一种具有双谐振频率的LLC谐振电源变换器

摘要

本发明公开了一种具有双谐振频率的LLC谐振电源变换器，在传统的两个桥臂四个NMOS管M₃、M₄、M₅及M₆构成的LLC谐振电源变换器的谐振网络基础上，增设了包括NMOS管M₁、M₂构成一个桥臂，与电感La构成的有源网络并依次串接隔离变压器和Class D全桥整流，Class D全桥整流通过负载R依次连接输出采样电路、误差放大电路、STM32F407微控制器和高频栅驱动电路，高频栅驱动电路的输出驱动附加有源网络的谐振网络中三个桥臂共六个MOS管M₁～M₆的正常工作。本发明具有两种工作模式，大大提高了LLC谐振变换器的轻载效率，还具有窄的开关频率范围以及在全负载范围内对称工作的优点。

主权项

一种具有双谐振频率的LLC谐振电源变换器，LLC谐振电源变换器的谐振网络设有四个NMOS管M₃、M₄、M₅及M₆，电感Lr和Lm以及电容Cr，NMOS管M₃和M₄构成一个桥臂，NMOS管M₅和M₆构成另一个桥臂，NMOS管M₃的源极连接NMOS管M₄的漏极和电感Lr的一端，NMOS管M₅的源极连接NMOS管M₆的漏极和电感Lm的一端，电感Lm的另一端串接电容Cr后连接电感Lr的另一端，NMOS管M₃和M₅的漏极均连接输入电压V_IN正端，NMOS管M₄和M₆的源极均连接输入电压V_IN负端并连接输入地，NMOS管M₃、M₄、M₅及M₆的源、漏极之间均分别并联有体二极管和寄生电容；其特征在于：增设包括NMOS管M₁、M₂和电感La构成的有源网络，该有源网络与包括四个NMOS管M₃、M₄、M₅及M₆的LLC谐振电源变换器的谐振网络共同构成附加有源谐振的谐振网络，其中增设的NMOS管M₁和M₂构成第三个桥臂，NMOS管M₁的源极连接NMOS管M₂的漏极和电感La的一端，电感La的另一端连接NMOS管M₃源极与NMOS管M₄漏极和电感Lm的连接端，NMOS管M₁的漏极连接输入电压V_IN正端，NMOS管M₂的源极连接输入电压V_IN负端并连接输入地，NMOS管M₁和M₂的源、漏极之间均分别并联有体二极管和寄生电容；附加有源谐振的谐振网络的输出依次串接隔离变压器和Class D全桥整流，Class D全桥整流通过负载依次连接输出采样电路、误差放大电路、STM32F407微控制器和高频栅驱动电路，高频栅驱动电路的输出驱动附加有源网络的谐振网络中三个桥臂共六个MOS管M₁～M₆的正常工作；隔离变压器原边的同名端和异名端与电感Lm并联连接；Class D全桥整流包括二极管D₇、D₈、D₉、D₁₀和滤波电容C_f，二极管D₇的阳极连接二极管D₈的阴极和隔离变压器副边的同名端，二极管D₉的阳极连接二极管D₁₀的阴极和隔离变压器副边的异名端，二极管D₇的阴极连接二极管D₉的阴极和滤波电容C_f的正端并作为Class D全桥整流的输出端连接负载电阻R的一端，二极管D₈的阳极连接二极管D₁₀的阳极和滤波电容C_f的负端并连接输出地；输出采样电路包括电阻R₁、R₂和Rs，电阻R₁、R₂构成输出电压采样电路，电阻R₁的一端连接Class D全桥整流的输出端，电阻R₁的另一端连接电阻R₂的一端并作为输出电压采样电路的输出端，电阻R₂的另一端接输出地；电阻Rs构成输出电流采样电路，电阻Rs的一端连接负载电阻R的另一端并作为输出电流采样电路的输出端，电阻Rs的另一端连接输出地；误差放大电路包括两个运算放大器，其中一个运算放大器的负端连接输出电压采样电路的输出端，另一个运算放大器的负端连接输出电流采样电路的输出端，两个运算放大器的正端均连接输出地；STM32F407微控制器包括A/D变换器、迟滞比较器、数字PI控制器、频率调制器和模式选择电路，误差放大电路中两个运算放大器的输出分别为输出电压的放大信号和输出电流的放大信号，均连接STM32F407微控制器的A/D转换接口，A/D转换后得到的数字电压反馈信号V_FB与参考电压V_REF进行比较后输出给数字PI控制器，数字PI控制器将电压反馈信号V_FB与参考电压V_REF之差V_E经过比例、积分运算，得到的电压信号输出给频率调制器，频率调制器由STM32F407微控制器中的定时器实现，根据数字PI控制器输出电压的大小得到一对频率可调的互补脉冲输出信号并将其输出给模式选择电路；A/D转换后得到的数字电流反馈信号I_FB与参考电流I_REF经迟滞比较器后亦输出给模式选择电路，模式选择电路输出G₁和G₂，G₃和G₄以及G₅和G₆三对信号，迟滞比较器的输出确定使能信号的电平，进而决定G₁和G₂，G₃和G₄两对输出信号的工作状态；高频栅驱动电路包括三个相同的驱动电路，每个驱动电路对应连接模式选择电路输出的G₁和G₂，G₃和G₄以及G₅和G₆三对信号中的一对信号，每个驱动电路均设有隔离栅驱动芯片以及并联在隔离栅驱动芯片输出端的两组相同的外部负关断电压产生电路，每组外部负关断电压产生电路均包括电容Cb、二极管Dn、电阻Rg和Rgd，其中一组外部负关断电压产生电路中的电容Cb的一端连接隔离栅驱动芯片的一个输出端，电容Cb的另一端连接二极管Dn的阴极、电阻Rg的一端和电阻Rgd的一端，电阻Rg的另一端输出的信号控制附加有源谐振的谐振网络三个桥臂中其中一个桥臂中的上开关管栅极，电阻Rgd的另一端连接二极管Dn的阳极和隔离栅驱动芯片的另一个输出端，该端输出的信号控制上述桥臂中的上开关管源极；另一组外部负关断电压产生电路中的电容Cb的一端连接隔离栅驱动芯片的第三个输出端，电容Cb的另一端连接二极管Dn的阴极、电阻Rg的一端和电阻Rgd的一端，电阻Rg的另一端输出的信号控制附加有源谐振的谐振网络中上述桥臂的下开关管栅极，电阻Rgd的另一端连接二极管Dn的阳极和隔离栅驱动芯片的第四个输出端，该端输出的信号作为控制附加有源谐振的谐振网络中上述桥臂的下开关管源极；高频栅驱动电路根据模式选择电路输出的G₁和G₂，G₃和G₄以及G₅和G₆三对信号的工作状态决定附加有源网络的谐振网络的工作模式究竟是A还是B，模式A和B分别对应了两种不同的谐振频率，不同的谐振频率下，附加有源网络的谐振网络中三个桥臂共六个MOS管M₁～M₆的工作状态不同：如果EN＝1，G3和G4以及G₅和G₆为脉冲信号，G1和G2为0，附加有源网络的谐振网络工作在模式A；反之，如果EN＝0，G1和G2以及G₅和G₆为脉冲信号，G3和G4为0，附加有源网络的谐振网络工作在模式B；在轻载情况下，附加有源网络的谐振网络的工作模式由模式A切换到模式B；模式A：附加有源网络的谐振网络包括MOS管M₃、M₄、M₅及M₆，电感Lr和Lm以及电容Cr，在此模式下，谐振电感为Lr；模式B：附加有源网络的谐振网络包括MOS管M₁、M₂、M₅及M₆，电感La、Lr和Lm以及电容Cr，在此模式下，谐振电感为(La+Lr)。