端连接。
42.图2为本发明又一些实施例中非隔离llc谐振变换器的电路示意图。参照图2与图1，图2与图1的区别在于：将所述第五nmos管s5、所述第六nmos管s6、所述第七nmos管s7和所述第八nmos管s8均替换为了二极管。
43.图3为本发明一些实施例中图1所示非隔离llc谐振变换器的时序图。参照图3，s1表示第一控制信号，s2表示第二控制信号，s3表示第三控制信号，s4表示第四控制信号，s5表示第五控制信号，s6表示第六控制信号，s7表示第七控制信号，s8表示第八控制信号，i
lr
表示流经第一谐振电感的电流，i
lm
表示流经第二谐振电感的电流，i
ro
表示流经负载的电流，v
s1
表示所述第一nmos管的源极和漏极的电压差，v
s2
表示所述第二nmos管的源极和漏极的电压差，v
s3
表示所述第三nmos管的源极和漏极的电压差，v
s4
表示所述第四nmos管的源极和漏极的电压差，且s1和s4相同，s2和s4相同，s5和s8相同，s6和s7相同，v
s2
和v
s3
相同，v
s1
和v
s4
相同。
44.参照图1和图3，在t0～t1时刻，所述第一nmos管s1、所述第四nmos管s4、所述第五nmos管s5和所述第八nmos管s8导通，所述第二nmos管s2、所述第三nmos管s3、所述第六nmos管s6和所述第七nmos管s7关断，在t0时刻，由于所述第一nmos管s1的体二极管、所述第四nmos管s4的体二极管、所述第五nmos管s5的体二极管和所述第八nmos管s8的体二极管提前导通，此时导通所述第一nmos管s1、所述第四nmos管s4、所述第五nmos管s5和所述第八nmos管s8能够实现0电压软开关导通；所述第一变压器电感n1的匝数与所述第二变压器电感n2的匝数的比值为n：1，因此，所述第一谐振电感lr与所述谐振电容cr串联后两端的电压为谐振电压，所述谐振电压为电源电压v
in
与(n 1)倍输出电压vovo的差值，在此所述谐振电压的激励下，流经所述第一谐振电感的电流先正弦谐振上升后再谐振下降；所述第二谐振电感lm两端的电压为n倍的输出电压vovo，在所述第二谐振电感lm两端的电压的激励下，流经所述第二谐振电感lm的电流线性上升。
45.参照图1和图3，在t0～t1时刻，流经所述第一变压器电感n1的电流为流经所述第一谐振电感lr的电流与流经第二谐振电感lm的电流的差值，根据所述第一变压器电感n1与所述第二变压器电感n2的耦合关系，流经所述第二变压器电感n2的电流为流经所述第一变压器电感n1的电流的n倍，注入所述输出电容co和所述负载ro的总电流为流经所述第一变压器电感n1的电流与流经所述第二变压器电感n2的电流的和；在此阶段，所述第一nmos管s1源极和漏极两端的电压、所述第四nmos管s4源极和漏极两端的电压、所述第五nmos管s5源极和漏极两端的电压和所述第八nmos管s8源极和漏极两端的电压均为0v，所述第二nmos管s2源极和漏极两端的电压和所述第三nmos管s3源极和漏极两端的电压均为电源电压v
in
与输出电压vovo的差值，所述第六nmos管s6源极和漏极两端的电压和所述第七nmos管s7源极和漏极两端的电压均为输出电压vovo。
46.参照图1和图3，在t1～ts/2时刻，在t1时刻，所述第一nmos管s1、所述第四nmos管s4、所述第五nmos管s5和所述第八nmos管s8关断，所述第一谐振电感lr上的电流方向不会突变，此时所述第一谐振电感lr上的电流方向为正，将对所述第一nmos管s1的结电容、所述第四nmos管s4的结电容、所述第五nmos管s5的结电容和所述第八nmos管s8结电容充电，同时对所述第二nmos管s2的结电容、所述第三nmos管s3的结电容、所述第六nmos管s6的结电容和所述第七nmos管s7的结电容放电；在ts/2时刻之前，所述第二nmos管s2源极和漏极两端的电压、所述第三nmos管s3源极和漏极两端的电压、所述第六nmos管s6源极和漏极两端的电压、所述第七nmos管s7源极和漏极两端的电压逐渐下降到0后，所述第二nmos管s2的体二极管、所述第三nmos管s3的体二极管、所述第六nmos管s6的体二极管和所述第七nmos管s7的体二极管导通。
47.参照图1和图3，在ts/2～t2时刻，在ts/2时刻，由于所述第二nmos管s2的体二极管、所述第三nmos管s3的体二极管、所述第六nmos管s6的体二极管和所述第七nmos管s7的体二极管提前导通，此时导通所述第二nmos管s2、所述第三nmos管s3、所述第六nmos管s6和所述第七nmos管s7能够实现0电压导通；所述第一谐振电感lr与所述谐振电容cr串联后两端的电压为谐振电压，所述谐振电压为电源电压v
in
与(n 1)倍输出电压vovo的差值，在所述谐振电压的激励下，流经所述第一谐振电感lr的电流先正弦谐振下降后再谐振上升；所述第二谐振电感lm两端的电压为负的n倍输出电压vovo，在所述第二谐振电感lm两端的电压的激励下，流经所述第二谐振电感lm的电流线性下降。
48.参照图1和图3，在ts/2～t2时刻，流经所述第一变压器电感n1的电流为流经所述第一谐振电感lr的电流与流经所述第二谐振电感lm的电流的差值；根据所述第一变压器电感n1和所述第二变压器电感n2的耦合关系，流经所述第二变压器电感n2的电流为流经所述第一变压器电感n1的电流的n倍；注入所述输出电容co和所述负载ro的总电流为流经所述第一变压器电感n1的电流与流经所述第二变压器电感n2的电流的和；在此阶段，所述第二nmos管s2源极和漏极两端的电压、所述第三nmos管s3源极和漏极两端的电压、所述第六nmos管s6源极和漏极两端的电压和所述第七nmos管s7源极和漏极两端的电压均为0，所述第一nmos管s1源极和漏极两端的电压和所述第四nmos管s4源极和漏极两端的电压均为电源电压v
in
与输出电压vo的差值，所述第五nmos管s5源极和漏极两端的电压和所述第八nmos管s8源极和漏极两端的电压均为输出电压vovo。
49.参照图1和图3，在t2～ts时刻，在t2时刻，所述第二nmos管s2、所述第三nmos管s3、所述第六nmos管s6和所述第七nmos管s7关断，所述第一谐振电感lr上的电流不会突变，此时流经所述第一谐振电感lr上的电流方向为负，对所述第二nmos管s2的结电容、所述第三nmos管s3的结电容、所述第六nmos管s6的结电容和所述第七nmosuan的结电容充电，同时对所述第一nmos管s1结电容、所述第四nmos管s4的结电容、所述第五nmos管s5的结电容和所述第八nmos管s8的结电容放电；在ts时刻之前，所述第一nmos管s1源极和漏极两端的电压、所述第四nmos管s4源极和漏极两端的电压、所述第五nmos管s5源极和漏极两端的电压和所述第八nmos管s8源极和漏极两端的电压逐渐下降到0后，所述第一nmos管s1的体二极管、所述第四nmos管s4的体二极管、所述第五nmos管s5的体二极管和所述第八nmos管s8的体二极
管导通。在ts时刻，导通所述第一nmos管s1、所述第四nmos管s4、所述第五nmos管s5和所述第八nmos管s8，所述第一nmos管s1、所述第四nmos管s4、所述第五nmos管s5和所述第八nmos管s8为0电压导通，所述非隔离llc谐振变换器进入下个开关周期。
50.参照图1和图3，在t0～t1时刻以及ts/2～t2时刻，所述第一谐振电感lr、所述谐振电容cr和所述第二谐振电感lm的阻抗随工作频率变化，因此，通过调整所述非隔离llc谐振变换器的工作频率，能够实现注入所述负载ro电流和输出电压vo的调整功能。
51.所述第一nmos管和所述第四nmos管同相导通，所述第二nmos管和所述第三nmos管同相导通，所述第一nmos管与所述第六nmos管互补导通，所述第二nmos管与所述第五nmos管互补导通。通过控制所述第一nmos管、所述第二nmos管、所述第三nmos管和所述第四nmos管的导通和关断，能够使所述第一谐振电感和所述谐振电容谐振工作，从而利用谐振能量实现所述第一nmos管、所述第二nmos管、所述第三nmos管和所述第四nmos管的0电压开关，实现了软开关，实现电源的高频化和高效率，同时电路简单，安全可靠，控制简单易行。利用谐振网络形成谐振电流，并利用所述变压器的第一变压器电感和第二变压器电感的电压、电流耦合关系，实现改变电压、降低所述第一变压器电感和第二变压器电感的电流，将输入电压向输出电压转换。通过调节所述第一变压器电感和第二变压器电感的匝数比，能够调整输出电压。通过调整所述非隔离llc谐振变换器的开关频率，能够调整输出电压。
52.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。