本實用新型涉及一種諧振變換器，具體涉及一種三電平倍頻LLC諧振變換裝置。

背景技術：

諧振變換器具有開關頻率高、開關損耗小、效率高、質量輕、體積小、EMI噪聲小、開關應力小等優點。LLC諧振變換器具有原邊開關管易實現全負載范圍ZVS，次級二極管易實現ZCS，諧振電感和變壓器易實現磁集成等優點，近年來得到廣泛的應用。同時，為解決高輸入電壓應用時初級開關管高電壓應力問題，將三電平引入到LLC變換器中。傳統的三電平LLC諧振變換器需要引入篏位二極管來實現將開關管電壓應力限制到輸入電壓一半，這樣可以選用相對低電壓規格的開關管。但篏位二極管的引入增加了成本，同時電路較復雜。另外，受半導體器件開關損耗及驅動電路限制，LLC諧振電路工作頻率較低(通常幾十千赫茲到兩百千赫茲)，對于電路中的磁性器件(諧振變壓器、電感)小型化仍有一定約束。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術存在的問題，本實用新型提供一種三電平倍頻LLC諧振變換裝置，通過對變換器中各開關管的控制，控制過程中充分利用拓撲電路中開關管所并聯的二極管實現對開關管兩端電壓的篏位，達到降低開關管電壓應力的目的；與傳統三電平LLC電路拓撲相比，該電路拓撲結構比傳統的三電平LLC電路少了獨立的篏位二極管，該電路在一定程度上簡化了電路結構，減少了功率器件；與傳統的LLC電路拓撲相比，該電路諧振腔工作頻率是開關管開關頻率的兩倍，在相同的開關頻率下，磁性器件可以以兩倍的頻率工作，從而可以將磁性器件體積進一步減小，有利于實現產品的高頻化、平面化、小型化，從整體上降低成本。

為了達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種三電平倍頻LLC諧振變換裝置，包括依次連接的輸入分壓電容1、開關橋臂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；所述開關橋臂2由帶有體二極管或外部并聯二極管的第一開關管Q1、第二開關管Q2、第三開關管Q3和第四開關管Q4的漏源極依次串聯連接，位于開關橋臂兩端的第一開關管Q1的漏極和第四開關管Q4的源極分別與電源的正極和負極相連接，所述第二開關管Q2和第三開關管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依次串聯組成諧振電路，所述電感Lr的另一端與開關橋臂2中的第一開關管Q1和第二開關管Q2的中間連接點相連接，所述變壓器勵磁電感Lm的另一端與開關橋臂2中的第三開關管Q3和第四開關管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是采用通用的整流橋和輸出端并聯濾波電容的方式進行整流濾波。

各開關管的驅動過程為：從t1到T之間為一個開關周期，第一開關管Q1和第四開關管Q4驅動為帶死區互補，占空比接近25％，第二開關管Q2和第三開關管Q3驅動為帶死區互補，占空比接近75％；t1時刻第一開關管Q1和第三開關管Q3同時導通，第二開關管Q2和第四開關管Q4關斷；在t2時刻，第一開關管Q1先關斷，第三開關管Q3繼續導通，通過第二開關管Q2并聯的第二二極管D2續流，經過死區時間t_dead到t3時刻第二開關管Q2零電壓開通；在t3～t4時間，通過Q2和Q3續流及反向諧振；t4時刻第三開關管Q3關斷，通過第四開關管Q4并聯的第四二極管D4續流；經過死區時間t_dead到t5時刻第四開關管Q4零電壓開通；在t5～t6時間，通過Q2和Q4續流及正向諧振；t6時刻第四開關管Q4關斷，第二開關管Q2繼續導通，通過第三開關管Q3并聯的第三二極管D3續流；經過死區時間t_dead到t7時刻第三開關管Q3零電壓開通；在t7～t8時間，通過Q2和Q3續流及反向諧振；t8時刻第二開關管Q2關斷，通過第一開關管Q1并聯的第一二極管D1續流；經過死區時間t_dead到周期T結束，進入下一個周期第一開關管Q1零電壓開通。

本實用新型與現有技術相比，具有如下優點：

相對于傳統的半橋三電平LLC電路，本實用新型去除了兩個獨立的篏位二極管，通過合理設計開關管的驅動發波，使各開關管關斷時所承受的電壓應力平臺值為輸入母線電壓的一半，與使用獨立篏位二極管所達到的效果相同；相對于傳統的LLC電路，該電路諧振腔工作頻率是開關管開關頻率的兩倍，在相同的開關頻率下，磁性器件可以以兩倍的頻率工作，從而可以將磁性器件體積進一步減小，有利于實現產品的高頻化、平面化、小型化，從整體上降低成本。

附圖說明

圖1為新型三電平倍頻LLC變換器拓撲電路。

圖2為三電平倍頻LLC變換器拓撲電路中各開關管驅動波形。

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～t5時間電流流向圖。

圖7為t5～t6時間電流流向圖。

圖8為t6～t7時間諧振電流流向圖。

圖9為t7～t8時間諧振電流流向圖。

圖10為t8～T時間諧振電流流向圖。

圖11為關鍵節點波形圖。

具體實施方式

以下結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步的詳細描述。

圖1為新型三電平倍頻LLC變換器拓撲電路，如圖所示，本實用新型一種三電平倍頻LLC諧振變換裝置，包括依次連接的輸入分壓電容1、開關橋臂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；所述開關橋臂2由帶有體二極管或外部并聯二極管的第一開關管Q1、第二開關管Q2、第三開關管Q3和第四開關管Q4的漏源極依次串聯連接，位于開關橋臂兩端的第一開關管Q1的漏極和第四開關管Q4的源極分別與電源的正極和負極相連接，所述第二開關管Q2和第三開關管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是由電感Lr、電容Cr和勵磁電感Lm依次串聯組成諧振電路，所述電感Lr的另一端與開關橋臂2中的第一開關管Q1和第二開關管Q2的中間連接點相連接，所述變壓器勵磁電感Lm的另一端與開關橋臂2中的第三開關管Q3和第四開關管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是采用通用的整流橋(全波或全橋整流)和輸出端并聯濾波電容的方式進行整流濾波。

圖2為三電平倍頻LLC變換器拓撲電路中各開關管驅動波形，如圖所示，從t1到T之間為一個開關周期，t1時刻第一開關管Q1和第三開關管Q3同時導通，第二開關管Q2和第四開關管Q4關斷；在t2時刻，第一開關管Q1先關斷，第三開關管Q3繼續導通，經過死區時間t_dead到t3時刻第二開關管Q2零電壓開通；在t3～t4時間，通過Q2和Q3續流及反向諧振；t4時刻第三開關管Q3關斷；經過死區時間t_dead到t5時刻第四開關管Q4零電壓開通；在t5～t6時間，通過Q2和Q4續流及正向諧振；t6時刻第四開關管Q4關斷，第二開關管Q2繼續導通；經過死區時間t_dead到t7時刻第三開關管Q3零電壓開通；在t7～t8時間，通過Q2和Q3續流及反向諧振；t8時刻第二開關管Q2關斷，通過第一開關管Q1所并聯的第一二極管D1續流；經過死區時間t_dead到周期T結束，進入下一個周期第一開關管Q1零電壓開通。

電路拓撲在一個開關周期內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的串聯諧振頻率，)該LLC電路工作過程主要包括以下幾個關鍵階段：

圖3為t1～t2時間電流流向圖。在t1時刻，第一開關管Q1和第三開關管Q3同時導通，第二開關管Q2和第四開關管Q4關斷，此后電路中的電流依次從分壓電容1中的第一電容C1負極流過第三開關管Q3、諧振腔3、第一開關管Q1，回到第一電容C1正極；諧振電感Lr、諧振電容Cr進行諧振，將能量回饋到正母線，諧振到零后繼續正向諧振，電流流向依次為第一開關管Q1、諧振腔3、第三開關管Q3。t1～t2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中二極管D5和D8導通，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。該過程中第二開關管Q2和第四開關管Q4兩端所承受的電壓分別為輸入分壓電容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，第一開關管Q1先關斷，第三開關管Q3繼續導通，第一開關管Q1關斷后，諧振電流對第一開關管Q1結電容充電、對第二開關管Q2結電容放電，充放電完成后，第一開關管Q1漏源電壓被篏位為第一電容C1兩端的電壓，即Vin/2，第二開關管Q2結電容端電壓為0V，第二開關管Q2所并聯的第二二極管D2自然導通續流。從t2～t3時刻電路中的電流流向如圖4所示，電流依次流過第二開關管Q2所并聯的第二二極管D2、諧振腔3、第三開關管Q3。

圖5為t3～t4時間電流流向圖。t3時刻第二開關管Q2驅動使能，零電壓開通。此后電路中的電流依次流過第二開關管Q2、諧振腔3、第三開關管Q3，諧振電感Lr、諧振電容Cr進行諧振，諧振到零后繼續反向諧振，電流流向依次為諧振腔3、第二開關管Q2、第三開關管Q3。t3～t4過程中諧振電流小于勵磁電流，通過變壓器4向副邊傳遞能量。整流濾波電路5中二極管D6和D7導通，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。該過程中第一開關管Q1和第四開關管Q4兩端所承受的電壓分別為輸入分壓電容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～t5時間電流流向圖。在t4時刻，第三開關管Q3先關斷，第二開關管Q2繼續導通，第三開關管Q3關斷后，諧振電流對第三開關管Q3結電容充電、對第四開關管Q4結電容放電，充放電完成后，第三開關管Q3漏源電壓被篏位為第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2，第四開關管Q4結電容端電壓為0V，第四開關管Q4并聯的第四二極管D4自然導通續流。該過程一直維持到到t5時刻。

圖7為t5～t6時間電流流向圖。t5時刻，第二開關管MOS2和第四開關管MOS4同時導通，第一開關管MOS1和第三開關管MOS3關斷，此后電路中的電流依次流過第四開關管MOS4、諧振腔3、第二開關管MOS2、第二輸入電容C2，諧振電感Lr、諧振電容Cr進行諧振，將能量回饋到負母線。t5～t6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中二極管D5和D8導通，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。該過程中第一開關管Q1和第三開關管Q3兩端所承受的電壓分別為輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2。

圖8為t6～t7時間諧振電流流向圖。在t6時刻，第四開關管Q4先關斷，第二開關管Q2繼續導通，第四開關管Q4關斷后，諧振電流對第四開關管Q4結電容充電、對第三開關管Q3結電容放電，充放電完成后，第四開關管Q4漏源電壓被篏位為第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2，第三開關管Q3結電容端電壓為0V，第三開關管Q3并聯的第三二極管D3開始導通續流。從t6～t7時刻電路中的電流流向如圖8所示，電流依次流過第二開關管Q2、諧振腔3、第三開關管Q3并聯的第三二極管D3。

圖9為t7～t8時間諧振電流流向圖。t7時刻第三開關管Q3驅動使能，零電壓開通。此后電路中的電流依次流過第二開關管Q2、諧振腔3、第三開關管Q3，諧振電感Lr、諧振電容Cr進行諧振，諧振到零后繼續反向諧振，電流流向依次為諧振腔3、第二開關管Q2、第三開關管Q3。該過程中諧振電流小于勵磁電流，通過變壓器4向副邊傳遞能量。整流濾波電路5中二極管D6和D7導通，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。該過程中第一開關管Q1和第四開關管Q4兩端所承受的電壓分別為輸入分壓電容1中第一電容C1和第二電容C2兩端的電壓，即Vin/2。

圖10為t8～T時間諧振電流流向圖。t8時刻第二開關管Q2先關斷，第三開關管Q3繼續導通，第二開關管Q2關斷后，諧振電流對第二開關管Q2結電容充電、對第一開關管Q1結電容放電，充放電完成后，第二開關管Q2漏源電壓被篏位為第一電容C1兩端的電壓，即Vin/2，第一開關管Q1結電容端電壓為0V，第一開關管Q1并聯的第一二極管D1自然導通續流。從t8～T時刻電路中的電流流向如圖10所示，電流依次流過諧振腔3、第一開關管Q1并聯第一二極管D1、第三開關管Q3。

以上工作過程中，第一開關管Q1關斷后，第二開關管Q2并聯第二二極管D2續流導通，實現對第一開關管Q1漏源極電壓箝位(Vin/2)，同時為后續第二開關管Q2的零電壓開通做好準備，第二開關管Q2開通后第一開關管Q1的漏源極電壓一直箝位在Vin/2；

第二開關管Q2關斷后，第一開關管Q1并聯的第一二極管D1續流導通，實現對第一開關管Q1漏源極電壓箝位(Vin/2)，同時為后續第一開關管Q1的零電壓開通做好準備，第一開關管Q1開通后第一開關管Q2的漏源極電壓一直箝位在Vin/2；

第三開關管Q3關斷后，第四開關管Q4并聯的第四二極管D4續流導通，實現對第三開關管Q3漏源極電壓箝位(Vin/2)，同時為后續第四開關管Q4的零電壓開通做好準備，第四開關管Q4開通后第三開關管Q3的漏源極電壓一直箝位在Vin/2；第四開關管Q4關斷后，第三開關管Q3并聯的第三二極管D3續流導通，實現對第四開關管Q4漏源極電壓箝位(Vin/2)，同時為后續第三開關管Q3的零電壓開通做好準備，第三開關管Q3開通后第四開關管Q4的漏源極電壓一直箝位在Vin/2。該變換器可以達到與傳統帶箝位二極管的三電平LLC拓撲同樣的電壓應力效果，從而可以選用常用的較低電壓規格的開關管。圖11為關鍵節點波形圖，從上到下依次為第一開關管Q1驅動、第二開關管Q2驅動、第三開關管Q3驅動、第四開關管Q4驅動、第一開關管Q1漏源極電壓應力、第二開關管Q2漏源極電壓應力、第三開關管Q3漏源極電壓應力、第四開關管Q4漏源極電壓應力、變壓器初級電壓、第一開關管Q1電流(定義漏極到源極電流為正，反之為負)、第二開關管Q2電流(定義漏極到源極電流為正，反之為負)、第三開關管Q3電流(定義漏極到源極電流為正，反之為負)、第四開關管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11可以看出，開關橋臂2每個開關周期中，諧振腔完成兩個周期的諧振，兩個開關周期中諧振腔輸入能量分別為輸入分壓電容1中正母線電容C1和負母線電容C2，從而實現諧振腔倍頻的工作效果。