CN105871215A - 用于双向clllc谐振变换器的整流控制电路 - Google Patents

用于双向clllc谐振变换器的整流控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路，双向CLLLC谐振变换器中变压器一次侧和二次侧均接入电流互感器，对变压器接受功率一侧的电流进行采样，并通过一个单位电阻转换成电压信号，通过电压传感器接到两个滞环比较器的反相输入端，两个滞环比较器的输出信号分别驱动接受功率一侧的超前开关和滞后开关，实现MOSFET整流。由于MOSFET的导通电阻很小，本发明的用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路，较之采用二极管整流降低了整流损耗，提高了变换器的整体效率。

Description

用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路
技术领域
本发明涉及双向DC-DC变换器领域，特别涉及一种用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路。
背景技术
双向DC-DC变换器可实现直流变压、双向传输能量和电气隔离的功能，在电动汽车、可再生能源、直流配电系统、不间断电源系统及电力电子变压器等领域得到了广泛的应用。而能否实现高功率密度和高变换效率一直是DC-DC变换器设计的重点和难点。传统的DAB拓扑传输功率大小随着移相角的改变而改变，软开关的实现范围也受负载变化的影响，近年来研究的CLLC谐振拓扑在正反向工作时结构不对称且二次侧不完全谐振阻碍了功率的传输，CLLLC谐振拓扑接收功率一侧采用二极管整流，增加了整流损耗。本发明涉及的用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路，在保留了原CLLLC谐振拓扑所有优点的基础上，采用MOSFET整流，提高了变换器的整体效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路。
本发明的目的通过以下的技术方案实现。
一种用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路，所述双向CLLLC谐振变换器包括供电电源，负载，四个一次侧开关，四个二次侧开关，一次侧谐振电感，二次侧谐振电感，一次侧谐振电容，二次侧谐振电容和一个带励磁电感的变压器；其中四个一次侧开关组成全桥电路后和一次侧谐振电感、一次侧谐振电容一起串接在供电电源和变压器一次侧之间，四个二次侧开关组成全桥电路并和二次侧谐振电感、二次侧谐振电容一起串接在负载和变压器二次侧之间；四个一次侧开关包括一次侧超前开关管和一次侧滞后开关管，四个二次侧开关包括二次侧超前开关管和二次侧滞后开关管；所述整流控制电路包括一次侧电流互感器、二次侧电流互感器、电阻、电压传感器、两个滞环比较器；变压器两侧分别接入所述一次侧电流互感器、二次侧电流互感器，对变压器一次侧和二次侧的电流进行采样，并通过所述电阻转换成电压信号，经电压传感器接到两个滞环比较器的反相输入端，两个滞环比较器的输出信号分别驱动接收功率一侧的超前开关管和滞后开关管，实现MOSFET整流。
进一步的，当变换器正向工作时，二次侧为所述接收功率一侧，一次侧超前开关管导通时，二次侧电流由零开始反向上升，控制电路输出驱动二次侧超前开关管导通整流，一次侧谐振电感电流与励磁电感电流相等时，二次侧电流下降为零，控制电路输出低电平关断二次侧超前开关管；一次侧滞后开关管导通时，二次侧电流由零开始正向上升，控制电路输出驱动二次侧滞后开关管导通整流，一次侧谐振电感电流与励磁电感电流相等时，二次侧电流下降为零，控制电路输出低电平关断二次侧超前开关管。
进一步的，当变换器反向工作时，一次侧为所述接收功率一侧，励磁电感等效到二次侧；二次侧超前开关管导通时，一次侧电流由零开始反向上升，控制电路输出驱动一次侧超前开关管导通整流，二次侧谐振电感电流与励磁电感电流相等时，一次侧电流下降为零，控制电路输出低电平关断一次侧超前开关管；二次侧滞后开关管导通时，一次侧电流由零开始正向上升，控制电路输出驱动一次侧滞后开关管导通整流，二次侧谐振电感电流与励磁电感电流相等时，一次侧电流下降为零，控制电路输出低电平关断一次侧滞后开关管。
与现有技术方案相比较，本发明具有以下优点和技术效果：
本发明的用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路，在原有CLLLC拓扑的基础上，采用MOSFET进行整流。集成肖特基二极管的最大导通压降在0.4V～0.5V之间，普通硅材料的MOSFET寄生体二极管前向压降约为1V，而MOSFET正向或反向导通时，MOSFET的漏源极之间可以等效为一个阻值恒定的电阻，一般为十几到几十毫欧姆，导通电流约为几十安培，正常工作时的导通损耗比体二极管小。特别在要求高压的场合采用碳化硅材料的MOSFET时，其体二极管的最大正向压降达到3V以上，而碳化硅MOSFET的导通电阻很低，此时采用MOSFET整流能在更大的程度上降低整流损耗，较之采用二极管整流提高变换器的整体效率。
附图说明
图1为本发明的一种用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制原理图；
图2为本发明的整流控制电路图；
图3为变换器在一次侧超前开关管(Si1和Si2)导通时的工作原理图；
图4为变换器在一次侧谐振电感Lr1的电流与励磁电感Lm的电流相等时的工作原理图；
图5为变换器在一次侧超前开关管(Si1和Si2)关断时的工作原理图；
图6为变换器在一次侧滞后开关管(Si3和Si4)导通时的工作原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。需指出的，若未有特别详细说明的控制过程，均是本领域技术人员参照现有技术实现或理解的(例如双向CLLLC谐振变换器的全桥电路中关于超前开关管和滞后开关管的说明无需赘述，无需对每个开关管单独进行命名说明)。
如图1所示，为本发明的一种用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制原理图，包括供电电源Vin，负载Vo，四个一次侧开关(Si1-Si4)，四个二次侧开关(So1-So4)，一次侧谐振电感Lr1，二次侧谐振电感Lr2，一次侧谐振电容Cr1，二次侧谐振电容Cr2和一个带励磁电感Lm的变压器Tr，其中四个一次侧开关(Si1-Si4)组成全桥电路并和一次侧谐振电感Lr1、一次侧谐振电容Cr1一起串接在供电电源Vin和变压器Tr一次侧之间，四个二次侧开关(So1-So4)组成全桥电路并和二次侧谐振电感Lr2、二次侧谐振电容Cr2一起串接在负载Vo和变压器Tr二次侧之间。变压器两侧分别接入一次侧电流互感器CT1和二次侧电流互感器CT2，两个电流互感器接到控制电路，控制电路输出驱动接受功率一侧的开关管。
如图2所示，为本发明的整流控制电路图，通过电流互感器对变压器接受功率一侧的电流进行采样，并通过一个单位电阻转换成电压信号，通过电压传感器接到两个滞环比较器的反相输入端，两个滞环比较器的输出信号分别驱动接受功率一侧的超前开关和滞后开关，实现MOSFET整流。
所述的开关管可以选用硅材料的MOSFET，若为了提高功率等级和功率密度，也可以选择碳化硅材料的MOSFET。
作为优选。所述的电流互感器可选霍尔电流互感器。
设定两个直流电源电压为常数。
上述一种用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路的具体实现过程:
图3-图6分析了变换器在正向工作时，前半周期内的实现过程，具体操作如下：
当一次侧超前开关管(Si1和Si2)导通时，一次侧谐振电感Lr1的电流谐振上升。此时由于二次侧完全谐振阻抗为零，绕组电压被负载Vo钳位，励磁电感Lm的电流直线上升，变化率比一次侧谐振电感Lr1的电流小。功率由一次侧传输到二次侧，二次侧电流大小和一次侧谐振电感Lr1的电流与励磁电感Lm的电流之差成比例，二次侧电流互感器CT2检测到二次侧电流由零开始反向上升，通过控制电路驱动二次侧超前开关管(So1和So2)导通整流(如图3所示)。
当一次侧谐振电感Lr1的电流与励磁电感Lm的电流相等时，二次侧电流互感器CT2检测到二次侧电流下降到零，此时控制电路输出低电平关断二次侧超前开关管(So1和So2)，实现零电流关断。谐振回路由一次侧谐振电感Lr1、一次侧谐振电容Cr1和励磁电感Lm组成，电流方向不变，励磁电感Lm能量继续上升(如图4所示)。
当一次侧超前开关管(Si1和Si2)关断时，一次侧电流给一次侧超前开关管(Si1和Si2)的寄生电容充电，同时给一次侧滞后开关管(Si3和Si4)的寄生电容放电，由于寄生电容很小，充放电过程在很短的时间内完成，此后电流通过一次侧滞后开关管(Si3和Si4)的体二极管反馈给供电电源Vin，为零电压开通做准备(如图5所示)。
当一次侧滞后开关管(Si3和Si4)导通时，一次侧谐振电感Lr1的电流反向谐振上升。此时由于二次侧完全谐振阻抗为零，绕组电压被负载Vo钳位，励磁电感Lm的电流反向直线上升，变化率比一次侧谐振电感Lr1的电流小。功率由一次侧传输到二次侧，二次侧电流大小和一次侧谐振电感Lr1的电流与励磁电感Lm的电流之差成比例，二次侧电流互感器CT2检测到二次侧电流由零开始正向上升，通过控制电路驱动二次侧滞后开关管(So3和So4)导通整流，变换器工作进入下半周期(如图6所示)。
可见单向传输功率的情况下，只有接受功率一侧的电流传感器工作，硬件设计上变压器两侧可以完全对称，控制方法也可以保持一致，系统较为简单。而MOSFET的导通电阻比寄生二极管要小，特别对于碳化硅MOSFET而言，由于其寄生二极管的前向压降达到3V，采用MOSFET整流可以降低整流损耗，提高变换器的整体效率，方便高效。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路，所述双向CLLLC谐振变换器包括供电电源(Vin)，负载(Vo)，四个一次侧开关(Si1-Si4)，四个二次侧开关(So1-So4)，一次侧谐振电感(Lr1)，二次侧谐振电感(Lr2)，一次侧谐振电容(Cr1)，二次侧谐振电容(Cr2)和一个带励磁电感(Lm)的变压器(Tr)；其中四个一次侧开关(Si1-Si4)组成全桥电路后和一次侧谐振电感(Lr1)、一次侧谐振电容(Cr1)一起串接在供电电源(Vin)和变压器(Tr)一次侧之间，四个二次侧开关(So1-So4)组成全桥电路并和二次侧谐振电感(Lr2)、二次侧谐振电容(Cr2)一起串接在负载(Vo)和变压器(Tr)二次侧之间；四个一次侧开关(Si1-Si4)包括一次侧超前开关管(Si1和Si2)和一次侧滞后开关管(Si3和Si4)，四个二次侧开关(So1-So4)包括二次侧超前开关管(So1和So2)和二次侧滞后开关管(So3和So4)，其特征在于：整流控制电路包括一次侧电流互感器(CT1)、二次侧电流互感器(CT2)、电阻、电压传感器、两个滞环比较器；变压器两侧分别接入所述一次侧电流互感器(CT1)、二次侧电流互感器(CT2)，对变压器一次侧和二次侧的电流进行采样，并通过所述电阻转换成电压信号，经电压传感器接到两个滞环比较器的反相输入端，两个滞环比较器的输出信号分别驱动接收功率一侧的超前开关管和滞后开关管，实现MOSFET整流。
2.根据权利要求1所述的用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路，其特征在于：当变换器正向工作时，二次侧为所述接收功率一侧，一次侧超前开关管(Si1和Si2)导通时，二次侧电流由零开始反向上升，控制电路输出驱动二次侧超前开关管(So1和So2)导通整流，一次侧谐振电感(Lr1)电流与励磁电感(Lm)电流相等时，二次侧电流下降为零，控制电路输出低电平关断二次侧超前开关管(So1和So2)；一次侧滞后开关管(Si3和Si4)导通时，二次侧电流由零开始正向上升，控制电路输出驱动二次侧滞后开关管(So3和So4)导通整流，一次侧谐振电感(Lr1)电流与励磁电感(Lm)电流相等时，二次侧电流下降为零，控制电路输出低电平关断二次侧超前开关管(So3和So4)。
3.根据权利要求1所述的用于双向CLLLC谐振变换器的整流控制电路，其特征在于：当变换器反向工作时，一次侧为所述接收功率一侧，励磁电感等效到二次侧；二次侧超前开关管(So1和So2)导通时，一次侧电流由零开始反向上升，控制电路输出驱动一次侧超前开关管(Si1和Si2)导通整流，二次侧谐振电感(Lr2)电流与励磁电感(Lm)电流相等时，一次侧电流下降为零，控制电路输出低电平关断一次侧超前开关管(Si1和Si2)；二次侧滞后开关管(So3和So4)导通时，一次侧电流由零开始正向上升，控制电路输出驱动一次侧滞后开关管(Si3和Si4)导通整流，二次侧谐振电感(Lr2)电流与励磁电感(Lm)电流相等时，一次侧电流下降为零，控制电路输出低电平关断一次侧滞后开关管(Si3和Si4)。
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