本發(fā)明涉及一種諧振變換器，具體涉及一種中點箝位LLC諧振變換控制方法。

背景技術(shù)：

LLC諧振變換器原邊開關(guān)管易實現(xiàn)全負載范圍ZVC，次級整流二極管易實現(xiàn)ZCS，因而開關(guān)損耗小、效率高、EMI噪聲小、開關(guān)應(yīng)力小，同時變換器可以工作在較高開關(guān)頻率，可以有效減小磁性器件體積。對于通信電源、HVDC及汽車充電模塊等產(chǎn)品，效率及功率密度要求較高，因而LLC諧振變換器得到了廣泛的應(yīng)用。為解決HVDC及汽車充電模塊等三相電網(wǎng)等高輸入電壓應(yīng)用時初級開關(guān)管高電壓應(yīng)力問題，需要用到高壓SIC器件或者使用三電平拓撲。SIC器件具有優(yōu)異的性能，但目前器件成本昂貴，而傳統(tǒng)三電平LLC諧振變換器需要增加箝位二極管來實現(xiàn)將開關(guān)管電壓應(yīng)力限制到輸入電壓一半，從而可以選用常規(guī)的低電壓規(guī)格的開關(guān)管。但箝位二極管增加了成本和體積，同時開關(guān)管驅(qū)動發(fā)波復(fù)雜，內(nèi)管的外管需要同開不同關(guān)，因而電路可靠性較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種中點箝位LLC諧振變換控制方法，通過優(yōu)化變換器主電路拓撲，配合對各開關(guān)管合理發(fā)波控制，實現(xiàn)對開關(guān)管兩端電壓的箝位，達到降低開關(guān)管電壓應(yīng)力的目的；與傳統(tǒng)三電平LLC電路拓撲相比，該電路拓撲結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的三電平LLC電路少了獨立的箝位二極管，該電路在一定程度上簡化了電路結(jié)構(gòu)，減少了功率器件；驅(qū)動時序比較簡單，只需要控制IC輸出帶死區(qū)互補的兩路PFM波，對控制IC的要求降低，可以選用普通的PFM模擬控制IC；相鄰的兩對開關(guān)管驅(qū)動接近占空比50％且互補，因而可以選用高壓自舉驅(qū)動IC，簡化了驅(qū)動電路，并且豐富了驅(qū)動電路方案；本發(fā)明中點箝位LLC變換器的以上優(yōu)點能更突出其在高壓輸入工況下的優(yōu)勢，克服高壓SIC器件昂貴及三電平LLC變換器電路復(fù)雜及可靠性低的缺點。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種中點箝位LLC諧振變換控制方法，實現(xiàn)所述控制方法的裝置包括依次連接的輸入分壓電容1、開關(guān)橋臂2、諧振腔3、變壓器4和整流濾波電路5；所述輸入分壓電容1由串聯(lián)連接的第一電容C1和第二電容C2組成，第一電容C1和第二電容C2的另外一端分別與電源的正極和負極連接；所述開關(guān)橋臂2由帶有體二極管或外部并聯(lián)二極管的第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3和第四開關(guān)管Q4的漏源極依次串聯(lián)連接，位于開關(guān)橋臂兩端的第一開關(guān)管Q1的漏極和第四開關(guān)管Q4的源極分別與電源的正極和負極相連接，所述第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3的中間連接點與輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2的中間連接點相連接；所述諧振腔3是由諧振電感Lr、諧振電容Cr和變壓器勵磁電感Lm依次串聯(lián)組成諧振電路，所述電感Lr的另一端與開關(guān)橋臂2中的第一開關(guān)管Q1和第二開關(guān)管Q2的中間連接點相連接，所述變壓器勵磁電感Lm的另一端與開關(guān)橋臂2中的第三開關(guān)管Q3和第四開關(guān)管Q4的中間連接點相連接；變壓器4的副邊與整流濾波電路5的輸入端相連接；所述整流濾波電路5是采用全橋整流或者全波整流以及輸出端并聯(lián)濾波電容的方式進行整流濾波；所述控制方法各開關(guān)管的驅(qū)動過程為：從t1到T之間為一個開關(guān)周期，包括t1～t2時間、t2～t3時間、t3～t4時間和t4～T時間，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4驅(qū)動相同，占空比接近50％；第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3驅(qū)動相同，占空比接近50％，且與第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4的驅(qū)動帶死區(qū)互補；t1時刻第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時零電壓導(dǎo)通，第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3關(guān)斷；在t2時刻，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時關(guān)斷，經(jīng)過死區(qū)時間t_dead到t3時刻第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3零電壓開通；t4時刻第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3關(guān)斷；經(jīng)過死區(qū)時間t_dead到T時刻本周期結(jié)束，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時零電壓導(dǎo)通，進入下一個周期。

與傳統(tǒng)三電平LLC電路拓撲相比，該電路拓撲結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的三電平LLC電路少了獨立的箝位二極管，該電路在一定程度上簡化了電路結(jié)構(gòu)，減少了功率器件；驅(qū)動時序比較簡單，只需要控制IC輸出帶死區(qū)互補的兩路PFM波，對控制IC的要求降低，可以選用普通的PFM模擬控制IC；相鄰的兩對開關(guān)管驅(qū)動接近占空比50％且互補，因而可以選用高壓自舉驅(qū)動IC，簡化了驅(qū)動電路，并且豐富了驅(qū)動電路方案。該新型中點箝位LLC變換器的以上優(yōu)點能更突出其在高壓輸入工況下的優(yōu)勢，克服高壓SIC器件昂貴及三電平LLC變換器電路復(fù)雜及可靠性低的缺點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中點箝位LLC變換器拓撲電路。

圖2為本發(fā)明中點箝位LLC變換器拓撲電路中各開關(guān)管驅(qū)動波形。

圖3為t1～t2時間電流流向圖。

圖4為t2～t3時間電流流向圖。

圖5為t3～t4時間電流流向圖。

圖6為t4～T時間電流流向圖。

圖7為關(guān)鍵節(jié)點波形圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

圖1為中點箝位LLC變換器拓撲電路，包括依次連接的輸入分壓電容1、開關(guān)橋臂2、諧振腔3、變壓器4和整流濾波電路5；所述輸入分壓電容1由串聯(lián)連接的第一電容C1和第二電容C2組成，第一電容C1和第二電容C2的另外一端分別與電源的正極和負極連接；所述開關(guān)橋臂2由帶有體二極管或外部并聯(lián)二極管的第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3和第四開關(guān)管Q4的漏源極依次串聯(lián)連接，位于開關(guān)橋臂兩端的第一開關(guān)管Q1的漏極和第四開關(guān)管Q4的源極分別與電源的正極和負極相連接，所述第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3的中間連接點與輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2的中間連接點相連接；所述諧振腔3是由諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵磁電感Lm依次串聯(lián)組成諧振電路，所述電感Lr的另一端與開關(guān)橋臂2中的第一開關(guān)管Q1和第二開關(guān)管Q2的中間連接點相連接，所述變壓器勵磁電感Lm的另一端與開關(guān)橋臂2中的第三開關(guān)管Q3和第四開關(guān)管Q4的中間連接點相連接；變壓器4的副邊與整流濾波電路5的輸入端相連接；所述整流濾波電路5是采用全橋整流或者全波整流以及輸出端并聯(lián)濾波電容的方式進行整流濾波。

圖2為新型中點箝位LLC變換器拓撲電路中各開關(guān)管驅(qū)動波形，如圖所示，從t1到T之間為一個開關(guān)周期，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4驅(qū)動相同，占空比接近50％；第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3驅(qū)動相同，占空比接近50％，且與第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4的驅(qū)動帶死區(qū)互補。t1時刻第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時零電壓導(dǎo)通，第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3關(guān)斷；在t2時刻，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時關(guān)斷，經(jīng)過死區(qū)時間t_dead到t3時刻第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3零電壓開通；t4時刻第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3關(guān)斷；經(jīng)過死區(qū)時間t_dead到T時刻本周期結(jié)束，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時零電壓導(dǎo)通，進入下一個周期。

電路拓撲在一個開關(guān)周期內(nèi)的工作過程及電流流向：

以fs＝fr為例(fr為諧振電感Lr、諧振電容Cr的串聯(lián)諧振頻率，)該LLC電路工作過程主要包括以下幾個關(guān)鍵階段：

圖3為t1～t2時間電流流向圖。在t1時刻，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時開始導(dǎo)通，第二開關(guān)管Q2和第四開關(guān)管Q3保持關(guān)斷，此后電路中的電流依次從分壓電容1中的第二電容C2負極流過第四開關(guān)管Q4、諧振腔3、第一開關(guān)管Q1，回到第一電容C1正極；諧振電感Lr和諧振電容Cr進行諧振，將部分能量回饋到輸入母線，諧振到零后繼續(xù)正向諧振，電流流向依次為第一開關(guān)管Q1、諧振腔3、第四開關(guān)管Q4；t1～t2時間過程中，諧振電流大于勵磁電流，通過變壓器4向副邊傳遞能量；整流濾波電路5中第五二極管D5和第八二極管D8導(dǎo)通，因此，變壓器初級電壓被箝位N*Vo(N為變壓器原副邊匝比，Vo為變換器直流輸出電壓)，勵磁電流線性上升；由于第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3的連接點與輸入母線中點連接，該連接點電位被箝位在輸入中點電位，因此該過程中第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3兩端所承受的電壓分別被箝位在輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2。

圖4為t2～t3時間電流流向圖。在t2時刻，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時關(guān)斷，諧振電流對第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4的結(jié)電容充電、對第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3的結(jié)電容放電，充放電完成后，第二開關(guān)管Q2反向并聯(lián)的第二二極管D2及與第三開關(guān)管Q3反向并聯(lián)的第三二極管D3自然導(dǎo)通續(xù)流；該過程中諧振電流小于勵磁電流(均為負)，通過變壓器4向副邊傳遞能量；整流濾波電路5中第六二極管D6和第七二極管D7導(dǎo)通，因此，變壓器初級電壓被箝位-N*Vo(N為變壓器原副邊匝比，Vo為變換器直流輸出電壓)，勵磁電流線性下降；同時由于第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3的連接點與輸入母線中點連接，該連接點電位被箝位在輸入中點電位，因此，此后第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4兩端所承受的電壓分別被箝位在輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2。

圖5為t3～t4時間電流流向圖。t3時刻，第二開關(guān)管Q2及第三開關(guān)管Q3驅(qū)動使能，由于此前分別與其反向聯(lián)的第二二極管D2和第三二極管D3已導(dǎo)通續(xù)流，第二開關(guān)管Q2及第三開關(guān)管Q3電壓應(yīng)力保持為零，因此t3時刻第二開關(guān)管Q2及第三開關(guān)管Q3零電壓開通；此后電路中的電流依次流過第二開關(guān)管Q2、諧振腔3、第三開關(guān)管Q3，諧振電感Lr、諧振電容Cr進行續(xù)流，諧振到零后繼續(xù)反向諧振，電流流向依次為諧振腔3、第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3；t3～t4過程中諧振電流小于勵磁電流(均為負)，通過變壓器4向副邊傳遞能量；整流濾波電路5中第六二極管D6和第七二極管D7導(dǎo)通，因此，變壓器初級電壓被箝位-N*Vo(N為變壓器原副邊匝比，Vo為變換器直流輸出電壓)，勵磁電流線性下降；由于第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3的連接點與輸入母線中點連接，該連接點電位被箝位在輸入中點電位，因此該過程中第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3兩端所承受的電壓分別被箝位在輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2。

圖6為t4～T時間電流流向圖。在t4時刻，第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3同時關(guān)斷，諧振電流對第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3結(jié)電容充電，對第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4結(jié)電容放電，充放電完成后，第一開關(guān)管Q1反向并聯(lián)的第一二極管D1及與第四開關(guān)管Q4反向并聯(lián)的第四二極管D4自然導(dǎo)通續(xù)流；該過程中諧振電流大于勵磁電流(均為負)，通過變壓器4向副邊傳遞能量；整流濾波電路5中第五二極管D5和第八二極管D8導(dǎo)通，因此，變壓器初級電壓被箝位N*Vo(N為變壓器原副邊匝比，Vo為變換器直流輸出電壓)，勵磁電流線性下降；同時由于第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3的連接點與輸入母線中點連接，該連接點電位被箝位在輸入中點電位，因此，此后第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3兩端所承受的電壓分別被箝位在輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2。

以上工作過程中，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4同時關(guān)斷后，第二開關(guān)管Q2反向并聯(lián)二極管D2及第三開關(guān)管Q3反向并聯(lián)二極管D3續(xù)流導(dǎo)通，為后續(xù)第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3的零電壓開通做好準備，由于第二開關(guān)管和第三開關(guān)管Q3的連接點與輸入母線中點連接，該連接點電位被箝位在輸入中點電位，因此第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4開始關(guān)斷到第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3一直導(dǎo)通的過程中，第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4兩端所承受的電壓分別被箝位在輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2。

第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3同時關(guān)斷后，第一開關(guān)管Q1反向并聯(lián)二極管D1及第四開關(guān)管Q4反向并聯(lián)二極管D4續(xù)流導(dǎo)通，為后續(xù)第一開關(guān)管Q1及第四開關(guān)管Q4的零電壓開通做好準備，由于第二開關(guān)管和第三開關(guān)管Q3的連接點與輸入母線中點連接，該連接點電位被箝位在輸入中點電位，因此第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3開始關(guān)斷到第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4一直導(dǎo)通的過程中，第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3兩端所承受的電壓分別被箝位在輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2。

圖7為關(guān)鍵節(jié)點波形圖，從上到下依次為第一開關(guān)管Q1驅(qū)動、第二開關(guān)管Q2驅(qū)動、第三開關(guān)管Q3驅(qū)動、第四開關(guān)管Q4驅(qū)動、第一開關(guān)管Q1漏源極電壓應(yīng)力、第二開關(guān)管Q2漏源極電壓應(yīng)力、第三開關(guān)管Q3漏源極電壓應(yīng)力、第四開關(guān)管Q4漏源極電壓應(yīng)力、變壓器初級電壓、第一開關(guān)管Q1電流(定義漏極到源極電流為正，反之為負)、第二開關(guān)管Q2電流(定義漏極到源極電流為正，反之為負)、第三開關(guān)管Q3電流(定義漏極到源極電流為正，反之為負)、第四開關(guān)管Q4電流(定義漏極到源極電流為正，反之為負)、諧振腔電流(定義圖1中電路電流從諧振電感到諧振電容方向為正，反之為負)及變壓器勵磁電流(定義圖1中電路勵磁電感電流從上往下流為正，反之為負)。

從以上工作過程及圖7可以看出，第一開關(guān)管Q1反向并聯(lián)的二極管D1和第四開關(guān)管Q4反向并聯(lián)的二極管D4開始續(xù)流導(dǎo)通到第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4導(dǎo)通及關(guān)斷前的整個過程中，輸入到諧振腔的電壓為整個輸入母線電壓，而第二開關(guān)管Q2反向并聯(lián)的二極管D2和第三開關(guān)管Q3反向并聯(lián)的二極管D3開始續(xù)流導(dǎo)通到第二開關(guān)管Q2和第三開關(guān)管Q3導(dǎo)通及關(guān)斷前的整個過程中，輸入到諧振腔的電壓為零，因此該變換器本質(zhì)為不對稱半橋LLC變換器，除開關(guān)管本身外，該新型中點箝位LLC變換器工作原理與普通的雙管不對稱半橋LLC變換器完全相同。第一開關(guān)管Q1反向并聯(lián)的二極管D1和第四開關(guān)管Q4反向并聯(lián)的二極管D4開始續(xù)流導(dǎo)通到第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4導(dǎo)通及關(guān)斷前的整個過程中，由于第二開關(guān)管和第三開關(guān)管Q3的連接點與輸入母線中點連接，因此第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4兩端所承受的電壓分別被箝位在輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2，因此該變換器被定義為中點箝位型。第一開關(guān)管Q1和第四開關(guān)管Q4驅(qū)動相同，與另外兩個相同的第二開關(guān)管Q2第四開關(guān)管Q4驅(qū)動帶死區(qū)互補，因此控制IC只需要輸出兩路帶死區(qū)互補的PFM驅(qū)動，除常用的驅(qū)動變壓器驅(qū)動方案外，也可以選用常用的自舉驅(qū)動IC方案，其中一個自舉驅(qū)動IC驅(qū)動第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2，另外一個自舉驅(qū)動IC驅(qū)動第三開關(guān)管Q3、第四開關(guān)管Q4，從而豐富了高壓輸入LLC電路的驅(qū)動方案。因此，該新型中點箝位LLC變換器結(jié)構(gòu)簡單，相對傳統(tǒng)的三電平LLC變換器精簡了箝位二極管，驅(qū)動時序也得以優(yōu)化，因此可靠性更高。