一种新型三电平llc谐振变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种谐振变换器，具体涉及一种新型三电平LLC谐振变换器。
【背景技术】
[0002] 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MOS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 输入电压场合下初级MOS管电压应力高问题，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MOS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MOS管。但篏位二极管的引入增加了成本，同时电路较复杂。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型三电平LLC 谐振变换器，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的 体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，从整体上降低了成本，提高了系统可靠 性。
[0004] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种新型三电平LLC谐振变换器，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Cl和第二 电容C2组成，第一电容Cl和第二电容C2的另外一端分别与电源的正极和负极分别连接； 所述开关桥臂2是由带有体二极管的第一开关管M0S1、第二开关管M0S2、第三开关管M0S3 和第四开关管M0S4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的第一开关管MOSl的漏极 和第四开关管M0S4的源极分别与电源的正极和负极相连接，所述第二开关管M0S2和第三 开关管M0S3的中间连接点与输入分压电容1中第一电容Cl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MOSl和第二开关管M0S2的中间连接点相连 接，所述励磁电感Lm的另一端与开关桥臂2中的第三开关管M0S3和第四开关管M0S4的中 间连接点相连接；所述变压器4的原边与谐振腔3中的励磁电感Lm并联连接，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。
[0006] 各开关管的驱动过程为：从tl到T之间为一个开关周期，在开关周期的正半周，tl时刻第一开关管MOSl和第四开关管M0S4同时导通，第二开关管M0S2和第三开关管M0S3 处于关断状态，在t2时刻，第四开关管M0S4先关断，第一开关管MOSl继续导通，直到t3时 刻第一开关管MOSl关断，在t3~t4时刻，电路中谐振电流通过续流回路续流，同时谐振电 流慢慢减小，直到减小为零，谐振电流开始反向，为负半周期做好准备，整个开关的正半周 期结束；在开关周期的负半周期，t4时刻第二开关管M0S2和第三开关管M0S3同时导通，第 一开关管MOSl和第四开关管M0S4处于关断状态，在t5时刻，第三开关管M0S3先关断，第 二开关管M0S2继续导通，直到t6时刻第二开关管M0S2关断，在t6~T时刻，电路中谐振 电流通过续流回路续流，同时谐振电流慢慢增大，直到增大到零，谐振电流开始反向，为下 一周期的正半周期做好准备，整个开关的负半周期结束；如此循环。
[0007] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0008] 相对于传统的半桥三电平LLC电路，本发明去除了两个独立的篏位二极管，使电 路中的各开关管关断时所承受的电压应力与使用独立篏位二极管所达到的效果相同。
【附图说明】
[0009] 图1为三电平LLC变换器拓扑电路。
[0010] 图2为LLC变换器拓扑电路中各MOS管驱动波形。
[0011] 图3为开关正半周期tl~t2时刻电流流向图。
[0012] 图4为开关正半周期t2~t3时刻电流流向图。
[0013] 图5为开关正半周期t3~t4时刻电流流向图。
[0014] 图6为开关负半周期t4~t5时刻谐振电流反向之前电流流向图。
[0015] 图7为开关负半周期t4~t5时刻谐振电流反向之后电流流向图。
[0016] 图8为开关负半周期t5~t6时刻电流流向图。
[0017] 图9为开关负半周期t6~T时刻谐振电流流向图。
[0018] 图10为开关下一周期开始时刻谐振电流反向之前电流流向图。
[0019] 图11为关键节点波形图。
【具体实施方式】
[0020] 以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0021] 如附图所示，本发明一种新型三电平LLC谐振变换器，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Cl和第二电容C2组成，第一电容Cl和第二电容C2的另外一端分别与电源的 正极和负极分别连接；所述开关桥臂2是由带有体二极管的第一开关管MOS1、第二开关管 MOS2、第三开关管MOS3和第四开关管M0S4的漏源极依次串联连接，位于开关桥臂两端的第 一开关管MOSl的漏极和第四开关管M0S4的源极分别与电源的正极和负极相连接，所述第 二开关管MOS2和第三开关管MOS3的中间连接点与输入分压电容1中第一电容Cl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MOSl和第二开关管MOS2 的中间连接点相连接，所述励磁电感Lm的另一端与开关桥臂2中的第三开关管M0S3和第 四开关管M0S4的中间连接点相连接；所述变压器4的原边与谐振腔3中的励磁电感Lm并 联连接，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。
[0022] 如图2所示，从tl到T之间为一个开关周期，在开关周期的正半周，tl时刻第一 开关管MOSl和第四开关管M0S4同时导通，第二开关管M0S2和第三开关管M0S3处于关断 状态，在t2时刻，第四开关管M0S4先关断，第一开关管MOSl继续导通，直到t3时刻第一开 关管MOSl关断，在t3~t4时刻，电路中谐振电流通过续流回路续流，同时谐振电流慢慢减 小，直到减小为零，谐振电流开始反向，为负半周期做好准备，整个开关的正半周期结束；在 开关周期的负半周期，t4时刻第二开关管M0S2和第三开关管M0S3同时导通，第一开关管 MOSl和第四开关管M0S4处于关断状态，在t5时刻，第三开关管M0S3先关断，第二开关管 M0S2继续导通，直到t6时刻第二开关管M0S2关断，在t6~T时刻，电路中谐振电流通过续 流回路续流，同时谐振电流慢慢增大，直到增大到零，谐振电流开始反向，为下一周期的正 半周期做好准备，整个开关的负半周期结束。整个电路就是按照一个开关周期内这种工作 方式不断的循环下去。
[0023] 电路拓扑在一个开关周期内的工作过程及电流流向：
[0024] 以fm<fs<fr为例（fm为谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器励磁电感Lm的
【主权项】
1. 一种新型三电平LLC谐振变换器，其特征在于：包括依次连接的输入分压电容（I)、 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（Cl)和第二电容（C2)组成，第一电容（Cl)和第二电容（C2)的另外一 端分别与电源的正极和负极分别连接；所述开关桥臂（2)是由带有体二极管的第一开关管 (MOSl)、第二开关管（M0S2)、第三开关管（M0S3)和第四开关管（M0S4)的漏源极依次串联连 接，位于开关桥臂两端的第一开关管（MOSl)的漏极和第四开关管（M0S4)的源极分别与电 源的正极和负极相连接，所述第二开关管（M0S2)和第三开关管（M0S3)的中间连接点与输 入分压电容（1)中第一电容（Cl)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（MOSl)和第二开关管（M0S2)的中间连接点相连接，所 述励磁电感（Lm)的另一端与开关桥臂（2)中的第三开关管（M0S3)和第四开关管（M0S4) 的中间连接点相连接；所述变压器（4)的原边与谐振腔（3)中的励磁电感（Lm)并联连接， 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。
2. 根据权利要求1所述一种新型三电平LLC谐振变换器，其特征在于：各开关管的 驱动过程为：从tl到T之间为一个开关周期，在开关周期的正半周，tl时刻第一开关管 (MOSl)和第四开关管（M0S4)同时导通，第二开关管（M0S2)和第三开关管（M0S3)处于关断 状态，在t2时刻，第四开关管（M0S4)先关断，第一开关管（MOSl)继续导通，直到t3时刻第 一开关管（MOSl)关断，在t3~t4时刻，电路中谐振电流通过续流回路续流，同时谐振电流 慢慢减小，直到减小为零，谐振电流开始反向，为负半周期做好准备，整个开关的正半周期 结束；在开关周期的负半周期，t4时刻第二开关管（M0S2)和第三开关管（M0S3)同时导通， 第一开关管（MOSl)和第四开关管（M0S4)处于关断状态，在t5时刻，第三开关管（M0S3)先 关断，第二开关管（M0S2)继续导通，直到t6时刻第二开关管（M0S2)关断，在t6~T时刻， 电路中谐振电流通过续流回路续流，同时谐振电流慢慢增大，直到增大到零，谐振电流开始 反向，为下一周期的正半周期做好准备，整个开关的负半周期结束；如此循环。
【专利摘要】一种新型三电平LLC谐振变换器，包括依次连接的输入分压电容、开关桥臂、谐振腔、变压器和整流滤波电路；输入分压电容由串联连接的两个电容组成，两个电容的另外一端分别与电源的正极连接；所述开关桥臂是由带有体二极管的四个开关管的漏源极依次串联连，位于开关桥臂两端的开关管的漏源极分别与电源的正极和负极相连，中间两个开关管的中间连接点与两个电容的中间连接点相连；谐振腔是由电感、电容和励磁电感依次串联组成，电感另一端与第一开关管和第二开关管的中间连接点相连，励磁电感另一端与第三开关管和第四开关管的中间连接点相连；变压器的原边与励磁电感并联连接，副边与整流滤波电路的输入端相连；本发明简化了电路结构，减少了功率器件，降低了成本，提高了系统可靠性。
【IPC分类】H02M3-338
【公开号】CN104852590
【申请号】CN201510289462
【发明人】方飞, 张新涛, 张磊
【申请人】特变电工西安电气科技有限公司, 特变电工新疆新能源股份有限公司, 国家电网公司, 国网新源张家口风光储示范电站有限公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月29日