基于可变谐振电容的LLC谐振变换器的制作方法

本技术涉及电力电子变换器领域，尤其是基于可变(柔性)谐振电容的llc谐振变换器。

背景技术：

1、近年来，为各种用电设备提供电能的开关电源正朝着低电压、大电流、体积小、重量轻、效率高、薄型化和集成化方向发展，包括为计算机的中央处理器(centralprocessing unit，cpu)和数字信号处理器(digital signal processing，dsp)等高精度、高速度微处理器提供精密电源的电压调整模块，以及近年来兴起的广泛应用于大数据中心服务器电源、电动汽车、混合动力车、不间断电源、电能质量调节电源、航空电源、新能源发电及超导储能等领域的开关电源，这些开关电源通过采用谐振变换器尤其是llc谐振变换器和lcc谐振变换器等谐振变换器的拓扑结构，实现其变压器原边开关管的零电压开通(zvs)和副边开关管的零电流关断(zcs)，具有低损耗、低开关应力、高效率和高功率密度等优点，因此，llc谐振变换器和lcc谐振变换器等谐振变换器在上述领域中得到了广泛应用。

2、已有llc谐振变换器面临两个主要问题：一是单相llc谐振变换器采用调节开关频率的方法调节电压增益，但是，在输入/输出电压范围和负载变化范围较宽时，开关频率的变化范围也变宽，导致llc谐振变换器的开关频率偏离了谐振频率，开关损耗增大，谐振电感器和谐振变压器也难以优化设计；二是为了扩充容量，llc谐振变换器常常需要多相并联运行，然而由于各并联相的谐振槽参数(包括谐振电感、谐振电容、励磁电感)之间存在偏差(通常在±5％范围内)，导致各并联相的谐振电流严重不均衡，降低效率，严重时会损坏电路。

3、为了解决这第一个问题，人们将已有固定谐振电容与电力电子开关器件串联，通过调节开关器件的占空比，实现有效谐振电容值的调节，从而调节llc谐振变换器的电压增益，实现llc谐振变换器的宽输入/输出电压范围和宽负载范围。然而，需要一个额外的电力电子开关器件和相应的驱动与控制电路，增加了开关损耗和电路复杂性，增大了成本。

4、为了解决这第二个问题，人们通过在两相谐振槽之间用一根导线连接实现均流，或者通过将两相谐振电感进行磁场耦合实现均流，但前者只能在两相的相位相同时实现均流，后者只能在两相相位在180°交错时实现均流，无论是两相的相位相同还是180°交错，llc谐振变换器的两相整流输出电流的相位都相同，导致两相输出电流纹波叠加，显著增大总输出电流纹波，增大输出滤波电容，增大llc变换器的总体积和损耗，增加成本。要想实现两相整流输出电流的相位相差180°，以实现两相整流输出电流的纹波互相抵消，两相谐振电流的相位必须进行90°交错，已有两相90°交错的llc谐振变换器采用上述固定谐振电容与开关器件串联的方式实现两相均流，但是同样需要额外的电力电子开关器件和相应的驱动与控制电路，增加了开关损耗和电路复杂性，增大了成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种基于可变(柔性)谐振电容的llc谐振变换器，通过调节可变谐振电容的容值，调节单相llc谐振变换器的电压增益，实现宽输入/输出电压范围和宽负载范围，实现谐振电感和谐振变压器等磁性元件的优化设计，简化llc谐振变换器的软硬件设计；实现两相90°交错并联llc谐振变换器的均流，使两相整流输出电流的相位互差180°，两相输出电流纹波互相抵消，显著减小两相llc谐振变换器的输出滤波电容，减小llc谐振变换器体积，降低成本。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，包括原边电路、副边电路和谐振变压器t1；其中，原边电路包括输入滤波电容cin、电力电子开关器件q1及其结电容cq1和反并联体二极管dq1、电力电子开关器件q2及其结电容cq2和反并联体二极管dq2、谐振电感lr1和固定谐振电容cr1；副边电路包括整流二极管d1和d2、输出滤波电容co；谐振变压器t1包括一个原边绕组及其等效励磁电感lm1和一个带中间抽头的副边绕组；

4、输入滤波电容cin的两端连接直流电源vin的两端，电力电子开关器件q1的漏极连接直流电源vin的正极，电力电子开关器件q1的源极连接电力电子开关器件q2的漏极，二者的连接点为a，组成一个桥臂；电力电子开关器件q2的源极连接直流电源vin的负极，二者的连接点为b；谐振电感lr1的一端连接a点，谐振电感lr1的另一端连接谐振变压器t1的原边绕组的一端；固定谐振电容cr1的一端连接b点，固定谐振电容cr1的另一端连接谐振变压器t1的原边绕组的另一端；谐振变压器t1的副边绕组的两端分别连接整流二极管d1和d2的阳极，整流二极管d1和d2的阴极均连接输出滤波电容co的正极；谐振变压器t1的副边绕组的中间抽头连接输出滤波电容co的负极，负载rl的两端分别连接输出滤波电容co的正、负极；

5、其特征在于：在所述固定谐振电容cr1的两端并联一个可变电容c’r1，所述固定谐振电容cr1与可变电容c’r1的电容值之和作为所述llc谐振变换器的总谐振电容，所述可变电容c’r1作为所述llc谐振变换器的可变谐振电容，形成基于可变谐振电容的半桥式llc谐振变换器；通过调节所述可变谐振电容c’r1的电容值，来调节所述llc谐振变换器的电压增益，实现所述llc谐振变换器的输入电压vin、输出电压vo和负载rl的宽范围调节。

6、本发明的有益效果是：

7、本专利所提供的基于可变(柔性)谐振电容的llc谐振变换器，通过手动或自动调节可变电容的电容值，可以调节llc谐振变换器的谐振槽的电压增益，实现单相llc谐振变换器的输入电压、输出电压和负载的宽范围调节，以及实现两相llc谐振变换器(两相谐振电流相位相同或交错180°，尤其是交错90°)的两相谐振电流以及两相整流输出电流的均衡控制。

8、以下结合附图以实施例作具体说明。

技术特征：

1.一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，包括原边电路、副边电路和谐振变压器t1；其中，原边电路包括输入滤波电容cin、电力电子开关器件q1及其结电容cq1和反并联体二极管dq1、电力电子开关器件q2及其结电容cq2和反并联体二极管dq2、谐振电感lr1和固定谐振电容cr1；副边电路包括整流二极管d1和d2、输出滤波电容co；谐振变压器t1包括一个原边绕组及其等效励磁电感lm1和一个带中间抽头的副边绕组；

2.根据权利要求1所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将所述两个基于可变谐振电容的半桥式llc谐振变换器的输入端和输出端分别并联，形成基于可变谐振电容的两相并联半桥式llc谐振变换器；其中第二相半桥式llc谐振变换器的电力电子开关器件q3和q4的开通和关断信号比第一相半桥式llc谐振变换器所对应的电力电子开关器件q1和q2的开通和关断信号分别落后四分之一开关周期，即所述基于可变谐振电容的两相并联半桥式llc谐振变换器的相位进行90°交错；

3.根据权利要求1所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将基于可变谐振电容的半桥式llc谐振变换器改为基于可变谐振电容的全桥式llc谐振变换器；

4.根据权利要求3所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将所述两个基于可变谐振电容的全桥式llc谐振变换器的输入端和输出端分别并联，形成基于可变谐振电容的两相并联全桥式llc谐振变换器；其中第二相全桥式llc谐振变换器的电力电子开关器件q9、q12、q10和q11的开通和关断信号分别比第一相全桥式llc谐振变换器所对应的电力电子开关器件q5、q8、q6和q7的开通和关断信号落后四分之一开关周期，即所述基于可变谐振电容的两相并联全桥式llc谐振变换器的相位进行90°交错；调节所述基于可变谐振电容的两相并联全桥式llc谐振变换器的可变谐振电容c’r1和c’r2的值，实现所述两相并联全桥式llc谐振变换器的两相谐振电流ilr1和ilr2的均衡控制、两相整流输出电流id1和id2的均衡控制，实现两相整流输出电流id1和id2的相位相反、纹波互相抵消，以及输入电压vin、输出电压vo和负载rl的宽范围调节。

5.根据权利要求1所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将所述基于可变谐振电容的半桥式llc谐振变换器的固定谐振电容cr1去掉，通过调节所述可变谐振电容c’r1的电容值，来调节所述llc谐振变换器的电压增益，实现所述llc谐振变换器的输入电压vin、输出电压vo和负载rl的宽范围调节；

6.根据权利要求2所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将所述基于可变谐振电容的两相并联半桥式llc谐振变换器的两相固定谐振电容cr1和cr2去掉。

7.根据权利要求4所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将所述基于可变谐振电容的两相并联全桥式llc谐振变换器的两相固定谐振电容cr1和cr2去掉。

8.根据权利要求1所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将所述可变谐振电容c’r1改为电压控制可变谐振电容，在所述llc谐振变换器上增加电压控制可变谐振电容的电压闭环控制电路，将所述llc谐振变换器的输出电压vo进行采样反馈，与给定电压vref进行比较，比较后的差值vref-vo通过pi调节器得到电压控制信号vcon；所述电压控制信号vcon通过电压控制电压源，得到直流控制电压vdc，通过控制所述直流控制电压vdc的大小来调节所述电压控制可变谐振电容c’r1的电容值，进行所述半桥式llc谐振变换器的电压控制可变谐振电容c’r1的闭环控制，调节所述半桥式llc谐振变换器的电压增益，实现半桥式llc谐振变换器的输入电压vin、输出电压vo和负载rl的宽范围调节；

9.根据权利要求2所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将基于可变谐振电容的两相并联半桥式llc谐振变换器的其中一相半桥式llc谐振变换器的可变谐振电容c’r2改为电压控制可变谐振电容，并增加电压控制可变谐振电容的电压闭环控制电路；当两相谐振参数lr1和lr2、cr1和cr2、lm1和lm2之间出现偏差，导致两相谐振电流ilr1和ilr2不均衡时，对输出电压vo进行采样反馈，与给定电压vref进行比较，比较后的差值vref-vo通过pi调节器得到电压控制信号vcon，通过电压控制电压源电路，得到直流控制电压vdc，通过控制直流控制电压vdc的大小来自动调节其中一相的电压控制可变谐振电容c’r1或c’r2的电容值，调节其中一相的llc谐振变换器的电压增益，使两相半桥式llc谐振变换器的电压增益相同，实现所述两相并联半桥式llc谐振变换器的均流控制，即实现两相谐振电流ilr1和ilr2的大小相等，相位相差四分之一开关周期即90°相位交错、二分之一开关周期即180°相位交错或相位相同。

10.根据权利要求4所述的一种基于可变谐振电容的llc谐振变换器，其特征在于：将所述基于可变谐振电容的两相全桥式llc谐振变换器的两相可变谐振电容去掉，在两相固定电容的输入端连接补偿电容ccp，实现两相谐振电流ilr1和ilr2的自动均衡。

技术总结
一种基于可变谐振电容的LLC谐振变换器，在传统单相LLC谐振变换器的固定谐振电容两端并联可变电容，形成基于可变谐振电容的单相LLC谐振变换器；将两个基于可变谐振电容的单相LLC谐振变换器并联，形成基于可变谐振电容的两相并联LLC谐振变换器。本专利的有益效果是：调节可变谐振电容的电容值，可以调节LLC谐振变换器的电压增益，实现单相LLC谐振变换器的输入电压、输出电压和负载的宽范围调节，以及两相90°交错并联LLC谐振变换器的均流控制和宽范围控制，使两相输出电流纹波互相抵消，减小滤波电容容量和体积，降低损耗，提高效率，其成果可以用于数据中心服务器电源、新能源汽车、储能、光伏发电、航空电源等领域。

技术研发人员：杨玉岗
受保护的技术使用者：杨玉岗
技术研发日：20230605
技术公布日：2024/4/17