双通道高增益串并联LLC谐振变流器

摘要

本发明提供双通道高增益串并联LLC谐振变流器，属于电力电子技术领域。包括：全控型开关器件Q1、全控型开关器件Q2、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、谐振电感Lr1、谐振电感Lr2、隔离变压器T1、隔离变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、电容滤波器Co、输出滤波电感Lo和负载电阻R。本发明可提高变流器的电压增益的同时，降低开关频率范围。

权利要求

1.一种双通道高增益串并联LLC谐振变流器，其特征在于，所述LLC谐振变流器包括全控型开关器件Q1、全控型开关器件Q2、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、谐振电感Lr1、谐振电感Lr2、隔离变压器T1、隔离变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、电容滤波器Co、输出滤波电感Lo和负载电阻R，所述谐振电感Lr1、所述谐振电容Cr1以及所述变压器T1组成第一谐振通道S1，所述谐振电感Lr2、所述谐振电容Cr2以及所述变压器T2组成第二谐振通道S2；

所述Q1与所述Q2串联，所述Q1连接于电压源Ui的正极，所述Q2连接于所述Ui的负极，所述T1的原边绕组其中一端串联所述Cr1后连接到所述Ui的正极，所述T1的原边绕组另一端串联所述Lr1后连接到所述Q1与所述Q2之间的节点b，所述T2的原边绕组其中一端串联所述Lr2后连接到所述节点b，所述T2的原边绕组另一端串联所述Cr2后连接到所述Ui的负极，所述T1包括2个副边绕组，所述T1的其中一个副边绕组连接所述D1的阳极，所述T1的另一个副边绕组连接所述D2的阳极，所述Lo的一引脚连接输出电压Uo的正极，所述Lo的另一引脚连接所述D1的阴极以及所述D2的阴极，

所述T2包括2个副边绕组，所述T2的其中一个副边绕组连接所述D3的阳极，所述T2的另一个副边绕组连接所述D4的阳极，所述D3的阴极和所述D4的阴极均连接于所述T1的中心抽头绕组，所述T2的中心抽头绕组连接于所述Uo的负极，所述Co的两端分别连接在所述Uo的两极，所述R与所述Co并联；

所述LLC谐振变流器还包括所述T1的励磁电感Lm1、所述T2的励磁电感Lm2，所述Lm1连接在所述T1的2个原边绕组之间，所述Lm2连接在所述T2的2个原边绕组之间，Lm1＝Lm2＝Lm；所述Lr1的电感值与所述Lr2的电感值相同，所述Lr1与所述Lr2同名端相反，Lr1＝Lr2＝Lr；所述Cr1的电容值与所述Cr2的电容值相同，Cr1＝Cr2＝Cr；所述T1的原副边匝数与所述T2的原副边匝数相同，所述T1的变比NT1与所述T2的变比NT2相同，所述NT1＝NT2＝NT＝n:1:1；

所述双通道高增益串并联LLC谐振变流器的电压增益曲线G(S)表示为：其中，G(s)通道1为所述第一谐振通道的电压增益，所述G(s)通道2为所述第二谐振通道的电压增益，s表示s域算子，Po为输出功率，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Uo为所述输出电压。

2.如权利要求1所述的LLC谐振变流器，其特征在于，所述Q1和所述Q2均为MOSFET器件，所述Q1和所述Q2均带有并联电容以及反并联二极管。

3.如权利要求1所述的LLC谐振变流器，其特征在于，所述Lr1与所述Lr2共用一个磁芯。

说明书

双通道高增益串并联LLC谐振变流器

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种双通道高增益串并联LLC谐振变流器。

背景技术

[0002] 串并联逻辑链路控制(Logical Link Control，LLC)谐振变流器具有软开关、高效率、高功率密度和电压增益范围宽的特点，可用于空间电源、服务器电源和车载充电机等多
个领域。根据电路结构的划分，串并联LLC谐振变流器可分为半桥型串并联LLC谐振变流器
和全桥型串并联LLC谐振变流器。

[0003] 在输出电压、谐振参数和负载状态均相同的前提下，半桥型串并联LLC谐振变流器的电压增益较窄，约为全桥型串并联LLC谐振变流器电压增益的一半，全桥型串并联LLC谐
振变流器可提供更宽的电压增益，然而，全桥型串并联LLC谐振变流器的原边有四只高频开
关器件，需要四路驱动电路，开关频率范围更大，导致其硬件复杂度和硬件成本高于半桥型
串并联LLC谐振变流器。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明提供一种双通道高增益串并联LLC谐振变流器，用以提高变流器的电压增益的同时，降低开关频率范围。

[0005] 本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 一种双通道高增益串并联LLC谐振变流器，其特征在于，所述LLC谐振变流器包括全控型开关器件Q1、全控型开关器件Q2、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、谐振电感Lr1、谐振电感
Lr2、隔离变压器T1、隔离变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管
D4、电容滤波器Co、输出滤波电感Lo和负载电阻R，

[0007] 所述Q1与所述Q2串联，所述Q1连接于电压源Ui的正极，所述Q2连接于所述Ui的负极，所述T1的原边绕组其中一端串联所述Cr1后连接到所述Ui的正极，所述T1的原边绕组另一端
串联所述Lr1后连接到所述Q1与所述Q2之间的节点b，所述T2的原边绕组其中一端串联所述
Lr2后连接到所述节点b，所述T2的原边绕组另一端串联所述Cr2后连接到所述Ui的负极，

[0008] 所述T1包括2个副边绕组，所述T1的其中一个副边绕组连接所述D1的阳极，所述T1的另一个副边绕组连接所述D2的阳极，所述Lo的一引脚连接输出电压Uo的正极，所述Lo的另
一引脚连接所述D1的阴极以及所述D2的阴极，

[0009] 所述T2包括2个副边绕组，所述T2的其中一个副边绕组连接所述D3的阳极，所述T2的另一个副边绕组连接所述D4的阳极，所述D3的阴极和所述D4的阴极均连接于所述T1的中
心抽头绕组，所述T2的中心抽头绕组连接于所述Uo的负极，所述Co的两端分别连接在所述Uo
的两极，所述R与所述Co并联；

[0010] 所述LLC谐振变流器还包括所述T1的励磁电感Lm1、所述T2的励磁电感Lm2，所述Lm1连接在所述T1的2个原边绕组之间，所述Lm2连接在所述T2的2个原边绕组之间，Lm1＝Lm2＝Lm；所
述Lr1的电感值与所述Lr2的电感值相同，所述Lr1与所述Lr2同名端相反，Lr1＝Lr2＝Lr；所述Cr1
的电容值与所述Cr2的电容值相同，Cr1＝Cr2＝Cr；所述T1的原副边匝数与所述T2的原副边匝
数相同，所述T1的变比NT1与所述T2的变比NT2相同，所述NT1＝NT2＝NT＝n:1:1；

[0011] 所述双通道高增益串并联LLC谐振变流器的电压增益曲线G(S)表示为：

[0012]

[0013] 其中，G(s)通道1为所述第一谐振通道的电压增益，所述G(s)通道2为所述第二谐振通道的电压增益，s表示s域算子，Po为输出功率，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Uo
为所述输出电压。

[0014] 优选地，所述Q1和所述Q2均为MOSFET器件，所述Q1和所述Q2均带有并联电容以及反并联二极管。

[0015] 优选地，所述Lr1与所述Lr2共用一个磁芯。

[0016] 本发明提供一种双通道高增益串并联LLC谐振变流器，用于将一种在较宽范围变化的直流输入电压变换为稳定的直流输出电压提供给负载或者储能电池，通过使用两只高
频全控性开关器件和两路驱动电路构建谐振变流器，使谐振变流器的电压增益提高至半桥
谐振电路增益的两倍，且可得到低于全桥谐振电路的开关频率范围。

附图说明

[0017] 图1为双通道高增益串并联LLC谐振变流器的电路结构图。

[0018] 图2为本发明实施例的LLC谐振变流器的等效电路图；

[0019] 图3为本发明实施例的LLC谐振变流器在欠谐振状态下的工作波形示意图；

[0020] 图4为本发明实施例的LLC谐振变流器在谐振点处的工作波形示意图；

[0021] 图5为本发明实施例的LLC谐振变流器在过谐振状态下的工作波形示意图；

[0022] 图6为本发明实施例的LLC谐振变流器工作模态1的状态示意图；

[0023] 图7为本发明实施例的LLC谐振变流器工作模态2的状态示意图；

[0024] 图8为本发明实施例的LLC谐振变流器工作模态3的状态示意图；

[0025] 图9为本发明实施例的LLC谐振变流器工作模态4的状态示意图；

[0026] 图10为本发明实施例的LLC谐振变流器工作模态5的状态示意图；

[0027] 图11为本发明实施例的LLC谐振变流器的电压增益曲线。

[0028] 图中：全控型开关器件Q1、全控型开关器件Q2、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、谐振电感Lr1、谐振电感Lr2、隔离变压器T1、隔离变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管
D3、整流二极管D4、电容滤波器Co、输出滤波电感Lo、负载电阻R、节点a、节点b、节点c、节点d、
节点e、节点f、节点g、电压源Ui、输出电压Uo、励磁电感Lm1、励磁电感Lm2、控制信号p1、控制信
号p2、电流iQ1、电流iQ2、电流im1、电流im2、电流ir1、电流ir2、电流iTs1、电流iTs2、电流iL0、电流
iC0、电流iR0、电流i0、电流ii、第一谐振通道S1、第二谐振通道S2。

具体实施方式

[0029] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中示出，其中，自始至终相同或类似标号表示相同或类似的元件和电气量，或具有相同或类似功能的元件。下面的
实例只是本发明的一个应用实例，而不能理解为对本发明的限制。

[0030] 针对半桥型串并联LLC谐振变流器电压增益小和全桥型串并联LLC谐振变流器的硬件结构复杂的不足，本发明提出一种双通道高增益串并联LLC谐振变流器，用于将一种在
较宽范围变化的直流输入电压变换为稳定的直流输出电压提供给负载或者储能电池，通过
使用两只高频全控性开关器件和两路驱动电路构建谐振变流器，使谐振变流器的电压增益
提高至半桥谐振电路增益的两倍，且可得到低于全桥谐振电路的开关频率范围。

[0031] 本发明实施例采用2只高频全控性开关器件和2路驱动电路构建了2个半桥型串并联的LLC谐振变流器，其可具有宽电压增益、窄工作频率的特征。

[0032] 具体的，本发明实施例的双通道高增益串并联LLC谐振变流器的电路分为三部分，即开关部分、谐振通道部分和负载部分。开关部分包括2只原边高频开关器件Q1和Q2及其驱
动电路，副边整流二极管D1‑D4；谐振通道部分包括第一谐振通道和第二谐振通道，第一谐振
通道S1由谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和变压器T1组成，第二谐振通道S2由谐振电感Lr2、谐振电
容Cr2和变压器T2组成；负载部分包括输出滤波电感Lo、输出滤波电容Co和负载电阻R。

[0033] 如图1所示，本发明实施例的双通道高增益串并联LLC谐振变流器的电路通过以下电力电子元件构成：全控型开关器件Q1、全控型开关器件Q2、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、谐振
电感Lr1、谐振电感Lr2、隔离变压器T1、隔离变压器T2、整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极
管D3、整流二极管D4、电容滤波器Co、输出滤波电感Lo和负载电阻R。

[0034] 其中，开关Q1与开关Q2串联，开关Q1连接于电压源Ui的正极，开关Q2连接于Ui的负极，T1的原边绕组其中一端串联Cr1后连接到Ui的正极，T1的原边绕组另一端串联Lr1后连接
到开关Q1与开关Q2之间的节点b，T2的原边绕组其中一端串联Lr2后连接到节点b，T2的原边绕
组另一端串联Cr2后连接到Ui的负极，T1包括2个副边绕组，T1的其中一个副边绕组连接二极
管D1的阳极，T1的另一个副边绕组连接二极管D2的阳极，输出滤波电感Lo的一引脚连接输出
电压Uo的正极，Lo的另一引脚连接二极管D1的阴极以及二极管D2的阴极，T2包括2个副边绕
组，T2的其中一个副边绕组连接二极管D3的阳极，T2的另一个副边绕组连接二极管D4的阳
极，二极管D3的阴极和二极管D4的阴极均连接于T1的中心抽头绕组，T2的中心抽头绕组连接
于Uo的负极，Co的两端分别连接在Uo的两极，R与Co并联，也连接在Uo的两极。

[0035] LLC谐振变流器还包括T1的励磁电感Lm1、T2的励磁电感Lm2，Lm1连接在T1的2个原边绕组之间，Lm2连接在T2的2个原边绕组之间，Lm1＝Lm2＝Lm。

[0036] 谐振电感Lr1的电感值与谐振电感Lr2的电感值相同，即Lr1＝Lr2＝Lr。谐振电感Lr1和谐振电感Lr2的匝数相等，同名端相反，流过谐振电感Lr1和谐振电感Lr2的电流大小相等、符
号相反。

[0037] 谐振电容Cr1的电容值与谐振电容Cr2的电容值相同、最大工作电压值相同，流过Cr1的电流和流过Cr2的电流的电流值大小相等、符号相反。

[0038] 开关Q1和开关Q2均为MOSFET器件，开关Q1和开关Q2均带有并联电容以及反并联二极管。

[0039] T1的原副边匝数与T2的原副边匝数相同，且T1的变比NT1与T2的变比NT2也相同，NT1＝n:1:1，NT2＝n:1:1。

[0040] 变压器T1和变压器T2均是副边带有中心抽头的结构，即变压器T1和变压器T2的原边只有1个绕组，但是两个变压器副边有2个绕组，且副边2个绕组的匝数相同。

[0041] 谐振电感Lr1和谐振电感Lr2可设计缠绕在同一个耦合磁芯上，但缠绕方向相反，因此同名端相反，两只谐振电感的匝数相等。

[0042] 图1所示电路中磁性元件的个数可以是3，两只谐振电感Lr1、Lr2缠绕在同一个磁芯上，变压器T1和变压器T2各用1个磁芯；磁性元件的个数可以是4，此时，两只谐振电感Lr1、Lr2
各用1个磁芯。

[0043] 当二极管D1导通且二极管D2反向阻断时，变压器的原边电压为UoNT1，当二极管D2导通且二极管D1反向阻断时，变压器的原边电压为‑UoNT1；当二极管D3导通且二极管D4反向阻
断时，变压器的原边电压为UoNT2，当二极管D3导通且二极管D4反向阻断时，变压器的原边电
压为‑UoNT2，其中，NT1为变压器T1的变比，NT2为变压器T2的变比。

[0044] 控制信号p1和控制信号p2分别为Q1和Q2的控制信号，td为控制信号p1和p2的死区时间，td用来实现全控性开关器件Q1和Q2的零电压开通，即实现全控性开关器件Q1和Q2的软开
关。

[0045] 本发明实施例的两个谐振通道S1、S2的工作状态具有互补的特征：两谐振电感的电流大小相等、符号相反，两谐振电容的电压大小相等、符号相反，两变压器的励磁电流的大
小相等、符号相反。

[0046] 本发明实施例的双通道高增益串并联LLC谐振变流器电路结构中，原边只有2只高频器件，与半桥LLC谐振变流器的电路采用数目相同，但其电压增益更宽，为半桥LLC谐振变
流器的电压增益的2倍；其谐振通道中流过的电流比半桥型谐振变流器、全桥型谐振变流器
的电流更小；各个副边的二极管D1、D2、D3、D4的电压应力仅是输出电压Uo的一半，即为Uo/2。

[0047] 本发明实施例的双通道高增益串并联LLC谐振变流器，在过谐振区，电压增益对开关频率的响应更快，最大开关频率的数值比全桥谐振变流器的数值小，这一特征可用来减
小LLC谐振变流器在宽电压增益工况下的开关频率范围。

[0048] 本发明实施例的双通道高增益串并联LLC谐振变流器，在欠谐振区，电压增益和全桥谐振变流器的电压增益相同，但其原边只有2只高频器件以及2路驱动电路，而全桥谐振
变流器需要4只高频开关器件和4路驱动电路。

[0049] 根据变流器的开关频率与谐振频率的关系，本发明实施例的LLC谐振变流器有三个工作区，即欠谐振区、过谐振区和谐振点。

[0050] 图3为本发明实施例的LLC谐振变流器在欠谐振状态下的工作波形示意图，当开关频率小于谐振频率时，LLC谐振工作在欠谐振区：

[0051] 当0≤t

[0052] 当td≤t

[0053] 当t1≤t

[0054] 当t2≤t

[0055] 当t3≤t<0.5Ts时，Q1关断，Q2导通，二极管D1和二极管D4导通，二极管D2和二极管D3阻断，LLC谐振变流器的工作状态图如图9所示。

[0056] 图4为本发明实施例的LLC谐振变流器在谐振点处的工作波形示意图，当开关频率等于谐振频率时，LLC谐振变流器工作在谐振点处：

[0057] 当0≤t

[0058] 当td≤t

[0059] 当t1≤t

[0060] 当t2≤t<0.5Ts时，Q1关断，Q2导通，二极管D1和二极管D4导通，二极管D2和二极管D3阻断，变流器的工作状态图如图8所示；

[0061] 图5为本发明实施例的LLC谐振变流器在过谐振状态下的工作波形示意图，当开关频率大于谐振频率时，变流器工作在过谐振区：

[0062] 当0≤t

[0063] 当t1≤t

[0064] 当t2≤t

[0065] 当t3≤t<0.5Ts时，Q1关断，Q2导通，二极管D1和二极管D4导通，二极管D2和二极管D3阻断，变流器的工作状态图如图8所示。

[0066] 图2为图1所示的LLC谐振变流器的等效电路图，其中，包含两个半桥型串并联LLC谐振变流器，这两个半桥型串并联LLC谐振变流器的原边并联、副边串联。根据图2，本发明
实施例的LLC谐振变流器的电压增益曲线G(S)可表示为：

[0067]

[0068] 上述G(s)通道1和G(s)通道2分别为第一谐振通道和第二谐振通道的电压增益，s表示s域算子，Po为输出功率，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Uo为输出电压。

[0069] 依据公式(1)可得到LLC谐振变流器的电压增益曲线，如图11所示，其中谐振频率f，曲线a为LLC谐振变流器的电压增益曲线，曲线b为全桥型谐振变流器的电压增益曲线，曲
线c为半桥型谐振变流器的电压增益曲线，根据图11的结果显示，本发明实施例的LLC谐振
变流器的电压增益高于半桥型谐振变流器和全桥型谐振变流器。

[0070] 本发明提供的双通道高增益串并联LLC谐振变流器，通过使用两只高频全控性开关器件和两路驱动电路构建谐振变流器，使谐振变流器的电压增益提高，且可得到低于全
桥谐振电路的开关频率范围。

[0071] 以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要
求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。