基于变压器变比可调的宽输入LLC谐振变换器及调控方法与流程

本发明涉及电气工程领域，具体地，涉及一种基于变压器变比可调的宽输入LLC谐振变换器及调控方法。

背景技术：

LLC谐振变换器具有高效率和高功率密度的优点，被广泛应用于DC-DC变换器场合。LLC谐振变换器可在整个运行范围内，实现主边开关管零电压开通(ZVS)，副边开关管零电流关断(ZCS)，其寄生元件，包括半导体器件的结电容和变压器的漏磁电感和励磁电感，都可以用于实现ZVS，这使得LLC谐振变换器具有很高的工作效率。LLC谐振变换器最主要的损耗磁性元件所带来的损耗，LLC谐振变换器通常采用的是可变频率调制(VF)技术，即占空比固定为1/2，对称驱动上下臂开关管，通过调节开关频率的方法控制输出电压，其开关频率须小于谐振频率f_r。

但是当输入电压在较大范围内变化时，需调节开关频率偏离谐振点，这将导致LLC谐振变换器性能和效率的降低，并会导致变换器增益敏感，导致系统不稳定。而目前的混合控制引入了降低占空比的对称PWM调制或非对称PWM调制，这将导致效率的降低或需要输出侧的滤波电感，这些都不利于LLC滤波器的效率和稳定性的提高。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于变压器变比可调的宽输入LLC谐振变换器及调控方法。

根据本发明提供的基于变压器变比可调的宽输入LLC谐振变换器，包括：逆变模块、谐振模块、变压器以及整流模块，输入电压依次通过逆变模块、谐振模块后通过变压器降压，并经整流模块输出稳定的直流电压；其中，所述变压器的副边侧设置有分接头，用于根据输入电压的大小调整变压器的变比。

优选地，所述逆变模块包括：开关管G1、开关管G2、开关管G3、开关管G4，所述开关管G1的集电极、开关管G2的集电极连接至输入电源的正极，所述开关管G1的发射极、开关管G2的发射极分别连接至开关管G3的集电极、开关管G4的集电极，且所述开关管G1的发射极构成逆变模块的第一输出端，所述开关管G2的发射极构成逆变模块的第二输出端；开关管G3的发射极、开关管G4的发射极连接至输入电源的负极。

优选地，所述谐振模块包括：谐振电容C_r、谐振电感L_r，谐振电容C_r的一端连接至逆变模块的第一输出端，谐振电容C_r的另一端通过谐振电感L_r连接至变压器原边的一端；变压器原边的另一端均连接至逆变模块的第二输出端；变压器的等效励磁电感Lm在开关频率小于谐振频率时参与部分谐振。

优选地，所述整流模块包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、电容C₀；第一二极管的正极、第三二极管的负极均连接至变压器副边的一端，第一二极管的负极分别与第二二极管的负极、电容C₀的一端相连，第二二极管的正极、第四二极管的负极均连接至变压器的分接头的一端，分接头的另一端能够与变压器副边的第一端口或者第二端口相连；电容C₀的另一端、第四二极管的正极均与第三二极管的正极相连。

根据本发明提供的基于变压器变比可调的宽输入LLC谐振变换器的调控方法，包括：检测输入电压的大小，并根据输入电压的大小执行分别执行如下步骤：

工况一：当输入电压在额定电压附近时，将变压器变比设定为额定变比，采用变频控制方法，输入电压升高时提高开关频率，输入电压下降时降低开关频率，保持输出电压稳定，实现主边开关管零电压切换和副边开关管零电流切换；

工况二：当输入电压低于设定阈值下限时，通过改变变压器副边分接头提高变压器变比，同时保持LLC谐振变换器的谐振频率f_r基本不变；

工况三：当改变变压器的变比时，通过控制开关频率调整谐振变换器增益，则开关频率重新稳定在谐振频率附近；

工况四：当输入电压高于设定阈值上限时，恢复额定变压器变比，按照工况一进行控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中设计的LLC谐振变换器可以保持开关频率变化范围较小，基本稳定在0.8f_r到f_r之间，同时保证在较宽输入电压范围内有稳定的输出电压，提高了LLC谐振变换器的效率和稳定性。

2、本发明中设计的LLC谐振变换器在传统全桥逆变、谐振腔、不控全桥整流的拓扑中加入具有副边分接头的变压器，全频域内使用VF控制(变频控制)，实现主边开关管的ZVS(零电压切换)和副边开关管的ZCS(零电流切换)，保持较高的变换器效率。

3、本发明中设计的LLC谐振变换器不需要进行混合控制，占空比对称均为50％，输出侧不需要滤波电感，且不存在占空比浪费。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的基于变压器变比可调的宽输入LLC谐振变换器的电路图；

图2为本发明提供的LLC谐振变换器的分工况调控流程示意图；

图3为不进行变压器变比调节时输入电压为150V的电流波形图；

图4为进行变压器变比调节时输入电压为150V的电流波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的基于变压器变比可调的宽输入LLC谐振变换器的拓扑由全桥逆变环节、谐振腔、副边具有分接头的变压器以及不控全桥整流环节组成。其中：谐振电感L_r为90μH，励磁电感L_m为270μH，谐振电容C_r为30nF，输出电容为1000μF，谐振频率f_r为96.858kHz，输入电压范围为150V到210V，额定输出电压为12V，额定变压器变比为17:1，分接头变压器变比为15:1，额定功率为300W，额定输入电压为190V，额定开关频率为83.5kHz。

工况一：在输入电压为额定电压190V时，开关频率为额定开关频率83.5kHz；在输入电压升高时，需要减小谐振变换器增益，提高开关频率，在输入电压为210V时，所需开关频率为93kHZ,该频率小于谐振频率fr；当输入电压下降时，需要降低开关频率以提高谐振变换器增益，当输入电压为170V时，所需开关频率为75.6kHz，该开关频率已略小于0.8fr；而输入电压为150V时，为保持输出电压为12V，此时开关频率已过小，将导致系统不稳定，图3给出了此时励磁电流Im和一次电流波形Ia，从中可以计算出一个开关周期为0.00001445s，即开关频率为69.2kHz。

工况二：为防止开关频率过多地偏离谐振频率，当输入电压为170V及以下时，改变变压器副边分接头，将变比调整为15:1，保持谐振频率基本不变。

工况三：在新的变压器变比下，进行VF控制，当输入电压为170V时，此时为保证输出电压为12V的开关频率为84.5kHz，接近额定工作频率；当输入电压下降到150V时，调节开关频率以保持输出电压为12V，图4给出了此时励磁电流和一次电流波形，图中可以看出I_m和I_a重合部分，即励磁电感参与谐振部分所占比例减小，并从中可以计算出一个开关周期为0.00001326s，开关频率为75.4kHz，接近0.8fr，与未调节变比相比开关频率更接近谐振频率，系统较为稳定。

工况四：当输入电压上升到170V及以上时，恢复变压器额定变比，按照工况一进行工作。

本发明中变压器仅采用两个分接头，变比接近，可将开关频率稳定在0.77f_r到0.96f_r之间。设定阈值为170V，为避免剧烈波动，可进行简单的阈值控制，在输入电压小于168V时，改变变压器变比；在输入电压大于172V时，恢复额定变压器变比。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。