一种交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器的制作方法

本发明涉及一种功率变换器，特别是一种交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器。

背景技术：

随着电动汽车充电技术和高频开关电源的高速发展，大功率、高效率、高功率密度、宽工作范围的电动汽车充电设备已经成为发展趋势。LLC 谐振变换器作为一种高频软开关变换器，在保证高频高效率的同时，又具有宽的工作范围，非常适用于电动汽车充电器的设计。但单路LLC变换器在设计成大功率变换器时输出电流纹波大，输出滤波电容往往需要多只电容并联，对系统的体积、重量和寿命带来了很大的挑战。交错并联LLC变换器具有输出纹波小、滤波电容少等优点，因此开始被广泛应用于汽车充电器。

在理想情况下，若两路LLC谐振元件的的物理参数完全相同，则通过两路LLC变换器的电流幅度基本相同。而实际器件往往存在最大5%的误差。这必导致变换器在实际运行过程中，上下两路LLC的运行状态存在差异。以最坏情况来说，若正母线侧的LLC变换器器件存有+5%的参数误差，负母线侧的LLC变换器器件存有-5%的参数误差。这一误差将扩大母线电容C1两端之间和C2两端之间的电压不平衡度。若不加以控制，将导致LLC变换器高压MOS管的电压应力过大。也会导致PFC电路部分器件耐压上升。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器，它能够在母线电容C1或C2增大到限制值时进行抑制，保护功率器件不受损坏。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种交错并联LLC谐振 DC/DC功率变换器，其特征在于：包含两路输入母线电压均衡电路和两路交错并联的LLC谐振变换器输出级，两路输入母线电压均衡电路包含均衡电容C1、C2和单向瞬态抑制器TV1、TV2，单向瞬态抑制器TV1和均衡电容C1并联在一路LLC谐振变换器输出级输入端，单向瞬态抑制器TV2和均衡电容C2并联在另一路LLC谐振变换器输出级输入端。

进一步地，所述LLC谐振变换器输出级包括方波发生器、LLC谐振电路和输出整流电路。

进一步地，所述两路交错并联的LLC谐振变换器输出级的交错角为90度。

进一步地，所述方波发生器为全桥或半桥电路。

进一步地，所述全桥或半桥电路开关管采用MOSFET管。

进一步地，所述LLC谐振电路包括串联谐振电感、串联谐振电容、并联谐振电感和隔离变压器。

进一步地，所述整流电路可为全桥整流或中心抽头的全波整流电路。

进一步地，所述整流电路所用二极管为肖特基二级管。

进一步地，所述两路交错并联的LLC谐振变换器输出级的输出端并联输出。

进一步地，所述两路交错并联的LLC谐振变换器输出级的输出端并联输出并联设置有一个滤波电容C0。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：采用两路LLC功率变换器交错并联结构，在功率变换器的输入端加入均衡电路以减小由功率器件的物理参数差异所导致的变换器输入母线不平衡问题和输出整流电路的输出电流不均衡问题，并对功率器件在母线失衡过大的情况下进行保护；可有效降低环流损耗、减少输入电流纹波，提高输出效率和功率密度，适用于直流充电桩等大功率高压直流输出应用场合。

附图说明

图1是本发明的一种交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器的实施例1的示意图。

图2是本发明的一种交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器的实施例2的示意图。

图3是本发明的一种交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器的实施例3的示意图。

图4是本发明的交错并联时MOS开关管控制方波示意图。

图5是本发明的理想状态下交错并联电路和非交错并联电路的波形图。

图6是本发明交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器在未加入均衡电路的输出电流波形。

图7是本发明加入均衡电路后的交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器输出电流波形。

图8是本发明开关频率等于串联谐振频率的LLC变换器工作波形。

图9是本发明开关频率在串联谐振频率和并联谐振频率之间的LLC变换器工作波形。

图10是本发明开关频率大于谐振频率的LLC变换器工作波形。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

一种交错并联LLC谐振 DC/DC功率变换器，包含两路输入母线电压均衡电路和两路交错并联的LLC谐振变换器输出级，两路输入母线电压均衡电路包含均衡电容C1、C2（C1和C2的参数相同）和单向瞬态抑制器TV1、TV2（TV1和TV2参数相同），单向瞬态抑制器TV1和均衡电容C1并联在一路LLC谐振变换器输出级输入端，单向瞬态抑制器TV2和均衡电容C2并联在另一路LLC谐振变换器输出级输入端。LLC谐振变换器输出级包括方波发生器、LLC谐振电路和输出整流电路。LLC谐振电路包括串联谐振电感、串联谐振电容、并联谐振电感和隔离变压器。方波发生器，通过每次切换以50%占空比交替驱动MOS管Q1和Q2导通和关断，产生占空比为50%的方波Vd，方波发生器可为全桥或者半桥。LLC谐振电路可以过滤掉高次谐波电流，方波电压应用于谐振电路，使电流滞后于施加在谐振电路上的电压（方波电压施加于谐振电路的半桥上），以保证零电压开启MOSFET。输出整流电路通过整流电路和滤波电容调整交流输出电流，输出直流电压。整流网络可以设计成全桥或者中心抽头结构。LLC谐振变换器电路有两个谐振频率，一个是谐振电感Lr和谐振电容Cr的串联谐振频率，另一个是谐振电感Lm加上Lr与Cr的并联谐振频率。

本实施例为交错并联对称半桥LLC变换器，两路交错并联的LLC谐振变换器输出级的交错角为90度。如图4所示，交错并联体现为MOSFET管Q1和MOSFET管Q3的驱动波形的相角相差90度，MOSFET管Q2和MOSFET管Q4的相角相差90度，MOSFET管Q1和MOSFET管Q2互补导通（存有一定的死区），MOSFET管Q3和MOSFET管Q4互补导通。

LLC谐振电路包括串联谐振电感、串联谐振电容、并联谐振电感和隔离变压器。整流电路可为全桥整流或中心抽头的全波整流电路。整流电路所用二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8为肖特基二级管。两路交错并联的LLC谐振变换器输出级的输出端并联输出。两路交错并联的LLC谐振变换器输出级的输出端并联输出并联设置有一个滤波电容C0。

如图5所示，电压U1、U2分别为主路与辅路LLC独立工作时经过全桥整流后的输出电压波形。输出端并联可等效成两个电压源并联，所以每一时刻的输出电压为两路中的最大值，即两路LLC并联在一起交错90度运行时输出的电压波形，图5中实线部分。从中可以看出交错并联后，输出电压波形脉动减小。并可以选用更小容量的滤波电容，减小滤波电容的体积，提高功率密度。此外，交错90度为最佳交错角度。

与传统的半桥LLC谐振变换器相比，在同等输出功率下，每路变换器的功率只为原先的一半，便于LLC DC/DC谐振变换器在大功率应用场合的功率器件选型。同时，电感电容等功率器件在电流提高一倍的情况下，无论价格还是体积都要高出很多，采用两路并联的模式，可以选取体积更小、价格更优的功率器件，获得更高的功率密度。

在理想情况下，若两路LLC谐振元件的串联谐振电感Lr1和Lr2、并联谐振电感Lm1和Lm2、谐振电容Cr1和Cr2的物理参数完全相同，则通过两路LLC变换器的电流幅度基本相同。而实际器件往往存在最大5%的误差。这必导致变换器在实际运行过程中，上下两路LLC的运行状态存在差异。以最坏情况来说，若正母线侧的LLC变换器器件存有+5%的参数误差，负母线侧的LLC变换器器件存有-5%的参数误差。这一误差将扩大母线电容C1两端之间和C2两端之间的电压不平衡度。若不加以控制，将导致LLC变换器高压MOS管的电压应力过大。也会导致PFC电路部分器件耐压上升。对于上述问题，可在母线电容C1和母线电容C2两端并联单向瞬态抑制器TV1、TV2，当母线电容C1或C2增大到限制值时进行抑制，保护功率器件不受损坏。

如图6所示为交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器在未加入均衡电路的输出电流波形。可以看出两个输出电流I1和I2不均衡度较高，导致较大的输出电流纹波。如图7所示为加入均衡电路后的交错并联LLC谐振DC/DC功率变换器输出电流波形。可以看出，在有均衡电路的情况下，两个输出电流I1和I2均衡度较高，输出电流的纹波也有明显减小。

图8、图9、图10分别是开关频率等于串联谐振频率、开关频率在串联谐振频率和并联谐振频率之间、开关频率大于谐振频率的LLC变换器工作波形，可以看出LLC变换器在这三种情况下MOS管均为零电压开通，有效减小开关损耗。合理设计谐振网络Cr1、Cr2、Lr1、Lm1和Cr3、Cr4、Lr2、Lm2的参数可以使MOSFET开关管Q1、Q2、Q3、Q4可以在全工作范围内实现软开关，提高变换器的转换效率。

实施例2：

如图2所示，实施例2与实施例1相比，其为交错并联全桥LLC变换器，而非交错并联对称半桥LLC变换器。交错并联全桥LLC谐振变换器的输入侧包括均衡电容C1和C2，以及与均衡电容并联的瞬态电压抑制器TV1和TV2。全桥变换器开关管Q1和Q4同步导通，Q2和Q3同步导通，Q1和Q3互补导通，Q2和Q4互补导通。全桥变换器开关管采用MOSFET。交错并联全桥LLC变换器，两路全桥LLC变换器的器件参数在设计上一致，如谐振电容Cr1和Cr2的参数一致，串联谐振电感Lr1和Lr2的参数一致，并联谐振电感Lm1和Lm2参数一致，变压器T1和T2的参数一致，全桥整流电路的参数一致。

实施例3：

如图3所示，实施例3与实施例1相比，其为交错并联非对称半桥LLC变换器。所述交错并联全桥LLC谐振变换器的输入侧包括均衡电容C1和C2，以及与均衡电容并联的瞬态电压抑制器TV1和TV2。全桥变换器开关管Q1和Q2互补导通。半桥变换器开关管采用MOSFET。交错并联非对称半桥LLC变换器，两路LLC变换器的器件参数在设计上一致，如谐振电容Cr1和Cr2的参数一致，串联谐振电感Lr1和Lr2的参数一致，并联谐振电感Lm1和Lm2参数一致，变压器T1和T2的参数一致，全桥整流电路的参数一致。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。