專利名稱：一種用于ups的基于llc的全橋零電壓開關(guān)升壓諧振變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全橋電路，尤其是涉及一種用于UPS的基于LLC的全橋 零電壓開關(guān)升壓諧振變換器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有用于UPS的小功率電池模式電路大都采用推挽電路、半橋電路、 全橋電路等加上逆變電路一塊構(gòu)成主電路拓?fù)?，整機(jī)效率一般為83% 87%，成本相對(duì)較高，DC/DC電路頻率一般為40khz 50khz。由于半橋 LLC升壓諧振變換器的諧振Q值偏大，電壓隨著頻率的增加而降低的單調(diào) 性很差，難以在全范圍實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓導(dǎo)通(ZVS)，成為半橋電路設(shè)計(jì) 中的難點(diǎn)。而采用LLC全橋DC/DC電路的一次電源，DC/DC電路效率為 94%左右，其原邊電流相對(duì)較小，且為單路輸出的降壓電路，利于諧振控 制。但是，如果將以上技術(shù)同時(shí)使用在UPS產(chǎn)品，需要將LLC應(yīng)用在雙 路母線輸出的升壓電路中，至今尚未見有類似電路的報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于 UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升壓諧振變換器，其不僅能提升整機(jī)效 率，而且能提高DC/DC電路頻率，減小DC/DC變換模塊主變壓器的尺寸， 同時(shí)相應(yīng)的減少成本。
本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案予以解決。
這種用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升壓諧振變換器，包括 電池、DC/DC變換模塊和逆變電源(INV)模塊，所述DC/DC變換模塊 包括由開關(guān)管、主變壓器、與主變壓器連接的諧振器件組成的諧振變換電 路以及輸出整流管，所述開關(guān)管與所述電池的輸出端連接，所述與主變壓 器串聯(lián)的諧振器件連接在所述開關(guān)管與所述主變壓器的原邊線圈之間，所 述輸出整流管的輸入端與所述主變壓器的副邊線圈連接，所述輸出整流管 的輸出端與所述逆變電源模塊的輸入端連接。這種用于UPS的升壓式LLC全橋電路的特點(diǎn)是
所述DC/DC變換模塊中的諧振變換電路，是全橋LLC諧振變換電路， 包括由四個(gè)主開關(guān)管全橋式連接組成的開關(guān)橋、原邊線圈并聯(lián)有勵(lì)磁電感 的主變壓器、與主變壓器連接的串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容，所述勵(lì)磁 電感、串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容組成LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，所述LLC諧振 網(wǎng)絡(luò)連接在開關(guān)全橋的兩個(gè)輸出端，所述主變壓器的輸出側(cè)是由兩組整流 二極管組成的同步全波整流電路，分別直接連接至兩個(gè)共地線的輸出電容 上，以便將所述電池通過變換掛接在雙路輸出的母線上，為逆變側(cè)提供雙 路的母線電壓。
所述開關(guān)全橋采用驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是固定占空比的互補(bǔ)信 號(hào)，控制四個(gè)主開關(guān)管輪流橋式導(dǎo)通，互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在死區(qū)，通 過所述LLC諧振網(wǎng)絡(luò)變換控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓導(dǎo)通。
本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下進(jìn)一步的技術(shù)方案予以解決。 所述逆變電源模塊是由兩路MOS開關(guān)管、輸出電感和濾波電容組成 的半橋拓?fù)淠孀兤?，兩路MOS開關(guān)管采用DSP數(shù)字發(fā)波實(shí)現(xiàn)正弦脈沖寬 度調(diào)制(Sinusoidal PWM，簡(jiǎn)稱SPWM)調(diào)節(jié)輸出電壓，以便將雙路直流 母線電壓轉(zhuǎn)換成交流正弦波電壓，實(shí)現(xiàn)電路的逆變功能，而逆變電源模塊 的輸出和旁路的輸出之間的不間斷切換采用DSP控制繼電器驅(qū)動(dòng)。
所述全橋式LLC升壓諧振變換電路采用穩(wěn)雙路輸出電壓的方式實(shí)行 諧振采樣控制。
所述全橋LLC諧振變換電路是采用DSP數(shù)字控制的全橋LLC諧振變 換電路，采用DSP數(shù)字發(fā)波實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Wide Modulation, 簡(jiǎn)稱PWM) /脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation,簡(jiǎn)稱PFM)相
結(jié)合的控制方式。
所述全橋LLC諧振變換電路中與所述主變壓器的原邊線圈并聯(lián)的電 感是集成在主變壓器內(nèi)的電感。
所述DC/DC變換模塊中的開關(guān)管是N型溝道MOSFET。 所述用于UPS包括用于UPS電池升壓電路。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比的有益效果是
相對(duì)于半橋LLC升壓諧振變換器而言，本發(fā)明的全橋LLC諧振變換 電路克服了半橋LLC升壓諧振變換器由于諧振Q值偏大、單調(diào)性很差、難以在全范圍實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓導(dǎo)通的弊端，容易工作在最佳狀態(tài)，所述 最佳狀態(tài)是指工作頻率稍小于諧振頻率，主變壓器原邊側(cè)的開關(guān)管零電壓 導(dǎo)通，副邊側(cè)的整流二極管自然過零。而且工作頻率可以提高到100khz 150khz，以提高電路效率，減小電磁元件的體積，降低成本。此外，由于
本發(fā)明電路的主變壓器副邊側(cè)的整流二極管自然過零，損耗低，尖峰小，
有利于EMI的設(shè)計(jì)，可以省去推挽電路及普通全橋電路必須采用的吸收電 路，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路和降低成本。本發(fā)明電路可以使用在UPS電池升 壓電路中，制造各種高效率、低成本的小功率UPS產(chǎn)品，有很好的市場(chǎng)效 應(yīng)。


下面結(jié)合具體實(shí)施方式
并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的電路圖2是圖1的DC/DC變換模塊的驅(qū)動(dòng)電路；
圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的電路的占空比D、輸出電壓DCVout與 電壓采樣轉(zhuǎn)換后的電壓Vloop的關(guān)系折線圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示的一種用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升壓諧振 變換器使用在UPS電池升壓電路中，包括電池V1、 DC/DC變換模塊和逆 變電源模塊。
DC/DC變換模塊包括由四個(gè)開關(guān)管Q5、 Q5A、 Q6、 Q6A全橋式連接 組成的開關(guān)橋、原邊線圈并聯(lián)有勵(lì)磁電感Lm的主變壓器Tl、與主變壓器 Tl連接的串聯(lián)諧振電感Lr、串聯(lián)諧振電容Cr組成的全橋LLC諧振變換電 路以及輸出整流管。
勵(lì)磁電感Lm、串聯(lián)諧振電感Lr、串聯(lián)諧振電容Cr組成的LLC諧振 網(wǎng)絡(luò)連接在開關(guān)全橋的兩個(gè)輸出端，主變壓器Tl的輸出側(cè)是由兩組整流 二極管D5、 D6和D7、 D8組成的同步全波整流電路，分別直接連接至兩 個(gè)共地線的輸出電容Cl、 C2上，以便將電池VI通過變換掛接在雙路輸 出的母線上，為逆變側(cè)提供雙路的母線電壓。
圖2是圖1的DC/DC變換模塊的驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)全橋采用驅(qū)動(dòng)變壓 器Tll 、 T12驅(qū)動(dòng)。DSP送來的控制信號(hào)DRV—DISCHARGERJJP和 DRV—DISCHARGER—DOWN，經(jīng)過由R32、 Q17、 Q15和R31、 016、 Q18組成的圖騰柱放大電路分別送入驅(qū)動(dòng)變壓器Tll、 T12，經(jīng)濾波電容Cll、 C12、 C13濾波的直流電壓V12，是圖騰柱三極管Q17、 Q15、 Q16、 Q18 的供電電源。驅(qū)動(dòng)變壓器Til產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),分別驅(qū)動(dòng)開關(guān)管 Q5、 Q6，驅(qū)動(dòng)變壓器T12產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Q5A、 Q6A ，其中，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Q5A 、 Q6的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管 Q6A、 Q5的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，且開關(guān)管Q5A、 Q6與開關(guān)管Q6A、 Q5 兩路互補(bǔ)，以保證開關(guān)管Q5A、 Q6同時(shí)導(dǎo)通，開關(guān)管Q5A、 Q6同時(shí)導(dǎo) 通；且開關(guān)管Q5A、 Q6與開關(guān)管Q5A、 Q6互補(bǔ)導(dǎo)通，控制全橋的橋臂四 個(gè)主開關(guān)管輪流橋式導(dǎo)通，互補(bǔ)的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在死區(qū)，通過LLC 諧振網(wǎng)絡(luò)變換控制，實(shí)現(xiàn)四個(gè)主開關(guān)管Q5、 Q5A、 Q6、 Q6A零電壓導(dǎo)通。 逆變電源模塊是由兩路MOS開關(guān)管Q3、 Q4、輸出電感L2和濾波電 容C3組成的半橋拓?fù)淠孀兤鳎瑑陕稭OS開關(guān)管Q3、 Q4采用DSP數(shù)字 發(fā)波實(shí)現(xiàn)正弦脈沖寬度調(diào)制(Sinusoidal PWM，簡(jiǎn)稱SPWM)調(diào)節(jié)輸出電 壓，以便將雙路直流母線電壓轉(zhuǎn)換成交流正弦波電壓，實(shí)現(xiàn)電路的逆變功 能，而逆變電源模塊的輸出和旁路的輸出之間的不間斷切換采用DSP控制 繼電器驅(qū)動(dòng)。
全橋式LLC升壓諧振變換電路采用穩(wěn)雙路輸出電壓實(shí)行諧振采樣控 制。通過采樣正負(fù)母線電壓，與預(yù)先設(shè)置的基準(zhǔn)電壓比較，得出差異值， 再將此值經(jīng)過運(yùn)算得到采樣反饋環(huán)路電壓，送入DSP進(jìn)行控制。
全橋LLC諧振變換電路是采用DSP數(shù)字控制的全橋LLC諧振變換電 路，采用DSP數(shù)字發(fā)波實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Wide Modulation,簡(jiǎn)稱 PWM) /脈沖頻率調(diào)制(Pulse Fr叫uency Modulation,簡(jiǎn)稱PFM)相結(jié)合的 控制方式。
圖3的上部分是本發(fā)明電路的占空比D與電壓采樣轉(zhuǎn)換后的電壓 Vloop的關(guān)系折線圖；下部分是本發(fā)明電路的輸出電壓DCVout與電壓采 樣轉(zhuǎn)換后的電壓Vloop的關(guān)系折線圖，圖中橫軸代表送至DSP的電壓采樣 轉(zhuǎn)換后的電壓Vloop。設(shè)DC/DC負(fù)載為RO。
1) 當(dāng)Vloop從0V aV (其中a是采樣反饋得環(huán)路電壓得某一個(gè)值； 輸出電壓?jiǎn)?dòng)階段，處于只調(diào)節(jié)占通比，不調(diào)頻時(shí)的初始反饋環(huán)路電壓值， 以下同)變化時(shí)，占空比為0，無輸出；
2) 當(dāng)Vloop從aV cV變化時(shí)，控制頻率f不變，為f=fmax=250khz，占空比從5%變化到開始調(diào)頻時(shí)的初始占通比DO;對(duì)于負(fù)載RO，輸出從 OV變化到VI;全橋LLC諧振環(huán)路控制采用DSP數(shù)字發(fā)波實(shí)現(xiàn)PWM;
3) 當(dāng)Vloop從cV bV變化時(shí)，控制頻率與占空比同時(shí)變化占空比 從D0變化到50M滿脈寬(未含死區(qū)，實(shí)際約為49%，以下相同)，導(dǎo)致輸 出電壓繼續(xù)上升；同時(shí)，控制頻率也從fmax減小到fD440khz，該變化也 導(dǎo)致輸出電壓的上升；當(dāng)環(huán)路電壓上升到bV時(shí)，占空比達(dá)到最大值50%， 輸出電壓上升為V2;全橋LLC諧振環(huán)路控制采用DSP數(shù)字發(fā)波實(shí)現(xiàn)PWM
+ PFM;
4) 當(dāng)Vloop從bV 12V變化時(shí)，占空比不變，控制頻率從fO下降到 fmin，輸出電壓繼續(xù)上升，直至fH"min=85khz時(shí)，輸出電壓為V3;全橋 LLC諧振環(huán)路控制采用DSP數(shù)字發(fā)波實(shí)現(xiàn)PFM。
從圖3中可以看出，Vloop與輸出電壓的關(guān)系為單調(diào)上升相關(guān)，所以 能夠做到閉環(huán)控制。
本具體實(shí)施方式
電路的諧振頻率為153khz時(shí)，工作頻率為85khz 153khz，實(shí)際升壓電路效率即整機(jī)電池模式效率測(cè)試值為95%左右，包括 電池和逆變電路在內(nèi)的UPS整機(jī)效率為92%左右，優(yōu)于業(yè)界現(xiàn)有的83°/。
87%。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說 明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干等同替 代或明顯變型，而且性能或用途相同，則應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的 權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升壓諧振變換器，包括電池、DC/DC變換模塊和逆變電源模塊，所述DC/DC變換模塊包括由開關(guān)管、主變壓器、與主變壓器連接的諧振器件組成的諧振變換電路以及輸出整流管，所述開關(guān)管與所述電池的輸出端連接，所述與主變壓器串聯(lián)的諧振器件連接在所述開關(guān)管與所述主變壓器的原邊線圈之間，所述輸出整流管的輸入端與所述主變壓器的副邊線圈連接，所述輸出整流管的輸出端與所述逆變電源模塊的輸入端連接，其特征在于所述DC/DC變換模塊中的諧振變換電路，是全橋LLC諧振變換電路，包括由四個(gè)主開關(guān)管全橋式連接組成的開關(guān)橋、原邊線圈并聯(lián)有勵(lì)磁電感的主變壓器、與主變壓器連接的串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容，所述勵(lì)磁電感、串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容組成LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，所述LLC諧振網(wǎng)絡(luò)連接在開關(guān)全橋的兩個(gè)輸出端，主變壓器的輸出側(cè)是由兩組整流二極管組成的同步全波整流電路，分別直接連接至兩個(gè)共地線的輸出電容上。
2. 按照權(quán)利要求1所述的用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升 壓諧振變換器，其特征在于所述開關(guān)全橋采用驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)信號(hào)，控制四個(gè) 主開關(guān)管輪流橋式導(dǎo)通，互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在死區(qū)，通過所述LLC諧 振網(wǎng)絡(luò)變換控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓導(dǎo)通。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開 關(guān)升壓諧振變換器，其特征在于所述逆變電源模塊是由兩路MOS開關(guān)管、輸出電感和濾波電容組成 的半橋拓?fù)淠孀兤?，兩路MOS開關(guān)管采用DSP數(shù)字發(fā)波實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)節(jié) 輸出電壓。
4. 按照權(quán)利要求3所述的用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升 壓諧振變換器，其特征在于所述全橋式LLC升壓諧振變換電路采用穩(wěn)雙路輸出電壓的方式實(shí)行 諧振采樣控制。
5. 按照權(quán)利要求4所述的用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升壓諧振變換器，其特征在于所述全橋LLC諧振變換電路是采用DSP數(shù)字控制的全橋LLC諧振變 換電路，采用DSP數(shù)字發(fā)波實(shí)現(xiàn)PWM/PFM相結(jié)合的控制方式。
6. 按照權(quán)利要求5所述的用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升 壓諧振變換器，其特征在于所述全橋LLC諧振變換電路中與所述主變壓器的原邊線圈并聯(lián)的電 感是集成在主變壓器內(nèi)的電感。
7. 按照權(quán)利要求6所述的用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升 壓諧振變換器，其特征在于所述DC/DC變換模塊中的開關(guān)管是N型溝道MOSFET。
8. 按照權(quán)利要求7所述的用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升 壓諧振變換器，其特征在于所述用于UPS包括用于UPS電池升壓電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于UPS的基于LLC的全橋零電壓開關(guān)升壓諧振變換器，其特征在于DC/DC變換模塊中的諧振變換電路是全橋LLC諧振變換電路，包括由四個(gè)主開關(guān)管全橋式連接組成的開關(guān)橋、原邊線圈并聯(lián)有勵(lì)磁電感的主變壓器、與主變壓器連接的串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容，勵(lì)磁電感、串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容組成LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)連接在開關(guān)全橋的兩個(gè)輸出端，主變壓器的輸出側(cè)是由兩組整流二極管組成的同步全波整流電路，分別直接連接至兩個(gè)共地線的輸出電容上。本發(fā)明克服了難以在全范圍實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓導(dǎo)通的弊端，容易工作在最佳狀態(tài)，實(shí)際升壓電路效率測(cè)試值為95％左右，還減小電磁元件的體積，簡(jiǎn)化電路和降低成本。
文檔編號(hào)H02J7/02GK101685980SQ20081016855
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者馮尚民, 林清森, 肖學(xué)禮 申請(qǐng)人:力博特公司