CN105897001A - 一种基于clllc谐振的ac-ac双向变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CLLLC谐振的AC‑AC双向变换器，其变压器一次侧和二次侧均采用全桥结构，保证了功率的双向流动；变压器一次侧和二次侧均接入谐振电容和谐振电感，形成对称结构，保证了在全负载范围内实现软开关和良好的电压调整能力；组成全桥结构的开关为两个MOSFET反向串联组成的四象限开关，满足承受双向电压和导通双向电流的需要，通过调节输入端MOSFET的开关频率可以改变变换器的电压增益，变换器可以分别工作在降压和升压模式。采用DC‑DC型双向CLLLC谐振变换器为实现AC‑AC的转换要在变换器前端和后端分别接入整流电路和逆变电路，不利于小型化和集成化。本发明的AC‑AC双向CLLLC谐振变换器与传统相较，功率转化环节和无源元件较少，提高了变换器的整体效率。

Description

一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器
技术领域
本发明涉及AC-AC双向变换器领域，特别涉及一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器。
背景技术
LLC谐振变换器电路结构简单，工作效率高，并在输入电压和负载变化范围很宽的情况下依旧具有良好的电压调节特性，不仅可以在原边实现开关管ZVS，还可以使副边整流二极管实现ZCS，且原副边管子的电压应力较低，具有很高的研究价值。双向CLLLC谐振变换器在完全继承LLC谐振变换器优点的基础上，实现了功率的双向流动，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。但是一般的双向CLLLC谐振变换器只能实现DC-DC变换，在交流电的应用场合，需要在变换器的输入端和输出端分别再接入一个全桥电路，以实现整流和逆变，不利于小型化和集成化，而且过多的功率转换环节会带来更大的损耗。本发明涉及的一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器，采用由两个MOSFET反向串联组成的四象限开关替代传统的两象限开关，且这两个MOSFET可以采用同一个驱动信号，在不增加驱动控制复杂性的前提下直接实现AC-AC电能变换，简化了变换器结构，提高了整体效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器。
本发明的目的通过以下的技术方案实现。
一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器，包括供电电源，负载，四个一次侧四象限开关，四个二次侧四象限开关，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；其中四个一次侧四象限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，四个二次侧四象限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；每个四象限开关管均由第一MOSFET和第二MOSFET反向串联组成，当电压分别处于正半周和负半周时，相应地由开关管的不同MOSFET导通，期间的工作原理和对应的DC-DC型CLLLC谐振变换器一致；同一个四象限开关管的两个MOSFET接入相同的驱动信号。
进一步地，当变换器正向工作时，一次侧全桥电路将输入的交流信号转换为高频交流信号，经高频变压器，二次侧全桥电路将高频交流信号转换为交流信号输出；当供电电源电压处于正半周时，四个一次侧四象限开关均由第一MOSFET导通，相应的四个二次侧四象限开关均由第二MOSFET导通；当供电电源电压处于负半周时，四个一次侧四象限开关均由第二MOSFET导通，相应的四个二次侧四象限开关均由第一MOSFET导通。
进一步地，当变换器反向工作时，供电电源作为负载，负载作为供电电源，二次侧全桥电路将输入的交流信号转换为高频交流信号，经高频变压器，一次侧全桥电路将高频交流信号转换为交流信号输出；当负载电压处于正半周时，四个二次侧四象限开关均由第一MOSFET导通，相应的四个一次侧四象限开关均由第二MOSFET导通；当负载电压处于负半周时，四个二次侧四象限开关均由第二MOSFET导通，相应的四个一次侧四象限开关均由第一MOSFET导通。
与现有技术方案相比较，本发明具有以下优点和技术效果：
本发明变换器一次侧和二次侧均采用全桥电路，对称的结构保证了功率的双向流动；变压器一次侧和二次侧对称的谐振腔设计，保证了变换器具有良好的电压调整能力，电压增益可以随着输入端的开关频率而改变。当开关频率大于谐振频率时工作在降压状态，当开关频率小于谐振频率时工作在升压状态；组成全桥结构的开关为两个MOSFET反向串联组成的四象限开关，满足承受双向电压和导通双向电流的需要，保证了变换器在不添加整流和逆变环节的前提下可以直接工作在AC-AC场合，较之传统的接入整流器和逆变器的做法，简化了变换器结构，提高了变换器的整体效率。
附图说明
图1为本发明的一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器电路结构图；
图2为输入交流信号在正半周，一次侧超前开关管(Si1和Si2)导通时的工作原理图；
图3为输入交流信号在正半周，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4为输入交流信号在正半周，一次侧超前开关管(Si1和Si2)关断时的工作原理图；
图5为输入交流信号在正半周，一次侧滞后开关管(Si3和Si4)导通时的工作原理图；
图6a、图6b分别为一次侧谐振电感Lr1的电流与励磁电感Lm的电流仿真整体波形及其展开波形，主要突出AC-AC变换和全周期实现谐振。
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(如编程)，均是本领域技术人员参照现有技术实现的。
如图1所示，为本发明的一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器，包括供电电源Vin，负载Vo，四个一次侧四象限开关(Si1-Si4)，四个二次侧四象限开关(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；其中四个一次侧四象限开关(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，四个二次侧四象限开关(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；每个四象限开关管均由第一MOSFETM1和第二MOSFETM2反向串联组成，当电压分别处于正半周和负半周时，相应地由开关管的不同MOSFET导通，期间的工作原理和对应的DC-DC型CLLLC谐振变换器一致；同一个四象限开关管的两个MOSFET接入相同的驱动信号。
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。
设定两个交流电源电压为正弦。
上述一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器的具体实现方法:
图2-图5分析了当供电电源Vin电压处于正半周，变换器在前半周期内的工作实现过程，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Lr1，二次侧谐振电感Lr2，一次侧谐振电容Cr1和二次侧谐振电容Cr2一起组成谐振回路，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电压钳位，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电流与励磁电感Lm电流之差成比例，二次侧超前开关管(So1和So2)导通变频输出(如图2所示)。
当一次侧谐振电感Lr1电流与励磁电感Lm电流相等时，二次侧电流下降到零，此时给二次侧超前开关管(So1和So2)关断信号实现零电流关断。谐振电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的能量继续上升(如图3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，一次侧超前开关管(Si1和Si2)两端的电压在很短时间内上升到供电电源Vin电压，同时一次侧滞后开关管(Si3和Si4)的电压下降到零，为MOSFET1的零电压开通做准备(如图4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电流与励磁电感Lm电流不再相等，变压器Tr二次侧电流由零上升，变换器的谐振回路由一次侧谐振电感Lr1，二次侧谐振电感Lr2，一次侧谐振电容Cr1和二次侧谐振电容Cr2组成，同时二次侧滞后开关管(So3和So4)的电压下降到零，MOSFET2零电压开通，变换器工作进入下半周期(如图5所示)。
可见当输入交流信号处于正半周时，四个一次侧四象限开关(Si1-Si4)，四个二次侧四象限开关(So1-So4)分别主要是MOSFET1和MOSFET2参与工作，组成四象限开关管的两个MOSFET采用一样的驱动信号，工作原理与相应的DC-DC双向CLLLC谐振变换器一致。
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)

1.一种基于CLLLC谐振的AC-AC双向变换器，其特征在于：包括供电电源(Vin)，负载(Vo)，四个一次侧四象限开关(Si1-Si4)，四个二次侧四象限开关(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)；其中四个一次侧四象限开关(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，四个二次侧四象限开关(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；每个四象限开关管均由第一MOSFET(M1)和第二MOSFET(M2)反向串联组成，当电压分别处于正半周和负半周时，相应地由开关管的不同MOSFET导通，期间的工作原理和对应的DC-DC型CLLLC谐振变换器一致；同一个四象限开关管的两个MOSFET接入相同的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的AC-AC双向CLLLC谐振变换器，其特征在于：当变换器正向工作时，一次侧全桥电路将输入的交流信号转换为高频交流信号，经高频变压器，二次侧全桥电路将高频交流信号转换为交流信号输出；当供电电源(Vin)电压处于正半周时，四个一次侧四象限开关(Si1-Si4)均由第一MOSFET(M1)导通，相应的四个二次侧四象限开关(So1-So4)均由第二MOSFET(M2)导通；当供电电源(Vin)电压处于负半周时，四个一次侧四象限开关(Si1-Si4)均由第二MOSFET(M2)导通，相应的四个二次侧四象限开关(So1-So4)均由第一MOSFET(M1)导通。
3.根据权利要求1所述的AC-AC双向CLLLC谐振变换器，其特征在于：当变换器反向工作时，供电电源(Vin)作为负载，负载(Vo)作为供电电源，二次侧全桥电路将输入的交流信号转换为高频交流信号，经高频变压器，一次侧全桥电路将高频交流信号转换为交流信号输出；当负载(Vo)电压处于正半周时，四个二次侧四象限开关(So1-So4)均由第一MOSFET(M1)导通，相应的四个一次侧四象限开关(Si1-Si4)均由第二MOSFET(M2)导通；当负载(Vo)电压处于负半周时，四个二次侧四象限开关(So1-So4)均由第二MOSFET(M2)导通，相应的四个一次侧四象限开关(Si1-Si4)均由第一MOSFET(M1)导通。
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