一种半桥LLC谐振电路及其谐振电容模块的制作方法

一种半桥llc谐振电路及其谐振电容模块
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种半桥llc谐振电路及其谐振电容模块。


背景技术：

2.如图1a所示，在半桥llc谐振电路中，谐振电路通常采用谐振电感lr0与单个谐振电容cr0串联连接的拓扑，这种拓扑结构简单、成本较低；其基波等效电路如图1b所示，lr0为谐振电感，cr0为谐振电容，vab表示a、b两点之间的电压，lm为变压器01上的励磁电感，rac为等效交流电阻。
3.当半桥llc谐振电路在稳态工作时，由于是单个电容，所以其谐振电容cr0所承受的电压较高，并且随着电源输入范围越来越宽、电源的输出功率越来越大，谐振电容cr0所承受的电压也越来越高。
4.另外，当半桥llc谐振电路启动时，由于变压器01的输出电压为零，所以变压器01等效为短路状态，此时的基波等效电路如图1c所示，由此可知，当上开关管q1导通时，vab等于半桥llc谐振电路的输入电压vin，即半桥llc谐振电路的输入电压全部施加在谐振电感lr0和谐振电容cr0上，从而导致此时的谐振电流非常大。
5.目前，为解决上述两个技术问题，提出了很多技术方案，但是这些技术方案都只能单独解决其中一个问题，而无法同时解决上述两个问题。
6.因此，如何在降低半桥llc谐振电路中谐振电容承受的电压的同时，降低半桥llc谐振电路在自身启动时的谐振电流，是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种半桥llc谐振电路及其谐振电容模块，以在降低半桥llc谐振电路中每个谐振电容承受的电压的同时，降低半桥llc谐振电路在自身启动时的谐振电流。
8.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
9.本技术一方面提供一种半桥llc谐振电路的谐振电容模块，所述半桥llc谐振电路包括：变压器、谐振电感支路和半桥逆变电路；所述谐振电容模块包括至少一个谐振电容单元；所述谐振电容单元，包括：两个第一电容支路和一个第二电容支路；在每个所述谐振电容单元中：
10.两个所述第一电容支路相连，相连后的支路两端分别与所述半桥逆变电路的直流侧两极相连；
11.所述第二电容支路、所述谐振电感支路以及所述变压器的原边三者串联连接，串联后的支路设置于：两个所述第一电容支路之间的连接点与所述半桥逆变电路的交流侧输出端之间；
12.两个所述第一电容支路的容值相等，并且两个所述第一电容支路和一个所述第二
电容支路均参与谐振。
13.可选的，若所述谐振电容单元的个数等于1，则在所述谐振电容单元中：
14.若所述第一电容支路的容值与所述谐振电容单元的总容值之比为第一比值，所述第二电容支路的容值与所述谐振电容单元的总容值之比为第二比值，则所述第一比值与所述第二比值之积的两倍等于两倍的所述第一比值与所述第二比值之和。
15.可选的，若所述谐振电容单元的个数大于1，则：
16.至少两个所述谐振电容单元中的所述第二电容支路的容值相等和/或至少两个所述谐振电容单元中的所述第一电容支路的容值相等
。
17.可选的，若所述谐振电容单元的个数大于1，则：
18.全部所述谐振电容单元中的所述第二电容支路的容值均不相等，所述第一电容支路的容值均不相等。
19.可选的，在所述谐振电容单元中，所述第一电容支路的容值与所述第二电容支路的容值之比等于1：1或者1：2。
20.可选的，每个电容支路，包括：至少一个电容；其中：
21.若所述电容的个数大于1，则各所述电容之间串联连接、并联连接或者串并联连接。
22.本技术另一实施例提供一种半桥llc谐振电路，包括：半桥逆变电路、谐振腔、变压器以及整流电路；所述谐振腔，包括：参与谐振的谐振电感支路和如本技术上一方面任一项所述的谐振电容模块；其中：
23.所述变压器的副边与所述整流电路的交流侧相连；
24.所述谐振电感支路与所述变压器的原边串联连接；
25.所述谐振电感支路单独设置，或者，所述谐振电感支路与所述变压器的原边集成在一起。
26.可选的，若所述整流电路为全波整流拓扑，则所述变压器的副边带中心抽头；
27.若所述整流电路为全桥整流拓扑，则所述变压器的副边不带中心抽头。
28.可选的，所述谐振电感支路，包括：至少一个电感；其中：
29.若所述电感的个数大于1，则各所述电感之间串联连接、并联连接或者串并联连接。
30.可选的，还包括：滤波电路；其中：
31.所述整流电路的直流侧与所述滤波电路相连。
32.由上述技术方案可知，本发明提供了一种半桥llc谐振电路的谐振电容模块，其具体包括至少一个谐振电容单元，每个谐振电容单元包括两个第一电容支路和一个第二电容支路。在每个谐振电容单元中，通过直流等效分析和交流等效分析可知：第二电容支路不承受直流电压、所承受的交流电压降低，每个第一电容支路所承受的直流电压为输入电压的一半、所承受的交流电压降低，并且，每个谐振电容单元中的每个电容支路均参与谐振，即每个电容均为谐振电容，所以半桥llc谐振电路中每个谐振电容所承受的电压均降低；另外，由于在半桥llc谐振电路启动前，对每个谐振电容单元中的两个第一电容支路进行预充电，即可使得每个谐振电容单元中两个第一电容支路的连接点与半桥逆变电路的交流侧输出端之间的压降均降低，而半桥llc谐振电路的谐振电流等于全部谐振电容单元的谐振电
流之和，因此降低了半桥llc谐振电路在自身启动时的谐振电流；综上所述，该谐振电容模块在降低半桥llc谐振电路中每个谐振电容承受的电压的同时，降低半桥llc谐振电路在自身启动时的谐振电流。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1a为现有技术中的半桥llc谐振电路的结构示意图；
35.图1b为图1a所示的半桥llc谐振电路在稳态工作时的基波等效电路的示意图；
36.图1c为图1a所示的半桥llc谐振电路在启动时的基波等效电路的示意图；
37.图2为本技术实施例提供的半桥llc谐振电路的一种实施方式的结构示意图；
38.图3为如图2所示的半桥llc谐振电路在稳态工作时的基波等效电路的示意图；
39.图4为本技术实施例提供的半桥llc谐振电路的另一种实施方式的结构示意图；
40.图5为如图4所示的半桥llc谐振电路在稳态工作时的基波等效电路的示意图；
41.图6-图11分别为本技术实施例提供的半桥llc谐振电路的另六四种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.在本技术中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
44.为了在降低半桥llc谐振电路中每个谐振电容承受的电压的同时，降低半桥llc谐振电路在自身启动时的谐振电流，本技术实施例提供一种半桥llc谐振电路的谐振电容模块，其具体结构可参见图2或图4。
45.参见图2或图4，半桥llc谐振电路包括：变压器300、谐振电感支路30(图2或图4中仅以一个谐振电感lr为例对其进行展示)和半桥逆变电路100；其中，谐振电感支路30，包括：至少一个谐振电感lr；若谐振电感lr的个数大于1，则各谐振电感lr之间串联连接、并联连接或者串并联连接。
46.参见图2(图2中仅以一个谐振电容单元为例进行展示)或图4(图4中以两个谐振电
容单元为例进行展示)，该谐振电容模块具体包括：至少一个谐振电容单元。
47.在每个谐振电容单元中，均包括两个第一电容支路20和一个第二电容支路10；其中，每个电容支路，包括：至少一个电容；若电容的个数大于1，则各电容之间串联连接、并联连接或者串并联连接。
48.在图2中，以电容cr1和电容cr2作为谐振电容单元中的第一电容支路20进行展示，以电容cr3作为谐振电容单元中的第二电容支路10进行展示；在图4中，以电容cr1和电容cr2作为一个谐振电容单元中的第一电容支路20进行展示、以电容cr3作为该谐振电容单元中的第二电容支路10进行展示，而以电容cr4和电容cr5作为另一个谐振电容单元中的第一电容支路20进行展示、以电容cr6作为该谐振电容单元中的第二电容支路10进行展示。
49.在每个谐振电容单元中：
50.两个第一电容支路20相连，相连后的支路两端分别与半桥逆变电路100的直流侧两极相连；第二电容支路10、谐振电感支路30以及变压器300的原边三者串联连接，串联后的支路设置于：两个第一电容支路20之间的连接点与半桥逆变电路100的交流侧输出端之间；两个第一电容支路的容值相等，两个第一电容支路20和一个第二电容支路10均参与谐振。
51.需要说明的是，考虑到两个第一电容支路的容值不相同，会导致变压器300饱和，因此在实际应用中，为避免因变压器饱和而导致半桥llc谐振电路无法正常工作，便需要保证两个第一电容支路的容值相同。
52.在实际应用中，若谐振电容单元的个数大于1，则：可以是至少两个谐振电容单元中的第二电容支路10的容值相等和/或至少两个谐振电容单元中的第一电容支路20的容值相等；也可以是全部谐振电容单元中的第二电容支路10的容值均不相等，第一电容支路20的容值均不相等；此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本技术的保护范围内；在实际应用中，将全部谐振电容单元中的第二电容支路10的容值相等、第一电容支路20的容值相等作为优选实施方式。
53.可选的，在每个谐振电容单元中，第一电容支路20的容值与第二电容支路10的容值之比等于1：1或者1：2，在实际应用中，包括但不限于此，此处不做具体限定，均在本技术的保护范围内。
54.在每个谐振电容单元中，由于通过直流等效分析可知：两个第一电容支路20共同承受半桥llc谐振电路的输入电压vin，并且，两个第一电容支路20的容值相同，所以每个第一电容支路20所承受的直流电压等于半桥llc谐振电路的输入电压vin的一半，从而第二电容支路10不承受直流电压、每个第一电容支路20所承受的直流电压不变。
55.在每个谐振电容单元中，由于通过基波分析可知：两个第一电容支路20先并联，并联后的支路与第二电容支路10串联，所以根据分压原理可知，每个电容支路所承受的交流电压均降低。
56.因此，在每个谐振电容单元中，每个电容支路所承受的电压均降低；由于每个谐振电容单元中的两个第一电容支路20和一个第二电容支路10均参与谐振，所以第一电容支路20和第二电容支路10中的电容均为谐振电容，从而半桥llc谐振电路中每个谐振电容所承受的电压均降低。
57.另外，在每个谐振电容单元中，由于第二电容支路10、谐振电感支路30以及变压器
300的原边三者串联形成的支路，设置于：两个第一电容支路20之间的连接点与半桥逆变电路100的交流侧输出端之间，所以在半桥llc谐振电路启动前，对两个第一电容支路20进行预充电，即可使得两个第一电容支路20的连接点处的电位降低，从而降低了其与半桥逆变电路的交流侧输出端之间的压降，即降低了施加在由谐振电容单元、谐振电感lr以及变压器300的原边三者串联形成的支路上的电压，进而降低了每个谐振电容单元在半桥llc谐振电路启动时的谐振电流。
58.由于半桥llc谐振电路的谐振电流等于全部谐振电容单元的谐振电流之和，所以可以降低半桥llc谐振电路在自身启动时的谐振电流。
59.综上所述，本技术实施例提供的半桥llc谐振电路的谐振电容模块，在降低半桥llc谐振电路中每个谐振电容承受的电压的同时，降低半桥llc谐振电路在自身启动时的谐振电流。
60.值得说明的是，在降低半桥llc谐振电路在自身启动时的谐振电流同时，可以避免过大的谐振电流导致图1a所示的半桥llc谐振电路中上开关管q1或下开关管q2的直接失效，甚至还可以避免过大的谐振电流导致上开关管q1或下开关管q2的反向恢复电流的增大，即进一步避免过大的谐振电流导致上开关管q1或下开关管q2的失效。
61.以图2为例，通过对谐振电容单元中每个电容支路所承受的交流电压进行详细推导，来证明其所承受的交流电压降低；具体过程如下所述：
62.对图2中的谐振电容单元进行基波等效分析，得到基波等效电路，如图3所示；在图3中，vab表示a、b两点之间的电压，lm为变压器300上的励磁电感，rac为等效交流电阻。
63.并且，设半桥llc谐振电路工作于稳态，电容cr1、电容cr2、电容cr3均与谐振电容模块的总电容cr
总
存在比例关系；另外，为了方便分析对比，还假设半桥llc谐振电路稳态工作时都工作在谐振频率处。
64.由图3可知，三个电容的交流等效关系为：电容cr1与电容cr2并联，并联后的支路与电容cr3串联，由此做出如下推导：
[0065][0066]
其中，cr
总
为谐振电容模块的总电容；a为第一系数，表示电容cr1与谐振电容模块的总电容cr
总
的容值之比；b为第二系数，表示电容cr3与谐振电容模块的总电容cr
总
的容值之比；cr为设定的谐振电容模块的总电容cr
总
的容值。
[0067]
若第一电容支路20的容值与谐振电容单元的总容值之比为第一比值，第二电容支路的容值与谐振电容单元的总容值之比为第二比值，则由此推导出：第一比值与第二比值之积的两倍等于两倍的第一比值与第二比值之和。
[0068]
又考虑到电容实际存在，即其容值不能为零，因此第一系数a、第二系数b在实际应用中均大于零，再结合上述结论做出如下推导：
[0069][0070]
进一步，再结合各电容的交流等效关系做出如下推导：
[0071][0072][0073]
其中，i
cr1
、i
cr2
、i
cr3
分为电容cr1、电容cr2、电容cr3的电流，i
cr
为谐振电容模块的谐振电流，v
cr1_ac
、v
cr2_ac
、v
cr3_ac
分别为电容cr1、电容cr2、电容cr3所承受的交流电压，v
cr_ac
为谐振电容模块所承受的交流电压。
[0074]
由上述推导可知，每个电容支路所承受的交流电压均小于谐振电容模块所承受的交流电压，与各电容支路的容值无关。
[0075]
在图2所示的半桥llc谐振电路中，若设定第一系数a＝1、第二系数b＝2，则该半桥llc谐振电路工作时，其每个电容所承受的电压具体如下所述：
[0076][0077]
其中，v
cr1_dc
、v
cr2_dc
、v
cr3_dc
分别为电容cr1、电容cr2、电容cr3所承受的直流电压，v
cr_dc
为谐振电容模块所承受的直流电压，vin为半桥llc谐振电路的输入电压。
[0078]
由此可知，电容cr1、电容cr2、电容cr3所承受的交流电压均为半桥llc谐振电路中整个谐振电容模块所承受的交流电压的一半，电容cr1和电容cr2所承受的直流电压为半桥llc谐振电路的输入电压的一半，电容cr3所承受的直流电压为零。
[0079]
在图2所示的半桥llc谐振电路中，若设定第一系数a＝1.5、第二系数b＝1.5，则该半桥llc谐振电路工作时，其每个电容所承受的电压具体如下所述：
[0080][0081]
由此可知，电容cr1和电容cr2所承受的交流电压均为半桥llc谐振电路中整个谐振电容模块所承受的交流电压的三分之一，电容cr3所承受的交流电压为半桥llc谐振电路中整个谐振电容模块所承受的交流电压的三分之二，电容cr1和电容cr2所承受的直流电压为半桥llc谐振电路的输入电压的一半，电容cr3所承受的直流电压为零。
[0082]
在图4所示的半桥llc谐振电路中，由于包括两个谐振电容单元，共六个电容，所以为了区别两个谐振电容单元中的第一系数和第二系数，将第一谐振电容单元中的第一系数记为a，将第二谐振电容单元中的第一系数记为c，将第一谐振电容单元中的第二系数记为b，将第二谐振电容单元中的第二系数记为d。
[0083]
对图4所示的半桥llc谐振电路进行基波等效分析，得到其基波等效电路，如图8所示；六个电容的交流等效关系为：电容cr1与电容cr2并联，并联后的支路与电容cr3串联；电容cr4与电容cr5并联，并联后的支路与电容cr6串联；之后，形成的两个串联支路再并联。
[0084]
若设定a＝0.5、b＝1、c＝0.5、d＝1，则该半桥llc谐振电路工作时，每个电容所承受的电压具体如下所述：
[0085][0086][0087]
其中，i
cr4
、i
cr5
、i
cr6
分为电容cr4、电容cr5、电容cr6的电流，v
cr4_ac
、v
cr5_ac
、v
cr6_ac
分别为电容cr4、电容cr5、电容cr6所承受的交流电压，v
cr4_dc
、v
cr5_dc
、v
cr6_dc
分别为电容cr4、电容cr5、电容cr6所承受的直流电压。
[0088]
由此可知，电容cr1、电容cr2、电容cr3、电容cr4、电容cr5、电容cr6所承受的交流电压均为半桥llc谐振电路中整个谐振电容模块所承受的交流电压的一半，电容cr1、电容cr2、电容cr4、电容cr5所承受的直流电压均为半桥llc谐振电路的输入电压的一半，电容
cr3、电容cr6所承受的直流电压均为零。
[0089]
由上述可知，在本技术提供的半桥llc谐振电路的谐振电容模块中，每个谐振电容单元中的第二电容支路10并不承受直流电压，因此在选型时，第二电容支路10不再有直流偏压特性的限制，从而第二电容支路10可以选择esr更小的电容。
[0090]
由于esr更小的电容，可以提高半桥llc谐振电路的输出效率，所以在实际应用中，将用esr更小的电容作为每个谐振电容单元中第二电容支路10的优选类型，比如陶瓷电容。
[0091]
在实际应用中，由于陶瓷电容的体积更小，所以有利于整个半桥llc谐振电路的小型化，并且还可以提高电路的可靠性。
[0092]
由上述可知，在本技术提供的半桥llc谐振电路的谐振电容模块中，每个谐振电容单元中的每个第一电容支路20所承受的直流电压等于半桥llc谐振电路的输入电压vin的一半，且每个第一电容支路20所承受的交流电压降低，因此，在选型时，第一电容支路20对交流耐压的要求降低，从而可以选择较低交流耐压的膜电容。
[0093]
本技术另一实施例提供一种半桥llc谐振电路，其具体结构可参见图2或图4，具体包括：半桥逆变电路100、谐振腔200、变压器300以及整流电路400；在谐振腔200中，包括参与谐振的谐振电感支路30(图2或图4中仅以电感lr为例对谐振电感支路30进行展示)和上述实施例提供的谐振电容模块；各器件之间的连接关系如下所述：
[0094]
变压器300的副边与整流电路400的交流侧相连，整流电路400的直流侧与负载相连；其余器件之间的连接关系在上述实施例中已进行描述，此处不再赘述。
[0095]
谐振电感支路30与变压器300的原边串联连接；其中，谐振电感支路30，包括：至少一个电感；若电感的个数大于1，则各电感之间串联连接、并联连接或者串并联连接。
[0096]
在实际应用中，谐振电感支路30单独设置，也可以与变压器300的原边集成在一起，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本技术的保护范围内。
[0097]
可选的，整流电路400可以为全波整流拓扑，如图6(图6仅在图2的基础上进行展示)或图7(图7仅在图4的基础上进行展示)所示；也可以为全桥整流拓扑，如图8(图8仅在图2的基础上进行展示)或图9(图9仅在图4的基础上进行展示)所示。
[0098]
若整流电路400为全波整流拓扑，则变压器300的副边带中心抽头，如图6或图7所示；若整流电路400为全桥整流拓扑，则变压器300的副边不带中心抽头，如图8或图9所示。
[0099]
在实际应用中，半桥llc谐振电路还包括滤波电路500，如图10(图10仅在图2的基础上进行展示)或图11(图11仅以图4的基础上进行展示)所示，整流电路400的直流侧与滤波电路500相连。
[0100]
需要说明的是，在实际应用中，滤波电路500已经是比较成熟的技术，此处不再对其具体结构进行详细说明。
[0101]
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护
的范围内。