变压器原边串联LLC加输出并联BUCK两级变换器

摘要

本发明公开了一种变压器原边串联LLC加输出并联BUCK两级变换器，包括两个高频隔离变压器，两个高频隔离变压器的原边串联后接入一个LLC谐振网络，LLC谐振网络的另一端接入一个桥式电路，两个高频隔离变压器的副边各依次连接一个整流电路和一个BUCK电路，两个BUCK电路的输出端交错并联。本发明可实现高频变压器原边开关管的零电压开通，高频变压器副边整流管的零电流关断，提高了该LLC变换器的效率及功率密度，基于两个交错并联的BUCK电路的相同占空比控制可实现前级变换器两个原边串联高频变压器的原边电压相等，使两个高频变压器均分输入功率，实现了高频变压器磁均衡分布，既提高了变换器的可靠性，又降低了成本。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及宽输入高电压、输出低压/大电流、高频、高功率密度模块电源的相关技术，尤其涉及一种变压器原边串联LLC加输出并联BUCK(降压斩波电路)两级变换器。 

背景技术

随着科学技术的不断发展，对DC/DC变换器的效率，功率密度和可靠性提出了更高的要求。开关管的软开关可实现开关管开关过程中零损耗，同时有效抑制了开关管关断过程中的电压尖峰并减小了电路的EMI辐射，提高了变换器的效率和可靠性。高频变压器原边串联均压可有效分散磁芯发热，提高高频变压器的性能及可靠性。另外，变换器一般采用在输出端交错并联方式以减少输出电流的纹波，从而减小输出滤波电容的体积。 

然而，为实现开关管的软开关，通常需要牺牲变换器的一部分电气性能，如有源钳位软开关技术在磁芯复位时候的能量损耗很大，移相全桥软开关技术通过漏感中储存的能量实现开关管的软开关，但漏感中储存的能量越多，占空比丢失越大，而变频LLC变换器虽然能较好的实现开关管的软开关，却导致电路的EMI辐射加重、增加了副边同步整流和滤波器设计的难度。同时，隔离变压器在高频时的磁芯损耗非常大，导致磁芯发热厉害，影响了高频变压器的使用寿命，从而降低了变换器的可靠性。另外，变换器的输出并联通常需要采取均流措施，以保证模块之间电气应力和热应力的均匀分配。 

目前，均流方法大致分为两大类：下垂法和有源均流法。下垂法通过改变并联模块的输出内阻来实现并联模块的均流，因而降低了模块的输出负载特性；而有源均流法需要专用均流控制电路，需检测各个模块的输入或输出电流，并且均流母线易受干扰，因而控制系统设计复杂，可靠性降低，系统成本较高。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种变压器原边串联LLC加输出并联BUCK两级变换器。 

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种变压器原边串联LLC加输出并联BUCK两级变换器，包括两个高频隔离变压器，所述两个高频隔离变 压器的原边串联后接入一个LLC谐振网络，LLC谐振网络的另一端接入一个桥式电路，所述两个高频隔离变压器的副边各依次连接一个整流电路和一个BUCK电路，两个BUCK电路的输出端交错并联。 

进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频变压器的原边单绕组且变压器副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流管为二极管。 

进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频变压器的原边单绕组且变压器副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流管为MOSFET。 

进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频变压器的原边单绕组且变压器副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流管为二极管。 

进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述高频变压器的原边单绕组且变压器副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流管为MOSFET。 

进一步地，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频变压器的原边单绕组且变压器副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流管为二极管。 

进一步地，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频变压器的原边单绕组且变压器副边单绕组，所述整流电路为全桥整流电路，所述整流管为MOSFET。 

进一步地，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频变压器的原边单绕组且变压器副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流管为二极管。 

进一步地，所述桥式电路为半桥桥式电路，所述高频变压器的原边单绕组且变压器副边双绕组，所述整流电路为全波整流电路，所述整流管为MOSFET。 

本发明的有益效果是：基于两个交错并联的BUCK电路的相同占空比控制可实现前级LLC变换器两个原边串联高频隔离变压器的原边电压相等，使两个高频隔离变压器均分输入功率，实现了高频隔离变压器磁均衡分布，从而提高变换器的可靠性。基于两个高频隔离变压器的相同绕组匝数比可实现高频隔离变压器副边整流电路和输出端交错并联BUCK电路的自动均流，不需要额外的均流控制，同时可闭环控制BUCK电路的输出电压值恒定，简化了BUCK电路的控制环节，既提高了变换器系统的可靠性，又降低了系统成本。此外，与传统的变频LLC谐振变换器相比，定频LLC谐振变换器减小了EMI辐射，且能可靠高效的实现副边整流管的同步整流，便于输出滤波器的设计。 

附图说明

图1为本发明两级级联变换器的第一种实施方式的电路原理图； 

图2为本发明两级级联变换器的第二种实施方式的电路原理图； 

图3为本发明两级级联变换器的第三种实施方式的电路原理图； 

图4为本发明两级级联变换器的第四种实施方式的电路原理图； 

图5为本发明两级级联变换器驱动信号1-6时序图； 

图6为本发明两级级联变换器驱动信号7-10时序图。 

具体实施方式

如图1所示，作为本发明的第一种实施方式，主电路由前级定频半桥LLC谐振变换器和后级输出端交错并联BUCK电路构成，其中前级定频半桥LLC谐振变换器由一个半桥桥式电路HP，一个谐振网络LLC，两个高频隔离变压器T1、T2，两个整流电路HS1、HS2，两个母线电容Cs1、Cs2组成。半桥桥式电路HP由开关管S1、S2组成，谐振网络LLC由一个串联谐振电感Lr、两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2和一个串联谐振电容Cr组成，HS1由同步整流管SR1、SR2组成，HS2由同步整流管SR3、SR4组成。其中，开关管S1的漏极接输入电压Vin的正极，开关管S2的源极接输入电压Vin的负极，开关管S1的源极和开关管S2的漏极连接，开关管S1的源极接谐振网络LLC。谐振网络LLC中串联谐振电感Lr、两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2和串联谐振电容Cr依次串联，串联谐振电感Lr的一端接开关管S2的漏极，串联谐振电容Cr的一端接开关管S2的源极；谐振网络LLC的两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2分别并联高频隔离变压器T1、T2，高频隔离变压器T1、T2的原边为单绕组，副边为双绕组，且高频隔离变压器T1、T2的两个原边绕组串联，高频隔离变压器T1与串联谐振电感Lr相连的端口记为端口1，高频隔离变压器T1与副边同步整流管SR1漏极相连的端口记为端口2，高频隔离变压器T1与同步整流管SR2漏极相连的端口记为端口3，高频隔离变压器T1副边剩余的一个端口记为端口4，则端口1、端口2、端口4为高频隔离变压器T1的一组同名端，高频隔离变压器T2与高频隔离变压器T1相连的端口记为端口5，高频隔离变压器T2与副边同步整流管SR3漏极相连的端口记为端口6，高频隔离变压器T2与同步整流管SR4漏极相连的端口记为端口7，高频隔离变压器T2副边剩余的一个端口记为端口8，则端口5、端口6、端口8为高频隔离变压器T2的一组同名端。在高频隔离变压器T1、T2的副边分别接一个同步整流电路HS1、HS2，同步整流管SR1、同步整流管SR2、同步整流管SR3与同步整流管SR4的源极相连后接副边地。母线电容Cs1的一端接高频隔离变压器T1的端口4，另一端接副边地；母线电容Cs2的一端接高频隔离变压器T2的端口8，另一端接副边地。 

两个母线电容Cs1、Cs2后分别接一个BUCK电路，母线电容CS1后所接的BUCK电路由一个开关管S3、一个同步整流管QD1、一个输出滤波电感L1和输出滤波电容Co组成，开关管S3的漏极与高频隔离变压器T1的端口4相连，开关管S3的源极连到同步整流管QD1的漏极上，并与输出滤波电感L1的一端相连，输出滤波电感L1的另一端与输出滤波电容Co的一端相连，同步整流管QD1的源极接副边地；母线电容CS2后所接的BUCK电路由一个开关管S4、一个同步整流管QD2、一个输出滤波电感L2和输出滤波电容Co组成，开关管S4的漏极与高频隔离变压器T2的端口8相连，开关管S4的源极连到同步整流管QD2的漏极上，并与输出滤波电感L2的一端相连，输出滤波电感L2的另一端接输出滤波电容Co的一端，同步整流管QD2的源极接副边地，输出滤波电容Co的另一端接副边地，输出滤波电容Co的两端接两级级联变换器的负载RL。开关管S1使用驱动信号1，开关管S2使用驱动信号2，同步整流管SR1使用驱动信号3，同步整流管SR2使用驱动信号4，同步整流管SR3使用驱动信号5，同步整流管SR4使用驱动信号6，开关管S3使用驱动信号7，开关管S4使用驱动信号8，同步整流管QD1使用驱动信号9，同步整流管QD2使用驱动信号10。 

如图2所示，作为本发明的第二种实施方式，主电路由前级定频半桥LLC谐振变换器和后级输出端交错并联BUCK电路构成，其中前级定频半桥LLC谐振变换器由一个半桥桥式电路HP，一个谐振网络LLC，两个高频隔离变压器T1、T2，两个整流电路HS1、HS2，两个母线电容Cs1、Cs2组成。半桥桥式电路HP由开关管S1、S2组成，谐振网络LLC由一个串联谐振电感Lr、两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2和一个串联谐振电容Cr组成，HS1由同步整流管SR1、SR2、SR3、SR4组成，HS2由同步整流管SR5、SR6、SR7、SR8组成。其中，开关管S1的漏极接输入电压Vin的正极，开关管S2的源极接输入电压Vin的负极，开关管S1的源极和开关管S2的漏极连接，开关管S1的源极接谐振网络LLC。谐振网络LLC中串联谐振电感Lr、两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2和串联谐振电容Cr依次串联，串联谐振电感Lr的一端接开关管S2的漏极，串联谐振电容Cr的一端接开关管S2的源极；谐振网络LLC的两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2分别并联高频隔离变压器T1、T2，高频隔离变压器T1、T2的原边为单绕组，副边为双绕组，且高频隔离变压器T1、T2的两个原边绕组串联，高频隔离变压器T1与串联谐振电感Lr相连的端口记为端口1，高频隔离变压器T1与副边同步整流管SR1的源极连接的端口记为端口2，则端口1、端口2为高 频隔离变压器T1的一组同名端，高频隔离变压器T2与高频隔离变压器T1相连的端口记为端口3，高频隔离变压器T2与副边同步整流管SR5的源极连接的端口记为端口4，则端口3、端口4为高频隔离变压器T2的一组同名端。在高频隔离变压器T1、T2的副边分别接一个同步整流电路HS1、HS2，同步整流管SR1的源极与同步整流管SR2的漏极相连，同步整流管SR3的源极与同步整流管SR4的漏极相连，同步整流管SR1的漏极与同步整流管SR3的漏极相连，同步整流管SR2的源极与同步整流管SR4的源极相连后接副边地。同步整流管SR5的源极与同步整流管SR6的漏极相连，同步整流管SR7的源极与同步整流管SR8的漏极相连，同步整流管SR5的漏极与同步整流管SR7的漏极相连，同步整流管SR6的源极与同步整流管SR8的源极相连后接副边地。母线电容Cs1的一端接同步整流管SR3的漏极，另一端接副边地；母线电容Cs2的一端接同步整流管SR7的漏极，另一端接副边地。 

两个母线电容Cs1、Cs2后分别接一个BUCK电路，母线电容CS1后所接的BUCK电路由一个开关管S3、一个同步整流管QD1、一个输出滤波电感L1和输出滤波电容Co组成，开关管S3的漏极与高频隔离变压器T1的端口4相连，开关管S3的源极连到同步整流管QD1的漏极上，并与输出滤波电感L1的一端相连，输出滤波电感L1的另一端与输出滤波电容Co的一端相连，同步整流管QD1的源极接副边地；母线电容CS2后所接的BUCK电路由一个开关管S4、一个同步整流管QD2、一个输出滤波电感L2和输出滤波电容Co组成，开关管S4的漏极与高频隔离变压器T2的端口8相连，开关管S4的源极连到同步整流管QD2的漏极上，并与输出滤波电感L2的一端相连，输出滤波电感L2的另一端接输出滤波电容Co的一端，同步整流管QD2的源极接副边地，输出滤波电容Co的另一端接副边地，输出滤波电容Co的两端接两级级联变换器的负载RL。开关管S1使用驱动信号1，开关管S2使用驱动信号2，同步整流管SR1、SR4共用驱动信号3，同步整流管SR2、SR3共用驱动信号4，同步整流管SR5、SR8共用驱动信号5，同步整流管SR6、SR7共用驱动信号6，开关管S3使用驱动信号7，开关管S4使用驱动信号8，同步整流管QD1使用驱动信号9，同步整流管QD2使用驱动信号10。 

如图3所示，作为本发明的第三种实施方式，主电路由前级定频全桥LLC谐振变换器和后级输出端交错并联BUCK电路构成，其中前级定频全桥LLC谐振变换器由一个全桥桥式电路HP，一个谐振网络LLC，两个高频隔离变压器T1、 T2，两个整流电路HS1、HS2，两个母线电容Cs1、Cs2组成。全桥桥式电路HP由开关管S1、S2、S3、S4组成，谐振网络LLC由一个串联谐振电感Lr、两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2和一个串联谐振电容Cr组成，HS1由同步整流管SR1、SR2组成，HS2由同步整流管SR3、SR4组成。其中，开关管S1的漏极与开关管S3的漏极相连后接输入电压Vin的正极，开关管S2的源极与开关管S4的源极相连后接输入电压Vin的负极，开关管S1的源极和开关管S2的漏极连接，开关管S3的源极和开关管S4的漏极连接，开关管S1的源极和开关管S3的源极后接谐振网络LLC。谐振网络LLC中串联谐振电感Lr、两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2和串联谐振电容Cr依次串联，串联谐振电感Lr的一端接开关管S1的源极，串联谐振电容Cr的一端接开关管S3的源极；谐振网络LLC的两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2分别并联高频隔离变压器T1、T2，高频隔离变压器T1、T2的原边为单绕组，副边为双绕组，且高频隔离变压器T1、T2的两个原边绕组串联，高频隔离变压器T1与串联谐振电感Lr相连的端口记为端口1，高频隔离变压器T1与副边同步整流管SR1漏极相连的端口记为端口2，高频隔离变压器T1与同步整流管SR2漏极相连的端口记为端口3，高频隔离变压器T1副边剩余的一个端口记为端口4，则端口1、端口2、端口4为高频隔离变压器T1的一组同名端，高频隔离变压器T2与高频隔离变压器T1相连的端口记为端口5，高频隔离变压器T2与副边同步整流管SR3漏极相连的端口记为端口6，高频隔离变压器T2与同步整流管SR4漏极相连的端口记为端口7，高频隔离变压器T2副边剩余的一个端口记为端口8，则端口5、端口6、端口8为高频隔离变压器T2的一组同名端。在高频隔离变压器T1、T2的副边分别接一个同步整流电路HS1、HS2，同步整流管SR1、同步整流管SR2、同步整流管SR3与同步整流管SR4的源极相连后接副边地。母线电容Cs1的一端接高频隔离变压器T1的端口4，另一端接副边地；母线电容Cs2的一端接高频隔离变压器T2的端口8，另一端接副边地。 

两个母线电容Cs1、Cs2后分别接一个BUCK电路，母线电容CS1后所接的BUCK电路由一个开关管S5、一个同步整流管QD1、一个输出滤波电感L1和输出滤波电容Co组成，开关管S5的漏极与高频隔离变压器T1的端口4相连，开关管S5的源极连到同步整流管QD1的漏极上，并与输出滤波电感L1的一端相连，输出滤波电感L1的另一端与输出滤波电容Co的一端相连，同步整流管QD1的源极接副边地；母线电容CS2后所接的BUCK电路由一个开关管S6、一个同 步整流管QD2、一个输出滤波电感L2和输出滤波电容Co组成，开关管S6的漏极与高频隔离变压器T2的端口8相连，开关管S6的源极连到同步整流管QD2的漏极上，并与输出滤波电感L2的一端相连，输出滤波电感L2的另一端接输出滤波电容Co的一端，同步整流管QD2的源极接副边地，输出滤波电容Co的另一端接副边地，输出滤波电容Co的两端接两级级联变换器的负载RL。开关管S1、S4共用驱动信号1，开关管S2、S3共用驱动信号2，同步整流管SR1使用驱动信号3，同步整流管SR2使用驱动信号4，同步整流管SR3使用驱动信号5，同步整流管SR4使用驱动信号6，开关管S5使用驱动信号7，开关管S6使用驱动信号8，同步整流管QD1使用驱动信号9，同步整流管QD2使用驱动信号10。 

如图4所示，作为本发明的第四种实施方式，主电路由前级定频全桥LLC谐振变换器和后级输出端交错并联BUCK电路构成，其中前级定频全桥LLC谐振变换器由一个全桥桥式电路HP，一个谐振网络LLC，两个高频隔离变压器T1、T2，两个整流电路HS1、HS2，两个母线电容Cs1、Cs2组成。全桥桥式电路HP由开关管S1、S2、S3、S4组成，谐振网络LLC由一个串联谐振电感Lr、两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2和一个串联谐振电容Cr组成，HS1由同步整流管SR1、SR2组成，HS2由同步整流管SR3、SR4组成。其中，开关管S1的漏极与开关管S3的漏极相连后接输入电压Vin的正极，开关管S2的源极与开关管S4的源极相连后接输入电压Vin的负极，开关管S1的源极和开关管S2的漏极连接，开关管S3的源极和开关管S4的漏极连接，开关管S1的源极和开关管S3的源极后接谐振网络LLC。谐振网络LLC中串联谐振电感Lr、两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2和串联谐振电容Cr依次串联，串联谐振电感Lr的一端接开关管S1的源极，串联谐振电容Cr的一端接开关管S3的源极；谐振网络LLC的两个高频变压器的励磁电感Lm1、Lm2分别并联高频隔离变压器T1、T2，高频隔离变压器T1、T2的原边为单绕组，副边为双绕组，且高频隔离变压器T1、T2的两个原边绕组串联，高频隔离变压器T1与串联谐振电感Lr相连的端口记为端口1，高频隔离变压器T1与副边同步整流管SR1的源极连接的端口记为端口2，则端口1、端口2为高频隔离变压器T1的一组同名端，高频隔离变压器T2与高频隔离变压器T1相连的端口记为端口3，高频隔离变压器T2与副边同步整流管SR5的源极连接的端口记为端口4，则端口3、端口4为高频隔离变压器T2的一组同名端。在高频隔离变压器T1、T2的副边分别接一个同步整流电路HS1、HS2，同步整流管SR1的源极与同步整流管SR2的漏极相连，同步整流 管SR3的源极与同步整流管SR4的漏极相连，同步整流管SR1的漏极与同步整流管SR3的漏极相连，同步整流管SR2的源极与同步整流管SR4的源极相连后接副边地。同步整流管SR5的源极与同步整流管SR6的漏极相连，同步整流管SR7的源极与同步整流管SR8的漏极相连，同步整流管SR5的漏极与同步整流管SR7的漏极相连，同步整流管SR6的源极与同步整流管SR8的源极相连后接副边地。母线电容Cs1的一端接同步整流管SR3的漏极，另一端接副边地；母线电容Cs2的一端接同步整流管SR7的漏极，另一端接副边地。 

两个母线电容Cs1、Cs2后分别接一个BUCK电路，母线电容CS1后所接的BUCK电路由一个开关管S5、一个同步整流管QD1、一个输出滤波电感L1和输出滤波电容Co组成，开关管S5的漏极与高频隔离变压器T1的端口4相连，开关管S5的源极连到同步整流管QD1的漏极上，并与输出滤波电感L1的一端相连，输出滤波电感L1的另一端与输出滤波电容Co的一端相连，同步整流管QD1的源极接副边地；母线电容CS2后所接的BUCK电路由一个开关管S6、一个同步整流管QD2、一个输出滤波电感L2和输出滤波电容Co组成，开关管S6的漏极与高频隔离变压器T2的端口8相连，开关管S6的源极连到同步整流管QD2的漏极上，并与输出滤波电感L2的一端相连，输出滤波电感L2的另一端接输出滤波电容Co的一端，同步整流管QD2的源极接副边地，输出滤波电容Co的另一端接副边地，输出滤波电容Co的两端接两级级联变换器的负载RL。开关管S1、S4共用驱动信号1，开关管S2、S3共用驱动信号2，同步整流管SR1、SR4共用驱动信号3，同步整流管SR2、SR3共用驱动信号4，同步整流管SR5、SR8共用驱动信号5，同步整流管SR6、SR7共用驱动信号6，开关管S5使用驱动信号7，开关管S6使用驱动信号8，同步整流管QD1使用驱动信号9，同步整流管QD2使用驱动信号10。 

所述功率开关管为金属氧化物硅场效应晶体管或者绝缘双极晶体管。所述功率开关管及其反并二极管由独立开关晶体管和独立二极管反并联后构成，或由其内部自带反并二极管的开关晶体管构成。所述谐振网络中的串联谐振电容为无极性电容，输出滤波电容为无极性电容或有极性电容，或为两者的结合使用，串联谐振电感和高频隔离变压器的磁芯材料为铁氧体，输出滤波电感的磁芯材料为铁氧体或铁粉芯。 

本发明中，共使用十个驱动信号，分别为驱动信号1、驱动信号2、驱动信号3、驱动信号4、驱动信号5、驱动信号6、驱动信号7、驱动信号8、驱动信 号9、驱动信号10。如图5所示，驱动信号1、4、6相同，驱动信号2、3、5相同，且驱动信号1和2互补，3和4互补，5和6互补，各导通半个周期，如图6所示，驱动信号7和驱动信号9互补，驱动信号8和驱动信号10互补，驱动信号7和驱动信号8交错半个周期导通，驱动信号9和驱动信号10交错半个周期导通。驱动信号1、2、3、4、5、6与驱动信号7、8、9、10之间没有相位要求。