一種諧振變換器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種諧振變換器及其控制方法，屬于電力電子變換器【技術領域】。該變換器由兩個高頻矩形波電壓源(uP1、uP2)、兩個諧振電感(Lr1、Lr2)、兩個諧振電容(Cr1、Cr2)、兩個主電感(Lm1、Lm2)、兩個變壓器(T1、T2)、六個二極管(D1～D6)、輸出濾波電容(Co)和負載(Ro)構成，兩個高頻矩形波電壓源的頻率和脈沖寬度相同、且頻率固定，通過兩個高頻矩形波電壓源之間的移相控制實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)；本發(fā)明變換器中由諧振電感、諧振電容和主電感形成的兩個諧振網(wǎng)絡始終工作在固定頻率，控制簡單、易于實現(xiàn)；變換器能夠在全電壓和負載范圍內(nèi)實現(xiàn)所有開關管和二極管的軟開關，實現(xiàn)高頻、高效率功率變換，有效減小電感和變壓器的體積，實現(xiàn)高功率密度。
【專利說明】一種諧振變換器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種諧振變換器及其控制方法，屬于電力電子變換器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隔離型變換器適用于輸入輸出要求電氣隔離的應用場合，在新能源發(fā)電、工業(yè)、民用、航空航天等各個領域具有廣泛的應用。
[0003]傳統(tǒng)的隔離型直流變換器，例如正激變換器、反激變換器、推挽變換器、半橋變換器、全橋變換器等雖然能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離的功率變換，但普遍存在以下問題:開關器件的電壓應力高，特別是變換器副邊整流二極管的電壓應力遠高于輸出電壓；變壓器漏感引起的開關器件的電壓尖峰和震蕩，進一步加劇了開關器件的應力、降低了可靠性和效率。此外，傳統(tǒng)的直流變換器通常不能實現(xiàn)開關管的軟開關，限制了變換器的效率。雖然全橋變換器通過采用移相控制可以在特定負載和輸入輸出電壓條件下實現(xiàn)軟開關，但是其代價是增加了變換器的導通損耗，特別是漏感引起的環(huán)流損耗，當輸入電壓降低時，環(huán)流損耗將急劇增力口，此外，移相全橋變換器在輕載時也無法實現(xiàn)軟開關。
[0004]諧振類變換器以其出色的軟開關性能而在近年獲得了廣泛的關注與研究，LLC諧振變換器是其中最具代表性的一種。LLC諧振變換器能夠在整個電壓和負載范圍內(nèi)實現(xiàn)所有開關管和二極管的軟開關，特別適合高頻、高功率密度功率變換。然而，LLC諧振變換器需要通過改變開關頻率來實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，當負載或輸入電壓波動時，開關頻率需要在很寬范圍內(nèi)變化，這給變換器的分析、設計和實現(xiàn)，特別是磁性器件的優(yōu)化設計和實現(xiàn)都帶來了極大困難和挑戰(zhàn)，而變頻控制的實現(xiàn)也較常規(guī)的定頻控制復雜的多，對變換器的建模分析等也造成了很大困難。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種能夠工作于固定開關頻率的諧振變換器及其控制方法。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過采用改進的電路結構將兩個傳統(tǒng)的LLC諧振變換器加以組合，其中每個LLC諧振變換器都工作在固定的開關頻率，且開關頻率等于諧振網(wǎng)絡的諧振頻率，通過兩個LLC諧振變換器之間的移相控制實現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，從而不需要改變LLC諧振變換器的開關頻率，非常利于在固定頻率點實現(xiàn)變換器的優(yōu)化設計。
[0007]本發(fā)明采用以下技術方案:
[0008]所述諧振變換器由第一高頻矩形波電壓源(Upi)、第二高頻矩形波電壓源(uP2)、第一諧振電感(L11)、第二諧振電感(D、第一諧振電容(C11)、第二諧振電容(&2)、第一主電感(Lml)、第二主電感(Lm2)、第一變壓器(T1)、第二變壓器(T2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第五二極管(D5)、第六二極管(D6)、輸出濾波電容(C0)和負載(R。)構成，其中第一變壓器(T1)包括第一原邊繞組(Npi)和第一副邊繞組(Nsi)，第二變壓器(T2)包括第二原邊繞組(Np2)和第二副邊繞組(Ns2);所述第一高頻矩形波電壓源(Up1)的一端連接第一諧振電感(Lrt)的一端，第一諧振電感(Lrt)的另一端連接第一諧振電容(Crt)的一端，第一諧振電容(C11)的另一端連接第一主電感(Lml)的一端和第一變壓器(T1)第一原邊繞組(Npi)的同名端，第一變壓器(T1)第一原邊繞組(Npi)的非同名端連接第一主電感(Lml)的另一端和第一高頻矩形波電壓源(uP1)的另一端；所述第二高頻矩形波電壓源(Up2)的一端連接第二諧振電感(LJ的一端，第二諧振電感(LJ的另一端連接第二諧振電容(CJ的一端，第二諧振電容(CJ的另一端連接第二主電感(Lm2)的一端和第二變壓器(T2)第二原邊繞組(Np2)的非同名端，第二變壓器(T2)第二原邊繞組(Np2)的同名端連接第二主電感(Lm2)的另一端和第二高頻矩形波電壓源(uP2)的另一端；所述第一變壓器(T1)第一副邊繞組(Nsi)的同名端連接第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陰極，第一變壓器(T1)第一副邊繞組(Nsi)的非同名端連接第二變壓器(T2)第二副邊繞組(Ns2)的非同名端、第三二極管(D3)的陽極和第四二極管(D4)的陰極，第二變壓器(T2)第二副邊繞組(Ns2)的同名端連接第五二極管(D5)的陽極和第六二極管(D6)的陰極，第一二極管(D1)的陰極連接第三二極管(D3)的陰極、第五二極管(D5)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連接負載(R。)的另一端、第二二極管(D2)的陽極、第四二極管(D4)的陽極和第六二極管(D6)的陽極。
[0009]所述諧振變換器中的第一諧振電感(Lrt)可以部分或全部由第一變壓器(T1)的漏感代替，所述第一主電感(Lml)可以由第一變壓器(T1)的激磁電感代替，所述第二諧振電感(Lr2)可以部分或全部由第二變壓器(T2)的漏感代替，所述第二主電感(Lm2)可以由第二變壓器(T2)的激磁電感代替。
[0010]所述諧振變換器中的第一高頻矩形波電壓源(Up1)和第二高頻矩形波電壓源(Up2)可以為全橋、半橋等電路拓撲結構。
[0011]所述諧振變換器中的第一高頻矩形波電壓源(Up1)和第二高頻矩形波電壓源(Up2)的頻率、脈沖寬度完全相同，且第一高頻矩形波電壓源(Up1)和第二高頻矩形波電壓源(Up2)的頻率固定，通過調(diào)節(jié)第一高頻矩形波電壓源(Up1)和第二高頻矩形波電壓源(Up2)的相位實現(xiàn)輸出電壓的控制。
[0012]本發(fā)明具有如下技術效果:
[0013](I)所有開關管、二極管能夠在全電壓范圍和全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關，變換效率聞;
[0014](2)諧振網(wǎng)絡始終工作在固定頻率，設計和實現(xiàn)簡單，便于優(yōu)化設計；
[0015](3)原邊采用并聯(lián)結構，原邊器件、諧振網(wǎng)絡和變壓器電流應力低，適合中大功率場合應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]附圖1是本發(fā)明諧振變換器的電路原理圖；
[0017]附圖2是本發(fā)明諧振變換器中的高頻矩形波電壓源采用半橋電路拓撲實現(xiàn)時的電路原理圖；
[0018]附圖3是本發(fā)明諧振變換器中的高頻矩形波電壓源采用全橋電路拓撲實現(xiàn)時的電路原理圖；
[0019]附圖4?附圖7分別是本發(fā)明諧振變換器在能量傳輸模式I?能量傳輸模式4的等效電路圖；
[0020]以上附圖中的符號名稱:uP1和Up2分別為第一和第二高頻矩形波電壓源；Lrt和L2分別為第一和第二諧振電感；crt和Crf分別為第一和第二諧振電容；Lml和Lm2分別為第一和第二主電感JJPT2分別為第一和第二變壓器；^和Np2分比為第一和第二原邊繞組；NSJPNs2分別為第一和第二副邊繞組ApDyDpDpD5和D6分別為第一、第二、第三、第四、第五和第六二極管；C。為輸出濾波電容；R。為負載；U。為輸出電壓J1?S8為開關管；Uin為直流電壓源。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。
[0022]如附圖1所示，本發(fā)明所述諧振變換器由第一高頻矩形波電壓源(uP1)、第二高頻矩形波電壓源(Up2)、第一諧振電感(Lrt)、第二諧振電感(LJ、第一諧振電容(Crt)、第二諧振電容(Crf)、第一主電感(Lml)、第二主電感(Lm2)、第一變壓器(T1)、第二變壓器(T2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第五二極管(D5)、第六二極管(D6)、輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構成，其中第一變壓器(T1)包括第一原邊繞組(Npi)和第一副邊繞組(Nsi)，第二變壓器(T2)包括第二原邊繞組(Np2)和第二副邊繞組(Ns2);所述第一高頻矩形波電壓源(uP1)的一端連接第一諧振電感(Lrt)的一端，第一諧振電感(Lrt)的另一端連接第一諧振電容(Crt)的一端，第一諧振電容(Crt)的另一端連接第一主電感(Lml)的一端和第一變壓器(T1)第一原邊繞組(Npi)的同名端,第一變壓器(T1)第一原邊繞組(Npi)的非同名端連接第一主電感(Lml)的另一端和第一高頻矩形波電壓源(Upi)的另一端；所述第二高頻矩形波電壓源(Up2)的一端連接第二諧振電感(Lj的一端，第二諧振電感(LJ的另一端連接第二諧振電容(CJ的一端，第二諧振電容(CJ的另一端連接第二主電感(Lm2)的一端和第二變壓器(T2)第二原邊繞組(Np2)的非同名端，第二變壓器(T2)第二原邊繞組(Np2)的同名端連接第二主電感(Lm2)的另一端和第二高頻矩形波電壓源(Up2)的另一端；所述第一變壓器(T1)第一副邊繞組(Nsi)的同名端連接第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陰極，第一變壓器(T1)第一副邊繞組(Nsi)的非同名端連接第二變壓器(T2)第二副邊繞組(Ns2)的非同名端、第三二極管(D3)的陽極和第四二極管(D4)的陰極，第二變壓器(T2)第二副邊繞組(Ns2)的同名端連接第五二極管(D5)的陽極和第六二極管(D6)的陰極，第一二極管(D1)的陰極連接第三二極管(D3)的陰極、第五二極管(D5)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連接負載(R0)的另一端、第二二極管(D2)的陽極、第四二極管(D4)的陽極和第六二極管(D6)的陽極。
[0023]本發(fā)明的基本思路是通過采用改進的電路結構將兩個傳統(tǒng)的LLC諧振變換器加以組合，其中每個LLC諧振變換器都工作在固定的開關頻率，且開關頻率等于諧振網(wǎng)絡的諧振頻率，通過兩個LLC諧振變換器之間的移相控制實現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，從而不需要改變LLC諧振變換器的開關頻率，非常利于在固定頻率點實現(xiàn)變換器的優(yōu)化設計?；谏鲜鏊悸泛透綀D1可知，附圖1中的第一諧振電感(Lrt)、第一諧振電容(Crt)、第一主電感(Lffll)構成了一個LLC諧振網(wǎng)絡，第二諧振電感(LJ、第二諧振電容(CJ和第二主電感(Lm2)構成了另外一個LLC諧振網(wǎng)絡，兩個諧振網(wǎng)絡分別由兩個高頻矩形波電壓源(uP1、uP2)激勵。兩個高頻矩形波電壓源(uP1、uP2)的頻率相同且固定，可設置為LLC諧振網(wǎng)絡的諧振頻率，所以兩個諧振網(wǎng)絡都可以工作在最佳諧振點。但此時每個諧振網(wǎng)絡的輸出電壓是不受控的，因此在本發(fā)明中進一步通過調(diào)節(jié)兩個高頻矩形波電壓源(UP1、UP2)的相位來實現(xiàn)輸出電壓的控制。
[0024]在具體實施時，高頻矩形波電壓源有多種可能的實現(xiàn)方式，例如，可以采用半橋或全橋電路拓撲實現(xiàn)。
[0025]附圖2給出了本發(fā)明諧振變換器中的高頻矩形波電壓源采用半橋電路拓撲實現(xiàn)時的電路圖。圖中共用了四個開關管(Si?S4)和一個直流電壓源(uin)，其中直流電壓源Uin和開關管S1、S2構成一個半橋電路，用來實現(xiàn)第一高頻矩形波電壓源(Up1)，直流電壓源Uin和開關管s3、sjg成另外一個半橋電路，用來實現(xiàn)第二高頻矩形波電壓源(Up2)。在附圖2中，所有四個開關管的占空比都固定為0.5，其中開關管S1和S2互補導通，開關管S3和S4互補導通，通過調(diào)整開關管S1和S3的開通時刻就能夠等效調(diào)節(jié)兩個高頻矩形波電壓源的相位差，從而實現(xiàn)輸出電壓的控制。
[0026]附圖3給出了本發(fā)明諧振變換器中的高頻矩形波電壓源采用全橋電路拓撲實現(xiàn)時的電路圖。圖中共用了八個開關管(Si?S8)和一個直流電壓源(Uin)，其中直流電壓源Uin和開關管31?S4構成一個全橋電路，用來實現(xiàn)第一高頻矩形波電壓源(Up1)，直流電壓源Uin和開關管S5?S8構成另外一個全橋電路，用來實現(xiàn)第二高頻矩形波電壓源(uP2)。在附圖3中，所有八個開關管的占空比都固定為0.5，其中開關管S1和S2互補導通，開關管S3和S4互補導通，開關管S5和S6互補導通，開關管S7和S8互補導通，開關管S1和S4同時導通、同時關斷，開關管S2和S3同時導通、同時關斷，開關管S5和S8同時導通、同時關斷，開關管S6和S7同時導通、同時關斷，通過調(diào)整開關管S1和S5的開通時刻就能夠等效調(diào)節(jié)兩個高頻矩形波電壓源的相位差，從而實現(xiàn)輸出電壓的控制。
[0027]下面以附圖2所示的采用半橋電路拓撲實現(xiàn)高頻矩形波電壓源的諧振變換器為例，簡要說明其具體工作原理。為了簡化分析，假設兩個變壓器!^和' 的參數(shù)完全相同，且兩個變壓器的原副邊繞組匝數(shù)都相等，并假設開關頻率就等于諧振電容和諧振電感的諧振頻率。
[0028]對于附圖2所示的諧振變換器，共有四種能量傳輸模式。
[0029]能量傳輸模式1:開關管S1和S3同時導通，此時兩個變壓器的副邊繞組等效為并聯(lián)結構，等效電路如附圖4。
[0030]能量傳輸模式2:開關管S2和S4同時導通，此時兩個變壓器的副邊繞組也等效為并聯(lián)結構，等效電路如附圖5。
[0031]能量傳輸模式3:開關管S1和S4同時導通，此時兩個變壓器的副邊繞組等效為串聯(lián)結構，等效電路如附圖6。
[0032]能量傳輸模式4:開關管S2和S3同時導通，此時兩個變壓器的副邊繞組也等效為串聯(lián)結構，等效電路如附圖7。
[0033]假如開關管S1和S3始終同時導通、同時關斷，則等效于兩個高頻矩形波電壓源始終同相，即相位差為0，此時變換器只能工作于能量傳輸模式I和能量傳輸模式2兩種模式。在兩種模式下兩個變壓器的副邊繞組始終等效為并聯(lián)連接，而當開關頻率等于諧振網(wǎng)絡的諧振頻率時，每個半橋諧振網(wǎng)絡的等效增益都為0.5，因此，在這種工作方式下變換器的最終電壓增益即等于0.5。
[0034]假如開關管S1和S4始終同時導通、同時關斷，即開關管S1和S3驅(qū)動信號反相，則等效于兩個高頻矩形波電壓源始終反相，也即相位差為180°，此時變換器只能工作于能量傳輸模式3和能量傳輸模式4兩種模式。在兩種模式下兩個變壓器的副邊繞組始終等效為串聯(lián)連接，而當開關頻率等于諧振網(wǎng)絡的諧振頻率時，每個半橋諧振網(wǎng)絡的等效增益都為
0.5，因此，在這種工作方式下變換器的最終電壓增益即等于I。
[0035]若通過調(diào)節(jié)開關管S1和S3的開通時刻，使得兩個高頻矩形波電壓源的相位差從O到180°之間連續(xù)變化，則可以實現(xiàn)在一個開關周期內(nèi)變換器的四種能量傳輸模式工作時間長短的調(diào)節(jié)，則兩個變壓器副邊繞組可以在串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式下工作，且串聯(lián)工作模式和并聯(lián)工作模式的時間長短也能通過兩個高頻矩形波電壓源的相位差來調(diào)節(jié)，進而可以使得等效輸出電壓增益在0.5到I之間連續(xù)調(diào)節(jié)，即實現(xiàn)了輸出電壓的控制。
[0036]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種諧振變換器，其特征在于:所述諧振變換器由第一高頻矩形波電壓源(Up1)、第二高頻矩形波電壓源(Up2)、第一諧振電感(Lrt)、第二諧振電感(LJ、第一諧振電容(Crt)、第二諧振電容(Cr2)、第一主電感(Lml)、第二主電感(Lm2)、第一變壓器(!\)、第二變壓器(T2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第五二極管(D5)、第六二極管(D6)、輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構成，其中第一變壓器(T1)包括第一原邊繞組(Npi)和第一副邊繞組(Nsi)，第二變壓器(T2)包括第二原邊繞組(Np2)和第二副邊繞組(Ns2)； 所述第一高頻矩形波電壓源(Upi)的一端連接第一諧振電感(Lrt)的一端，第一諧振電感(Lrt)的另一端連接第一諧振電容(Crt)的一端，第一諧振電容(Crt)的另一端連接第一主電感(Lml)的一端和第一變壓器(T1)第一原邊繞組(Npi)的同名端,第一變壓器(T1)第一原邊繞組(Npi)的非同名端連接第一主電感(Lml)的另一端和第一高頻矩形波電壓源(uP1)的另一端; 所述第二高頻矩形波電壓源(Up2)的一端連接第二諧振電感(LJ的一端，第二諧振電感(LJ的另一端連接第二諧振電容(CJ的一端，第二諧振電容(CJ的另一端連接第二主電感(Lm2)的一端和第二變壓器(T2)第二原邊繞組(Np2)的非同名端，第二變壓器(T2)第二原邊繞組(Np2)的同名端連接第二主電感(Lm2)的另一端和第二高頻矩形波電壓源(uP2)的另一端; 所述第一變壓器(T1)第一副邊繞組(Nsi)的同名端連接第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陰極，第一變壓器(T1)第一副邊繞組(Nsi)的非同名端連接第二變壓器(T2)第二副邊繞組(Ns2)的非同名端、第三二極管(D3)的陽極和第四二極管(D4)的陰極，第二變壓器(T2)第二副邊繞組(Ns2)的同名端連接第五二極管(D5)的陽極和第六二極管(D6)的陰極，第一二極管(D1)的陰極連接第三二極管(D3)的陰極、第五二極管(D5)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，輸出濾波電容(C。)的另一端連接負載(R。)的另一端、第二二極管(D2)的陽極、第四二極管(D4)的陽極和第六二極管(D6)的陽極。
2.一種基于權利要求1的諧振變換器，其特征在于:所述第一諧振電感(Lrt)可以部分或全部由第一變壓器(T1)的漏感代替，所述第一主電感(Lml)可以由第一變壓器(T1)的激磁電感代替，所述第二諧振電感(LJ可以部分或全部由第二變壓器(T2)的漏感代替，所述第二主電感(Lm2)可以由第二變壓器(T2)的激磁電感代替。
3.一種基于權利要求1所述的諧振變換器，其特征在于:所述第一高頻矩形波電壓源(Uh)和第二高頻矩形波電壓源(uP2)可以為全橋、半橋等電路拓撲結構。
4.一種基于權利要求1所述諧振變換器的控制方法，其特征在于:所述第一高頻矩形波電壓源(Upi)和第二高頻矩形波電壓源(uP2)的頻率、脈沖寬度完全相同，且第一高頻矩形波電壓源(Upi)和第二高頻矩形波電壓源(uP2)的頻率固定，通過調(diào)節(jié)第一高頻矩形波電壓源(uP1)和第二高頻矩形波電壓源(uP2)的相位實現(xiàn)輸出電壓的控制。
【文檔編號】H02M3/335GK104201900SQ201410485736
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權日:2014年9月18日
【發(fā)明者】吳紅飛, 夏天, 牟恬恬, 邢巖 申請人:南京航空航天大學