一种三电平倍频LLC谐振变换装置的制作方法

本实用新型涉及一种谐振变换器，具体涉及一种三电平倍频LLC谐振变换装置。

背景技术：

谐振变换器具有开关频率高、开关损耗小、效率高、质量轻、体积小、EMI噪声小、开关应力小等优点。LLC谐振变换器具有原边开关管易实现全负载范围ZVS，次级二极管易实现ZCS，谐振电感和变压器易实现磁集成等优点，近年来得到广泛的应用。同时，为解决高输入电压应用时初级开关管高电压应力问题，将三电平引入到LLC变换器中。传统的三电平LLC谐振变换器需要引入篏位二极管来实现将开关管电压应力限制到输入电压一半，这样可以选用相对低电压规格的开关管。但篏位二极管的引入增加了成本，同时电路较复杂。另外，受半导体器件开关损耗及驱动电路限制，LLC谐振电路工作频率较低(通常几十千赫兹到两百千赫兹)，对于电路中的磁性器件(谐振变压器、电感)小型化仍有一定约束。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种三电平倍频LLC谐振变换装置，通过对变换器中各开关管的控制，控制过程中充分利用拓扑电路中开关管所并联的二极管实现对开关管两端电压的篏位，达到降低开关管电压应力的目的；与传统三电平LLC电路拓扑相比，该电路拓扑结构比传统的三电平LLC电路少了独立的篏位二极管，该电路在一定程度上简化了电路结构，减少了功率器件；与传统的LLC电路拓扑相比，该电路谐振腔工作频率是开关管开关频率的两倍，在相同的开关频率下，磁性器件可以以两倍的频率工作，从而可以将磁性器件体积进一步减小，有利于实现产品的高频化、平面化、小型化，从整体上降低成本。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种三电平倍频LLC谐振变换装置，包括依次连接的输入分压电容1、开关桥臂2、谐振腔3、变压器4和整流滤波电路5；所述输入分压电容1由串联连接的第一电容C1和第二电容C2组成，第一电容C1和第二电容C2的另外一端分别与电源的正极和负极连接；所述开关桥臂2由带有体二极管或外部并联二极管的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的第一开关管Q1的漏极和第四开关管Q4的源极分别与电源的正极和负极相连接，所述第二开关管Q2和第三开关管Q3的中间连接点与输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2的中间连接点相连接；所述谐振腔3是由谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器励磁电感Lm依次串联组成谐振电路，所述电感Lr的另一端与开关桥臂2中的第一开关管Q1和第二开关管Q2的中间连接点相连接，所述变压器励磁电感Lm的另一端与开关桥臂2中的第三开关管Q3和第四开关管Q4的中间连接点相连接；变压器4的副边与整流滤波电路5的输入端相连接；所述整流滤波电路5是采用通用的整流桥和输出端并联滤波电容的方式进行整流滤波。

各开关管的驱动过程为：从t1到T之间为一个开关周期，第一开关管Q1和第四开关管Q4驱动为带死区互补，占空比接近25％，第二开关管Q2和第三开关管Q3驱动为带死区互补，占空比接近75％；t1时刻第一开关管Q1和第三开关管Q3同时导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4关断；在t2时刻，第一开关管Q1先关断，第三开关管Q3继续导通，通过第二开关管Q2并联的第二二极管D2续流，经过死区时间t_dead到t3时刻第二开关管Q2零电压开通；在t3～t4时间，通过Q2和Q3续流及反向谐振；t4时刻第三开关管Q3关断，通过第四开关管Q4并联的第四二极管D4续流；经过死区时间t_dead到t5时刻第四开关管Q4零电压开通；在t5～t6时间，通过Q2和Q4续流及正向谐振；t6时刻第四开关管Q4关断，第二开关管Q2继续导通，通过第三开关管Q3并联的第三二极管D3续流；经过死区时间t_dead到t7时刻第三开关管Q3零电压开通；在t7～t8时间，通过Q2和Q3续流及反向谐振；t8时刻第二开关管Q2关断，通过第一开关管Q1并联的第一二极管D1续流；经过死区时间t_dead到周期T结束，进入下一个周期第一开关管Q1零电压开通。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

相对于传统的半桥三电平LLC电路，本实用新型去除了两个独立的篏位二极管，通过合理设计开关管的驱动发波，使各开关管关断时所承受的电压应力平台值为输入母线电压的一半，与使用独立篏位二极管所达到的效果相同；相对于传统的LLC电路，该电路谐振腔工作频率是开关管开关频率的两倍，在相同的开关频率下，磁性器件可以以两倍的频率工作，从而可以将磁性器件体积进一步减小，有利于实现产品的高频化、平面化、小型化，从整体上降低成本。

附图说明

图1为新型三电平倍频LLC变换器拓扑电路。

图2为三电平倍频LLC变换器拓扑电路中各开关管驱动波形。

图3为t1～t2时间电流流向图。

图4为t2～t3时间电流流向图。

图5为t3～t4时间电流流向图。

图6为t4～t5时间电流流向图。

图7为t5～t6时间电流流向图。

图8为t6～t7时间谐振电流流向图。

图9为t7～t8时间谐振电流流向图。

图10为t8～T时间谐振电流流向图。

图11为关键节点波形图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

图1为新型三电平倍频LLC变换器拓扑电路，如图所示，本实用新型一种三电平倍频LLC谐振变换装置，包括依次连接的输入分压电容1、开关桥臂2、谐振腔3、变压器4和整流滤波电路5；所述输入分压电容1由串联连接的第一电容C1和第二电容C2组成，第一电容C1和第二电容C2的另外一端分别与电源的正极和负极连接；所述开关桥臂2由带有体二极管或外部并联二极管的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的第一开关管Q1的漏极和第四开关管Q4的源极分别与电源的正极和负极相连接，所述第二开关管Q2和第三开关管Q3的中间连接点与输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2的中间连接点相连接；所述谐振腔3是由电感Lr、电容Cr和励磁电感Lm依次串联组成谐振电路，所述电感Lr的另一端与开关桥臂2中的第一开关管Q1和第二开关管Q2的中间连接点相连接，所述变压器励磁电感Lm的另一端与开关桥臂2中的第三开关管Q3和第四开关管Q4的中间连接点相连接；变压器4的副边与整流滤波电路5的输入端相连接；所述整流滤波电路5是采用通用的整流桥(全波或全桥整流)和输出端并联滤波电容的方式进行整流滤波。

图2为三电平倍频LLC变换器拓扑电路中各开关管驱动波形，如图所示，从t1到T之间为一个开关周期，t1时刻第一开关管Q1和第三开关管Q3同时导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4关断；在t2时刻，第一开关管Q1先关断，第三开关管Q3继续导通，经过死区时间t_dead到t3时刻第二开关管Q2零电压开通；在t3～t4时间，通过Q2和Q3续流及反向谐振；t4时刻第三开关管Q3关断；经过死区时间t_dead到t5时刻第四开关管Q4零电压开通；在t5～t6时间，通过Q2和Q4续流及正向谐振；t6时刻第四开关管Q4关断，第二开关管Q2继续导通；经过死区时间t_dead到t7时刻第三开关管Q3零电压开通；在t7～t8时间，通过Q2和Q3续流及反向谐振；t8时刻第二开关管Q2关断，通过第一开关管Q1所并联的第一二极管D1续流；经过死区时间t_dead到周期T结束，进入下一个周期第一开关管Q1零电压开通。

电路拓扑在一个开关周期内的工作过程及电流流向：

以fs＝fr为例(fr为谐振电感Lr、谐振电容Cr的串联谐振频率，)该LLC电路工作过程主要包括以下几个关键阶段：

图3为t1～t2时间电流流向图。在t1时刻，第一开关管Q1和第三开关管Q3同时导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4关断，此后电路中的电流依次从分压电容1中的第一电容C1负极流过第三开关管Q3、谐振腔3、第一开关管Q1，回到第一电容C1正极；谐振电感Lr、谐振电容Cr进行谐振，将能量回馈到正母线，谐振到零后继续正向谐振，电流流向依次为第一开关管Q1、谐振腔3、第三开关管Q3。t1～t2过程中，谐振电流大于励磁电流，通过变压器4向副边传递能量。整流滤波电路5中二极管D5和D8导通，因此，变压器初级电压被箝位N*Vo(N为变压器原副边匝比，Vo为变换器直流输出电压)，励磁电流线性上升。该过程中第二开关管Q2和第四开关管Q4两端所承受的电压分别为输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2两端的电压，即Vin/2。

图4为t2～t3时间电流流向图。在t2时刻，第一开关管Q1先关断，第三开关管Q3继续导通，第一开关管Q1关断后，谐振电流对第一开关管Q1结电容充电、对第二开关管Q2结电容放电，充放电完成后，第一开关管Q1漏源电压被篏位为第一电容C1两端的电压，即Vin/2，第二开关管Q2结电容端电压为0V，第二开关管Q2所并联的第二二极管D2自然导通续流。从t2～t3时刻电路中的电流流向如图4所示，电流依次流过第二开关管Q2所并联的第二二极管D2、谐振腔3、第三开关管Q3。

图5为t3～t4时间电流流向图。t3时刻第二开关管Q2驱动使能，零电压开通。此后电路中的电流依次流过第二开关管Q2、谐振腔3、第三开关管Q3，谐振电感Lr、谐振电容Cr进行谐振，谐振到零后继续反向谐振，电流流向依次为谐振腔3、第二开关管Q2、第三开关管Q3。t3～t4过程中谐振电流小于励磁电流，通过变压器4向副边传递能量。整流滤波电路5中二极管D6和D7导通，因此，变压器初级电压被箝位-N*Vo(N为变压器原副边匝比，Vo为变换器直流输出电压)，励磁电流线性下降。该过程中第一开关管Q1和第四开关管Q4两端所承受的电压分别为输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2两端的电压，即Vin/2。

图6为t4～t5时间电流流向图。在t4时刻，第三开关管Q3先关断，第二开关管Q2继续导通，第三开关管Q3关断后，谐振电流对第三开关管Q3结电容充电、对第四开关管Q4结电容放电，充放电完成后，第三开关管Q3漏源电压被篏位为第二电容C2两端的电压，即Vin/2，第四开关管Q4结电容端电压为0V，第四开关管Q4并联的第四二极管D4自然导通续流。该过程一直维持到到t5时刻。

图7为t5～t6时间电流流向图。t5时刻，第二开关管MOS2和第四开关管MOS4同时导通，第一开关管MOS1和第三开关管MOS3关断，此后电路中的电流依次流过第四开关管MOS4、谐振腔3、第二开关管MOS2、第二输入电容C2，谐振电感Lr、谐振电容Cr进行谐振，将能量回馈到负母线。t5～t6过程中，谐振电流大于励磁电流，通过变压器4向副边传递能量。整流滤波电路5中二极管D5和D8导通，因此，变压器初级电压被箝位N*Vo(N为变压器原副边匝比，Vo为变换器直流输出电压)，励磁电流线性上升。该过程中第一开关管Q1和第三开关管Q3两端所承受的电压分别为输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2两端的电压，即Vin/2。

图8为t6～t7时间谐振电流流向图。在t6时刻，第四开关管Q4先关断，第二开关管Q2继续导通，第四开关管Q4关断后，谐振电流对第四开关管Q4结电容充电、对第三开关管Q3结电容放电，充放电完成后，第四开关管Q4漏源电压被篏位为第二电容C2两端的电压，即Vin/2，第三开关管Q3结电容端电压为0V，第三开关管Q3并联的第三二极管D3开始导通续流。从t6～t7时刻电路中的电流流向如图8所示，电流依次流过第二开关管Q2、谐振腔3、第三开关管Q3并联的第三二极管D3。

图9为t7～t8时间谐振电流流向图。t7时刻第三开关管Q3驱动使能，零电压开通。此后电路中的电流依次流过第二开关管Q2、谐振腔3、第三开关管Q3，谐振电感Lr、谐振电容Cr进行谐振，谐振到零后继续反向谐振，电流流向依次为谐振腔3、第二开关管Q2、第三开关管Q3。该过程中谐振电流小于励磁电流，通过变压器4向副边传递能量。整流滤波电路5中二极管D6和D7导通，因此，变压器初级电压被箝位-N*Vo(N为变压器原副边匝比，Vo为变换器直流输出电压)，励磁电流线性下降。该过程中第一开关管Q1和第四开关管Q4两端所承受的电压分别为输入分压电容1中第一电容C1和第二电容C2两端的电压，即Vin/2。

图10为t8～T时间谐振电流流向图。t8时刻第二开关管Q2先关断，第三开关管Q3继续导通，第二开关管Q2关断后，谐振电流对第二开关管Q2结电容充电、对第一开关管Q1结电容放电，充放电完成后，第二开关管Q2漏源电压被篏位为第一电容C1两端的电压，即Vin/2，第一开关管Q1结电容端电压为0V，第一开关管Q1并联的第一二极管D1自然导通续流。从t8～T时刻电路中的电流流向如图10所示，电流依次流过谐振腔3、第一开关管Q1并联第一二极管D1、第三开关管Q3。

以上工作过程中，第一开关管Q1关断后，第二开关管Q2并联第二二极管D2续流导通，实现对第一开关管Q1漏源极电压箝位(Vin/2)，同时为后续第二开关管Q2的零电压开通做好准备，第二开关管Q2开通后第一开关管Q1的漏源极电压一直箝位在Vin/2；

第二开关管Q2关断后，第一开关管Q1并联的第一二极管D1续流导通，实现对第一开关管Q1漏源极电压箝位(Vin/2)，同时为后续第一开关管Q1的零电压开通做好准备，第一开关管Q1开通后第一开关管Q2的漏源极电压一直箝位在Vin/2；

第三开关管Q3关断后，第四开关管Q4并联的第四二极管D4续流导通，实现对第三开关管Q3漏源极电压箝位(Vin/2)，同时为后续第四开关管Q4的零电压开通做好准备，第四开关管Q4开通后第三开关管Q3的漏源极电压一直箝位在Vin/2；第四开关管Q4关断后，第三开关管Q3并联的第三二极管D3续流导通，实现对第四开关管Q4漏源极电压箝位(Vin/2)，同时为后续第三开关管Q3的零电压开通做好准备，第三开关管Q3开通后第四开关管Q4的漏源极电压一直箝位在Vin/2。该变换器可以达到与传统带箝位二极管的三电平LLC拓扑同样的电压应力效果，从而可以选用常用的较低电压规格的开关管。图11为关键节点波形图，从上到下依次为第一开关管Q1驱动、第二开关管Q2驱动、第三开关管Q3驱动、第四开关管Q4驱动、第一开关管Q1漏源极电压应力、第二开关管Q2漏源极电压应力、第三开关管Q3漏源极电压应力、第四开关管Q4漏源极电压应力、变压器初级电压、第一开关管Q1电流(定义漏极到源极电流为正，反之为负)、第二开关管Q2电流(定义漏极到源极电流为正，反之为负)、第三开关管Q3电流(定义漏极到源极电流为正，反之为负)、第四开关管Q4电流(定义漏极到源极电流为正，反之为负)、谐振腔电流(定义图1中电路电流从谐振电感到谐振电容方向为正，反之为负)及变压器励磁电流(定义图1中电路励磁电感电流从上往下流为正，反之为负)。

从以上工作过程及图11可以看出，开关桥臂2每个开关周期中，谐振腔完成两个周期的谐振，两个开关周期中谐振腔输入能量分别为输入分压电容1中正母线电容C1和负母线电容C2，从而实现谐振腔倍频的工作效果。