專利名稱：一種三電平llc諧振變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流變換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三電平LLC諧振變換器。
背景技術(shù)：
諧振變換器通常包括兩個(gè)輸入端，用于施加輸入電壓；兩個(gè)輸出端，用于提供輸出電壓；一個(gè)諧振振蕩回路，它可以按照它的諧振頻率的節(jié)拍與輸入電壓連接。諧振振蕩回路的線圈與另一個(gè)線圈感應(yīng)耦合，后者通過一個(gè)整流電路與兩個(gè)輸出端連接。
如圖1所示的三電平LLC諧振變換器是一種諧振變換器，該變換器的主開關(guān)工作在零電壓開通，且整流器工作在零電流關(guān)斷。雖然，三電平LLC諧振變換器具有如上所述優(yōu)點(diǎn)，但變換器工作在諧振頻率附近，負(fù)載過載或短路時(shí)，變換器表現(xiàn)為主開關(guān)失去零電壓開通，主開關(guān)電流應(yīng)力過高，三電平LLC諧振變換器可能在保護(hù)電路未響應(yīng)時(shí)就失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種三電平LLC諧振變換器，使得諧振變換器負(fù)載過載或短路時(shí)，該變換器可避免主開關(guān)失去零電壓開通，電流應(yīng)力過高的問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
一種三電平LLC諧振變換器，包括分壓電路(110)，諧振電容(Cr)，第一續(xù)流二極管(D5)，第二續(xù)流二極管(D6)，開關(guān)電路(130)，諧振電感(Lr)，第一激磁電感(Lm1)，第一變壓器(T1)，第一整流電路(140)，所述分壓電路(110)的一端并聯(lián)在輸入端，另一端與所述開關(guān)電路(130)并聯(lián)，所述諧振電容(Cr)，諧振電感(Lr)與所述第一變壓器(T1)的原邊串聯(lián)后一端連接在所述分壓電路(110)的中點(diǎn)，另一端與所述開關(guān)電路(130)的中點(diǎn)電連接，所述第一激磁電感(Lm1)并聯(lián)在所述第一變壓器(T1)的原邊，所述第一續(xù)流二極管(D5)與第二續(xù)流二極管(D6)的一端分別與所述分壓電路(110)的中點(diǎn)相連，另一端分別與所述開關(guān)電路(130)相連，所述第一變壓器(T1)的副邊與所述整流電路(140)的一端并聯(lián)，所述第一整流電路(140)的另一端連接在輸出端，所述三電平LLC諧振變換器還包括一箝位電路(120)，所述箝位電路(120)包括第一箝位二極管(D7)和第二箝位二極管(D8)，第一箝位二極管(D7)與第二箝位二極管(D8)串聯(lián)后并聯(lián)在輸入端，所述諧振電容(Cr)的一端與所述第一箝位二極管(D7)和第二箝位二極管(D8)的中點(diǎn)電連接。
其中，所述三電平LLC諧振變換器還包括一箝位繞組，所述箝位繞組的一端與所述諧振電感(Lr)的同名端相連，所述諧振電容(Cr)的一端通過諧振電感(Lr)和所述箝位繞組與所述第一箝位二極管(D7)和第二箝位二極管(D8)的中點(diǎn)電連接。
其中，所述三電平LLC諧振變換器還包括第二激磁電感(Lm2)，第二變壓器(T2)，第二整流電路，所述第二變壓器(T2)的原邊一端與所述第一變壓器(T1)的原邊串聯(lián)，另一端與所述開關(guān)電路(130)的中點(diǎn)電連接，所述第二激磁電感(Lm2)并聯(lián)在所述第二變壓器(T2)的原邊；所述第二整流電路的一端并聯(lián)在所述第二變壓器(T2)的副邊，另一端連接在輸出端的一端，所述第一變壓器(T1)副邊的中心抽頭與第二變壓器(T2)副邊的中心抽頭并聯(lián)后連接在輸出端的另一端。
其中，所述三電平LLC諧振變換器還包括一箝位繞組，所述箝位繞組的一端與所述第一變壓器(T1)的同名端相連，所述諧振電容(Cr)的一端通過諧振電感(Lr)和所述箝位繞組與所述第一箝位二極管(D7)和第二箝位二極管(D8)的中點(diǎn)電連接。
其中，所述三電平LLC諧振變換器還包括第二激磁電感(Lm2)，第二變壓器(T2)，第二整流電路，所述第二變壓器(T2)的原邊一端與所述第一變壓器(T1)的原邊串聯(lián)，另一端與所述開關(guān)電路(130)的中點(diǎn)電連接，所述第二激磁電感(Lm2)并聯(lián)在所述第二變壓器(T2)的原邊；所述第二整流電路的一端并聯(lián)在所述第二變壓器(T2)的副邊，另一端連接在輸出端的一端，所述第一變壓器(T1)副邊的中心抽頭與第二變壓器(T2)副邊的中心抽頭并聯(lián)后連接在輸出端的另一端。
其中，所述整流電路為中心抽頭整流電路或全橋整流電路。
其中，所述三電平LLC諧振變換器還包括濾波電容(C)，所述濾波電容(C)并聯(lián)在輸出端。
以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明諧振變換器負(fù)載過載或短路時(shí)，通過箝位繞組和諧振電感或變壓器的耦合以及箝位二極管的共同作用將諧振電容的電壓箝位在輸入電壓或其它值，從而達(dá)到抑制原邊開關(guān)電流應(yīng)力的目的，同時(shí)在主電路參數(shù)確定的情況下，變換器輸出短路時(shí)，原邊開關(guān)電流應(yīng)力由輸入母線電平和箝位電路共同決定，原邊開關(guān)管電流應(yīng)力可以靈活設(shè)計(jì)。


圖1為現(xiàn)有的三電平LLC諧振變換器電路圖；圖2為具有二極管箝位的三電平LLC諧振變換器電路圖；圖3為具有二極管箝位的雙變壓器三電平LLC諧振變換器電路圖；圖4為具有諧振電感輔助繞組箝位的三電平LLC諧振變換器電路圖；圖5為具有諧振電感輔助繞組箝位的雙變壓器三電平LLC諧振變換器電路圖；圖6為具有變壓器輔助繞組箝位的三電平LLC諧振變換器電路圖；圖7為具有變壓器輔助繞組箝位雙變壓器三電平LLC諧振變換器電路圖；圖8為本發(fā)明三電平LLC諧振變換器主要波形圖；圖9/圖10/圖11/圖12/圖13a/圖13b/圖14/圖15為本發(fā)明三電平LLC諧振變換器在不同模式下工作原理圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的核心思想是當(dāng)諧振變換器負(fù)載過載或短路時(shí)，通過箝位繞組和諧振電感或變壓器的耦合以及箝位二極管的共同作用將諧振電容的電壓箝位在輸入電壓或其它值，從而避免主開關(guān)失去零電壓開通，抑制原邊開關(guān)電流應(yīng)力的目的。
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
請參閱圖2所示具有二極管箝位的三電平LLC諧振變換器電路圖，包括分壓電路110，諧振電容Cr，第一續(xù)流二極管D5，第二續(xù)流二極管D6，箝位電路120，開關(guān)電路130，諧振電感Lr，第一激磁電感Lm1，第一變壓器T1，第一整流電路140，濾波電容C；分壓電路110包括第一分壓電容c1和第二分壓電容c2，第一分壓電容c1與第二分壓電容c2串聯(lián)后并聯(lián)在輸入端；箝位電路120包括第一箝位二極管D7和第二箝位二極管D8，第一箝位二極管D7與第二箝位二極管D8串聯(lián)后陰極連接在正輸入端，陽極連接在負(fù)輸入端；開關(guān)電路130包括第一開關(guān)Q1、第二開關(guān)Q2、第三開關(guān)Q3和第四開關(guān)Q4，第一開關(guān)Q1、第二開關(guān)Q2、第三開關(guān)Q3和第四開關(guān)Q4串聯(lián)后并聯(lián)在輸入端；第一續(xù)流二極管D5的陽極與第二續(xù)流二極管D6的陰極并聯(lián)后連接在第一分壓電容c1和第二分壓電容c2的中點(diǎn)，第一續(xù)流二極管D5的陰極連接在第一開關(guān)Q1與第二開關(guān)Q2的中點(diǎn)，第二續(xù)流二極管D6的陽極連接在第三開關(guān)Q3與第四開關(guān)Q4的中點(diǎn)；諧振電容Cr與諧振電感Lr串聯(lián)后一端連接在第一分壓電容c1和第二分壓電容c2的中點(diǎn)，另一端與第一變壓器T1原邊的一端相連，第一變壓器T1原邊的另一端連接在第二開關(guān)Q2與第三開關(guān)Q3的中點(diǎn)，諧振電容Cr與諧振電感Lr的中點(diǎn)與第一箝位二極管D7與第二箝位二極管D8的中點(diǎn)電連接，第一激磁電感Lm1并聯(lián)在第一變壓器T1的原邊；第一整流電路140包括第一整流二極管D9和第二整流二極管D10，第一整流二極管D9和第二整流二極管D10的陽極分別與第一變壓器T1的副邊相連，其陰極并聯(lián)后連接在輸出端的一端，輸出端的另一端與第一變壓器T1的副邊的中心抽頭相連，濾波電容C并聯(lián)在輸出端。
其中，整流電路140可以采用中心抽頭整流電路或者全橋整流電路，諧振電感Lr可以是變壓器的漏感或變壓器原邊串聯(lián)的外加電感與變壓器漏感的串聯(lián)，激磁電感Lm可以是變壓器的激磁電感或變壓器原邊的外加并聯(lián)電感與變壓器激磁電感的并聯(lián)。
圖3所示具有二極管箝位的雙變壓器三電平LLC諧振變換器電路圖，其在圖2的基礎(chǔ)上增加了第二激磁電感Lm2，第二變壓器T2，第二整流電路，第一變壓器T1與第二變壓器T2的原邊串聯(lián)后一端與諧振電感Lr相連，另一端連接在第二開關(guān)Q2與第三開關(guān)Q3的中點(diǎn)；第一激磁電感Lm1與第二激磁電感Lm2串聯(lián)后并聯(lián)在第一變壓器T1與第二變壓器T2的原邊上，第二激磁電感Lm2并聯(lián)在第二變壓器T2的原邊；第二整流電路包括第三整流二極管D11和第四整流二極管D12，第三整流二極管D11和第四整流二極管D12的陽極分別與第二變壓器T2的副邊相連，其陰極并聯(lián)后連接在輸出端的一端，第一變壓器T1副邊的中心抽頭與第二變壓器T2副邊的中心抽頭并聯(lián)后連接在輸出端的另一端。
其中，圖3所述的變壓器還可以是三個(gè)、四個(gè)等多個(gè)變壓器，其連接關(guān)系及工作原理與圖3類似。
圖4、圖5分別在圖2、圖3的基礎(chǔ)上增加了一箝位繞組，箝位繞組的一端與諧振電感Lr的同名端相連，另一端與第一箝位二極管D7與第二箝位二極管D8的中點(diǎn)電連接。
圖6在圖2的基礎(chǔ)上增加了一箝位繞組，箝位繞組的一端與第一變壓器T1的同名端相連，另一端與第一箝位二極管D7與第二箝位二極管D8的中點(diǎn)電連接。
圖7在圖6的基礎(chǔ)上增加了第二激磁電感Lm2，第二變壓器T2，第二整流電路，第一變壓器T1與第二變壓器T2的原邊串聯(lián)后一端與諧振電感Lr相連，另一端連接在第二開關(guān)Q2與第三開關(guān)Q3的中點(diǎn)；第一激磁電感Lm1與第二激磁電感Lm2串聯(lián)后并聯(lián)在第一變壓器T1與第二變壓器T2的原邊上，第二激磁電感Lm2并聯(lián)在第二變壓器T2的原邊；第二整流電路包括第三整流二極管D11和第四整流二極管D12，第三整流二極管D11和第四整流二極管D12的陽極分別與第二變壓器T2的副邊相連，其陰極并聯(lián)后連接在輸出端的一端，第一變壓器T1副邊的中心抽頭與第二變壓器T2副邊的中心抽頭并聯(lián)后連接在輸出端的另一端。
其中，圖4是本發(fā)明中較典型的一種變換器，下面介紹其工作原理。
在以下的分析中，為了更好的描述短路態(tài)時(shí)工作原理，先描述基本三電平LLC諧振變換器的工作原理，一個(gè)開關(guān)周期可以分成8個(gè)工作模式，相應(yīng)的工作波形如圖8所示。8個(gè)工作模式的工作原理分別描述如下如圖9所示，模式1t0＜t＜t1。在t＝t0時(shí)刻，Q1、Q2同時(shí)開通。變壓器原邊電流流過Q1和Q2，副邊二極管D9正偏導(dǎo)通，Cr與Lr產(chǎn)生串聯(lián)諧振，電感Lr電流以正弦規(guī)律正向增加到最大然后減小，流過電感Lm的電流線性增加。
如圖10所示，模式2t1＜t＜t2。在t1時(shí)刻，諧振電感Lr的電流與電感Lm的電流相等，變壓器原邊電流降到零，副邊電流也降到零，二極管D9實(shí)現(xiàn)ZCS自然關(guān)斷。Lm電壓不被箝位，成為自由電感和Lr串聯(lián)與Cr諧振。因Lm比Lr大許多，諧振周期長，在t1～t2內(nèi)，可近似認(rèn)為諧振電流不變。
如圖11所示，模式3t2＜t＜t3。在t＝t2時(shí)刻，發(fā)出Q1關(guān)斷信號，Q2仍然導(dǎo)通。諧振電流對Q1的輸出結(jié)電容充電，當(dāng)Vds1升至輸入電平一半時(shí)，二極管D5導(dǎo)通，Vds1箝位于1/2輸入電平，Q1關(guān)斷。
如圖12所示，模式4t3＜t＜t4。t3時(shí)刻，發(fā)出Q2關(guān)斷信號，Vds2上升。當(dāng)升至輸入電壓一半時(shí)，D3、D4的偏置為零。為Q3、Q4零電壓開通創(chuàng)造條件。
如圖13a所示，模式5t4＜t＜t5。在t4時(shí)刻，同時(shí)發(fā)出Q3、Q4開通信號，加在Cr、Lr、Lm的電壓反向，二極管D10導(dǎo)通，Cr與Lr產(chǎn)生諧振，諧振電流按正弦規(guī)律反向增大到最大然后減小。電感Lm上電流反向線性增加。
如圖13b所示，模式6t5＜t＜t6，t5時(shí)刻，諧振電感Lr電流與電感Lm電流相等，變壓器原邊電流降到零，副邊電流也將到零，二極管D10實(shí)現(xiàn)ZCS自然關(guān)斷。
如圖14所示，模式7t6＜t＜t7，t6時(shí)刻，發(fā)出Q4關(guān)斷信號，Q3仍然導(dǎo)通。諧振電流對Q4的輸出結(jié)電容充電，當(dāng)Vds4升至輸入電平一半時(shí)，二極管D6導(dǎo)通，Vds4箝位于1/2輸入電平，Q4關(guān)斷。
如圖15所示，模式8t7＜t＜t8，t7時(shí)刻，發(fā)出Q3關(guān)斷信號，諧振電流對Q3的輸出結(jié)電容充電，當(dāng)Vds3升至輸入電平一半時(shí)，二極管D1、D2零偏，為Q1、Q2零電壓開通創(chuàng)造條件，進(jìn)入下一循環(huán)周期。
變壓器原邊電感電壓箝位在零電位，電感Lm上的電流維持在短路前的數(shù)值不變(如忽略回路上的電阻)，變換器不再向負(fù)載傳遞電能。諧振電容Cr中保證激磁電感的磁場能量和向負(fù)載提供電能的儲能，全部在諧振網(wǎng)路中循環(huán)，諧振電感Lr電流上升到很高的水平，與諧振網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)且處于通態(tài)的開關(guān)管將承受很高的電流應(yīng)力，導(dǎo)致永久失效。具有箝位電路的三電平LLC諧振變換器，可以將諧振電容Cr的電壓箝位在等于、低于或高于輸入母線電平，將變換器因短路導(dǎo)致諧振網(wǎng)絡(luò)過多的循環(huán)能量部分回饋給輸入網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到限制開關(guān)管電流應(yīng)力的目的，保護(hù)開關(guān)管不至永久失效。
本發(fā)明經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性與可行性。
以上對本發(fā)明所提供的一種三電平LLC諧振變換器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種三電平LLC諧振變換器，包括分壓電路(110)，諧振電容(Cr)，第一續(xù)流二極管(D5)，第二續(xù)流二極管(D6)，開關(guān)電路(130)，諧振電感(Lr)，第一激磁電感(Lm1)，第一變壓器(T1)，第一整流電路(140)，所述分壓電路(110)的一端并聯(lián)在輸入端，另一端與所述開關(guān)電路(130)并聯(lián)，所述諧振電容(Cr)，諧振電感(Lr)與所述第一變壓器(T1)的原邊串聯(lián)后一端連接在所述分壓電路(110)的中點(diǎn)，另一端與所述開關(guān)電路(130)的中點(diǎn)電連接，所述第一激磁電感(Lm1)并聯(lián)在所述第一變壓器(T1)的原邊，所述第一續(xù)流二極管(D5)與第二續(xù)流二極管(D6)的一端分別與所述分壓電路(110)的中點(diǎn)相連，另一端分別與所述開關(guān)電路(130)相連，所述第一變壓器(T1)的副邊與所述整流電路(140)的一端并聯(lián)，所述第一整流電路(140)的另一端連接在輸出端，其特征在于，還包括一箝位電路(120)，所述箝位電路(120)包括第一箝位二極管(D7)和第二箝位二極管(D8)，第一箝位二極管(D7)與第二箝位二極管(D8)串聯(lián)后并聯(lián)在輸入端，所述諧振電容(Cr)的一端與所述第一箝位二極管(D7)和第二箝位二極管(D8)的中點(diǎn)電連接。
2.如權(quán)利要求1所述三電平LLC諧振變換器，其特征在于還包括一箝位繞組，所述箝位繞組的一端與所述諧振電感(Lr)的同名端相連，所述諧振電容(Cr)的一端通過諧振電感(Lr)和所述箝位繞組與所述第一箝位二極管(D7)和第二箝位二極管(D8)的中點(diǎn)電連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述三電平LLC諧振變換器，其特征在于還包括第二激磁電感(Lm2)，第二變壓器(T2)，第二整流電路，所述第二變壓器(T2)的原邊一端與所述第一變壓器(T1)的原邊串聯(lián)，另一端與所述開關(guān)電路(130)的中點(diǎn)電連接，所述第二激磁電感(Lm2)并聯(lián)在所述第二變壓器(T2)的原邊；所述第二整流電路的一端并聯(lián)在所述第二變壓器(T2)的副邊，另一端連接在輸出端的一端，所述第一變壓器(T1)副邊的中心抽頭與第二變壓器(T2)副邊的中心抽頭并聯(lián)后連接在輸出端的另一端。
4.如權(quán)利要求1所述三電平LLC諧振變換器，其特征在于還包括一箝位繞組，所述箝位繞組的一端與所述第一變壓器(T1)的同名端相連，所述諧振電容(Cr)的一端通過諧振電感(Lr)和所述箝位繞組與所述第一箝位二極管(D7)和第二箝位二極管(D8)的中點(diǎn)電連接。
5.如權(quán)利要求4所述三電平LLC諧振變換器，其特征在于還包括第二激磁電感(Lm2)，第二變壓器(T2)，第二整流電路，所述第二變壓器(T2)的原邊一端與所述第一變壓器(T1)的原邊串聯(lián)，另一端與所述開關(guān)電路(130)的中點(diǎn)電連接，所述第二激磁電感(Lm2)并聯(lián)在所述第二變壓器(T2)的原邊；所述第二整流電路的一端并聯(lián)在所述第二變壓器(T2)的副邊，另一端連接在輸出端的一端，所述第一變壓器(T1)副邊的中心抽頭與第二變壓器(T2)副邊的中心抽頭并聯(lián)后連接在輸出端的另一端。
6.如權(quán)利要求1、2、4或5任一項(xiàng)所述三電平LLC諧振變換器，其特征在于所述整流電路為中心抽頭整流電路或全橋整流電路。
7.如權(quán)利要求1、2、4或5任一項(xiàng)所述三電平LLC諧振變換器，其特征在于還包括濾波電容(C)，所述濾波電容(C)并聯(lián)在輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三電平LLC諧振變換器，在諧振變換器負(fù)載過載或短路時(shí)，通過箝位繞組和諧振電感或變壓器的耦合以及箝位二極管的共同作用將諧振電容的電壓箝位在輸入電壓或其它值，從而達(dá)到抑制原邊開關(guān)電流應(yīng)力的目的，同時(shí)在主電路參數(shù)確定的情況下，變換器輸出短路時(shí)，原邊開關(guān)電流應(yīng)力由輸入母線電平和箝位電路共同決定，原邊開關(guān)管電流應(yīng)力可以靈活設(shè)計(jì)。
文檔編號H02M3/335GK101047337SQ20071007386
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者吳建華, 胡永輝 申請人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司