CN103795262B - Lc并联谐振升压直/直变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种LC并联谐振升压直/直变换器及其控制方法，所述变换器连接直流输入电源和负载，包括一个原边二极管，第一至第四开关管，谐振单元，第一至第四整流二极管，滤波电容，其特征在于谐振单元连接四个开关管构成的桥臂与四个整流二极管构成的整流桥。本发明可实现开关管的零电压导通和近似零电压关断以及整流二极管的零电流关断，可大幅降低损耗，本发明的谐振电路可用于大功率升压场合。

Description

LC并联谐振升压直/直变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流变换器领域，可应用于大功率升压场合。

背景技术

随着全球用电量的不断上升，对于发电能力的要求也越来越高，传统的发电方式以消耗化石燃料为主，但是大量的化石燃料的使用会带来严重的环境问题，而且有限的化石燃料也不能满足人们未来的需要。因此越来越多的人把目光投向了可再生能源。

目前风能已经成为一种广泛使用的可再生能源。由于海上的风比陆上的风更加强大和持续，且陆地上很难找到合适的风电场地址，所以风电场大多建立在离陆地较远的海上。由于风电场离陆地相对较远，所以需要一个升压装置将风电场发的电进行升压，然后传输到陆地上，用以减小传输过程中的能量损耗。

损耗是大功率传输中一个重要的考虑因素，软开关技术可以在很大程度上降低开关器件的损耗，提高功率传输效率，还能有效防止开关器件由于发热过多而损坏。

发明内容

发明目的：为实现大功率变换器的升压及软开关技术，本发明提出了一种新的谐振电路及其控制方法，既实现了输出升压又实现了开关管的零电压导通和整流二极管的零电流关断。

本发明具体采用如下技术方案：

一种LC并联谐振升压直/直变换器，连接直流输入电源和负载，包括一个原边二极管，第一至第四开关管，谐振单元，第一至第四整流二极管，滤波电容，其特征在于谐振单元连接四个开关管构成的桥臂与四个整流二极管构成的整流桥。

优选地，所述谐振单元由一个电感和一个电容并联组成。

优选地，所述第一开关管和第三开关管的串联支路与所述第二开关管和第四开关管的串联支路相互并联之后连接原边二极管。

优选地，所述第一整流二极管和第三整流二极管的串联支路与所述第二整流二极管和第四整流二极管的串联支路相互并联之后连接滤波电容。

优选地，所述谐振单元的第一端连在所述第一开关管和第三开关管的相接端同时连在所述第二整流二极管和第四整流二极管的相接端；所述谐振单元的第二端连在所述第二开关管和第四开关管的相接端同时连在所述第一整流二极管和第三整流二极管的相接端。

优选地，所述原边二极管的阳极接在直流输入电源的正极，阴极接在所述第一开关管和第二开关管相接端，直流输入电源负极接在所述第三开关管和第四开关管相接端。

优选地，所述滤波电容第一端接在所述第一整流二极管和第二整流二极管相接端，所述滤波电容第二端接在所述第三整流二极管和第四整流二极管相接端。一种谐振变换器，包括一个原边二极管，第一至第四开关管，谐振单元，第一至第四整流二极管，滤波电容，其特征在于谐振单元连接了四个开关管构成的桥臂与四个整流二极管构成的整流桥。

LC并联谐振升压直/直变换器的控制方法包括：

第一阶段：t₀＜t＜t₁

在t₀时刻，第一开关管和第四开关管导通，v_Cr＝V_in，其中v_Cr表示谐振单元中的电容的电压，V_in表示输入直流电源的电压，导通时第一开关管和第四开关管上没有电压，实现了第一开关管和第四开关管的零电压导通，输入端电流回路由直流输入电源，原边二极管，第一开关管，电感，第四开关管构成，电感上的电压等于输入电压，电感电流呈线性增加，这个阶段是输入给电感补充能量的过程，电感电流从I₀开始线性增加到I₁，输出电流由滤波电容提供；

第二阶段：t₁＜t＜t₂

在t₁时刻，第一开关管，第四开关管同时关断，此后电感与电容发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_o，其中Vo表示输出电压，在这个过程中输入端和输出端没有能量传输，输出电流依然由滤波电容提供，能量在电感和电容之间进行传递，但电感和电容上的总能量不变；

第三阶段：t₂＜t＜t₃

在t₂时刻，v_Cr＝-V_o，此后第一整流二极管和第四整流二极管导通，电感中的电流流过第一整流二极管，第四整流二极管给滤波电容充电，并提供负载电流，在这段时间内，v_Cr保持不变，电感上电流线性减少，输入的能量在这段时间里传给负载，这个过程直到电感电流为零结束；

第四阶段：t₃＜t＜t₄

在t₃时刻，i_Lr＝I₃＝0，v_Cr＝V_o，其中i_Lr表示谐振电感的电流，I₃表示谐振电感在t₃时刻的电流，此后第一整流二极管和第四整流二极管关断，实现了整流二极管的零电流关断，此后电感和电容发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_in，这段时间内，电感和电容上的总能量不变；

第五阶段：t₄＜t＜t₅

在t₄时刻，第二开关管和第三开关管导通，v_Cr＝-V_in，导通时第二开关管和第三开关管上没有电压，实现了第二开关管和第三开关管的零电压导通，输入端电流回路由直流输入电源，原边二极管，第二开关管，电感，第三开关管构成，电感上的电压等于负输入电压，电感电流呈线性反向增加，这个阶段是输入给电感补充能量的过程，电感电流从I₄开始反向线性增加到I₅，输出电流由滤波电容提供；

第六阶段：t₅＜t＜t₆

在t₅时刻，第二开关管，第三开关管同时关断，此后电感与电容发生并联谐振，直到v_Cr＝V_o，在这个过程中输入端和输出端没有能量传输，输出电流依然由滤波电容提供，能量在电感和电容之间进行传递，但电感和电容上的总能量不变；

第七阶段：t₆＜t＜t₇

在t₆时刻，v_Cr＝V_o，此后第二整流二极管和第三整流二极管导通，电感中的电流流过第二整流二极管，第三整流二极管给滤波电容充电，并提供负载电流，在这段时间内，v_Cr保持不变，电感上电流线性减少，输入的能量在这段时间里传给负载，这个过程直到电感电流为零结束；

第八阶段：t₇＜t＜t₈

在t₇时刻，i_Lr＝I₇＝0，v_Cr＝V_o，I₇表示谐振电感在t₇时刻的电流，此后第二整流二极管和第三整流二极管关断，实现了整流二极管的零电流关断，此后电感和电容发生并联谐振，直到v_Cr＝V_in，这段时间内，电感和电容上的总能量不变。

有益效果：本发明的LC并联谐振升压直/直变换器及其控制方法在实现升压功能的同时，使每个开关管和二极管都实现了软开关，有效减小了损耗，具有很高的效率，适合于大功率传输。

附图说明

图1为所举实例的LC谐振变换器拓扑结构图；

图2为图1所示电路相关元件工作波形示意图；

图3为图1所示电路第一阶段工作模态示意图；

图4为图1所示电路第二阶段，第四阶段，第六阶段，第八阶段工作模态示意图；

图5为图1所示电路第三阶段工作模态示意图；

图6为图1所示电路第五阶段工作模态示意图；

图7为图1所示电路第七阶段工作模态示意图；

具体实施方式

图1为本发明的一个实例电路拓扑结构图。本发明的LC并联谐振升压直/直变换器连接直流输入电源V_in和负载R，包括一个原边二极管Di，第一至第四开关管Q₁～Q₄，谐振单元，第一至第四整流二极管D_R1～D_R4，滤波电容Co，其特征在于谐振单元连接四个开关管构成的桥臂与四个整流二极管构成的整流桥。谐振单元由一个电感Lr和一个电容Cr并联组成。第一开关管Q₁和第三开关管Q₃的串联支路与所述第二开关管Q₂和第四开关管Q₄的串联支路相互并联之后连接原边二极管Di。第一整流二极管D_R1和第三整流二极管D_R3串联支路与所述第二整流二极管D_R2和第四整流二极管D_R4的串联支路相互并联之后连接滤波电容Co。谐振单元的第一端连在所述第一开关管Q₁和第三开关管Q₃的相接端同时连在所述第二整流二极管D_R1和第四整流二极管D_R3的相接端；所述谐振单元的第二端连在所述第二开关管Q₂和第四开关管Q₄的相接端同时连在所述第一整流二极管D_R2和第三整流二极管D_R4的相接端。原边二极管Di的阳极接在直流输入电源V_in的正极，阴极接在所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂相接端，直流输入电源V_in负极接在所述第三开关管Q₃和第四开关管Q₄相接端。滤波电容Co第一端接在所述第一整流二极管D_R1和第二整流二极管D_R2相接端，滤波电容Co第二端接在所述第三整流二极管D_R3和第四整流二极管D_R4相接端。

下面对本发明LC并联谐振升压直/直变换器控制方法进行详细说明。

如图2、图3所示，第一阶段：t₀＜t＜t₁

在t₀时刻，第一开关管Q₁和第四开关管Q₄导通，v_Cr＝V_in，v_Cr表示谐振单元中的电容的电压，V_in表示输入直流电源的电压，由于导通时第一开关管Q₁和第四开关管Q₄上是没有电压的，所以实现了第一开关管Q₁和第四开关管Q₄的零电压导通。输入端电流回路由直流输入电源V_in，原边二极管Di，第一开关管Q₁，电感L_r，第四开关管Q₄构成，电感L_r上的电压等于输入电压，电感电流呈线性增加，这个阶段是输入给电感补充能量的过程，电感电流从I₀开始线性增加到I₁，输出电流由滤波电容Co提供。

在这段时间里电感L_r上的电流满足以下关系式：

$I_1-I_0=\frac{V_{in}{T}_1}{L_r}---\left(1\right)$

式中：I₁是t₁时刻的谐振电感电流，I₀是t₀时刻的谐振电感电流，V_in是输入的直流电源，T₁是t₀到t₁的时间长度，L_r是谐振电感值。

如图2、图4所示，第二阶段：t₁＜t＜t₂

在t₁时刻，第一开关管Q₁和第四开关管Q₄同时关断，此后电感Lr与电容Cr发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_o，V_o表示输出电压，在这个过程中输入端和输出端没有能量传输，输出电流依然由滤波电容Co提供。能量在电感Lr和电容Cr之间进行传递，但电感Lr和电容Cr上的总能量是不变的。在这个阶段电感电容的能量满足如下等式：

$\frac{1}{2}{L}_r{I}_1^2+\frac{1}{2}{C}_r{V}_{in}^2=\frac{1}{2}{L}_r{I}_2^2+\frac{1}{2}{C}_r{V}_o^2---\left(2\right)$

式中：C_r是谐振电容值，I₂是t₂时刻的谐振电感中的电流值，V_o是输出电压值。

如图2、图5所示，第三阶段：t₂＜t＜t₃

在t₂时刻，v_Cr＝-V_o，此后第一整流二极管D_R1和第四整流二极管D_R4导通，电感Lr中的电流流过D_R1，D_R4给滤波电容C_o充电，并提供负载电流。在这段时间内，v_Cr保持不变，电感上电流线性减少。输入的能量就是在这段时间里传给负载的，这个过程直到电感电流为零才结束。

在这段时间里电感上的电流满足以下关系式：

$I_3-I_2=\frac{-V_O{T}_3}{L_r}---\left(3\right)$

式中：I₃是t₃时刻的谐振电感中的电流值，T₃是t₂时刻到t₃时刻的时间。

前半周期输入电源通过谐振电路传递给输出的能量为：

$E_{out}=\frac{I_2{V}_o{T}_3}{2}---\left(4\right)$

负载在前半个周期内消耗的总能量为：

$E_R=\frac{V_o{I}_{o}T}{2}---\left(5\right)$

式中：T是周期，I_o是输出电流。

在前半个周期内有：

E_R＝E_out(6)

如图2、图4所示，第四阶段：t₃＜t＜t₄

在t₃时刻，i_Lr＝I₃＝0，v_Cr＝V_o，此后第一整流二极管D_R1和第四整流二极管D_R4关断，实现了整流二极管的零电流关断。此后电感Lr和电容Cr发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_in，这段时间内，电感Lr和电容Cr上能量和是不变的。

$\frac{1}{2}{L}_r{I}_3^2+\frac{1}{2}{C}_r{V}_o^2=\frac{1}{2}{L}_r{I}_4^2+\frac{1}{2}{C}_r{V}_{in}^2---\left(7\right)$

式中：I₄是t₄时刻的谐振电感中的电流。

求此得：

$I_0=\left|I_4\right|=\sqrt{\frac{C_r(V_o^2-V_{in}^2)}{L_r}}---\left(8\right)$

如图2、图6所示，第五阶段：t₄＜t＜t₅

在t₄时刻，第二开关管Q₂和第三开关管Q₃导通，v_Cr＝-V_in，由于导通时第二开关管Q₂和第三开关管Q₃上是没有电压的，所以实现了第二开关管Q₂和第三开关管Q₃的零电压导通。输入端电流回路由直流输入电源V_in，原边二极管Di，第二开关管Q₂，电感L_r，第三开关管Q₃构成，电感L_r上的电压等于负的输入电压，电感电流呈线性反向增加，这个阶段是输入给电感补充能量的过程，电感电流从I₄开始线性反向增加到I₅，输出电流由滤波电容Co提供。

在这段时间里电感L_r上的电流满足以下关系式：

$I_5-I_4=\frac{V_{in}{T}_5}{L_r}---\left(9\right)$

式中：I₅是t₅时刻的谐振电感电流，T₅是t₄到t₅的时间长度。

如图2、图4所示，第六阶段：t₅＜t＜t₆

在t₅时刻，第二开关管Q₂和第三开关管Q₃同时关断，此后电感Lr与电容Cr发生并联谐振，直到v_Cr＝V_o。在这个过程中输入端和输出端没有能量传输，输出电流依然由滤波电容Co提供。能量在电感Lr和电容Cr之间进行传递，但电感Lr和电容Cr上的总能量是不变的。在这个阶段电感电容的能量满足如下等式：

$\frac{1}{2}{L}_r{I}_5^2+\frac{1}{2}{C}_r{V}_{in}^2=\frac{1}{2}{L}_r{I}_6^2+\frac{1}{2}{C}_r{V}_o^2---\left(10\right)$

式中：I₆是t₆时刻的谐振电感中的电流值。

如图2、图7所示，第七阶段：t₆＜t＜t₇

在t₆时刻，v_Cr＝V_o，此后第二整流二极管D_R1和第三整流二极管D_R4导通，电感Lr中的电流流过D_R2，D_R3给滤波电容C_o充电，并提供负载电流。在这段时间内，v_Cr保持不变，电感上电流线性减少。输入的能量就是在这段时间里传给负载的，这个过程直到电感电流为零才结束。

在这段时间里电感上的电流满足以下关系式：

$I_7-I_6=\frac{-V_O{T}_7}{L_r}---\left(11\right)$

式中：I₇是t₇时刻的谐振电感中的电流值，T₇是t₆时刻到t₇时刻的时间。

后半个周期输入通过谐振单元传递给输出的能量为：

$E_{out2}=\frac{I_6{V}_o{T}_7}{2}---\left(12\right)$

负载在后半个周期内消耗的总能量为：

$E_{R2}=\frac{V_o{I}_{o}T}{2}---\left(13\right)$

在后半个周期内有：

E_R2＝E_out2(14)

如图2、图4所示，第8阶段：t₇＜t＜t₈

在t₇时刻，i_Lr＝I₇＝0，v_Cr＝V_o，此后第二整流二极管D_R2和第三整流二极管D_R3关断，实现了整流二极管的零电流关断。此后电感Lr和电容Cr发生并联谐振，直到v_Cr＝V_in，这段时间内，电感Lr和电容Cr上能量和是不变的。

$\frac{1}{2}{L}_r{I}_7^2+\frac{1}{2}{C}_r{V}_o^2=\frac{1}{2}{L}_r{I}_8^2+\frac{1}{2}{C}_r{V}_{in}^2---\left(15\right)$

式中：I₈是t₈时刻的谐振电感中的电流。

求此得：

$I_0=\left|I_8\right|=\sqrt{\frac{C_r(V_o^2-V_{in}^2)}{L_r}}---\left(16\right)$

由式(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(8)可得

$V_o{I}_{o}T=\frac{V_{in}^2{T}_1^2}{L_r}+2V_{in}{T}_1\sqrt{\frac{C_r(V_o^2-V_{in}^2)}{L_r}}---\left(17\right)$

由式(17)可知，选取适当的周期，占空比，设计合适的谐振单元可以实现输出升压的要求。

本发明的LC谐振变换器及其控制方法，能实现升压功能，且每个开关管和二极管都实现了软开关，有效减小了损耗，具有很高的效率，适合大功率传输。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种LC并联谐振升压直/直变换器的控制方法，所述LC并联谐振升压直/直变换器连接直流输入电源和负载，包括一个原边二极管，第一至第四开关管构成的桥臂，LC并联谐振单元，第一至第四整流二极管构成的整流桥以及滤波电容，所述第一开关管和第三开关管的串联支路与所述第二开关管和第四开关管的串联支路相互并联之后连接原边二极管；所述第一整流二极管和第三整流二极管的串联支路与所述第二整流二极管和第四整流二极管的串联支路相互并联之后连接滤波电容；所述谐振单元的第一端连在所述第一开关管和第三开关管的相接端同时连在所述第二整流二极管和第四整流二极管的相接端；所述谐振单元的第二端连在所述第二开关管和第四开关管的相接端同时连在所述第一整流二极管和第三整流二极管的相接端；所述原边二极管的阳极接在直流输入电源的正极，阴极接在所述第一开关管和第二开关管相接端，直流输入电源负极接在所述第三开关管和第四开关管相接端；所述滤波电容第一端接在所述第一整流二极管和第二整流二极管相接端，所述滤波电容第二端接在所述第三整流二极管和第四整流二极管相接端；其特征在于：

第一阶段：t₀＜t＜t₁

在t₀时刻，第一开关管和第四开关管导通，v_Cr＝V_in，其中v_Cr表示谐振单元中的电容的电压，V_in表示直流输入电源的电压，导通时第一开关管和第四开关管上没有电压，实现了第一开关管和第四开关管的零电压导通，输入端电流回路由直流输入电源，原边二极管，第一开关管，电感，第四开关管构成，电感上的电压等于输入电压，电感电流呈线性增加，这个阶段是输入给电感补充能量的过程，电感电流从I₀开始线性增加到I₁，输出电流由滤波电容提供；其中I₁是t₁时刻的谐振电感电流，I₀是t₀时刻的谐振电感电流；

第二阶段：t₁＜t＜t₂

在t₁时刻，第一开关管，第四开关管同时关断，电容发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_o，其中Vo表示输出电压，在这个过程中输入端和输出端没有能量传输，输出电流依然由滤波电容提供，能量在电感和电容之间进行传递，但电感和电容上的总能量不变；

第三阶段：t₂＜t＜t₃

在t₂时刻，v_Cr＝-V_o，此后第一整流二极管和第四整流二极管导通，电感中的电流流过第一整流二极管，第四整流二极管给滤波电容充电，并提供负载电流，在这段时间内，v_Cr保持不变，电感上电流线性减少，输入的能量在这段时间里传给负载，这个过程直到电感电流为零结束；

第四阶段：t₃＜t＜t₄

在t₃时刻，i_Lr＝I₃＝0，v_Cr＝V_o，其中i_Lr表示谐振电感的电流，I₃表示谐振电感在t₃时刻的电流，此后第一整流二极管和第四整流二极管关断，实现了整流二极管的零电流关断，此后电感和电容发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_in，这段时间内，电感和电容上的总能量不变；

第五阶段：t₄＜t＜t₅

在t₄时刻，第二开关管和第三开关管导通，v_Cr＝-V_in，导通时第二开关管和第三开关管上没有电压，实现了第二开关管和第三开关管的零电压导通，输入端电流回路由直流输入电源，原边二极管，第二开关管，电感，第三开关管构成，电感上的电压等于负输入电压，电感电流呈线性反向增加，这个阶段是输入给电感补充能量的过程，电感电流从I₄开始反向线性增加到I₅，输出电流由滤波电容提供；其中I₄是t₄时刻的谐振电感中的电流，I₅是t₅时刻的谐振电感中的电流；

第六阶段：t₅＜t＜t₆

在t₅时刻，第二开关管，第三开关管同时关断，此后电感与电容发生并联谐振，直到v_Cr＝V_o，在这个过程中输入端和输出端没有能量传输，输出电流依然由滤波电容提供，能量在电感和电容之间进行传递，但电感和电容上的总能量不变；

第七阶段：t₆＜t＜t₇

在t₆时刻，v_Cr＝V_o，此后第二整流二极管和第三整流二极管导通，电感中的电流流过第二整流二极管，第三整流二极管给滤波电容充电，并提供负载电流，在这段时间内，v_Cr保持不变，电感上电流线性减少，输入的能量在这段时间里传给负载，这个过程直到电感电流为零结束；

第八阶段：t₇＜t＜t₈

在t₇时刻，i_Lr＝I₇＝0，v_Cr＝V_o，I₇表示谐振电感在t₇时刻的电流，此后第二整流二极管和第三整流二极管关断，实现了整流二极管的零电流关断，此后电感和电容发生并联谐振，直到v_Cr＝V_in，这段时间内，电感和电容上的总能量不变。