专利名称：一种三电平llc谐振变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流变换技术领域，尤其涉及一种三电平LLC谐振变换器。
背景技术：
谐振变换器通常包括两个输入端，用于施加输入电压；两个输出端，用于提供输出电压；一个谐振振荡回路，它可以按照它的谐振频率的节拍与输入电压连接。谐振振荡回路的线圈与另一个线圈感应耦合，后者通过一个整流电路与两个输出端连接。
如图1所示的三电平LLC谐振变换器是一种谐振变换器，该变换器的主开关工作在零电压开通，且整流器工作在零电流关断。虽然，三电平LLC谐振变换器具有如上所述优点，但变换器工作在谐振频率附近，负载过载或短路时，变换器表现为主开关失去零电压开通，主开关电流应力过高，三电平LLC谐振变换器可能在保护电路未响应时就失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三电平LLC谐振变换器，使得谐振变换器负载过载或短路时，该变换器可避免主开关失去零电压开通，电流应力过高的问题。
为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种三电平LLC谐振变换器，包括分压电路(110)，谐振电容(Cr)，第一续流二极管(D5)，第二续流二极管(D6)，开关电路(130)，谐振电感(Lr)，第一激磁电感(Lm1)，第一变压器(T1)，第一整流电路(140)，所述分压电路(110)的一端并联在输入端，另一端与所述开关电路(130)并联，所述谐振电容(Cr)，谐振电感(Lr)与所述第一变压器(T1)的原边串联后一端连接在所述分压电路(110)的中点，另一端与所述开关电路(130)的中点电连接，所述第一激磁电感(Lm1)并联在所述第一变压器(T1)的原边，所述第一续流二极管(D5)与第二续流二极管(D6)的一端分别与所述分压电路(110)的中点相连，另一端分别与所述开关电路(130)相连，所述第一变压器(T1)的副边与所述整流电路(140)的一端并联，所述第一整流电路(140)的另一端连接在输出端，所述三电平LLC谐振变换器还包括一箝位电路(120)，所述箝位电路(120)包括第一箝位二极管(D7)和第二箝位二极管(D8)，第一箝位二极管(D7)与第二箝位二极管(D8)串联后并联在输入端，所述谐振电容(Cr)的一端与所述第一箝位二极管(D7)和第二箝位二极管(D8)的中点电连接。
其中，所述三电平LLC谐振变换器还包括一箝位绕组，所述箝位绕组的一端与所述谐振电感(Lr)的同名端相连，所述谐振电容(Cr)的一端通过谐振电感(Lr)和所述箝位绕组与所述第一箝位二极管(D7)和第二箝位二极管(D8)的中点电连接。
其中，所述三电平LLC谐振变换器还包括第二激磁电感(Lm2)，第二变压器(T2)，第二整流电路，所述第二变压器(T2)的原边一端与所述第一变压器(T1)的原边串联，另一端与所述开关电路(130)的中点电连接，所述第二激磁电感(Lm2)并联在所述第二变压器(T2)的原边；所述第二整流电路的一端并联在所述第二变压器(T2)的副边，另一端连接在输出端的一端，所述第一变压器(T1)副边的中心抽头与第二变压器(T2)副边的中心抽头并联后连接在输出端的另一端。
其中，所述三电平LLC谐振变换器还包括一箝位绕组，所述箝位绕组的一端与所述第一变压器(T1)的同名端相连，所述谐振电容(Cr)的一端通过谐振电感(Lr)和所述箝位绕组与所述第一箝位二极管(D7)和第二箝位二极管(D8)的中点电连接。
其中，所述三电平LLC谐振变换器还包括第二激磁电感(Lm2)，第二变压器(T2)，第二整流电路，所述第二变压器(T2)的原边一端与所述第一变压器(T1)的原边串联，另一端与所述开关电路(130)的中点电连接，所述第二激磁电感(Lm2)并联在所述第二变压器(T2)的原边；所述第二整流电路的一端并联在所述第二变压器(T2)的副边，另一端连接在输出端的一端，所述第一变压器(T1)副边的中心抽头与第二变压器(T2)副边的中心抽头并联后连接在输出端的另一端。
其中，所述整流电路为中心抽头整流电路或全桥整流电路。
其中，所述三电平LLC谐振变换器还包括滤波电容(C)，所述滤波电容(C)并联在输出端。
以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果本发明谐振变换器负载过载或短路时，通过箝位绕组和谐振电感或变压器的耦合以及箝位二极管的共同作用将谐振电容的电压箝位在输入电压或其它值，从而达到抑制原边开关电流应力的目的，同时在主电路参数确定的情况下，变换器输出短路时，原边开关电流应力由输入母线电平和箝位电路共同决定，原边开关管电流应力可以灵活设计。
图1为现有的三电平LLC谐振变换器电路图；图2为具有二极管箝位的三电平LLC谐振变换器电路图；图3为具有二极管箝位的双变压器三电平LLC谐振变换器电路图；图4为具有谐振电感辅助绕组箝位的三电平LLC谐振变换器电路图；图5为具有谐振电感辅助绕组箝位的双变压器三电平LLC谐振变换器电路图；图6为具有变压器辅助绕组箝位的三电平LLC谐振变换器电路图；图7为具有变压器辅助绕组箝位双变压器三电平LLC谐振变换器电路图；图8为本发明三电平LLC谐振变换器主要波形图；图9/图10/图11/图12/图13a/图13b/图14/图15为本发明三电平LLC谐振变换器在不同模式下工作原理图。
具体实施例方式
本发明的核心思想是当谐振变换器负载过载或短路时，通过箝位绕组和谐振电感或变压器的耦合以及箝位二极管的共同作用将谐振电容的电压箝位在输入电压或其它值，从而避免主开关失去零电压开通，抑制原边开关电流应力的目的。
下面结合附图及具体实施例作进一步详细说明。
请参阅图2所示具有二极管箝位的三电平LLC谐振变换器电路图，包括分压电路110，谐振电容Cr，第一续流二极管D5，第二续流二极管D6，箝位电路120，开关电路130，谐振电感Lr，第一激磁电感Lm1，第一变压器T1，第一整流电路140，滤波电容C；分压电路110包括第一分压电容c1和第二分压电容c2，第一分压电容c1与第二分压电容c2串联后并联在输入端；箝位电路120包括第一箝位二极管D7和第二箝位二极管D8，第一箝位二极管D7与第二箝位二极管D8串联后阴极连接在正输入端，阳极连接在负输入端；开关电路130包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4，第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4串联后并联在输入端；第一续流二极管D5的阳极与第二续流二极管D6的阴极并联后连接在第一分压电容c1和第二分压电容c2的中点，第一续流二极管D5的阴极连接在第一开关Q1与第二开关Q2的中点，第二续流二极管D6的阳极连接在第三开关Q3与第四开关Q4的中点；谐振电容Cr与谐振电感Lr串联后一端连接在第一分压电容c1和第二分压电容c2的中点，另一端与第一变压器T1原边的一端相连，第一变压器T1原边的另一端连接在第二开关Q2与第三开关Q3的中点，谐振电容Cr与谐振电感Lr的中点与第一箝位二极管D7与第二箝位二极管D8的中点电连接，第一激磁电感Lm1并联在第一变压器T1的原边；第一整流电路140包括第一整流二极管D9和第二整流二极管D10，第一整流二极管D9和第二整流二极管D10的阳极分别与第一变压器T1的副边相连，其阴极并联后连接在输出端的一端，输出端的另一端与第一变压器T1的副边的中心抽头相连，滤波电容C并联在输出端。
其中，整流电路140可以采用中心抽头整流电路或者全桥整流电路，谐振电感Lr可以是变压器的漏感或变压器原边串联的外加电感与变压器漏感的串联，激磁电感Lm可以是变压器的激磁电感或变压器原边的外加并联电感与变压器激磁电感的并联。
图3所示具有二极管箝位的双变压器三电平LLC谐振变换器电路图，其在图2的基础上增加了第二激磁电感Lm2，第二变压器T2，第二整流电路，第一变压器T1与第二变压器T2的原边串联后一端与谐振电感Lr相连，另一端连接在第二开关Q2与第三开关Q3的中点；第一激磁电感Lm1与第二激磁电感Lm2串联后并联在第一变压器T1与第二变压器T2的原边上，第二激磁电感Lm2并联在第二变压器T2的原边；第二整流电路包括第三整流二极管D11和第四整流二极管D12，第三整流二极管D11和第四整流二极管D12的阳极分别与第二变压器T2的副边相连，其阴极并联后连接在输出端的一端，第一变压器T1副边的中心抽头与第二变压器T2副边的中心抽头并联后连接在输出端的另一端。
其中，图3所述的变压器还可以是三个、四个等多个变压器，其连接关系及工作原理与图3类似。
图4、图5分别在图2、图3的基础上增加了一箝位绕组，箝位绕组的一端与谐振电感Lr的同名端相连，另一端与第一箝位二极管D7与第二箝位二极管D8的中点电连接。
图6在图2的基础上增加了一箝位绕组，箝位绕组的一端与第一变压器T1的同名端相连，另一端与第一箝位二极管D7与第二箝位二极管D8的中点电连接。
图7在图6的基础上增加了第二激磁电感Lm2，第二变压器T2，第二整流电路，第一变压器T1与第二变压器T2的原边串联后一端与谐振电感Lr相连，另一端连接在第二开关Q2与第三开关Q3的中点；第一激磁电感Lm1与第二激磁电感Lm2串联后并联在第一变压器T1与第二变压器T2的原边上，第二激磁电感Lm2并联在第二变压器T2的原边；第二整流电路包括第三整流二极管D11和第四整流二极管D12，第三整流二极管D11和第四整流二极管D12的阳极分别与第二变压器T2的副边相连，其阴极并联后连接在输出端的一端，第一变压器T1副边的中心抽头与第二变压器T2副边的中心抽头并联后连接在输出端的另一端。
其中，图4是本发明中较典型的一种变换器，下面介绍其工作原理。
在以下的分析中，为了更好的描述短路态时工作原理，先描述基本三电平LLC谐振变换器的工作原理，一个开关周期可以分成8个工作模式，相应的工作波形如图8所示。8个工作模式的工作原理分别描述如下如图9所示，模式1t0＜t＜t1。在t＝t0时刻，Q1、Q2同时开通。变压器原边电流流过Q1和Q2，副边二极管D9正偏导通，Cr与Lr产生串联谐振，电感Lr电流以正弦规律正向增加到最大然后减小，流过电感Lm的电流线性增加。
如图10所示，模式2t1＜t＜t2。在t1时刻，谐振电感Lr的电流与电感Lm的电流相等，变压器原边电流降到零，副边电流也降到零，二极管D9实现ZCS自然关断。Lm电压不被箝位，成为自由电感和Lr串联与Cr谐振。因Lm比Lr大许多，谐振周期长，在t1～t2内，可近似认为谐振电流不变。
如图11所示，模式3t2＜t＜t3。在t＝t2时刻，发出Q1关断信号，Q2仍然导通。谐振电流对Q1的输出结电容充电，当Vds1升至输入电平一半时，二极管D5导通，Vds1箝位于1/2输入电平，Q1关断。
如图12所示，模式4t3＜t＜t4。t3时刻，发出Q2关断信号，Vds2上升。当升至输入电压一半时，D3、D4的偏置为零。为Q3、Q4零电压开通创造条件。
如图13a所示，模式5t4＜t＜t5。在t4时刻，同时发出Q3、Q4开通信号，加在Cr、Lr、Lm的电压反向，二极管D10导通，Cr与Lr产生谐振，谐振电流按正弦规律反向增大到最大然后减小。电感Lm上电流反向线性增加。
如图13b所示，模式6t5＜t＜t6，t5时刻，谐振电感Lr电流与电感Lm电流相等，变压器原边电流降到零，副边电流也将到零，二极管D10实现ZCS自然关断。
如图14所示，模式7t6＜t＜t7，t6时刻，发出Q4关断信号，Q3仍然导通。谐振电流对Q4的输出结电容充电，当Vds4升至输入电平一半时，二极管D6导通，Vds4箝位于1/2输入电平，Q4关断。
如图15所示，模式8t7＜t＜t8，t7时刻，发出Q3关断信号，谐振电流对Q3的输出结电容充电，当Vds3升至输入电平一半时，二极管D1、D2零偏，为Q1、Q2零电压开通创造条件，进入下一循环周期。
变压器原边电感电压箝位在零电位，电感Lm上的电流维持在短路前的数值不变(如忽略回路上的电阻)，变换器不再向负载传递电能。谐振电容Cr中保证激磁电感的磁场能量和向负载提供电能的储能，全部在谐振网路中循环，谐振电感Lr电流上升到很高的水平，与谐振网络串联且处于通态的开关管将承受很高的电流应力，导致永久失效。具有箝位电路的三电平LLC谐振变换器，可以将谐振电容Cr的电压箝位在等于、低于或高于输入母线电平，将变换器因短路导致谐振网络过多的循环能量部分回馈给输入网络，从而达到限制开关管电流应力的目的，保护开关管不至永久失效。
本发明经过实验，验证了理论分析的正确性与可行性。
以上对本发明所提供的一种三电平LLC谐振变换器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种三电平LLC谐振变换器，包括分压电路(110)，谐振电容(Cr)，第一续流二极管(D5)，第二续流二极管(D6)，开关电路(130)，谐振电感(Lr)，第一激磁电感(Lm1)，第一变压器(T1)，第一整流电路(140)，所述分压电路(110)的一端并联在输入端，另一端与所述开关电路(130)并联，所述谐振电容(Cr)，谐振电感(Lr)与所述第一变压器(T1)的原边串联后一端连接在所述分压电路(110)的中点，另一端与所述开关电路(130)的中点电连接，所述第一激磁电感(Lm1)并联在所述第一变压器(T1)的原边，所述第一续流二极管(D5)与第二续流二极管(D6)的一端分别与所述分压电路(110)的中点相连，另一端分别与所述开关电路(130)相连，所述第一变压器(T1)的副边与所述整流电路(140)的一端并联，所述第一整流电路(140)的另一端连接在输出端，其特征在于，还包括一箝位电路(120)，所述箝位电路(120)包括第一箝位二极管(D7)和第二箝位二极管(D8)，第一箝位二极管(D7)与第二箝位二极管(D8)串联后并联在输入端，所述谐振电容(Cr)的一端与所述第一箝位二极管(D7)和第二箝位二极管(D8)的中点电连接。
2.如权利要求1所述三电平LLC谐振变换器，其特征在于还包括一箝位绕组，所述箝位绕组的一端与所述谐振电感(Lr)的同名端相连，所述谐振电容(Cr)的一端通过谐振电感(Lr)和所述箝位绕组与所述第一箝位二极管(D7)和第二箝位二极管(D8)的中点电连接。
3.如权利要求1或2所述三电平LLC谐振变换器，其特征在于还包括第二激磁电感(Lm2)，第二变压器(T2)，第二整流电路，所述第二变压器(T2)的原边一端与所述第一变压器(T1)的原边串联，另一端与所述开关电路(130)的中点电连接，所述第二激磁电感(Lm2)并联在所述第二变压器(T2)的原边；所述第二整流电路的一端并联在所述第二变压器(T2)的副边，另一端连接在输出端的一端，所述第一变压器(T1)副边的中心抽头与第二变压器(T2)副边的中心抽头并联后连接在输出端的另一端。
4.如权利要求1所述三电平LLC谐振变换器，其特征在于还包括一箝位绕组，所述箝位绕组的一端与所述第一变压器(T1)的同名端相连，所述谐振电容(Cr)的一端通过谐振电感(Lr)和所述箝位绕组与所述第一箝位二极管(D7)和第二箝位二极管(D8)的中点电连接。
5.如权利要求4所述三电平LLC谐振变换器，其特征在于还包括第二激磁电感(Lm2)，第二变压器(T2)，第二整流电路，所述第二变压器(T2)的原边一端与所述第一变压器(T1)的原边串联，另一端与所述开关电路(130)的中点电连接，所述第二激磁电感(Lm2)并联在所述第二变压器(T2)的原边；所述第二整流电路的一端并联在所述第二变压器(T2)的副边，另一端连接在输出端的一端，所述第一变压器(T1)副边的中心抽头与第二变压器(T2)副边的中心抽头并联后连接在输出端的另一端。
6.如权利要求1、2、4或5任一项所述三电平LLC谐振变换器，其特征在于所述整流电路为中心抽头整流电路或全桥整流电路。
7.如权利要求1、2、4或5任一项所述三电平LLC谐振变换器，其特征在于还包括滤波电容(C)，所述滤波电容(C)并联在输出端。
全文摘要
本发明公开了一种三电平LLC谐振变换器，在谐振变换器负载过载或短路时，通过箝位绕组和谐振电感或变压器的耦合以及箝位二极管的共同作用将谐振电容的电压箝位在输入电压或其它值，从而达到抑制原边开关电流应力的目的，同时在主电路参数确定的情况下，变换器输出短路时，原边开关电流应力由输入母线电平和箝位电路共同决定，原边开关管电流应力可以灵活设计。
文档编号H02M3/335GK101047337SQ20071007386
公开日2007年10月3日 申请日期2007年4月12日 优先权日2007年4月12日
发明者吴建华, 胡永辉 申请人:艾默生网络能源有限公司