一种具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器专利检索- 交流和交流之间交流和直流之间或直流和直流之间以及用于电源或类似的电力系统的变换设备;直流或交流输入功率转变为浪涌功率输出;以及它们的控制或调节专利检索查询-专利查询网

一种具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器
申请号	CN201710873514.1	申请日	2017-09-25	公开(公告)号	CN107517006A	公开(公告)日	2017-12-26
申请人	安徽工程大学;			发明人	高文根; 徐东; 王坤; 何睿; 桑康伟; 杨运峰;
摘要	本发明公开了一种具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其包括电源A，电源A的正、负极分别与第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极相连接，第一开关管Q1的漏极和第二开关管Q2的源极分别与谐振电路的输入端相连接，谐振电路的输出端和电源A的负极分别与变压器的输入端相连接，变压器的输出端通过整流器与负载并联连接，控制电路的输入端分别通过检测电路、电压比较电路与谐振电路、负载相连接，控制电路的输出端分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2的栅极相连接。本发明实现了LLC谐振变换器根据负载变化自动地切换PWM或PFM混合控制模式，提高了其在轻载或空载时的工作效率、在过载或短路时的过流保护和启动时的冲击电流的限制。
权利要求	1.一种具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，包括电源A，其特征在于，还包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、谐振电路、变压器、整流器、负载、检测电路、电压比较电路和控制电路，所述电源A的正、负极分别与所述第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极相连接，所述第一开关管Q1的漏极和所述第二开关管Q2的源极分别与所述谐振电路的正极输入端相连接，所述谐振电路的负极输出端和所述电源A的负极分别与所述变压器的输入端相连接，所述变压器的输出端通过所述整流器与所述负载并联连接，所述控制电路的输入端分别通过所述检测电路、电压比较电路与所述谐振电路、负载相连接，所述控制电路的输出端分别与所述第一开关管Q1、第二开关管Q2的栅极相连接。 2.如权利要求1所述的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其特征在于，所述检测电路包括电压检测电路和电流检测电路，所述电压检测电路连接在所述负载与所述控制电路之间，所述电流检测电路包括谐振电流检测电路和负载电流检测电路，所述谐振电流检测电路连接在所述谐振电路与所述控制电路之间，所述负载电流检测电路连接在所述负载与所述控制电路之间。 3.如权利要求1或2所述的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其特征在于，所述谐振电路包括依次串联的谐振电容Cr和等效电感Lr，所述变压器包括励磁电感Lm和变压器本体，所述励磁电感Lm与所述变压器本体的输入端并联连接，所述负载包括输出电容C0和负载电阻R0，所述输出电容C0与所述负载电阻R0并联连接。 4.如权利要求3所述的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其特征在于，所述控制电路包括微控制单元MCU和控制信息输出模块，所述微控制单元MCU包括AD采集模块、PI调节模块、PWM模块和PFM模块，所述AD采集模块的输入端分别与所述谐振电流检测电路的输出端、负载电流检测电路的输出端、电压检测电路的输出端相连接，所述PI调节模块的输入端与所述电压比较电路输出端相连接，所述PWM模块和PFM模块的输出端分别与所述控制信息输出模块的输入端相连接，所述控制信息输出模块的输出端分别与所述第一开关管Q1、第二开关管Q2的栅极相连接。 5.如权利要求1或4所述的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其特征在于，所述电压比较电路包括电流互感器T1、桥式不控整流器LN和比较器LM，所述电流互感器T1的输入端CT+、CT-分别与所述负载电阻R0的正负极对应连接，所述电流互感器T1的输出端与所述桥式不控整流器LN的输入端相连接，所述桥式不控整流器LN的输出端分别通过输出电容C2、电阻Req与所述比较器LM的反相输入端相连接，所述比较器LM的正相输入端依次通过输出电容C1、输出电阻R2、输出电阻R1与电源VCC相连接，所述比较器LM输出端依次通过输出电阻R4、输出电阻R5、输出电容C4与所述PI调节模块的输入端相连接。 6.如权利要求5所述的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其特征在于，所述桥式不控整流器LN的输出端与所述比较器LM的反相输入端之间还依次连接有输出电阻R3和输出电容C3，用于对输出电压进行滤波处理。 7.如权利要求1所述的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其特征在于，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2均为N沟道MOSFET开关管，所述变压器为副边匝数相等的中心抽头变压器。
说明书全文	一种具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器技术领域 [0001] 本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器。背景技术 [0002] 近年来模块化、小型化、高频化、高效率、高功率密度已经成为了开关电源的研发趋势，传统的开关电源拓扑和控制方法已经不能满足，为此软开关技术应运而生。谐振变换器利用谐振的原理，使开关变换器的开关管电流或电压按照正弦或准正弦的规律变换，当电流自然过零时使开关管关断，或者当电压为零时使开关管开通，从而使开关管损耗减小到接近于零。从而实现降低开关损耗，提高开关变换器效率的目的。 [0003] LLC谐振变换器的优点包括： [0004] (1)在零到全负载范围内具有ZVS功能，且MOSFET关断电流低，关断损耗低，[0005] (2)高输入电压下具有高效率，可以在正常工作条件下对变换器进行最优化设计，[0006] (3)变换器次级没有滤波电感，输出整流二极管的电压应力低，能减少到两倍的输出电压， [0007] (4)变器的磁性器件能很容易的集成到一颗磁芯上。并且变压器的励磁电感和漏感也能被利用。 [0008] 但由于LLC谐振变换器采用的是变频PFM控制，在轻载和空载时为了输出电压的不变，开关变换器必须处于BUCK模式，此时的开关管的频率很高，一次侧的等效阻抗很大，造成了开关变换器的效率很低。 [0009] 在过载和短路的情况下，不同于传统PWM变换器过流时占空比可以限制电流，LLC谐振变换器工作在谐振频率时谐振腔阻抗最小，这就导致了短路时谐振腔的电流可能在很短的时间达到很高。发明内容 [0010] 根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，通过检测电路、电压比较电路和控制电路，解决了在轻载和空载时LLC谐振变换器效率很低和在过载和短路情况下LLC谐振变换器的谐振腔电流在很短的时间达到很高的问题，具有实现根据负载变化LLC谐振变换器的控制电路自动的切换采用PWM或者PFM混合的控制工作模式，提高LLC谐振变换器在轻载或空载时的工作效率和在过载或者短路时LLC谐振变换器电流的过流保护以及启动时的冲击电流的限制。 [0011] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： [0012] 本发明提供的一种具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其包括电源A，还包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、谐振电路、变压器、整流器、负载、检测电路、电压比较电路和控制电路，所述电源A的正、负极分别与所述第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极相连接，所述第一开关管Q1的漏极和所述第二开关管Q2的源极分别与所述谐振电路的正极输入端相连接，所述谐振电路的负极输出端和所述电源A的负极分别与所述变压器的输入端相连接，所述变压器的输出端通过所述整流器与所述负载并联连接，所述控制电路的输入端分别通过所述检测电路、电压比较电路与所述谐振电路、负载相连接，所述控制电路的输出端分别与所述第一开关管Q1、第二开关管Q2的栅极相连接。 [0013] 进一步地，所述检测电路包括电压检测电路和电流检测电路，所述电压检测电路连接在所述负载与所述控制电路之间，所述电流检测电路包括谐振电流检测电路和负载电流检测电路，所述谐振电流检测电路连接在所述谐振电路与所述控制电路之间，所述负载电流检测电路连接在所述负载与所述控制电路之间。 [0014] 进一步地，所述谐振电路包括依次串联的谐振电容Cr和等效电感Lr，所述变压器包括励磁电感Lm和变压器本体，所述励磁电感Lm与所述变压器本体的输入端并联连接，所述负载包括输出电容C0和负载电阻R0，所述输出电容C0与所述负载电阻R0并联连接。 [0015] 进一步地，所述控制电路包括微控制单元MCU和控制信息输出模块，所述微控制单元MCU包括AD采集模块、PI调节模块、PWM模块和PFM模块，所述AD采集模块的输入端分别与所述谐振电流检测电路的输出端、负载电流检测电路的输出端、电压检测电路的输出端相连接，所述PI调节模块的输入端与所述电压比较电路输出端相连接，所述PWM模块和PFM模块的输出端分别与所述控制信息输出模块的输入端相连接，所述控制信息输出模块的输出端分别与所述第一开关管Q1、第二开关管Q2的栅极相连接。 [0016] 进一步地，所述电压比较电路包括电流互感器T1、桥式不控整流器LN和比较器LM，所述电流互感器T1的输入端CT+、CT-分别与所述负载电阻R0的正负极对应连接，所述电流互感器T1的输出端与所述桥式不控整流器LN的输入端相连接，所述桥式不控整流器LN的输出端分别通过输出电容C2、电阻Req与所述比较器LM的反相输入端相连接，所述比较器LM的正相输入端依次通过输出电容C1、输出电阻R2、输出电阻R1与电源VCC相连接，所述比较器LM输出端依次通过输出电阻R4、输出电阻R5、输出电容C4与所述PI调节模块的输入端相连接。 [0017] 进一步地，所述桥式不控整流器LN的输出端与所述比较器LM的反相输入端之间还依次连接有输出电阻R3和输出电容C3，用于对输出电压进行滤波处理。 [0018] 进一步地，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2均为N沟道MOSFET开关管，所述变压器为副边匝数相等的中心抽头变压器。 [0019] 本发明有益效果是:通过检测电路、电压比较电路和控制电路，解决了在轻载和空载时LLC谐振变换器效率很低和在过载和短路情况下LLC谐振变换器的谐振腔电流在很短的时间达到很高的问题，实现了根据负载变化，LLC谐振变换器的控制电路自动的切换采用PWM或者PFM混合的控制工作模式，提高了LLC谐振变换器在轻载或空载时的工作效率和在过载或者短路时LLC谐振变换器电流的过流保护以及启动时的冲击电流的限制。此外，本发明电路连接简单，集成控制方便，使用寿命长。附图说明 [0020] 下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明： [0021] 图1是本发明的具体实施方式的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器的控制框图。 [0022] 图2是本发明的具体实施方式的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器的混合控制和过流保护措施算法框图。 [0023] 图3是本发明具体实施方式的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器的过流保护的硬件电路图。 [0024] 图4是Ln不变时，在不同品质因数和开关频率下的输出增益曲线图。具体实施方式 [0025] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。 [0026] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： [0027] 在传统PFM控制方法下LLC谐振变换器的电压增益在电路参数确定时仅受开关器件的开关频率的影响，表达公式如下： [0028] [0029] 式中Ln为谐振电感与变压器漏感的比值，fn为归一化开关频率，Q为品质因数。 [0030] 据此可得在Ln不变时，在不同品质因数和开关频率下的输出增益曲线，如图4所示。 [0031] 可以看出在轻载时即Q较大时，输入电压不变，为维持输出电压不变，此时fn要远离1会造成LLC谐振变换器的效率很低。故此引进PWM和PFM混合控制方法，输出的电压增益表达式如下： [0032] [0033] 其中，td为开关器件的导通时间，Ts为开关器件的周期时间。 [0034] 由此可得在开频率不变的条件下，随着占空比的增加，输出增益也在增加。 [0035] 基于以上理论，本发明提供的具有混合控制和过流保护措施的LLC谐振变换器，其包括电源A，还包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、谐振电路、变压器、整流器、负载、检测电路、电压比较电路和控制电路，电源A的正、负极分别与第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极相连接，第一开关管Q1的漏极和第二开关管Q2的源极分别与谐振电路的正极输入端相连接，谐振电路的负极输出端和电源A的负极分别与变压器的输入端相连接，变压器的输出端通过整流器与负载并联连接，控制电路的输入端分别通过检测电路、电压比较电路与谐振电路、负载相连接，控制电路的输出端分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2的栅极相连接。 [0036] 本发明通过检测电路、电压比较电路和控制电路，解决了在轻载和空载时LLC谐振变换器效率很低和在过载和短路情况下LLC谐振变换器的谐振腔电流在很短的时间达到很高的问题，实现了根据负载变化，LLC谐振变换器的控制电路自动的切换采用PWM或者PFM混合的控制工作模式，提高了LLC谐振变换器在轻载或空载时的工作效率和在过载或者短路时LLC谐振变换器电流的过流保护以及启动时的冲击电流的限制。此外，本发明电路连接简单，集成控制方便，使用寿命长。 [0037] 具体地，检测电路包括电压检测电路和电流检测电路，电压检测电路连接在负载与控制电路之间，电流检测电路包括谐振电流检测电路和负载电流检测电路，谐振电流检测电路连接在谐振电路与控制电路之间，负载电流检测电路连接在负载与控制电路之间。 [0038] 具体地，谐振电路包括依次串联的谐振电容Cr和等效电感Lr，变压器包括励磁电感Lm和变压器本体，励磁电感Lm与变压器本体的输入端并联连接，负载包括输出电容C0和负载电阻R0，输出电容C0与负载电阻R0并联连接。 [0039] 具体地，控制电路包括微控制单元MCU和控制信息输出模块，微控制单元MCU包括AD采集模块、PI调节模块、PWM模块和PFM模块，AD采集模块的输入端分别与谐振电流检测电路的输出端、负载电流检测电路的输出端、电压检测电路的输出端相连接，PI调节模块的输入端与电压比较电路输出端相连接，PWM模块和PFM模块的输出端分别与控制信息输出模块的输入端相连接，控制信息输出模块的输出端分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2的栅极相连接。 [0040] 具体地，电压比较电路包括电流互感器T1、桥式不控整流器LN和比较器LM，电流互感器T1的输入端CT+、CT-分别与负载电阻R0的正负极对应连接，电流互感器T1的输出端与桥式不控整流器LN的输入端相连接，桥式不控整流器LN的输出端分别通过输出电容C2、电阻Req与比较器LM的反相输入端相连接，比较器LM的正相输入端依次通过输出电容C1、输出电阻R2、输出电阻R1与电源VCC相连接，比较器LM输出端依次通过输出电阻R4、输出电阻R5、输出电容C4与PI调节模块的输入端相连接。优选的，桥式不控整流器LN的输出端与比较器LM的反相输入端之间还依次连接有输出电阻R3和输出电容C3，用于对输出电压进行滤波处理。本发明中，从图3中可知其中CT+、CT-串联在LLC谐振变换器的二次侧，通过电流互感器T1和桥式不控整流器LN，将电流信号里的交流电流信号转换成直流电流信号，并通过输出电容C2和电阻Req将电流信号转换成电压信号，输出电阻R3和输出电容C3对输出电压进行滤波处理，Vout与Vref比较，若Vout小于Vref，比较器LM输出高电平，经过输出电阻R4、输出电阻R5、输出电容C4输出滤波将信号传递到MCU中的PI调节模块；若Vout大于Vref，比较器输出低电平，OCP瞬间会被拉低，此时MCU也会瞬间动作，直到Vout小于Vref，OCP才会为高电平，解除过流保护。 [0041] 优选的，本发明中，第一开关管Q1、第二开关管Q2均为N沟道MOSFET开关管，变压器为副边匝数相等的中心抽头变压器。 [0042] 具体实施如下：开始时，PFM模块输出开关信号，直到达到预设值，PWM模块占空比逐渐增大使LLC谐振电路输出直到达到系统预设值，完成系统软启动，在此期间AD采集模块定时对LLC谐振变换器的输出电压，通过电压检测电路进行采样判断是否达到预设值，同时对输出电流和谐振腔电流分别通过负载电流检测电路和谐振电流检测电路进行定时采样，通过输出电压和输出电流的数值判断输出负载情况，若由输出电压和输出电流计算的输出电阻较大，或者接近无穷大，则判为轻载或者开路。若输出电阻较小，或者接近与零，则判为过载或者短路。若输出电阻正常，则判为正常运行模式。 [0043] 系统若为正常模式，AD采集模块采集的电压通过电压比较电路与设定基准值比较，误差放大到PI补偿器，PFM模块输出信号给控制信息输出模块驱动功率开关管Q1、Q2。 [0044] 系统若为轻载或开路模式，为了维持输出电压的不变，开关频率保持不变，此时LLC谐振变换器的效率最高，减少开关信号的占空比直到达到预设值，在此过程中判断输出电压是否满足范围，如果满足则与输出电压基准值比较，经过PI补偿器输出PWM波形给控制信息输出模块驱动功率开关管Q1、Q2；若电压仍不能到期望电压，此时再改变开关频率输出PWM与PFM混合波形给控制信息输出模块驱动功率开关管Q1、Q2。 [0045] 系统若为过载和短路模式时，开关频率迅速上升到预设值，使得LLC谐振变换器工作在BUCK模式，谐振电流检测电路检测谐振腔的电流，如果过大但仍小于Vref基准值，此时PWM模块通过减少占空比来减少输出电压和谐振腔内电流。若电流仍然较大超过Vref，则PFM和PWM模块不再工作，系统关机，从而实现对LLC谐振变换器的过流保护。 [0046] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

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