CN204578376U - 具有限流功能的llc谐振变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有限流功能的LLC谐振变换器，包括逆变电路、谐振网络、变压器、整流滤波网络和辅助限流网络，谐振网络包括谐振电容，谐振电感和励磁电感，谐振电容，谐振电感和变压器的原边绕组串联。整流滤波网络即为二极管电路，具有简单稳定性好的优点。本实用新型LLC谐振变换器在电路短路或者过流时能有效的限制电流增长，从而起到保护电路的作用，并且该拓扑结构简单，限流效果好，频率变化范围窄，适合应用于开关电源等方面。

Description

具有限流功能的LLC谐振变换器

技术领域

本实用新型属于开关电源技术领域，涉及一种开关操作电源，尤其涉及一种具有限流功能的LLC谐振变换器。

背景技术

能源转换效率一直是人们关注的热点，其中功率转换器件作为电力行业效率转换的一个代表，被广泛应用在如开关电源，分布式电源，不间断电源等各个方面，传统的功率转换器件具有开关损耗大，电压应力大，功率密度低，EMI大，转换效率低等诸多问题，而LLC谐振变换器则能很好的削弱或者解决这些问题。

传统功率转换器件大多工作于硬开关状态。即当开关器件开通时，开关器件的电压不是阶跃变换，而是有一个下降过程，同时流过器件的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升过程。在这段时间里，电流和电压会有一个交叠区，产生开通损耗。当器件关断时，同理也会产生损耗。变换器的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器效率就越低，因此，开关损耗限制了变换器功率密度的提高，也限制了变换器的小型化和轻量化。

LLC谐振变换器工作于软开关状态，即原边开关管实现零电压开通(ZVS)，副边整流管实现零电流关断(ZCS)，从而减小开关损耗，提高变换器效率，为变换器高频化提供了可能性，进一步缩小变换器的体积和重量，提高变换器的功率密度和动态性能，同时改善电磁兼容。

LLC谐振拓扑结构受到关注越来越多，但是其中还存在一些实际问题，即当电路启动、负载过流或者短路的情况下如何限制电路中的电流以防止损坏电路， 只需增加一个小的功率变压器和两个二极管。正常工作情况下，辅助限流电路不起作用，电路工作在传统LLC谐振电路模式下；过流或者短路情况时，谐振电容两端电压升高。当该电压上升到折算到变压器T2副边超过输出电压时，两个二极管交替导通，谐振电容电压被钳位，谐振电流也被钳位，此时谐振电容等效为一个电压源。

对谐振电容钳位的电压源是输出电压源，幅值不会随输入电压变化而改变，因此负载限流阈值受输入电压变化影响相对较小。

对于LLC谐振变换器的开关管的控制上引入限流环，在过流的情况下限流环起作用使输出电压降低，从而进一步限制电流上升。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种转换效率高，在电路过流或者短路情况下能保护电路的具有限流功能的LLC谐振变换器。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

具有限流功能的LLC谐振变换器，包括直流供电电源，直流供电电源上连接有逆变电路，逆变电路上并联有振谐网络，振谐网络上还并联有辅助限流电路；振谐网络与第一变压器的原边绕组串联，第一变压器的副边绕组连接输出整流滤波电路；第二变压器的原边绕组并联在振谐网络上。

所述逆变电路为由全桥逆变电路或半桥逆变电路构成的开关网络。

所述采用半桥逆变电路，开关管采用MOS管，MOS管的漏极和源极之间并联体二极管和寄生电容。

所述半桥逆变电路包括第一开关MOS管、第二开关MOS管、第一体二极管、第二体二极管、第一寄生电容以及第二寄生电容；

第一开关MOS管的漏极与直流电源的正极相连，第二开关MOS管的源极与直流电源的负极相连，并接地；第一开关MOS管的源极和第二开关MOS管的漏极相连；第一体二极管和第一寄生电容并联在第一开关MOS管的源极与漏极之间，且第一体二极管的阳极与第一开关MOS管的源极相连；第二体二极管和第二寄生电容并联在第二开关MOS管的源极与漏极之间，且第二体二极管的阳极与第二开关MOS管的源极相连；谐振网络并联在第二开关MOS管的源极与漏极之间。

所述谐振网络包括谐振电容、第一谐振电感以及第二谐振电感；谐振电容和第一谐振电感串联后接在第一变压器原边绕组的一端，原边绕组的另一端与谐振电容并联在逆变电路的输出端上；第二谐振电感并联在第一变压器原边绕组的两端。

所述振谐网络上还并联有辅助限流电路。

所述限流电路包括第二变压器、第一限流二极管和第二限流二极管；第二变压器的原边绕组并联在谐振电容两端；第二变压器的两个副边绕组的一端分别与第一限流二极管和第二限流二极管的阳极相连，另一端均接地；第一限流二极管和第二限流二极管的阴极均连接到输出整流滤波电路的正极输出端上。

所述输出整流滤波电路包括第一整流二极管、第二整流二极管、滤波电容以及作为输出端的输出负载；第一变压器的两个副边绕组的一端分别与第一整流二极管和第二整流二极管的阳极相连，另一端均连接到输出负载的负极输出端上；第一整流二极管和第二整流二极管的阴极均连接到输出负载的正极输出端上；滤波电容并联在输出负载的两端。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型在正常工作下，辅助电路不起作用，电路工作与传统的LLC谐振电路相同，当过流或短路情况出现时，谐振电容两端的电压升高，当该电压上升到折算后的变压器T2副边电压时，并超过输出电压，二极管D3和D4交替导通，谐振电容电压被钳位，从而谐振电流也被钳位，此时谐振电容等效成一个电压源。本实用新型通过将谐振电路和限流保护电路并联起来，以利于实现转化效率高的应用，在电路过流或者短路情况下限制电流过大，稳定输出电压，起到保护电路的作用。

进一步的，本实用新型提出的拓扑对谐振电容钳位的电压源是输出电压源，其幅值不会随输入电压的变化而改变，因此负载限流阈值受输入电压变化影响较小；当短路情况发生时该拓扑结构表现出其固有的限流特性，特别是当在控制方法上结合变频方法时；该拓扑结构能有效的防止电路元器件损坏。所以此种拓扑结构特别适合高输出电压的应用场合，如电力操作电源等。

附图说明

图1是本实用新型谐振变换器电路拓扑结构；

图2是本实用新型电路正常工作时在f_r1＜f＜f_r2的波形图；

图3是本实用新型加上限流环控制的电路原理图；

图4是本实用新型发生短路时的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的做进一步详细的说明。

参见图1，本实用新型包括一个LLC谐振变换电路，LLC谐振变换电路包括开关电路、LLC谐振回路、变压器、输出整流滤波电路，其次是辅助限流保护电路，此电路接在谐振电容两端，对谐振电容电压进行钳位。

具体电路结构包括直流供电电源Vin、第一开关MOS管Q1、第一开关MOS管Q1的体二极管D1、寄生电容C1、第二开关MOS管Q2、第二开关MOS管Q2的体二极管D2、寄生电容C2、谐振电容Cr、第一谐振电感Lr、第二谐振电感Lm、第一变压器T1、第一整流二极管D3、第二整流二极管D4、第二变压器T2、第三限流二极管D5、第四限流二极管D6、滤波电容Co以及输出电阻Ro；

第一开关MOS管Q1的漏极和第二开关MOS管Q2的源极与直流电源相连，第一开关MOS管Q1的源极和第二开关MOS管Q2的漏极相连，第二开关MOS管Q2的源极接地；第一变压器T1原边绕组和谐振电容Cr串联，串联第一谐振电感是变压器原边的漏感，并联第二谐振电感是变压器的励磁电感，第一变压器T1副边绕组分别接第一整流二极管D3和第二整流二极管D4，副边绕组并联滤波电容Co和输出负载Ro；

第二变压器T2原边绕组接在谐振电容Cr两端，第二变压器T2副边绕组接第三限流二极管D5和第四限流二极管D6，第三限流二极管D5和第四限流二极管D6与滤波电容Co相连。

本实用新型LLC谐振变换电路包括直流供电电源，LLC谐振回路的直流输入端接直流供电电源的输出端；LLC谐振回路为半桥谐振结构。变压器，LLC谐振回路与输出整流滤电路通过变压器耦合。输出整流滤波电路为全波整流。LLC谐振回路包括方波发生电路和LLC谐振电路，方波发生电路的直流输入端为LLC谐振回路的直流输入端；LLC谐振电路的输入端接方波发生电路的输出端，输出端接变压器原边绕组。LLC谐振电路包括串联谐振电容、串联谐振电感和并联谐振电感，串联谐振电容、串联谐振电感与并联谐振电感串联后的两端分别接方波发生电路的两个输出端，并联谐振电感与变压器原边绕组并联。串联谐振电感是 变压器原边的漏感，并联谐振电感是变压器的励磁电感。串联谐振电容两端并接限流保护电路，保护电路由小的功率变压器和二极管组成，保护电路输出端和谐振电路输出端相接。

本实用新型原理及工作过程：

如图2所示，本实用新型在正常工作时的电路波形图，LLC谐振变换器有两个工作频率 $(f_{r1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_r{C}_r}},f_{r2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{(L_r+L_m)C_r}}).$

LLC谐振变换器不仅可以工作在f＞f_r1和f＝f_r1的频率范围内，而且还可以工作在f_r1＜f＜f_r2的频率范围之内，当变换器工作在此范围内时，原边开关管实现ZVS，次边整流二极管实现ZCS，不存在反向恢复问题，关断损耗小，很好的实现软开关，所以本实用新型的LLC谐振变换器中正常工作波形就在此频率范围内。谐振变换器的一个完整的周期由不同的子区间和对应的不同的模态组成。

[t₀-t₂]阶段，第一开关MOS管Q1导通，谐振电流i_Lr增加，i_Lr大于i_Lm，第一整流二极管D3导通，变压器被输出电压钳位，变换器开始向副边传递能量，由于第一开关MOS管Q1实现ZVS，关断损耗小，传输到二次侧的能量将增加。

[t₂-t₃]阶段，i_Lr等于i_Lm，L_m开始参与谐振，谐振元件组成的谐振腔开始工作，变压器把输出隔离，第一整流二极管D3关断，原副边不进行能量的传输。

[t₃-t₄]阶段，第一开关MOS管Q1和第二开关MOS管Q2都关断，在死区时间内，第一开关MOS管Q1的寄生电容C1充电，第二开关MOS管Q2的寄生电容C2放电，使得第二开关MOS管Q2能够实现ZVS。

如图3所示，本实用新型LLC谐振变换器采用限流环控制，在图1的基础上增加了第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路、控制处理器、驱动电路；第一采样电路对输入电压进行采样反馈到控制处理器，第二采样电路对第一变压 器T1原边绕组电流进行采样反馈给控制处理器，第三采样电路对输出电压进行采样反馈到控制处理器端；控制处理器(单片机、DSP、FPGA)对反馈给自己的信号进行处理，采用PWM调控方式调节占空比驱动方波发生电路给第一开关管Q1和第二开关管Q2信号。

LLC谐振变换器有辅助限流保护电路和限流环的双重控制保护，当电路发生故障时，辅助限流保护电路对谐振电容电压进行钳位，防止电流继续上升，与此同时，第二采样电路及时将T1原边的电流反馈给处理器，处理器迅速做出反应进行调控，调节驱动电路产生的方波信号，MOS管能够及时开断，起到保护电路的作用。

如图4所示，当电路发生故障，即电路过流或者短路时，辅助保护电路参与工作，起到保护电路的作用，将故障前后的电路做对比，可知在故障发生后，辅助保护电路和限流环控制都起到作用，多谐振电容电压进行钳位，抑制谐振电流增长，保护电路。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.具有限流功能的LLC谐振变换器，其特征在于：包括直流供电电源(Vin)，直流供电电源(Vin)上连接有逆变电路，逆变电路上并联有振谐网络，振谐网络上还并联有辅助限流电路；振谐网络与第一变压器(T1)的原边绕组串联，第一变压器(T1)的副边绕组连接输出整流滤波电路；第二变压器(T2)的原边绕组并联在振谐网络上。

2.根据权利要求1所述的具有限流功能的LLC谐振变换器，其特征在于：所述逆变电路为由全桥逆变电路或半桥逆变电路构成的开关网络。

3.根据权利要求1所述的具有限流功能的LLC谐振变换器，其特征在于：所述逆变电路采用半桥逆变电路，开关管采用MOS管，MOS管的漏极和源极之间并联体二极管和寄生电容。

4.根据权利要求3所述的具有限流功能的LLC谐振变换器，其特征在于：所述半桥逆变电路包括第一开关MOS管(Q1)、第二开关MOS管(Q2)、第一体二极管(D1)、第二体二极管(D2)、第一寄生电容(C1)以及第二寄生电容(C2)；

第一开关MOS管(Q1)的漏极与直流电源的正极相连，第二开关MOS管(Q2)的源极与直流电源的负极相连，并接地；第一开关MOS管(Q1)的源极和第二开关MOS管(Q2)的漏极相连；第一体二极管(D1)和第一寄生电容(C1)并联在第一开关MOS管(Q1)的源极与漏极之间，且第一体二极管(D1)的阳极与第一开关MOS管(Q1)的源极相连；第二体二极管(D2)和第二寄生电容(C2)并联在第二开关MOS管(Q2)的源极与漏极之间，且第二体二极管(D2)的阳极与第二开关MOS管(Q2)的源极相连；谐振网络并联在第二开关MOS管(Q2)的源极与漏极之间。

5.根据权利要求1或4所述的具有限流功能的LLC谐振变换器，其特征在于：所述谐振网络包括谐振电容(Cr)、第一谐振电感(Lr)以及第二谐振电感(Lm)；谐振电容(Cr)和第一谐振电感(Lr)串联后接在第一变压器(T1)原边绕组的一端，原边绕组的另一端与谐振电容(Cr)并联在逆变电路的输出端上；第二谐振电感(Lm)并联在第一变压器(T1)原边绕组的两端。

6.根据权利要求1所述的具有限流功能的LLC谐振变换器，其特征在于：所述限流电路包括第二变压器(T2)、第一限流二极管(D5)和第二限流二极管(D6)；第二变压器(T2)的原边绕组并联在谐振电容(Cr)两端；第二变压器(T2)的两个副边绕组的一端分别与第一限流二极管(D5)和第二限流二极管(D6)的阳极相连，另一端均接地；第一限流二极管(D5)和第二限流二极管(D6)的阴极均连接到输出整流滤波电路的正极输出端上。

7.根据权利要求1所述的具有限流功能的LLC谐振变换器，其特征在于：所述输出整流滤波电路包括第一整流二极管(D3)、第二整流二极管(D4)、滤波电容(Co)以及作为输出端的输出负载(Ro)；第一变压器(T1)的两个副边绕组的一端分别与第一整流二极管(D3)和第二整流二极管(D4)的阳极相连，另一端均连接到输出负载(Ro)的负极输出端上；第一整流二极管(D3)和第二整流二极管(D4)的阴极均连接到输出负载(Ro)的正极输出端上；滤波电容(Co)并联在输出负载(Ro)的两端。