本發(fā)明屬于一種直流變換器，尤其是一種高效、寬輸入輸出范圍、高功率的“電容電感-反激變壓器-電容電感(CL-FT-CL)”型諧振直流變換器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在分布式發(fā)電是一種新興的能源利用方式，相較于傳統(tǒng)的大規(guī)模集中性化石能源發(fā)電方式，它具有環(huán)保型高、可持續(xù)性強(qiáng)、成本低、裝機(jī)容量靈活可調(diào)等優(yōu)點，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。直流變換器，作為分布式發(fā)電系統(tǒng)中電力電子裝置的重要一環(huán)扮演著重要的角色，具有連接不同等級直流母線、控制直流電壓、控制電池充放電等多種功能與作用，成為了時下的一個研究熱點。

為提高能量傳遞效率、減少因熱損耗產(chǎn)生的熱老化等問題，直流變換器對變換器的變換效率的要求越來越高，以至于傳統(tǒng)的Boost直流變換器和Buck變換器等已經(jīng)不能滿足日益提高的應(yīng)用需要。因此，研究具有接近100％效率的大功率直流變換器成為相關(guān)研究的重中之重。

諧振直流變換器在變換器中引入諧振元件(電容元件C、電感元件L)，利用其諧振的特性使得變換器的功率開關(guān)器件可以工作在軟開關(guān)條件下，極大地提高了直流變換器的變換效率，因此成為了理想的直流變換器的研究方向之一。傳統(tǒng)的諧振直流變換器包括串聯(lián)LC變換器和并聯(lián)LC變換器，兩者均具有高效率、軟開關(guān)的特性，但前者存在輕載時較難調(diào)節(jié)輸出電壓等問題，后者存在輕載時變換效率降低等問題，這些問題使得兩種變換器的應(yīng)用受到了限制。進(jìn)一步，LLC變換器、CLL變換器等變換器的提出使得諧振變換器的研究得到了發(fā)展。這些變換器通過引入額外的諧振器件，使得變換器保持傳統(tǒng)串、并聯(lián)LC電路優(yōu)點的同時，克服了傳統(tǒng)電路存在的缺點，具有優(yōu)異的變換效果。然而，這些變換器仍然存在一些問題亟待解決，包括不能同時實現(xiàn)功率開關(guān)管的開通、關(guān)斷軟開關(guān)，效率受限；輸入、輸出電壓范圍狹窄，不適用于需要靈活調(diào)整電壓等級的場景；僅有單一功率變換器，考慮磁性元件飽和問題，變換器傳輸功率有限等。此外，一些諸如CLCL、三電平LLC等諧振變換器也存在類似問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，進(jìn)一步提高諧振變換器的變換效率、應(yīng)用功率，提出了一種具有功率開關(guān)管開通/關(guān)斷雙軟開關(guān)、寬輸入/輸出電壓范圍、高功率等級、高變換效率的隔離型CL-FT-CL諧振直流變換器。該變換器是一種新型的直流變換器電路拓?fù)?，可以實現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓開通(Zero voltage switching，ZVS)、準(zhǔn)零電流關(guān)斷(Quasi-Zero current switching，Quasi-ZCS)，以及后級整流電路二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)，具有較寬的輸入、輸出電壓應(yīng)用范圍，同時保證變換器在全功率范圍內(nèi)的高效率等特點。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種CL-FT-CL諧振直流變換器，由依次連接的半橋逆變電路、CL-FT-CL諧振電路和二極管整流電路組成，變換器由所述半橋逆變電路輸入，經(jīng)所述CL-FT-CL諧振電路作用后從所述二極管整流電路輸出；所述半橋逆變電路由第一開關(guān)管和第二開關(guān)管組成，所述CL-FT-CL諧振電路由第一電容、第二電容、第一電感、第二電感、反激式高頻變壓器和正激式高頻變壓器組成，所述二極管整流電路包括第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管和第三電容；所述反激式高頻變壓器的同名端不在同一側(cè)，所述正激式高頻變壓器的同名端位于同一側(cè)，所述反激式高頻變壓器和正激式高頻變壓器可拓寬變換器的功率傳輸能力，所述CL-FT-CL諧振電路可實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通、準(zhǔn)零電流關(guān)斷和二極管的零電流關(guān)斷，并拓寬電路的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍。

所述CL-FT-CL諧振電路中，所述第一電容一端與所述半橋逆變電路的中點連接，另一端依次與所述第一電感和所述反激式高頻變壓器的原邊連接；反激式高頻變壓器的原邊一端與第一電感連接，另一端分別與所述第二電容和所述第二電感連接；反激式高頻變壓器的副邊一端與所述二極管整流電路的一個中點連接，另一端與所述正激式高頻變壓器的副邊一端連接；第二電容一端分別與反激式高頻變壓器的原邊和第二電感連接，另一端分別與所述第二開關(guān)管的源極、正激式高頻變壓器的原邊連接；第二電感一端分別與反激式高頻變壓器的原邊和第二電容連接，另一端與正激式高頻變壓器的原邊連接；正激式高頻變壓器的原邊一端與第二電感連接，另一端分別與第二電容和第二開關(guān)管的源極連接；反激式高頻變壓器和正激式高頻變壓器的副邊以串聯(lián)形式連接，改變了電路的諧振網(wǎng)絡(luò)，同時改變了電路的諧振頻率，拓寬了電路的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍。

所述CL-FT-CL諧振電路內(nèi)通過第一電容的電流、通過第二電容的電流和通過第二電感的電流在諧振點附近保持同相位或相位差180度。

所述輸入電壓范圍為350V～600V；輸出電壓范圍為10V～52V。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

1.本發(fā)明變換器可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通、準(zhǔn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)，和二極管的零電流關(guān)斷軟開關(guān)，提高了變換器的工作效率。

2.本發(fā)明變換器可以在第二諧振點附近具有較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍，可以實現(xiàn)對輸出電壓的快速、寬范圍調(diào)節(jié)。

3.本發(fā)明變換器具有兩個變壓器，可以拓寬變換器功率應(yīng)用范圍。

4.本發(fā)明變換器中CL-FT-CL諧振電路的主要電流在諧振點附近保持近似同相位或相位差180度，并呈現(xiàn)理想的正弦波形狀，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的效率，同時也使得采用等效基波法分析電路更加準(zhǔn)確，方便電路的參數(shù)設(shè)計。

5.本發(fā)明變換器通過合理的參數(shù)設(shè)計，可提高工作頻率，提高了變換器的功率密度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明變換器的電壓增益曲線；

圖3-1至圖3-4分別為本發(fā)明變換器工作過程的等效電路圖；

圖4為本發(fā)明變換器的主要工作波形圖；

圖5為本發(fā)明變換器的仿真波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

一種CL-FT-CL諧振直流變換器，由依次連接的半橋逆變電路、CL-FT-CL(電容電感-反激變壓器-電容電感)諧振電路和二極管整流電路組成，變換器由所述半橋逆變電路輸入，經(jīng)CL-FT-CL諧振電路作用后從所述二極管整流電路輸出；本實施例中，半橋逆變電路由第一開關(guān)管S₁和第二開關(guān)管S₂組成，CL-FT-CL諧振電路由第一電容C₁、第二電容C₂、第一電感L₁、第二電感L₂、反激式高頻變壓器T₁和正激式高頻變壓器T₂組成，二極管整流電路由第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃、第四二極管D₄和第三電容C_o組成，R_o為負(fù)載電阻。

如圖1所示，所述的CL-FT-CL諧振電路中，第一電容C₁一端與半橋逆變電路的中點連接，另一端與第一電感L₁連接；第一電感L₁與第一電容C₁連接，另一端與反激式高頻變壓器T₁的原邊連接；反激式高頻變壓器T₁的原邊一端與第一電感L₁連接，原邊另一端與第二電容C₂、第二電感L₂連接，副邊一端與二極管整流橋的一個中點連接，另一端與正激式高頻變壓器T₂的副邊一端連接；第二電容C₂一端與反激式高頻變壓器T₁原邊、第二電感L₂連接，另一端與第二開關(guān)管S₂的源極、正激式高頻變壓器T₂原邊連接；第二電感L₂一端與反激式高頻變壓器T₁原邊、第二電容C₂連接，另一端與正激式高頻變壓器T₂原邊連接；正激式高頻變壓器T₂原邊一端與第二電感L₂連接，另一端與第二電容C₂、第二開關(guān)管S₂的源極連接。兩個變壓器的副邊以串聯(lián)形式連接，改變了電路的諧振網(wǎng)絡(luò)，同時改變了電路的諧振頻率，可以有效拓寬變換器的功率傳輸能力，通過合理設(shè)計變換器參數(shù)，即改變T₁、T₂的勵磁電感L_m1、L_m2和繞線匝比n₁、n₂，L₁、L₂的電感，C₁、C₂的電容可以有效實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通、開關(guān)管的準(zhǔn)零電流關(guān)斷和二極管整流電路內(nèi)二極管的零電流關(guān)斷，同時可以保證電路具有寬輸入輸出電壓范圍，可具有350V～600V輸入電壓范圍，10V～52V的輸出電壓范圍。其中V_in表示電路的直流輸入電壓，L_m1、L_m2分別表示反激式高頻變壓器T₁和正激式高頻變壓器T₂的等效勵磁電感。

CL-FT-CL諧振直流變換器具有兩個諧振頻率，根據(jù)頻率的大小關(guān)系可以分為第一諧振頻率fr₁和第二諧振頻率fr₂，其中fr₁小于fr₂。本實施例中諧振軟開關(guān)變換器的電壓增益曲線如圖2所示，變換器在第二諧振點fr₂附近取得電壓增益M_v的最大值，M_v隨著開關(guān)頻率f_s的繼續(xù)上升迅速下降。因此該變換器可以通過調(diào)節(jié)控制信號的開關(guān)頻率實現(xiàn)對變換器輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，具有較寬的可調(diào)范圍，例如在圖2所示的增益曲線中，當(dāng)負(fù)載為額定條件下時候，當(dāng)開關(guān)頻率向高于諧振頻率fr₂的方向上調(diào)20kHz時候，Mv將快速從1.3倍下降到0.2左右，具有快速條件輸出電壓的能力。所述CL-FT-CL諧振軟開關(guān)變換器在第二諧振頻率fr₂附近可以實現(xiàn)功率開關(guān)管ZVS開通軟開關(guān)和Quasi-ZCS關(guān)斷軟開關(guān)，以及整流電路二極管的ZCS軟關(guān)斷。

本實施例變換器中諧振電路部分的主要電流(即第一電容C₁電流i₁、第二電容C₂電流i_C2和第二電感L₂電流i₂)在諧振點附近保持近似同相位或相位差180度，并呈現(xiàn)理想的正弦波形狀，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的效率，同時也使得采用等效基波法分析電路更加準(zhǔn)確，方便電路的參數(shù)設(shè)計。

本實施例中諧振直流變換器的工作等效電路和主要波形如圖3-1至圖3-4和圖4所示，t₀至t₄為變換器在半個工作周期的波形圖，與另外半個周期的工況完全對稱，不再贅述：t₀、t₁、t₂、t₃、t₄分別表示各個模態(tài)間的時刻，PWM1、PWM2分別為第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂的PWM驅(qū)動信號。

模態(tài)1[t₀，t₁]：此模態(tài)等效電路如圖3-1所示。此模態(tài)為控制信號的死區(qū)段。在t₀時刻，第二開關(guān)管S₂關(guān)斷，同時第一開關(guān)管S₁的開通信號還未到來，S₁保持關(guān)斷。流過第一電容C₁的電流記為i₁，此時i₁通過第一開關(guān)管S₁的寄生二極管和寄生電感反向流通，第一開關(guān)管S₁的兩端電壓保持為零。第二電容C₂的電流i_C2反向流通。流過第二電感L₂的電流i_L2反向流通。變壓器T₁、T₂副邊電流幅值、方向相同，記為i_S，反向流通。二級管D₂、D₃導(dǎo)通，電路向負(fù)載R_o供電。在t₁時刻，第一開關(guān)管S₁導(dǎo)通，此時由于第一S₁兩端電壓保持為零，零電壓開通軟開關(guān)得以實現(xiàn)；同時i₁、i_C2均為零。

模態(tài)2[t₁，t₂]：此模態(tài)等效電路如圖3-2所示。此模態(tài)中，i₁、i_C2從零開始上升，其余變量保持原方向不變，參與電路諧振。至t₂時刻，i_S下降至零，即流過二級管D₂、D₃的電流自然下降至零，二極管實現(xiàn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3[t₂，t₃]：此模態(tài)等效電路如圖3-3所示。此模態(tài)中，i_S從零開始上升，正向流通，其余變量保持原方向不變，繼續(xù)參與電路諧振。二極管D₁、D₄正向?qū)?。至t₃時刻，流過第二電感L₂的電流i₂上升至零，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)4[t₃，t₄]：此模態(tài)等效電路如圖3-4所示。此模態(tài)中，i₂從零開始上升，其余變量保持原方向不變，繼續(xù)參與電路諧振。至t₄時刻，第一開關(guān)管S₁關(guān)斷，此時流過開關(guān)管的電流方向和大小與i₁完全相同，i₁非常接近于0，因此第一開關(guān)管S₁可以實現(xiàn)準(zhǔn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)。

至此，CL-FT-CL諧振直流變換器電路在半個周期內(nèi)的工作結(jié)束，進(jìn)入另半個周期工作。

圖5為本實施例CL-FT-CL諧振直流變換器的仿真波形，從圖中可以看出，第一開關(guān)管S₁可以實現(xiàn)零電壓開通軟開關(guān)和準(zhǔn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)，二極管電流自然下降至零，二極管實現(xiàn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)。因此，CL-FT-CL諧振直流變換器具有較高的變換效率。

本發(fā)明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。