具有可变匝数比的LLC谐振电源转换器的制作方法

本发明涉及llc谐振电源转换器相关的，具体涉及一种具有可变匝数比的llc谐振电源转换器。

背景技术：

1、在传统的切换式电源中，通常采用磁性组件实现滤波，能量储存和传输。切换组件的工作频率越高，磁性组件的尺寸就可以越小，电源装置的小型化、轻量化和低成本化就越容易实现。切换频率提高会相应的提升切换组件的切换损耗，因此软切换(soft-switching)技术应运而生。要实现理想的软切换，最好的情况是使开关(切换组件)在电压和电流同时为零时关断和导通(zero-voltage switching,zvs；zero-current switching,zcs)，这样损耗才会真正为零。要实现这个目标，必须采用谐振技术。

2、根据电路原理，电感与电容串联或并联可以构成谐振电路，使得在电源为直流电源时，电路中的电流按照正弦规律变化。由于电流或电压按正弦规律变化，存在过零点，如果此时切换组件开通或关断，产生的损耗就为零。

3、llc谐振电源转换器是具有三个电抗组件(reactive elements)的谐振逆变器(resonant inverter)，其中直流输入电压(dc input voltage)通过配置为半桥或全桥的开关网络(switch network)转换为方波，以馈送到llc谐振槽(llc resonant tank)，从而有效滤除谐波，提供如正弦波的电压和电流波形。这反过来又为提供电压缩放和初级-次级隔离的变压器供电。转换器的功率流，是经由调变相对于谐振槽电路谐振的方波频率来控制。在llc谐振电源转换器中，所有半导体开关在初级mosfets导通时都是软切换(softswitching)或零电压切换(zero-voltage switching,zvs)，在导通和关断时次级整流器(rectifiers in the secondary)都是零电流开关(zero-current switching,zcs)，导致低电磁辐射位准(electromagnetic emission levels)。此外，它还可以实现磁性组件的高度整合(high degree of integration)，进而能够设计出具有更高效率和功率密度的转换器。

4、llc谐振电源转换器是串联谐振转换器的一种拓扑形式，可提供与输入信号隔离的输出电压信号。llc谐振电源转换器包括一个具有与变压器初级绕组的串联谐振电路。切换电路将谐振电路或储能电路的切换节点交替地耦合到正电源节点和接地节点，以提供流过变压器初级绕组的交流谐振电流。次级电路(例如整流器)提供输出电压来驱动负载。其中，次级电路可以包括同步整流器开关或二极管整流器。初级侧切换电路可以被调节，用以规范输出电压。llc谐振转换器具有高效率和高功率密度，并且可以在相当宽的负载范围内为初级侧开关提供零电压切换和低关断电流。这些优势使llc谐振电源转换器适用于各种应用，例如高性能服务器和电信应用。

5、如前面所提及的，当初级侧切换频率低于谐振频率时，可以用零电流切换关断初级侧。这有助于提高电压增益能力，并且不会降低具有保持时间(hold-up time)要求的应用的效率。在高开关频率下运行可以减小llc谐振电源转换器中磁性组件和电容器的尺寸。然而，这会增加与切换相关的损耗和磁性组件损耗，从而导致效率低下。由于磁芯损耗和绕组损耗，特别是在高切换频率下，用于llc谐振电源转换器的磁性组件仍然是提高转换器效率的限制。需要进一步改进以支持llc谐振电源转换器的更高效率和功率密度。

6、llc谐振电源转换器的磁性组件可以通过改变电路板上绕组的串并联来改变谐振槽(resonant tank)参数，但微调的幅度有限，配合外部串并联的电感电容组件较能大幅度改变，如何让谐振槽参数调整幅度加大，使其满足越来越宽的输出电压电流需求是llc谐振电源转换器发展趋势。

7、因此，通过导入可变匝数比变压器绕组以及改变谐振槽参数来改善llc谐振电源转换器功率密度以及输出电压与电流范围值，对于改进现有llc谐振电源转换器的缺失是有迫切需求的。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决上述问题，本发明提出了一种具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，包括：一开关电路电性耦接一输入直流电压，用以将直流电压转换为切换信号；一谐振槽电性耦接开关电路，谐振槽由谐振电感、激磁电感以及谐振电容组成，用于接收切换信号以提供一次侧电流；一变压器电路电性耦接谐振槽，变压器电路包含多个分立的变压器，每一个变压器具有一次侧绕组以及二次侧绕组，其中，个别变压器的一次侧绕组具有不同匝数，可以动态地选择与谐振槽电性耦接或隔离，且可以动态地选择与其他变压器的一次侧绕串联或并联，形成动态变化的等效一次侧绕组；其中，每个变压器的二次侧绕组匝数固定且相同，使得变压器电路中的匝数比得以相应动态地改变；以及一整流滤波电路耦接变压器电路，用于整流滤波由变压器电路的二次侧绕组输出的二次侧电流，以提供一输出电压；其中，谐振电感一端电性耦合开关电路，另一端串联等效一次侧绕组；激磁电感串联谐振电感，谐振电容一端串联激磁电感，另一端电性耦合该开关电路；激磁电感并联等效一次侧绕组。

2、以一实施例而言，上述形成动态变化的等效一次侧绕组，是通过多个开关配置来动态调整该一次侧绕组的串并联形式。

3、以一实施例而言，上述多个开关为晶体管开关组件、继电器等各种形式的开关。

4、以一实施例而言，上述谐振电感、该激磁电感与匝数比均能通过多个该开关配置被动态调整。

5、以一实施例而言，上述一次侧绕组以及二次侧绕组均设置于多层式印刷电路板上，以有效减少绕线造成的杂散特性。

6、以一实施例而言，上述具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，还包含一可调式电容设置于多层式印刷电路板中，与变压器的一次侧绕组以及二次侧绕组整合形成附加的谐振电容。

7、以一实施例而言，上述可调式电容于多层式印刷电路板选定区域中，于各层相同位置制作具有固定面积及尺寸的金属板，多个金属板与其间的多个介电层可以组合为电容，并与变压器的绕组整合形成上述附加的谐振电容。

8、以一实施例而言，上述附加的谐振电容，通过调整电容极板间的距离以及改变电容极板正负端的配置，可以改变llc谐振电源转换器谐振槽的谐振电容值。

9、以一实施例而言，上述附加的谐振电容，可以通过对附加的谐振电容与变压器的绕组间配置多个开关来实现与谐振电容并联、串联或是完全隔离。

10、以一实施例而言，上述多个开关配置，是通过一电性耦合llc谐振电源转换器的外部控制器，根据外部控制器所接收到的输出电压回授及输出电流回授，分别对谐振槽以及变压器输出相应的谐振电容调整信号以及匝数比调整信号，进而动态调整谐振电容的大小以及变压器的匝数比，以达到调整llc谐振电源转换器的输出电压和输出电流的范围的目的。

技术特征：

1.一种具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，包含：

2.根据权利要求1所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，所述形成动态变化的等效一次侧绕组，是通过多个开关配置来动态调整该一次侧绕组的串并联形式。

3.根据权利要求2所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，其中多个该开关包括晶体管开关组件和继电器开关中的多种。

4.根据权利要求3所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，其中该谐振电感、该激磁电感与该匝数比均能通过多个该开关配置被动态调整。

5.根据权利要求1所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，其中该一次侧绕组以及该二次侧绕组均设置于多层式印刷电路板上。

6.根据权利要求5所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，还包含一可调式电容设置于该多层式印刷电路板中，与该变压器的该一次侧绕组以及该二次侧绕组整合形成附加的谐振电容。

7.根据权利要求6所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，其中该可调式电容于该多层式印刷电路板选定区域中，于各层相同位置制作具有固定面积及尺寸的金属板，多个该金属板与其间的多个介电层组合为电容，并与该变压器的绕组整合形成上述附加的谐振电容。

8.根据权利要求7所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，其中该附加的谐振电容，通过调整电容极板间的距离以及改变电容极板正负端的配置，用于改变llc谐振电源转换器谐振槽的谐振电容值。

9.根据权利要求8所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，其中该附加的谐振电容，通过对该附加的谐振电容与该变压器的绕组间配置多个开关来实现与该谐振电容并联、串联或是完全隔离。

10.根据权利要求4所述的具有可变匝数比的llc谐振电源转换器，其特征在于，其中多个该开关配置，通过一电性耦合该llc谐振电源转换器的外部控制器，根据该外部控制器所接收到的输出电压回授及输出电流回授，分别对该谐振槽以及该变压器输出相应的谐振电容调整信号以及匝数比调整信号，进而动态调整该谐振电容的大小以及变压器的匝数比，以调整该llc谐振电源转换器的输出电压和输出电流的范围。

技术总结
本发明公开了一种具有可变匝数比的LLC谐振电源转换器，包括：一开关电路电性耦接一输入直流电压，用以将该直流电压转换为切换信号；一谐振槽电性耦接该开关电路，该谐振槽由谐振电感、激磁电感以及谐振电容组成，用于接收该切换信号以提供一次侧电流；一变压器电路电性耦接该谐振槽，该变压器电路包含多个分立的变压器，每一个变压器具有一次侧绕组以及二次侧绕组，其中，个别变压器的一次侧绕组具有不同匝数，可以动态地选择与其他变压器的一次侧绕串联或并联，形成动态变化的等效一次侧绕组，使得该变压器电路中的匝数比得以相应动态地改变。

技术研发人员：陈俊成,李建兴,董耀骏
受保护的技术使用者：飞宏科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12