[发明专利]一种高降压比三电平LLC谐振变换器及其控制方法

说明书

本发明公开了一种高降压比三电平LLC谐振变换器及其控制方法。变换器包括三电平桥臂；所述三电平桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，还包括跨接在第一开关管源极和第三开关管源极的第一飞跨电容以及跨接在第二开关管源极和第四开关管源极的第二飞跨电容，第一开关管漏极连接到电源正极，第四开关管源极连接到电源负极；还包括依次连接的谐振网络、隔离变压器和整流及滤波电路；所述谐振网络的正输入端连接到第三开关管源极，负输入端连接到第四开关管源极。本发明的有益效果在于，器件数量少且控制方法简单；变换器降压比能力提高，变压器匝数少且效率高，更适合于高降压比应用的场景。

技术领域

本发明涉及谐振变换器技术领域，特别是一种高降压比三电平LLC谐振变换器及其控制方法。

背景技术

随着世界能源危机的日益严重，LLC变换器因拓扑简单，无需辅助电路便可实现逆变侧开关管的零电压导通和整流侧二极管(或开关管)的零电流关断，从而显著提高变换器的效率和功率密度，因此受到产业界和学术界的广泛关注。三电平变换器因增加了开关数量可显著降低开关管应力，从而降低开关损耗，被视为高压输入和高降压比应用场合的理想拓扑，并在此类应用场景得到了广泛应用。

图1a、图1b、图1c和图1d所示的是现有四种在工业界和产业界得到广泛应用的半桥三电平LLC谐振变换器拓扑，图2a和图2b所示的是这四种拓扑广泛采用的调制控制策略，其每个开关管均由50％占空比的驱动信号控制。

图1a所示是传统的二极管钳位型三电平谐振变换器，图1b所示是飞跨电容钳位型三电平谐振变换器，图1c所示是二极管与飞跨电容钳位型的三电平谐振变换器，图1d所示是桥臂串联型全桥三电平谐振变换器。以上四种变换器均由分压电容电路、开关逆变桥臂电路、钳位电路、谐振网络、变压器和整流电路等部分组成，并且四种拓扑中的分压电容电路、开关逆变桥臂电路、谐振电路、变压器和整流电路作用完全相同。分压电容电路(C_d1、C_d2)将输入电压等分，产生两个仅为输入电压一半的电压源；开关逆变桥臂电路由四个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄串联而成，用于将直流电压逆变为一个方波；钳位电路和谐振电路帮助实现开关管的软开关特性；变压器和整流电路用于将能量传输到负载端。

四种拓扑的区别在于：图1d拓扑无钳位电路，图1a拓扑中钳位电路为二极管，图1b拓扑中钳位电路为电容，图1c拓扑中钳位电路为二极管和电容；图1a、图1b、图1c拓扑中谐振电路两端分别接与两个分压电容之间的中点和逆变桥臂中第二开关管(Q₂)的源极，图1d拓扑中分压电容中点与逆变桥臂中第二个开关管的源极短接后，再将谐振电路分别接于逆变桥臂中第一开关管(Q₁)的源极和逆变桥臂中第三开关管(Q₃)的源极。

四种半桥三电平LLC谐振变换器拓的控制策略如图2a和图2b所示。其中图1a、图1b、图1c所示拓扑中的开关管Q₁、Q₂由一组相同的50％占空比的控制信号驱动，而开关管Q₃、Q₄由另一组互补的50％占空比控制信号驱动，其三电平桥臂逆变出的谐振腔输入电压峰峰值等于输入电压V_IN；图1d所示拓扑中的开关管Q₁、Q₄由一组相同的50％占空比的控制信号驱动，而开关管Q₂、Q₃由另一组互补的50％占空比控制信号驱动，其三电平桥臂逆变出的谐振腔输入电压峰峰值也等于输入电压V_IN。显然，四种半桥三电平LLC谐振变换器采用50％占空比控制策略时，其谐振腔输入电压峰峰值均为输入电压V_IN。