一種副邊調(diào)整型定頻諧振變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種副邊調(diào)整型定頻諧振變換器及其控制方法，屬于電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]直流變換器已經(jīng)成為各類電氣系統(tǒng)中的重要裝置，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著航空、航天、可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能等技術(shù)的發(fā)展，提高直流變換器的效率、功率密度并擴(kuò)展直流變換器對(duì)輸入輸出電壓的適應(yīng)能力是直流變換器所需要面對(duì)和解決的重要問題。
[0003]反激、正激、推挽、全橋等傳統(tǒng)的PWM直流變換器由于其開關(guān)管工作于硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大、效率低，不適宜工作于高頻狀態(tài)，也難以實(shí)現(xiàn)高效率變換。通過引入軟開關(guān)技術(shù)可以有效減小PWM直流變換器的開關(guān)損耗，從而使其能夠工作于較高開關(guān)頻率、實(shí)現(xiàn)較高功率密度，但是其代價(jià)是導(dǎo)通損耗的大幅增加，特別是當(dāng)輸入或輸出電壓寬范圍變化時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)需要付出的代價(jià)更高。以全橋變換器為例，通過采用移相控制技術(shù)并輔助電感，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，但是當(dāng)輸入電壓升高或者輸出電壓降低而使得有效占空比減小時(shí)，輔助電感引起的環(huán)流損耗大幅增加，從而導(dǎo)致效率的降低。
[0004]LLC諧振變換器是近年來得到廣泛關(guān)注并逐漸獲得工業(yè)界認(rèn)可的直流變換器拓?fù)洹Ｋ軌驅(qū)崿F(xiàn)所有開關(guān)管、二極管的軟開關(guān)，特別適合高頻工作，借助于磁集成技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的功率密度。然而，LLC諧振變換器需要采用改變開關(guān)頻率的方式調(diào)整輸出電壓和輸出功率，這使得LLC諧振變換器的磁性元器件很難進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。更嚴(yán)重的是，為了適應(yīng)寬電壓、負(fù)載范圍調(diào)節(jié)，LLC諧振變換器的激磁電感不得不減小以提供所需的電壓增益，這導(dǎo)致環(huán)流損耗大幅增加、整體效率(特別是輕載效率)嚴(yán)重降低。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界針對(duì)變頻LLC的缺點(diǎn)提出了多種改進(jìn)方法，包括參數(shù)優(yōu)化、改進(jìn)控制方式、改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，但都收效甚微。文獻(xiàn)“Zhiyuan Hu, Yajie Qiu, Laili Wang, Yan-FeiLiuj’An interleaved LLC resonant converter operating at constant switchingfrequency, ’ IEEE Trans.Power Electronics, vol.29，n0.6，pp.2931-2943，June 2014.，，提出了一種定頻LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它通過在電路原邊動(dòng)態(tài)調(diào)整諧振電容的容值來調(diào)節(jié)輸出電壓，雖然實(shí)現(xiàn)了定頻控制，但控制復(fù)雜，且額外引入的導(dǎo)通損耗很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種副邊調(diào)整型定頻諧振變換器及其控制方法，有效減小環(huán)流損耗，提尚變換器效率。
[0006]技術(shù)方案:一種副邊調(diào)整型定頻諧振變換器，包括輸入源、原邊開關(guān)電路、諧振腔、變壓器、副邊開關(guān)電路、第一輸出濾波電容、第二輸出濾波電容以及負(fù)載；所述原邊開關(guān)電路包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管，所述諧振腔包括第一諧振電感、第二諧振電感、諧振電容，所述副邊開關(guān)電路包括第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第五開關(guān)管和第六開關(guān)管，所述變壓器包括原邊繞組和副邊繞組；
[0007]所述輸入源的正極分別與第一開關(guān)管的漏極和第二開關(guān)管的漏極相連，第一開關(guān)管的源極分別連于第三開關(guān)管的漏極和第一諧振電感的一端，第一諧振電感的另一端連于第二諧振電感的一端和變壓器原邊繞組的同名端，變壓器原邊繞組的非同名端連于第二諧振電感的另一端和串聯(lián)諧振電容的一端，串聯(lián)諧振電容的另一端連接于第二開關(guān)管的源極和第四開關(guān)管的漏極，第四開關(guān)管的源極連于第三開關(guān)管的源極和輸入源的負(fù)極；
[0008]所述變壓器副邊繞組的同名端連于第一二極管的陽(yáng)極、第三二極管的陰極，第一二極管的陰極連接于第二二極管的陰極、第一輸出濾波電容的一端和負(fù)載的一端，負(fù)載的另一端連于第二輸出濾波電容的一端、第三二極管的陽(yáng)極和第四二極管的陽(yáng)極，第一輸出濾波電容的另一端連于第二輸出濾波電容的另一端、第五開關(guān)管的漏極，第五開關(guān)管的源極連于第六開關(guān)管的源極，第六開關(guān)管的漏極連于第二二極管的陽(yáng)極、第四開關(guān)管陰極和變壓器副邊繞組的非同名端。
[0009]一種副邊調(diào)整型定頻諧振變換器的控制方法，所述第一開關(guān)管與第三開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，第二開關(guān)管與第四開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，第五開關(guān)管和第六開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管和第六開關(guān)管的占空比相等，第一開關(guān)管和第四開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，第二開關(guān)管和第三開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，第一開關(guān)管的開通時(shí)刻不晚于第六開關(guān)管的開通時(shí)刻，第二開關(guān)管的開通時(shí)刻不晚于第五開關(guān)管的開通時(shí)刻，通過調(diào)節(jié)第一開關(guān)管和第六開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻之間的移相角實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。
[0010]有益效果:(I)本發(fā)明的變換器定頻開關(guān)工作，通過原副邊移相控制實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，可有效減小環(huán)流損耗，提高變換器效率，適用于寬輸入電壓場(chǎng)合。
[0011](2)所有開關(guān)器件的電壓都直接由輸入電壓，或者輸出電壓，或者輸出電壓的一半鉗位，開關(guān)器件電壓應(yīng)力低，進(jìn)一步減小環(huán)流損耗；
[0012](3)所有開關(guān)器件能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，變換效率高；
[0013](4)串聯(lián)的第一諧振電感(LJ全部或部分由變壓器⑴的漏感代替，并聯(lián)的第二諧振電感(Lm)全部或部分由變壓器(T)的激磁電感代替，變壓器漏感和激磁電感得到有效利用;
[0014](5)該變換器可以高頻開關(guān)工作，從而有效減小電感和變壓器的體積重量，實(shí)現(xiàn)高功率密度。
【附圖說明】
[0015]附圖1是本發(fā)明副邊調(diào)整型定頻諧振變換器的電路原理圖；
[0016]附圖2是本發(fā)明副邊調(diào)整型定頻諧振變換器的主要波形圖；
[0017]附圖3?附圖8是本發(fā)明副邊調(diào)整型定頻諧振變換器各開關(guān)模態(tài)的等效電路圖；
[0018]以上附圖中的符號(hào)名稱:Vin為輸入源電壓；10為原邊開關(guān)電路；20為諧振腔；30為副邊開關(guān)電路；τ為變壓器；乂和Ns分別為變壓器T的原邊繞組和副邊繞組；Cfl、Cf2分別為第一、第二輸出濾波電容；RLd為負(fù)載和Q 6分別為第一、第二、第三、第四、第五和第六開關(guān)管；dr1、dK2、dK3和Dk4分別為第一、第二、第三和第四二極管；v。為輸出電壓；Vab為A、B兩點(diǎn)之間的電壓(第一開關(guān)管Q i源極和第三開關(guān)管Q 3漏極的連接點(diǎn)記為A點(diǎn)，第二開關(guān)管Q2源極和第四開關(guān)管Q 4漏極連接點(diǎn)記為B點(diǎn))；v ■為變壓器T副邊繞組N 3同名端和非同名端之間的電壓為第一諧振電k的電流第二諧振電感L111的電流；iD1為第一二極管Dki的電流；i D2為第二二極管Dk2的電流；i Q5為第五開關(guān)管Q5的電流；vdsQ5為第五開關(guān)管QJi極和源極之間的電壓；iQ6為第六開關(guān)管Q6的電流；vdsQ6為第六開關(guān)管QJI極和源極之間的電壓；t、tQ、t2、t3、tJP 15為時(shí)間。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0020]如附圖1所示，一種副邊調(diào)整型定頻諧振變換器，包括輸入源Vin、原邊開關(guān)電路10、諧振腔20、變壓器T、副邊開關(guān)電路30、第一輸出濾波電容Cfl、第二輸出濾波電容Cf2以及負(fù)載Ru。原邊開關(guān)電路10包括第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3和第四開關(guān)管Q4。諧振腔20包括第一諧振電感L,、第二諧振電感Lm、諧振電容C,。副邊開關(guān)電路30包括第一二極管Dk1、第二二極管Dk2、第三二極管Dk3、第四二極管Dk4、第五開關(guān)管05和第六開關(guān)管Q6。變壓器T包括原邊繞組Np和副邊繞組N s。
[0021]輸入源Vin的正極分別與第一開關(guān)管Q工的漏極和第二開關(guān)管Q 2的漏極相連，第一開關(guān)管Q1的源極分別連于第三開關(guān)管Q 3的漏極和第一諧振電感L ^的一端，第一諧振電感L的另一端連于第二諧振電感1^的一端和變壓器T原邊繞組Np的同名端，變壓器T原邊繞組Np的非同名端連于第二諧振電感Lm的另一端和串聯(lián)諧振電容C,的一端，串聯(lián)諧振電容(；的另一端連接于第二開關(guān)管Q 2的源極和第四開關(guān)管Q 4的漏極，第四開關(guān)管Q 4的源極連于第三開關(guān)管93的源極和輸入源V ^的負(fù)極。
[0022]變壓器T副邊繞組隊(duì)的同名端連于第一二極管Dki的陽(yáng)極、第三二極管Dk3的陰極，第一二極管Dki的陰極連接于第二二極管D K2的陰極、第一輸出濾波電容C fl的一端和負(fù)載Ru的一端，負(fù)載Ru的另一端連于第二輸出濾波電容Cf2的一端、第三二極管DK3的陽(yáng)極和第四二極管Dk4的陽(yáng)極，第一輸出濾波電容Cfl的另一端連于第二輸出濾波電容Cf2的另一端、第五開關(guān)管05的漏極，第五開關(guān)管Q 5的源極連于第六開關(guān)管Q 6的源極，第六開關(guān)管Q 6的漏極連于第二二極管Dk2的陽(yáng)極、第四開關(guān)管Q 4陰極和變壓器T副邊繞組N s的非同名端。
[0023]其中，第一開關(guān)管Q1與第三開關(guān)管Q 3互補(bǔ)導(dǎo)通，第二開關(guān)管Q 2與第四開關(guān)管Q 4互補(bǔ)導(dǎo)通，第五開關(guān)管Q5和第六開關(guān)管Q 6互補(bǔ)導(dǎo)通，第一開關(guān)管Q 1、第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3、第四開關(guān)管Q4、第五開關(guān)管Q