(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610498959.1
(22)申请日 2016.06.29
(71)申请人 江苏镇安电力设备有限公司
地址 212028 江苏省镇江市丹徒新区工业
园区纬五路18号
(72)发明人 凌辉　陈杨　庞玲玉　沈剑　宋健　
王传斌　高玲丽　王建华　李玲玉　
(74)专利代理机构 镇江京科专利商标代理有限
公司 32107
代理人 夏哲华
(51)Int.Cl.
H02M  3/335(2006.01)
李玲玉(54)发明名称
一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换
器及其控制方法
(57)摘要
本发明公开了一种双变压器并串联式LLC谐
振DC-DC变换器及其控制方法，属于电力电子变
换器技术领域。该变换器由输入源(U in )、第一至
第四开关管(S 1~S 4)或第一至第二开关管(S 1~
S 2)、谐振电容(C r )、谐振电感(L r )、两个变压器
(T 1、T 2)、第一至第二二极管(D 1~D 2)、输出滤波电
容(C o )和负载(R o )构成；该变换器通过开关管的
移相控制实现输出电压的控制；本发明变换器中
的两个变压器原边采用串联结构、副边采用并联
结构，大大减小了流经变压器的电流，特别适合
低压大电流输入、高压输出场合；变换器具有在
整个负载范围内实现所有原边开关管软开通的
能力，可以实现高频、高效率功率变换，有减小电
感和变压器的体积，实现高功率密度，且控制简
单、可靠性高、
易于实现。权利要求书1页  说明书3页  附图3页CN 106533181 A 2017.03.22
C N  106533181
A
1.一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器，其特征在于：
所述双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器由输入源(U in )、第一开关管(S 1)、第二开关管(S 2)、第三开关管(S 3)、第四开关管(S 4)、谐振电感(L r )、谐振电容(C r )、第一变压器(T 1)、第二变压器(T 2)、第一二极管(D 1)、第二二极管(D 2)输出滤波电容(Co)和负载(R o )构成，其中第一变压器(T 1)包括第一原边绕组(N P1)和第一副边绕组(N S1)，第二变压器(T 2)包括第二原边绕组(N P2)和第二副边绕组(N S2)；
所述输入源(U in )的正极连于第一开关管(S 1)和第三开关管(S 3)的漏极，第一开关管(S 1)的源极连于第二开关管(S 2)的漏极，第三开关管(S 3)的源极连于第四开关管(S 4)的漏极，第一开关管(S 1)的源极与谐振电感(L r )的一端相连，谐振电感(L r )的另一端连于谐振电容(C r )一端，谐振电容(C r )另一端与第一变压器(T 1)第一原边绕组(N P1)的同名端和第二变压器(T 2)第二原边绕组(N P2)的同名端，第一变压器(T 1)第一原边绕组(N P1)的非同名端连于第二变压器(T 2)第二原边绕组(N P2)的非同名端、第四开关管(S 4)的源极、第三开关管(S 3)的源极和输入源(U in )的负极；
所述第一变压器(T 1)第一副边绕组(N S1)的同名端连于第一二极管(D 1)阴极，第一变压器(T 1)第一副边绕组(N S1)的非同名端连于第二变压器(T 2)第二副边绕组(N S2)的同名端、输出滤波电容(C o )一端、负
载(R o )一端，第二变压器(T 2)第二副边绕组(N S2)的非同名端连于第二二极管(D 2)阴极、第一二极管(D 1)阳极、输出滤波电容(C o )另一端、负载(R o )另一端。
2.一种基于权利要求1的双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器，其特征在于：所述谐振电感(L r )可以由第一变压器(T 1)和第二变压器(T 2)的漏感代替。
3.一种基于权利要求1所述的双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：
所述第一开关管(S 1)与第二开关管(S 2)互补导通，第三开关管(S 3)与第四开关管(S 4)互补导通，第一开关管(S 1)、第二开关管(S 2)、第三开关管(S 3)、第四开关管(S 4)占空比相等，第一开关管(S 1)和第四开关管(S 4)同时导通、同时关断，第二开关管(S 2)和第三开关管(S 3)同时导通、同时关断，通过调节第一开关管(S 1)至第四开关管(S 4)开关频率实现输出电压的控制。
4.一种基于权利要求1所述的双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器，其特征在于：所述第一开关管(S 1)至第四开关管(S 4)可以由第一开关管(S 1)和第二开关管(S 2)代替，其连接方式为：所述输入源(U in )的正极连于第一开关管(S 1)的漏极，第一开关管(S 1)的源极连于第二开关管(S 2)的漏极，第一开关管(S 1)的源极与谐振电感(L r )的一端相连，谐振电感(L r )的另一端连于谐振电容(C r )一端，谐振电容(C r )另一端与第一变压器(T 1)第一原边绕组(N P1)的同名端和第二变压器(T 2)第二原边绕组(N P2)的同名端，第一变压器(T 1)第一原边绕组(N P1)的非同名端连于第二变压器(T 2)第二原边绕组(N P2)的非同名
端、第二开关管(S 2)的源极、输入源(U in )的负极。
权　利　要　求　书1/1页CN 106533181 A
一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
[0002]LLC谐振DC-DC变换器用于输入输出要求电气隔离的应用场合，在新能源发电、工业、民用等领域具有广泛的应用。
[0003]传统的LLC谐振DC-DC变换器，其在用于高增益的DC-DC变换场合下，因为变压器原边的电流很大，导致在设计变器体积变大，增加了整个装置的体积，也限制了变换器的功率密度。
发明内容
[0004]发明目的：
[0005]本发明针对现有技术的不足，提供一种双变压器并串联式LLC谐振DC-DC变换器及其控制方法。
[0006]本发明采用以下技术方案：
[0007]所述本发明所述并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换器由输入源(Uin)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、谐振电感(L r)、谐振电容(C r)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)输出滤波电容(C o)和负载(R o)构成，其中第一变压器(T1)包括第一原边绕组(N P1)和第一副边绕组(N S1)，第二变压器(T2)包括第二原边绕组(N P2)和第二副边绕组(N S2)；所述输入源(U in)的正极连于第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第四开关管(S4)的漏极，第一开关管(S1)的源极与谐振电感(L r)的一端相连，谐振电感(L r)的另一端连于谐振电容(C r)一端，谐振电容(C r)另一端与第一变压器(T1)第一原边绕组(N P1)的同名端和第二变压器(T2)第二原边绕组(N P2)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(N P1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(N P2)的非同名端、第四开关管(S4)的源极、第三开关管(S3)的源极和输入源(U in)的负极；所述第一变压器(T1)第一副边绕组(N S1)的同名端连于第一二极管(D1)阴极，第一变压器(T1)第一副边绕组(N S1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二副边绕组(N S2)的同名端、输出滤波电容(C o)一端、负载(R o)一端，第二变压器(T2)第二副边
绕组(N S2)的非同名端连于第二二极管(D2)阴极、第一二极管(D1)阳极、输出滤波电容(C o)另一端、负载(R o)另一端。
[0008]本发明所述的双变压器并串联式隔离型软开关直流变换器中：所述谐振电感(L r)可以由第一变压器(T1)和第二变压器(T2)的漏感代替。
[0009]所述第一开关管(S1)至第四开关管(S4)可以由第一开关管(S1)和第二开关管(S2)代替，其连接方式为：所述输入源(U in)的正极连于第一开关管(S1)的漏极，第一开关管(S1)的源极连于第二开关管(S2)的漏极，第一开关管(S1)的源极与谐振电感(L r)的一端相连，谐
振电感(L r)的另一端连于谐振电容(C r)一端，谐振电容(C r)另一端与第一变压器(T1)第一原边绕组(N P1)的同名端和第二变压器(T2)第二原边绕组(N P2)的同名端，第一变压器(T1)第一原边绕组(N P1)的非同名端连于第二变压器(T2)第二原边绕组(N P2)的非同名端、第二开关管(S2)的源极、输入源(U in)的负极。
[0010]本发明具有如下技术效果：
[0011](1)并串联结构使得其适合低压大电流输入、高压输出应用场合；
[0012](2)两个变压器原边绕组并联、副边绕组串联，两变压器电流能够自然均流；[0013](3)变换器中原
边开关器件能够实现软开通，变换效率高；
[0014](4)变压器的漏感得到有效利用，不存在漏感引起的环流或电压尖峰问题；[0015](5)可以减少变压器体积和装置体积，增大功率密度；
[0016](6)拓扑结构简洁、控制简单。
附图说明
[0017]附图1是本发明双变压器并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换电路的原理图；[0018]附图2是本发明双变压器并串联式半桥LLC谐振DC-DC变换电路的原理图；[0019]附图3是本发明双变压器并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换器的主要波形图；[0020]附图4～附图7是本发明并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换电路各开关模态的电路图；
[0021]以上附图中的符号名称：U in为输入源；L r为谐振电感；T1和T2分别为第一和第二变压器；N P1和N S1分别为变压器(T1)的原边绕组和副边绕组；N P2和N S2分别为变压器(T2)的原边绕组和副边绕组；C r为谐振电容；S1、S2、S3、S4分别为第一、第二、第三、第四开关管；C1、C2、C3、C4分别为第一、第二、第三、第四开关管的结电容；D1、D2分别为第一、第二二极管；L m是第一、第二变压器的等效励磁电感；C o为输出滤波电容；R o为负载；n为变压器变比；U o为输出电压；v gs1、v gs2
、v gs3、v gs4分别为第一、第二、第三、第四开关管驱动的电压；i r是谐振电流；i m是励磁电流；i D1、i D2分别为流入第一、第二二极管阳极的电流；i o是输出电流；t、t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8为时间。
具体实施方式
[0022]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
[0023]如附图1所示，本发明所述并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换电路由由输入源(U in)、、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、谐振电感(L r)、谐振电容(C r)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)输出滤波电容(C o)和负载(R o)构成，其中第一变压器(T1)包括第一原边绕组(N P1)和第一副边绕组(N S1)，第二变压器(T2)包括第二原边绕组(N P2)和第二副边绕组(N S2)；
[0024]在具体实施时，第一开关管(S1)与第二开关管(S2)的开关信号之间必须设置合理的死区时间以防止桥臂直通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)的开关信号之间必须设置合理的死区时间以防止桥臂直通。
[0025]从附图1所示的本发明并串联式全桥LLC谐振DC-DC变换电路的电路结构可以直观的看出，流经变压器第一变压器(T1)第一原边绕组(N P1)和第第二变压器(T2)第二原边绕组
(N P2)的电流为谐振电流(i s)的一半。
[0026]假设所有电感、电容、开关管和二极管都为理想器件，忽略所有电容上的电压纹波。下面分别分析变换器在不同开关模式下的工作原理。
[0027]附图3是变换器在电感电流连续模式下的主要工作波形。在该模式下，半个开关周期内共有四种开关模态。
[0028]开关模态1[t0-t1]：t0时刻，C2和C4的电压上升到U in，C1和C3的电压下降到0，Q1和Q3寄生二极管导通，这时Q1和Q3零电压开通。此时，这个阶段由L r和C r谐振工作，v ab两点的电压为U in，谐振电流i r以正弦波形式开始变化、励磁电流i m线性增加，i r大于i m。副边整流管D2导通，变压器副边电压被箝在U o。此时，变压器原边电压等于nU o，i m线性增加。该模态等效电路如附图4所示
[0029]开关模态2[t1-t2]：t1时刻，谐振电流i r等于励磁电流i m，变压器原副边没有能量交换，此时流过整流二极管D1、D2的电流i D1、i D2减至为零，D1、D2零电流关断。这个阶段由C r、L r、L m谐振工作，电流i r、i m减小，该模态等效电路如附图5所示。
[0030]开关模态3[t2-t3]：这一模态在负载加重或者f s左移至非常接近最大增益点时出现。t3时刻，振电流i r开始小于励磁电流i m，整流二极管D1导通能，能量向变压器原边传输，由于输出电流不为零，副边
二极管有反向恢复损耗，该模态等效电路如附图6所示。[0031]开关模态4[t3-t4]：，t3时刻，Q1和Q4硬关断，进入死区时间，C2、C4开始放电，C1、C3充电，v ab两点的电压由U in变为-U in，谐振电流通过Q2和Q4寄生二极管导通实现下一阶段Q2和Q4零电 压开通，此时励磁电流i m大于谐振电流i r，能量向变压器副边传输，此时整流二极管D1导通，该模态等效电路如附图7所示。
[0032]t4时刻后，下半开关周期开始，工作过程类似，不再重复叙述。
[0033]图2所示的双变压器并串联式半桥LLC谐振DC-DC变换电路，工作过程类似，不再重复叙述。
[0034]所述的双变压器并串联式半桥LLC谐振DC-DC变换电路的开关模态3也可能不发生。