CN105119496A - 一种宽输入范围的三电平llc谐振变换器及电平切换控制方法 - Google Patents

Abstract

一种宽输入范围的三电平LLC谐振变换器及电平切换控制方法，属于电力电子变换技术领域，所述变换器主要由输入直流电压源V_in，母线分压电容C_in1、C_in2，双向开关管S₁、S₂，全桥开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，谐振电容C_r1、C_r2，谐振电感L_r，励磁电感L_m，变压器T，整流二极管D₁、D₂，输出滤波电容C_o和负载R_o电连接组成。变换器工作在三电平模式时，开关S₁、S₂闭合，开关管Q₁与Q₃同时导通同时关断，开关管Q₂与Q₄同时导通同时关断，且开关管Q₂、Q₄与开关管Q₁、Q₃互补，占空比固定为0.5。当变换器工作在两电平模式时，开关S₁、S₂断开，开关管Q₁和开关管Q₄闭合，开关管Q₂和开关管Q₃互补导通，占空比固定为0.5。本发明具有输入电压范围宽、电路拓扑结构简单、驱动控制简单等优点。

Description

一种宽输入范围的三电平LLC谐振变换器及电平切换控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子变换技术，尤其是一种宽输入范围的三电平LLC谐振变换器。

背景技术

随着环境污染和能源匮乏问题的日益严重，可再生能源越来越受到人们的重视。可再生能源发电形式主要有光伏发电、风力发电、水利发电和燃料电池供电等，它们都具有输出电压范围宽的特点。因此，为了能够高效地利用可再生能源，减少能源浪费，需要一种能够在宽输入电压范围内工作的DC/DC变换器。

目前，传统的三电平LLC谐振变换器拥有如下优点，例如：开关管承受电压为输入电压一半，能在全负载范围内实现ZVS，副边整流二极管能够实现零电流关断，避免了二极管反向恢复问题。三电平LLC谐振变换器因此受到广泛关注，但其仍不适合宽输入范围的应用场合。另外，传统的三电平电路拓扑的驱动信号较为复杂，控制不易实现。为了提高输入电压范围，有学者提出了既能工作在三电平模式又能工作在两电平模式的电路拓扑，但它们不仅驱动控制更为复杂、不易实现，而且电路拓扑结构复杂，使用器件数量较多，增加了成本。

发明内容

本发明目的在于提供一种输入电压范围宽、电路拓扑结构简单、驱动控制简单的宽输入范围的三电平LLC谐振变换器及电平切换控制方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：

本发明所述谐振变换器包括输入直流电压源V_in、第一母线分压电容C_in1、第二母线分压电容C_in2、第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂、第一全桥开关管Q₁、第二全桥开关管Q₂、第三全桥开关管Q₃、第四全桥开关管Q₄、第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2、谐振电感L_r、励磁电感L_m、变压器T、第一整流二极管D₁、第二整流二极管D₂、输出滤波电容C_o和负载R_o；

其中，输入直流电压源V_in的正极分别与第一母线分压电容C_in1的一端、第一全桥开关管Q₁的漏极连接；第一母线分压电容C_in1的另一端分别与第二母线分压电容C_in2的一端、第一双向开关管S₁的漏极连接；第二母线分压电容C_in2的另一端分别与输入直流电压源V_in的负极、第四全桥开关管Q₄的源极连接；第一双向开关管S₁的源极与第二双向开关管S₂的源极相连；第二双向开关管S₂的漏极分别与第二全桥开关管Q₂的源极、第三全桥开关管Q₃的漏极、谐振电感L_r的一端连接；第一全桥开关管Q₁的源极分别与第二全桥开关管Q₂的漏极、第一谐振电容C_r1的一端连接；第二全桥开关管Q₂的源极与第三全桥开关管Q₃的漏极连接，第三全桥开关管Q₃的源极与第四全桥开关管Q₄的漏极连接，第一全桥开关管Q₁、第二全桥开关管Q₂、第三全桥开关管Q₃、第四全桥开关管Q₄顺次串联；第一谐振电容C_r1的另一端分别与变压器T的原边一端、第二谐振电容C_r2的一端连接；第二谐振电容C_r2的另一端分别与第三全桥开关管Q₃的源极、第四全桥开关管Q₄的漏极连接；变压器T的原边的另一端与谐振电感L_r的另一端连接，励磁电感L_m集成在变压器中并与谐振电感L_r相连；变压器T第一副边绕组的一端与第一整流二极管D₁的阳极连接，第一整流二极管D₁的阴极分别与第二整流二极管D₂的阴极、输出滤波电容C_o的一端以及负载R_o的一端连接；变压器T第一副边绕组的另一端分别与变压器T第二副边绕组的一端、输出滤波电容C_o的另一端以及负载R_o的另一端连接；变压器T第二副边绕组的另一端与第二整流二极管D₂的阳极连接。

本发明所述的应用于上述谐振变换器的一种三电平到两电平工作模式切换的控制方法，具体方法如下：

当输入电压处于低输入电压范围时，变换器工作在两电平模式，第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂断开，第一全桥开关管Q₁和第四全桥开关管Q₄闭合，第二全桥开关管Q₂和第三全桥开关管Q₃互补导通，占空比固定为0.5，谐振槽的输入端电压幅值就是输入电压。

当输入电压处于高输入电压范围时，变换器工作在三电平模式，第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂闭合，第一全桥开关管Q₁与第三全桥开关管Q₃同时导通同时关断，第二全桥开关管Q₂与第四全桥开关管Q₄同时导通同时关断，且第二全桥开关管Q₂、第四全桥开关管Q₄与第一全桥开关管Q₁、第三全桥开关管Q₃互补，占空比固定为0.5，谐振槽的输入端电压幅值为输入电压的一半。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、通过双向开关管的使用，使变换器能够在三电平和两电平两种模式下进行工作。

2、在选择合适的模式切换输入电压值后，可以使高压输入下作用在谐振槽的输入电压幅值范围与低压时一致，这样两种工作模式的频率范围也就一致，即在同样的频率范围内，使输入电压范围加倍。

3、通过模式切换，拓宽了变换器的增益，使其更适用于新能源应用场合。

4、电路拓扑结构较为简单，驱动控制更为简单，更易实现。

5、当该变换器工作在输入电压为定值，输出电压变换的场合时，还能够实现宽输出电压。

附图说明

图1为本发明变换器的电气原理图。

图2为本发明变换器工作在三电平模式下的工作波形图。

图3为本发明变换器工作在两电平模式下的工作波形图。

图4为本发明变换器工作在三电平模式下的等效电路图。

图5为本发明变换器工作在两电平模式下的等效电路图。

图6至图11是本发明变换器工作在三电平时的不同开关模态的等效电路图。

图12至图17是本发明变换器工作在两电平时的不同开关模态的等效电路图。

附图中各符号含义：V_in是输入直流电压源，C_in1是第一母线分压电容，C_in2是第二母线分压电容，S₁是第一双向开关管，S₂是第二双向开关管，Q₁是第一全桥开关管，Q₂是第二全桥开关管，Q₃是第三全桥开关管，Q₄是第四全桥开关管，C₁是第一全桥开关管Q₁的结电容，C₂是第一全桥开关管Q₂的结电容，C₃是第一全桥开关管Q₃的结电容，C₄是第一全桥开关管Q₄的结电容，L_r是谐振电感，C_r1是第一谐振电容，C_r2是第二谐振电容，L_m是励磁电感，T是变压器，N₁、N₂是匝数，D₁是第一整流二极管，D₂是第二整流二极管，C_o是输出滤波电容，R_o是输出负载，g_S1是第一双向开关管S₁的驱动信号，g_S2是第二双向开关管S₂的驱动信号，g_Q1是第一全桥开关管Q₁的驱动信号，g_Q2是第二全桥开关管Q₂的驱动信号，g_Q3是第三全桥开关管Q₃的驱动信号，g_Q4是第四全桥开关管Q₄的驱动信号，V_Q1、V_Q2、V_Q3、V_Q4是开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄两端电压，i_Lr是谐振电流，i_Lm是励磁电流，i_D1是第一整流二极管D₁流过的电流，i_D2是第二整流二极管D₂流过的电流，t₀～t₆为时间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明所述变换器包括输入直流电压源V_in、第一母线分压电容C_in1、第二母线分压电容C_in2、第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂、第一全桥开关管Q₁、第二全桥开关管Q₂、第三全桥开关管Q₃、第四全桥开关管Q₄、第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2、谐振电感L_r、励磁电感L_m、变压器T、第一整流二极管D₁、第二整流二极管D₂、输出滤波电容C_o和负载R_o；

其中，输入直流电压源V_in的正极分别与第一母线分压电容C_in1的一端、第一全桥开关管Q₁的漏极连接；第一母线分压电容C_in1的另一端分别与第二母线分压电容C_in2的一端、第一双向开关管S₁的漏极连接；第二母线分压电容C_in2的另一端分别与输入直流电压源V_in的负极、第四全桥开关管Q₄的源极连接；第一双向开关管S₁的源极与第二双向开关管S₂的源极相连；第二双向开关管S₂的漏极分别与第二全桥开关管Q₂的源极、第三全桥开关管Q₃的漏极、谐振电感L_r的一端连接；第一全桥开关管Q₁的源极分别与第二全桥开关管Q₂的漏极、第一谐振电容C_r1的一端连接；第二全桥开关管Q₂的源极与第三全桥开关管Q₃的漏极连接，第三全桥开关管Q₃的源极与第四全桥开关管Q₄的漏极连接，第一全桥开关管Q₁、第二全桥开关管Q₂、第三全桥开关管Q₃、第四全桥开关管Q₄顺次串联；第一谐振电容C_r1的另一端分别与变压器T的原边一端、第二谐振电容C_r2的一端连接；第二谐振电容C_r2的另一端分别与第三全桥开关管Q₃的源极、第四全桥开关管Q₄的漏极连接；变压器T的原边的另一端与谐振电感L_r的另一端连接，励磁电感L_m集成在变压器中并与谐振电感L_r相连；变压器T第一副边绕组的一端与第一整流二极管D₁的阳极连接，第一整流二极管D₁的阴极分别与第二整流二极管D₂的阴极、输出滤波电容C_o的一端以及负载R_o的一端连接；变压器T第一副边绕组的另一端分别与变压器T第二副边绕组的一端、输出滤波电容C_o的另一端以及负载R_o的另一端连接；变压器T第二副边绕组的另一端与第二整流二极管D₂的阳极连接。

本发明所述的三电平到两电平工作模式切换的控制方法，具体方法如下：

如图2所示，当输入电压处于高输入电压范围时，变换器工作在三电平模式，第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂闭合，第一全桥开关管Q₁与第三全桥开关管Q₃同时导通同时关断，第二全桥开关管Q₂与第四全桥开关管Q₄同时导通同时关断，且第二全桥开关管Q₂、第四全桥开关管Q₄分别与第一全桥开关管Q₁、第三全桥开关管Q₃互补，占空比固定为0.5，且开关管承受的电压为输入电压一半，谐振槽的输入端电压幅值为输入电压的一半。

如图3所示，当输入电压处于低输入电压范围时，变换器工作在两电平模式，第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂断开，第一全桥开关管Q₁和第四全桥开关管Q₄闭合，第二全桥开关管Q₂和第三全桥开关管Q₃互补导通，占空比固定为0.5，此时开关管承受的电压为输入电压，谐振槽的输入端电压幅值就是输入电压。

下面结合图4～图15对本发明变换器的工作原理进行具体分析。

在分析之前，先作如下假设：

①所有功率开关管均为理想器件，不考虑开关时间、导通压降；

②所有电感和电容均为理想器件；

③输出电容C_o足够大，认为输出电压不变；

④电容C_in1、C_in2足够大，可以看作是两个电压为输入电压一半的电压源。

首先根据变换器的工作模式可以分为三电平工作模式和两电平工作模式，在每个工作模式下，根据功率谐振电流i_Lr的状态，又可将变换器分为六种工作模态。

一、三电平模式下：

1-1、开关模态I(t₀～t₁)：

如图6所示，在t₀时刻，第一全桥开关管Q₁、第三全桥开关管Q₃导通，第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2和谐振电感L_r谐振，谐振电流按正弦曲线增加如图3所示，变压器副边的第一整流二极管D₁导通，励磁电感被输出电压箝位不参与谐振，谐振电流i_Lr与励磁电流i_Lm增大，且谐振电流i_Lr大于励磁电流i_Lm，谐振电流和励磁电流的差值通过变换器传递到输出侧。电流通路分别为C_in1-Q₁-C_r1-T-L_r、Q₃-C_r2-T-L_r、T-D₁-R_o。

1-2、开关模态II(t₁～t₂)：

如图7所示，在t₁时刻，谐振电流i_Lr与励磁电流i_Lm相等。由于谐振电流等于励磁电流没有能量传递到副边，变压器原边与副边分离开来，此时励磁电感L_m不再被输出电压箝位，与谐振电感L_r、第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2一起参与谐振，输出侧负载能量由输出电容C_o提供。电流通路分别为C_in1-Q₁-C_r1-T-L_r、Q₃-C_r2-T-L_r、C_o-R_o。

1-3、开关模态III(t₂～t₃)：

如图8所示，在t₂时刻，第一全桥开关管Q₁、第三全桥开关管Q₃关断，由于电感电流不能突变，形成续流回路，给第一全桥开关管Q₁和第三全桥开关管Q₃的结电容C₁和C₃充电，给第二全桥开关管Q₂和第四全桥开关管Q₄的结电容放电，第一全桥开关管Q₁和第三全桥开关管Q₃的电压从零开始增加，而第二全桥开关管Q₂和第四全桥开关管Q₄的电压从输入电压的一半下降最终为零，为下一阶段第二全桥开关管Q₂和第四全桥开关管Q₄的零电压开通创造条件，副边第二整流二极管D₂导通。

在以上工作过程中，t₀～t₃是上半个周期，下半个周期t₃～t₆工作过程与上半个周期对称，只是方向相反，因此不再赘述。

开关模态IV(t₃～t₄)，如图9所示，与开关模态I(t₀～t₁)对称，且方向相反。

开关模态V(t₄～t₅)，如图10所示，与开关模态II(t₁～t₂)对称，且方向相反。

开关模态VI(t₅～t₆)，如图11所示，与开关模态III(t₂～t₃)对称，且方向相反。

二、两电平模式下：

2-1、开关模态I(t₀～t₁)：

如图12所示，在t₀时刻，第三全桥开关管Q₃导通，第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2以及谐振电感L_r谐振，谐振电流按正弦曲线增加如图4所示，变压器副边的第一整流二极管D₁导通，励磁电感被输出电压箝位不参与谐振，谐振电流i_Lr与励磁电流i_Lm增大，且谐振电流i_Lr大于励磁电流i_Lm，谐振电流和励磁电流的差值通过变换器传递到输出侧。电流通路分别为C_in1-C_r1-T-L_r-Q₃、Q₃-C_r2-T-L_r、T-D₁-R_o。

2-2、开关模态II(t₁～t₂)：

如图13所示，在t₁时刻，谐振电流i_Lr与励磁电流i_Lm相等。由于谐振电流等于励磁电流没有能量传递到副边，变压器原边与副边分离开来，此时励磁电感L_m不再被输出电压箝位，与谐振电感L_r、第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2一起参与谐振，输出侧负载能量由输出电容C_o提供。电流通路分别为C_in1-C_r1-T-L_r-Q₃、Q₃-C_r2-T-L_r、C_o-R_o。

2-3、开关模态III(t₂～t₃)：

如图14所示，在t₂时刻，第三全桥开关管Q₃关断，由于电感电流不能突变，形成续流回路，给第三全桥开关管Q₃的结电容C₃充电，给第二全桥开关管Q₂的结电容C₂放电，第三全桥开关管Q₃的漏源电压从零开始增加，而第二全桥开关管Q₂的漏源电压从输入电压的下降最终为零，为下一阶段第二全桥开关管Q₂的零电压开通创造条件，副边第二整流二极管D₂导通。

同三电平模式一样，在以上工作过程中，t₀～t₃是上半个周期，下半个周期t₃～t₆工作过程与上半个周期对称，只是方向相反，因此不再赘述。

开关模态IV(t₃～t₄)，如图15所示，与开关模态I(t₀～t₁)对称，且方向相反。

开关模态V(t₄～t₅)，如图16所示，与开关模态II(t₁～t₂)对称，且方向相反。

开关模态VI(t₅～t₆)，如图17所示，与开关模态III(t₂～t₃)对称，且方向相反。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种宽输入范围的三电平LLC谐振变换器，其特征在于：所述变换器包括输入直流电压源V_in、第一母线分压电容C_in1、第二母线分压电容C_in2、第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂、第一全桥开关管Q₁、第二全桥开关管Q₂、第三全桥开关管Q₃、第四全桥开关管Q₄、第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2、谐振电感L_r、励磁电感L_m、变压器T、第一整流二极管D₁、第二整流二极管D₂、输出滤波电容C_o和负载R_o；

其中，输入直流电压源V_in的正极分别与第一母线分压电容C_in1的一端、第一全桥开关管Q₁的漏极连接；第一母线分压电容C_in1的另一端分别与第二母线分压电容C_in2的一端、第一双向开关管S₁的漏极连接；第二母线分压电容C_in2的另一端分别与输入直流电压源V_in的负极、第四全桥开关管Q₄的源极连接；第一双向开关管S₁的源极与第二双向开关管S₂的源极相连；第二双向开关管S₂的漏极分别与第二全桥开关管Q₂的源极、第三全桥开关管Q₃的漏极、谐振电感L_r的一端连接；第一全桥开关管Q₁的源极分别与第二全桥开关管Q₂的漏极、第一谐振电容C_r1的一端连接；第二全桥开关管Q₂的源极与第三全桥开关管Q₃的漏极连接，第三全桥开关管Q₃的源极与第四全桥开关管Q₄的漏极连接，第一全桥开关管Q₁、第二全桥开关管Q₂、第三全桥开关管Q₃、第四全桥开关管Q₄顺次串联；第一谐振电容C_r1的另一端分别与变压器T的原边一端、第二谐振电容C_r2的一端连接；第二谐振电容C_r2的另一端分别与第三全桥开关管Q₃的源极、第四全桥开关管Q₄的漏极连接；变压器T的原边的另一端与谐振电感L_r的另一端连接，励磁电感L_m集成在变压器中并与谐振电感L_r相连；变压器T第一副边绕组的一端与第一整流二极管D₁的阳极连接，第一整流二极管D₁的阴极分别与第二整流二极管D₂的阴极、输出滤波电容C_o的一端以及负载R_o的一端连接；变压器T第一副边绕组的另一端分别与变压器T第二副边绕组的一端、输出滤波电容C_o的另一端以及负载R_o的另一端连接；变压器T第二副边绕组的另一端与第二整流二极管D₂的阳极连接。

2.应用于权利要求1所述谐振变换器的一种三电平到两电平工作模式切换的控制方法，其特征在于：

当输入电压处于低输入电压范围时，变换器工作在两电平模式，第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂断开，第一全桥开关管Q₁和第四全桥开关管Q₄闭合，第二全桥开关管Q₂和第三全桥开关管Q₃互补导通，占空比固定为0.5；

当输入电压处于高输入电压范围时，变换器工作在三电平模式，第一双向开关管S₁、第二双向开关管S₂闭合，第一全桥开关管Q₁与第三全桥开关管Q₃同时导通同时关断，第二全桥开关管Q₂与第四全桥开关管Q₄同时导通同时关断，且第二全桥开关管Q₂、第四全桥开关管Q₄与第一全桥开关管Q₁、第三全桥开关管Q₃互补，占空比固定为0.5。