一种宽电压增益LLC谐振变换器

本发明属于开关电源，特别涉及一种宽电压增益llc谐振变换器。

背景技术：

1、随着电力电子领域迅猛发展，开关变换器应用越来越广泛，高功率密度和高效率成为行业发展趋势。在电力电子变换器中，开关频率的提高可以有效减小变换器的体积，但会增加开关损耗。为了减少开关损耗，软开关技术应运而生。传统的llc谐振变换器凭借其结构简单、软开关范围较宽、开关损耗低、效率高等诸多优点，占据了电源行业的重要地位。然而，可再生能源、车载充电机和充电桩等的大规模应用对宽范围调压变换器的需求急剧增加，但是传统llc谐振变换器在实现宽范围调压时很难兼顾到高效率。

2、传统llc谐振变换器llc谐振变换器一般需要通过改变开关频率实现输出电压的调节，当输出电压范围较宽时，开关频率需要在很宽的范围内变化；在传统的llc设计方法中，通常将变换器设计在开关频率fs低于谐振频率fr的区域，为了满足宽电压范围的要求，同时限制频率变化范围，该区域的电压增益曲线斜率必须足够高。因此，品质因数q和电感比k(k＝lm/lr，其中lm为变压器的励磁电感，lr为谐振电感)都应设置为较小的值，这样会导致励磁电流较大，效率较低。同时，较宽的频率范围给变压器的设计带来了极大的困难。因此，传统的频率调制的llc谐振变换器在实现宽电压范围时，很难获得高效率。

技术实现思路

1、本发明涉及一种宽电压增益llc谐振变换器，其目的是提供一种基于传统llc拓扑重构的结构，满足宽电压增益的要求。

2、本发明所述的宽电压增益llc谐振变换器，包括：

3、输入电容cin1、开关管q1～q4构成的逆变电路、谐振电容cr和谐振电感lr构成的谐振腔、变压器t、隔直电容cs和二极管d1～d4以及辅助开关管s1构成的整流电路、输出电容co。

4、所述输入电容cin1接收直流输入电压vin，其正端接所述开关管q1和q3的漏极，负端接开关管q2和q4的源极；所述开关管q1的源极接所述开关管q2的漏极和所述谐振电感lr的一端，谐振电感lr的另一端接所述变压器t原边绕组wp的同名端；变压器原边绕组wp的异名端接所述谐振电容cr，谐振电容cr另一端接所述开关管q3的源极和开关管q4的漏极；所述的变压器t副边绕组ws的同名端连接所述隔直电容cs的一端，所述隔直电容cs的另一端连所述二极管d1的阳极和d2的阴极；所述变压器副边绕组ws的异名端连接二极管d3的阳极、二极管d4的阴极和辅助开关管s1的漏极；所述输出电容co的负端连接辅助开关管s1的源极和二极管d2、d4的阳极，所述输出电容co的另一端连二极管d1和d3的阴极，所述输出电容co的两端与负载ro连接。

5、所述辅助开关管s1存在三种工作模式：常断、常通和占空比控制，使得整流电路分别构成全桥整流、倍压整流和开关整流三种稳态整流模式。

6、当所述开关管s1处于常断状态时，输出整流电路为全桥整流。

7、当所述开关管s1处于常通状态时，输出整流电路为倍压整流。

8、当所述开关管s1采用占空比为[0.5,1]的pwm信号控制的占空比控制方式，整流电路为开关整流。

9、所述逆变电路有全桥和半桥两种工作模式，具体如下：

10、当所述开关管q1和q4同时导通、q2和q3同时导通，且q1和q2互补导通、q2和q3互补导通时，逆变电路工作在全桥逆变模式。

11、当所述开关管q4常通、q3常断且q1和q2互补导通时，逆变电路工作在半桥逆变模式。

12、在全输出电压范围内，所述宽电压增益llc谐振变换器工作在不同的输出电压区间时，采用不同的逆变电路工作模式和输出整流电路模式的组合。

13、优选的，所述宽电压增益llc谐振变换器可采用传统的低q值的参数设计方式，即品质因数q<1。

14、优选的，所述宽电压增益llc谐振变换器可采用高q值的参数设计方式，即品质因数q>1。此时，所述宽电压增益llc谐振变换器等效为一种lc串联谐振变换器。

15、优选的，所述宽电压增益llc谐振变换器采用低q值的参数设计方式时，在高输出电压区间，即输出电压增益范围为[2，4]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和倍压整流模式的组合方式；在中输出电压区间，即输出电压增益范围为[1,2)区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和开关整流模式的组合方式；在低输出电压区间，即输出电压增益低于1的区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用半桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式。

16、优选的，所述宽电压增益llc谐振变换器采用高q值的参数设计方式且输出重载时，在高输出电压区间，即输出电压增益范围为(1，2]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和开关整流模式的组合方式；在中输出电压区间，即输出电压增益范围为[1/2，1]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式；在低输出电压区间，即输出电压增益低于1/2的区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用半桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式。当输出中、轻载时，在高输出电压区间，即输出电压增益范围为(1，2]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和倍压整流模式的组合方式；在中输出电压区间，即输出电压增益范围为[1/2，1]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式；在低输出电压区间，即输出电压增益低于1/2的区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用半桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式。

17、本发明的有益效果在于：本发明的宽电压增益llc谐振变换器电路结构简单，通过拓扑结构重建，可满足宽电压增益范围的要求，同时还能实现全电压范围内效率的提升与优化。

技术特征：

1.一种宽电压增益llc谐振变换器，其特征在于，包括输入电容cin1、开关管q1～q4构成的逆变电路、谐振电容cr和谐振电感lr构成的谐振腔、变压器t、隔直电容cs和二极管d1～d4以及辅助开关管s1构成的整流电路、输出电容co；

2.根据权利要求1所述的宽电压增益llc谐振变换器，其特征在于，所述辅助开关管s1存在三种工作模式：常断、常通和占空比控制，使得整流电路分别构成成全桥整流、倍压整流和开关整流三种稳态整流模式。

3.根据权利要求2所述的宽电压增益llc谐振变换器，其特征在于，当所述开关管s1处于常断状态时，输出整流电路为全桥整流；

4.根据权利要求1所述的宽电压增益llc谐振变换器，其特征在于，所述逆变电路有全桥和半桥两种工作模式，具体如下：

5.根据权利要求1所述的宽电压增益llc谐振变换器，其特征在于，在全输出电压范围内，所述宽电压增益llc谐振变换器工作在不同的输出电压区间时，采用不同的逆变电路工作模式和输出整流电路模式的组合。

6.根据权利要求1所述的宽电压增益llc谐振变换器，其特征在于，所述宽电压增益llc谐振变换器可采用传统的低q值的参数设计方式，即品质因数q<1；

7.根据权利要求6所述的宽电压增益llc谐振变换器，其特征在于，所述宽电压增益llc谐振变换器采用低q值的参数设计方式时，在高输出电压区间，即输出电压增益范围为[2，4]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和倍压整流模式的组合方式；在中输出电压区间，即输出电压增益范围为[1,2)区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和开关整流模式的组合方式；在低输出电压区间，即输出电压增益低于1的区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用半桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式。

8.根据权利要求6所述的宽电压增益llc谐振变换器，其特征在于，所述宽电压增益llc谐振变换器采用高q值的参数设计方式且输出重载时，在高输出电压区间，即输出电压增益范围为(1，2]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和开关整流模式的组合方式；在中输出电压区间，即输出电压增益范围为[1/2，1]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式；在低输出电压区间，即输出电压增益低于1/2的区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用半桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式；当输出中、轻载时，在高输出电压区间，即输出电压增益范围为(1，2]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和倍压整流模式的组合方式；在中输出电压区间，即输出电压增益范围为[1/2，1]区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用全桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式；在低输出电压区间，即输出电压增益低于1/2的区间，所述宽电压增益llc谐振变换器采用半桥逆变模式和全桥整流模式的组合方式。

技术总结本发明公开了一种宽电压增益LLC谐振变换器，属于开关电源技术领域，包括输入电容C<subgt;in1</subgt;、开关管Q<subgt;1</subgt;～Q<subgt;4</subgt;构成的逆变电路、谐振电容C<subgt;r</subgt;和谐振电感L<subgt;r</subgt;构成的谐振腔、变压器T、隔直电容C<subgt;s</subgt;和二极管D<subgt;1</subgt;～D<subgt;4</subgt;以及辅助开关管S<subgt;1</subgt;构成的整流电路、输出电容C<subgt;o</subgt;。本发明的宽电压增益LLC谐振变换器电路结构简单，通过拓扑结构重建，可满足宽电压增益范围的要求，同时还能实现全电压范围内效率的提升与优化。技术研发人员：童骁,谢小高受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23