一种高降压比双谐振三电平LLC谐振变换器及其控制方法

本发明涉及双谐振变换器技术领域，特别是一种高降压比双谐振三电平llc谐振变换器及其控制方法。

背景技术：

llc谐振变换器因拓扑简单、软开关特性优越等优点，在学术界和产业界受到广泛关注。其中双谐振类型的llc变换器因拥有两个谐振腔和隔离变压器，具有效率高，散热特性良好，易于实现双路输出等特性得到广泛应用。

工业界和产业界的广泛使用的半桥双谐振llc谐振变换器如图1a、图1b所示。其中，图1a所示结构为两路输出场景下结构，图1b所示结构为单路输出场景下结构。图1a、图1b所示的半桥双谐振llc谐振变换器均由开关逆变桥臂电路、谐振电路、变压器和整流电路等部分组成，开关逆变桥臂电路由两个开关管q1、q2串联而成，用于将直流电压逆变为一个方波；谐振电路帮助实现开关管的软开关特性；变压器和整流电路用于将能量传输到负载端。图1a、图1b所示的半桥双谐振llc谐振变换器的控制策略如图2所示，拓扑中的开关管q1由一个的50％占空比的控制信号驱动，而开关管q2由另一个互补的50％占空比控制信号驱动，故其桥臂逆变出的两个谐振腔输入电压峰峰值等于输入电压vin。在实际应用时，两个管子的驱动信号之间应有死区时间，用于防止管子直通和实现开关管的零电压导通。

随着现代工业系统的发展，图1a、图1b所示两种半桥llc双谐振变换器拓扑的缺点也逐渐显现出来。在高压输入场合或者高降压比场景下，现有的双谐振半桥llc变换器存在降压能力不足问题，这会导致变压器原边匝数的增加，进而导致两个变压器均增加了额外的损耗和体积，不利于提高变换器的效率和功率密度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高降压比双谐振三电平llc谐振变换器及其控制方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种高降压比双谐振三电平llc谐振变换器，包括三电平桥臂；所述三电平桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，还包括跨接在第一开关管源极和第三开关管源极的第一飞跨电容以及跨接在第二开关管源极和第四开关管源极的第二飞跨电容，第一开关管漏极连接到电源正极，第四开关管源极连接到电源负极；还包括依次连接的第一谐振网络、第一隔离变压器和第一整流电路；第一谐振网络的正输入端连接到第一开关管漏极，负输入端连接到第一开关管源极；还包括依次连接的第二谐振网络、第二隔离变压器和第二整流电路；第二谐振网络的正输入端连接到第三开关管源极，负输入端连接到第四开关管源极。

进一步的技术方案为：第一整流电路的输出端用于连接第一负载，第二整流电路的输出端用于连接第二负载。或者，第一隔离变压器和第二隔离变压器匝数相等，第一整流电路的输出端与第二整流电路的输出端并联后用于连接负载。

上述高降压比双谐振三电平llc谐振变换器的控制方法，对第一开关管和第三开关管同时施加第一组50％占空比的驱动信号，对第二开关管和第四开关管同时施加第二组50％占空比的驱动信号；第一组驱动信号和第二组驱动信号互补；第一组驱动信号与第二组驱动信号之间设置有死区时间。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于，

1、本发明变换器具有更高的降压能力，体现在三电平桥臂逆变出的谐振腔输入电压峰峰值为输入电压vin的一半，高降压比特性使得变换器更适合高压输入或者高降压比应用场合。

2、本发明变换器的高降压比特性有利于减小变压器匝数，从而降低单个变压器损耗，尤其是在变压器原边电流大且匝数多的情况下，能够大大提高变换器整体的效率和功率密度。

3、本发明中变换器的原边四个开关管采用两对50％占空比的控制信号驱动，控制策略简单，容易实现。

附图说明

图1a为两路输出场景下的传统半桥双谐振llc谐振变换器。

图1b为单路输出场景下的传统半桥双谐振llc谐振变换器。

图2为传统半桥双谐振llc谐振变换器的控制策略示意图。

图3a为本发明两路输出场景下的双谐振半桥三电平llc拓扑图。

图3b为本发明单路输出场景下的双谐振半桥三电平llc拓扑图。

图4为本发明单路输出时双谐振半桥三电平llc稳态工作波形图。

图5a为本发明单路输出时工作状态i下的等效电路图。

图5b为本发明单路输出时工作状态ii下的等效电路图。

图5c为本发明单路输出时工作状态iii下的等效电路图。

图5d为本发明单路输出时工作状态iv下的等效电路图。

图6a、图6b为单路输出样机的实测关键信号的工作波形图。

图中的标记为：vin，输入电源电压。q1、q2、q3、q4，开关管。cq1、cq2、cq3、cq4，开关管寄生电容。dq1、dq2、dq3、dq4，开关管体二极管。cfly、cmid，飞跨电容。lr1，第一谐振网络中谐振电感。lm1，第一谐振网络中励磁电感。cr1，第一谐振网络中谐振电容。tr1，第一隔离变压器。lr2，第二谐振网络中谐振电感。lm2，第二谐振网络中励磁电感。cr2，第一谐振网络中谐振电容。tr2，第二隔离变压器。d1、d2、d3、d4，副边整流二极管。c0，输出滤波电容。rl，单路输出负载。rl1，双路输出时第一路负载。rl2，双路输出时第二路负载负载。v0，单路输出电压。v01，双路输出时第一路输出电压。v02，双路输出时第二路输出电压。vab，a点和b点间电压，即第一谐振网络输入电压。vcd，c点和d点间电压，即第二谐振网络输入电压。vcfly，飞跨电容cfly稳态工作电压。vcmid，飞跨电容cmid稳态工作电压。vgs_q1、vgs_q2、vgs_q3、vgs_q4，四个开关管驱动波形。vds_q1、vds_q2、vds_q3、vds_q4，四个开关管工作时漏极与源极之间电压波形。ilr1，第一谐振网络中谐振电流波形。ilr2，第二谐振网络中谐振电流波形。id1、id2、id3、id4，二次侧整流二极管电流波形。n，单路输出时隔离变压器tr1、tr2匝数。n1，双路输出时隔离变压器tr1匝数。n2，双路输出时隔离变压器tr2匝数。

具体实施方式

本发明提供了一种新型的高降压比的双谐振半桥三电平llc谐振变换器及其控制方法。该拓扑主要优势在于：两个谐振腔的输入电压较传统半桥三双谐振llc变换器降低一半，即方波逆变桥臂具有更高的降压能力，这意味两个变压器原边匝数均能够减小一半，有利于减小变换器的变压器损耗和体积。

本发明的高降压比双谐振三电平llc谐振变换器具体由飞跨电容cfly、三电平桥臂、飞跨电容cmid、第一谐振网络(第一谐振腔)、第一隔离变压器、第二谐振网络(第二谐振腔)、第二隔离变压器和整流及滤波电路组成。

其中三电平桥臂的组成是，将第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管依次串联后接在输入的正负两端，四个开关管各自包含其寄生体二极管和寄生电容。飞跨电容cfly跨接第一开关管的源极和第三开关管的源极之间，飞跨电容cmid跨接第二开关管的源极和第四开关管的源极之间。

对于单路输出场景和双路场景下，本发明的双谐振三电平llc谐振变换器有两种应用结构形式，分别如图3a和图3b所示。值得注意的是，双路输出应用场景下，隔离变压器tr1、tr2的匝数n1、n2可以相等也可以不相等，取决于是否要求两路输出的电压相等，但是在实际闭环进行输出控制时，只需选择其中一路输出作为主控，另外一路工作于开环状态；而单路输出应用场景下，隔离变压器tr1、tr2的匝数则必须相等，均为n。

变换器通过改变开关管控制信号的频率，来调节输出电压。并且，本发明提出的变换器可采用与现有的半桥双谐振llc变换器一样的控制策略，即：对第一开关管q1和第三开关管q3施加一组50％占空比的驱动信号，对第二开关管q2和第四开关管q4施加另一组互补的50％占空比的驱动信号，但两组驱动信号之间有死区。本发明提出拓扑的闭环控制操作简单，易于实现。

图3a、图3b为本发明的基本结构示意图。其中，图3a为双谐振半桥三电平llc拓扑双路输出应用场景下结构，图3b为双谐振半桥三电平llc拓扑单路输出应用场景下结构。具体电路由飞跨电容cfly、三电平桥臂、飞跨电容cmid、第一谐振网络、第一隔离变压器、第二谐振网络、第二隔离变压器和整流及滤波电路组成。两个隔离变压器的副边可采用全波整流或者全桥整流方式，这里以全波整流为例，d1、d2、d3、d4是四个整流二极管。两个谐振网络用于实现开关管的零电压开关和整流二极管的零电流开关。

本发明提出的变换器的具体控制方式为：对第一开关管q1和第三开关管q3施加一组50％占空比的驱动信号，对第二开关管q2和第四开关管q4施加另一组互补的50％占空比的驱动信号，并且两组驱动信号之间有死区。单路和双路输出应用的变换器均可通过改变开关管驱动信号的开关频率来调节输出电压，其中双路输出应用下，应选择其中一路输出作为主控，另外一路则工作于开环模式。由于图3a和图3b所示的两类拓扑原理是相似的，故以图3b所示的单路输出应用场景为例进行分析。在进行详细的模态分析前，先进行如下假设：

1.输出滤波电容足够大，以便于在一个开关周期内可将输出电压看做恒值；

2.两个谐振腔中谐振参数完全一致，即谐振电容cr1、cr2均等于cr，谐振电感lr1、lr2均等于lr，励磁电感lm1、lm2均等于lm；

3.飞跨电容cfly和cmid较谐振电容足够大，不影响谐振网络的谐振频率。

故可使用fr表示谐振电容cr与谐振电感lr两者的谐振频率，用fm表示谐振电容cr、谐振电感lr以及励磁电感lm三者的谐振频率，并且fr>fm。由于开关频率fs与谐振频率fr之间的大小关系，变换器的工作模式分为三种，即欠谐振模式(fs<fr)、准谐振模式(fs＝fr)和过谐振模式(fs>fr)。不同模式下的变换器的工作原理略有不同，但是由于llc变换器工作在准谐振模式(fs＝fr)时具有最高的效率。故本说明仅针对于fs＝fr的情况进行工作原理分析，其余两种的分析方法类似。该变换器在准谐振模式(fs＝fr)模式下，一个开关周期可分为4个工作模式，稳态工作时，各关键电压和电流波形如图4所示。

具体工作原理如下：

(1)工作状态i，如图5a所示：t0<t<t1阶段。在t0时刻，q1和q3零电压导通，第一谐振腔、第二谐振腔的输入电压vab和vcd分别为0和0.5vin。在第一谐振网络中，lr1与cr1串联谐振，谐振电流反向谐振，二次侧整流二极管d1导通，故第一隔离变压器一次侧电压被钳位至-nv0，其励磁电流从最大值开始以-nv0/lm的斜率线性减小，储存在谐振电容cr1中的能量，以谐振电流与励磁电流之差的形式，通过第一隔离变压器向负载传递能量。在第二谐振网络中，lr2与cr2串联谐振，谐振电流正向谐振，二次侧整流二极管d4导通，故第二隔离变压器一次侧电压被钳位至nv0，其励磁电流从最小值开始以nv0/lm的斜率线性增加，谐振电流与励磁电流之差通过第二隔离变压器向负载传递能量。此阶段内，第二谐振网络中的谐振电流来源分为两部分，一半的谐振电流来源于输入，该电流流经飞跨电容cfly，并给飞跨电容cfly充电，另一半谐振电流由飞跨电容cmid提供，即飞跨电容cmid放电。

(2)工作状态ii，如图5b所示：t1<t<t2阶段。在t1时刻，q1和q3同时关断，流过二次侧整流二极管d1、d4电流刚好谐振到0，第一、第二谐振网络中一次侧谐振电流分别等于励磁电流最小值和最大值，并且第一谐振网络的输入电压由0开始换向，第二谐振网络的输入电压由0.5vin开始换向。第一谐振网络中，lr1、lm1、cr1三个元件一起谐振，由于三个元件的谐振周期长，故可近似仍为该死区时间内的第一谐振腔中谐振电流近似不变，等于其励磁电流。类似地，第二谐振网络中，lr2、lm2、cr2三个元件在此阶段内一起谐振，谐振电流近似等于励磁电流。此阶段内，两个谐振网络的励磁电流共同给开关管q1、q3的输出电容cq1、cq3充电，同时给开关管q2、q4的输出电容cq2、cq4放电，为q2、q4的零电压导通创造条件。

(3)工作状态iii，如图5c所示：t2<t<t3阶段。在t2时刻，vds_q1和vds_q3的已充电至0.5vin，vds_q2和vds_q4的电压放电至0，此时q2和q4零电压导通，第一谐振网络输入电压已换向至0.5vin，lr1与cr1开始串联谐振，第二谐振网络输入电压已换向至0，lr2与cr2开始串联谐振。与工作状态i类似，由于此阶段内二次侧整流二极管d2和d3导通，故第一隔离变压器的一次侧电压被钳位至nv0，其励磁电流从最小值开始以nv0/lm的斜率线性增加，第二隔离变压器的一次侧电压被钳位至-nv0，其励磁电流从最大值开始以-nv0/lm的斜率线性减小，并且两个谐振网络中的谐振电流始终大于励磁电流，两者之差通过两个变压器向负载传递能量。

(4)工作状态iv，如图5d所示：t3<t<t4阶段。在t3时刻，q2和q4同时关断，与工作状态ii类似，流过二次侧整流二极管d2、d3电流刚好谐振到0，第一、第二谐振网络中一次侧谐振电流分别等于励磁电流最大值和最小值，第一谐振网络的输入电压由0.5vin开始换向，第二谐振网络的输入电压由0开始换向。同样地，两个谐振网络中均为谐振电感、励磁电感和谐振电容一起谐振，故两个谐振电流均可认为近似不变，等于其励磁电流。此阶段内，两个谐振网络的励磁电流共同给开关管q2、q4的输出电容cq2、cq4充电，同时给开关管q1、q3的输出电容cq1、cq3放电，为q1、q3的零电压导通创造条件。

为验证本发明所述电路理论分析得正确性，在实验室搭建了一款48v输入，6v输出的双谐振半桥三电平llc双路输出样机，最大输出电流为40a。样机在输出电流为40a时，其稳态工作电压波形如图6a和图6b所示，其中图6a中各个通道依次为：第四开关管q4的驱动电压、第四开关管q4的漏源电压、第一谐振网络中谐振电流和第二谐振网络中谐振电流。图6b中将的第一哥第二通道波形改为了第一飞跨电容cfly和第二飞跨电容cmid的稳态工作电压，另外两个通道仍然为两个谐振电流波形。由实验结果和实测波形可知，经过合理的设计电路参数后，所述拓扑中的四个主开关均能实现零电压导通，两个飞跨电容稳态电压和谐振腔输入电压均为一半的输入电压，证明了理论分析的正确性。

综上，本发明所提出的高降压比新型双谐振半桥三电平llc谐振变换器，其两路输出和单路输出应用拓扑均保留了llc谐振变换器零电压导通和零电流关断特性，但具有的高降压比特性，使得其更适合高压输入或者高降压比应用场合。高降压比特性同时也缓解了对变压器匝数的要求，能够减少变压器匝数，有效降低单个变压器损耗，尤其是在变压器原边电流大且匝数多的情况下，能够大大提高变换器整体的效率和功率密度。此外，本发明中原边四个开关管采用两对50％占空比的控制信号驱动，具有控制策略简单，容易实现的特点。