CN107196518B - 一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器 - Google Patents

一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器，由依次连接的桥式逆变电路、拓扑变换型多元件谐振电路和二极管整流电路组成，变换器由所述桥式逆变电路输入，经拓扑变换型多元件谐振电路作用后从二极管整流电路输出；桥式逆变电路可根据开关管的切换实现半桥与全桥的切换；拓扑变换型多元件谐振电路中包括两个变压器，以有效拓宽变换器的功率传输能力；拓扑变换型多元件谐振电路可通过辅助开关实现LCLCL谐振电路与CLTCL谐振电路的切换；同时可以实现开关管的零电压开通、后级整流电路二极管的零电流关断(ZCS)，并可以减小环流，提高了变换器的效率和容量，具有输入输出电压宽范围可调节和过流保护的优点。

Description

一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器
技术领域
本发明涉及一种谐振软开关型直流变换器，具体是一种高效、宽电压范围的拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器。
背景技术
小型风力发电是一种有潜力的户用可再生能源发电系统，它具有易于安装、功率等级灵活多变、维护费用低等优越特性。相对于离网小型风力发电系统，并网小型风力发电系统具有更为广泛的应用领域，并网小型风力发电系统可以将风能转换为交流能量。然而，由于小型风力发电系统中存在低平均风速与明显波动的问题，该系统将很难维持稳定并网输出。产生这种问题的主要原因是不能提供足够大的电压增益，因为在低风速的情况下，变换器前端滤波器的输出电压，即使是并网逆变器最小电压的要求，也很难达到。
目前有关文献已经讨论了上述小型风力发电所涉及的问题，选择使用单级高电压增益整流器和存储分支的方法解决，使系统具有高电压增益、高风速保护等优点。但是，对小型风力发电系统引入额外的存储设备，会提高其整体成本。因此需要对小型风力发电系统进行合理设计降低成本。对于没有储能装置的小型风力发电系统，系统大多采用经典的三级架构。整流输出直流电压由升压变换器进行进一步提升，以满足逆变器的电压需求，使小型风力发电系统能够进行并网发电。但是，这种拓扑的缺点是显而易见的，中间级升压变换器带来很大的功率损耗，特别是在高电压增益的情况下，会严重影响并网效率。因此，高效率DC-DC变换器对于小型风力发电系统效率提高具有相当大的意义。
作为一种普遍的DC-DC变换器，谐振变换器以其高效率而闻名，并且提供电隔离，这为小型风力发电系统效率低的问题提供了解决办法。
在目前研究文献中，涉及到几种升压谐振变换器。其中有文献指出在LLC谐振变换器的基础上通过适当的参数设计可以实现高效转换，并对LLC谐振变换器的工作模态进行详细的分析和研究。讨论了优化的参数设计方法，实现了LLC谐振变换器的高效率。但是，研究表明LLC谐振变换器拓扑结构的效率和电压增益范围之间存在固有的矛盾，因此，该文献指出变换器的输入电压范围(25-38V)对于小型风力发电系统来说是不够宽泛的。因此为解决上述问题，研究人员提出了双变压器结构LLC谐振变换器。变换器在额定工作点周围作为普通的LLC谐振变换器工作，辅助变压器不参与工作。仅在输入电压不足的情况下，辅助变压器参与工作，辅助变压器的输出电压叠加在LLC的输出电压上，因此在输入电压不足时保证了高电压增益。但是，该电路拓扑的输入电压范围依然不够宽泛。研究人员在上述研究成果的基础上进一步研究，继续延用双变压器拓扑结构，通过调整等效的励磁电感，变换器可实现2.1至8.4的宽电压增益范围，实现210V恒定输出。在额定工作点附近，变换器作为普通LLC工作，其等效励磁电感值很小，可实现高电压增益；而对于较高的输入电压情况，辅助变压器参与工作，增加等效励磁电感，从而抑制传导损耗。变换器可以在非常窄的频率范围内工作，避免了高频损耗。但是，该变换器无法实现降压变换。此外，用于控制辅助变压器的辅助开关布置在初级低压侧，其中初级电流比次级侧的电流大得多，会产生较大的初级导通损耗。因此，根据上述研究讨论，可知适用于小型风力发电的谐振变换器必须具有大的电压增益范围，高效率的特点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器，该变换器通过调整辅助开关控制辅助变压器是否参与工作，实现电路拓扑在CLTCL与LCLCL之间进行变换。其中LCLCL表示由电感、电容、电感、电容、电感组成的谐振电路；CLTCL表示由电容、电感、变压器、电容、电感组成的谐振电路。可在狭窄的工作频率范围内获得较宽的电压增益范围，同时保持较高效率。该拓扑同时可以实现开关管的零电压开通(Zero voltage switching，ZVS)、后级整流电路二极管的零电流关断(ZCS)，并可以减小环流，提高了变换器的效率和容量，具有输入输出电压宽范围可调节和过流保护的优点。此外还可实现升压、降压变换，且工作频率被限制在额定工作频率附近，避免高频损耗，实现高效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器，由依次连接的桥式逆变电路、拓扑变换型多元件谐振电路和二极管整流电路组成，变换器由所述桥式逆变电路输入，经所述拓扑变换型多元件谐振电路作用后从二极管整流电路输出；所述桥式逆变电路可根据开关管的切换实现半桥与全桥的切换；所述拓扑变换型多元件谐振电路中包括两个变压器，以有效拓宽变换器的功率传输能力；所述拓扑变换型多元件谐振电路可通过辅助开关实现LCLCL谐振电路与CLTCL谐振电路的切换；
桥式逆变电路由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4组成；所述拓扑变换型多元件谐振电路由第一电容C1、第二电容C2、第一变压器T1、第二变压器T2、第一电感L1、第二电感L2、第五开关管Sa1、第六开关管Sa2组成；所述二极管整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第三电容Co。
所述第一电容C1的一端与所述第一开关管S1与第三开光管S3桥臂的中点连接，另一端与第一变压器T1的原边连接；第一变压器T1的原边一端与第一电容C1连接，另一端分别与第二电容C2和第二电感L2连接；第一变压器T1的副边一端与第一二极管D1和第三二极管D3的桥臂中点连接，另一端分为两路，其中一路与第二变压器T2的副边一端连接，另一路经第五开关管Sa1与第二二极管D2和第四二极管D4的桥臂中点连接；所述第二电容C2一端分别与第一变压器T1原边和第二电感L2连接，另一端分别与第一电感L1和第二变压器T2原边相连；第一电感L1一端与第二开关管S2和第四开关管S4的中点连接，另一端与第二电容C2连接；第二电感L2一端分别与第一变压器T1和第二电容C2连接，另一端与第二变压器T2原边连接；第二变压器T2原边一端与第二电感L2连接，另一端分别与第二电容C2和第一电感L1连接；第二变压器T2副边一端经第六开关管Sa2与第二二极管D2和第四二极管D4的桥臂中点连接，另一端分为两路，一路与第一变压器T1的副边一端连接，另一路经第五开关管Sa1与第二二极管D2和第四二极管D4的桥臂中点连接。
当第一开关管S1、第四开关管S4与第二开关管S2、第三开关管S3互补导通时，桥式逆变电路工作于全桥状态；当第二开关管S2保持关断状态，第四开关管S4保持常通状态，仅第一开关管S1和第三开关管S3互补导通时，桥式逆变电路工作于半桥状态。
当第五开关管Sa1开通，第六开关管Sa2断开时，LCLCL谐振电路工作；当第五开关管Sa1断开，第六开关管Sa2开通，CLTCL谐振电路工作。
直流变换器具有至少4中工作模态。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明直流变换器可以实现开关管的零电压开通、二极管的零电流软开关关断，提高了变换器的工作效率。
2.本发明直流变换器在可以在较小的频段内实现大范围的电压调节。
3.本发明直流变换器通过合理的参数设计，可增大工作频率，提高变换器的功率密度。
4.本发明直流变换器可以实现高增益，增大输入电压范围。
5.本发明直流变换器引入了三次谐波参与功率传输，减小环流，实现高效率。
6.本发明直流变换器存在谐振零点，具有从零可调的宽电压增益范围、固有的过电流保护能力，同时可以实现电路的升降压变换。
附图说明
图1为本发明直流变换器的结构示意图；
图2为本发明直流变换器在不同模态下的电压增益曲线；
图3-1至图3-4分别为本发明变换器在不同工作模态下的等效电路图；
图4-1-1至图4-3-3为本发明直流变换器的仿真波形；
图5为本发明直流变换器的输入输出电压波形图。
本发明是一种应用于直流电源系统中的DC-DC环节的拓扑变换型多谐振元件谐振软开关变换器。图1是所述拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器的电路拓扑图。图2是所述拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器在不同模态下的电压增益曲线。图3-1至图3-4是所述拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器4个工作模态的等效电路图。图4-1-1至图4-3-3是所述拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器的仿真结果。图5为所述拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器的输入输出电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述，为使描述简洁方便，以下出现的英文字符分别表示的含义有：ZVS表示零电压开通；ZCS表示零电流关断；LCLCL表示由电感、电容、电感、电容、电感组成的谐振电路；CLTCL表示由电容、电感、变压器、电容、电感组成的谐振电路。
如图1所示，一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器，由依次连接的桥式逆变电路、拓扑变换型多元件谐振电路和二极管整流电路组成，变换器由所述桥式逆变电路输入，经所述拓扑变换型多元件谐振电路作用后从二极管整流电路输出；桥式逆变电路可以根据开关管的切换实现半桥与全桥的切换；所述拓扑变换型多元件谐振电路中包含两个变压器，可以有效拓宽变换器的功率传输能力；拓扑变换型多元件谐振电路可以根据辅助开关的切换实现LCLCL谐振电路与CLTCL谐振电路的切换；拓扑变换型多元件谐振电路可以通过合理的电感电容参数设计实现逆变侧开关管的零电压开通和整流侧二极管的零电流关断，同时可以保证电路具有宽电压增益范围与高效率。
本实施例中桥式逆变电路由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4组成；所述拓扑变换型多元件谐振电路由第一电容C1、第二电容C2、第一变压器T1、第二变压器T2、第一电感L1、第二电感L2、第五开关管Sa1、第六开关管Sa2组成；所述二极管整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第三电容Co，Ro为负载电阻。
第一电容C1的一端与所述第一开关管S1与第三开光管S3桥臂的中点连接，另一端与第一变压器T1的原边连接；第一变压器T1的原边一端与第一电容C1连接，另一端分别与第二电容C2和第二电感L2连接；第一变压器T1的副边一端与第一二极管D1和第三二极管D3的桥臂中点连接，另一端分为两路，其中一路与第二变压器T2的副边一端连接，另一路经第五开关管Sa1与第二二极管D2和第四二极管D4的桥臂中点连接；所述第二电容C2一端分别与第一变压器T1原边和第二电感L2连接，另一端分别与第一电感L1和第二变压器T2原边相连；第一电感L1一端与第二开关管S2和第四开关管S4的中点连接，另一端与第二电容C2连接；第二电感L2一端分别与第一变压器T1和第二电容C2连接，另一端与第二变压器T2原边连接；第二变压器T2原边一端与第二电感L2连接，另一端分别与第二电容C2和第一电感L1连接；第二变压器T2副边一端经第六开关管Sa2与第二二极管D2和第四二极管D4的桥臂中点连接，另一端分为两路，一路与第一变压器T1的副边一端连接，另一路经第五开关管Sa1与第二二极管D2和第四二极管D4的桥臂中点连接。
根据桥式逆变电路中第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4的通断组合，可以实现桥式逆变电路半桥拓扑结构与全桥拓扑结构的切换。当第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4互补导通时，桥式逆变电路工作于全桥状态；当第二开关管S2保持关断状态，第四开关管S4保持常通状态，仅第一开关管S1和第三开关管S3互补导通时，桥式逆变电路工作于半桥状态。
根据第五开关管开关管Sa1、第六开关管Sa2的通断组合可以实现LCLCL谐振电路与CLTCL谐振电路的切换，当第五开关管Sa1开通，第六开关管Sa2断开时，LCLCL谐振电路工作；当第五开关管Sa1断开，第六开关管Sa2开通，CLTCL谐振电路工作。
本发明直流变换器根据逆变电路半桥、全桥拓扑与CLTCL谐振电路、LCLCL谐振电路的组合变换，可以获得4种工作摸态，等效电路图如图3-1至图3-4。
图3-1所示为工作模态Ⅰ：在输入电压较低，电压增益在5-10时，当第一开关管S1、第四开关管S4与第二开关管S2、第三开关管S3互补导通时，第五开关管Sa1断开，第六开关管Sa2开通，电路工作于全桥CLTCL变换器模态。在该种电路模态下，可以获得较高的电压增益。通过谐振电路参数合理设计可实现桥式逆变侧开关管ZVS开通软开关、整流侧二极管ZCS关断软开关。
图3-2所示为工作模态Ⅱ：在输入电压较高，电压增益在4-5时，第二开关管S2保持关断状态，第四开关管S4保持常通状态，仅第一开关管S1、第三开关管S3进行互补导通，第五开关管Sa1断开，第六开关管Sa2开通，电路工作于半桥CLTCL变换器模态。在该种电路模态下，可以获得相对于全桥CLTCL变换器模态较低的电压增益。通过谐振电路参数合理设计可实现桥式逆变侧开关管ZVS开通软开关、整流侧二极管ZCS关断软开关。
图3-3所示为工作模态Ⅲ：输入电压进一步提升，电压增益在2-4时，第一开关管S1、第四开关管S4与第二开关管S2、第三开关管S3互补导通，第五开关管Sa1开通，第六开关管Sa2断开，电路工作于全桥LCLCL变换器模态。在该种电路模态下，可以获得较小的电压增益与较小的谐振电路环流，降低电路环流损耗。通过谐振电路参数合理设计可实现桥式逆变侧开关管ZVS开通软开关、整流侧二极管ZCS关断软开关。
图3-4所示为工作模态Ⅳ：输入电压再进一步提升，电压增益在0-2时，第二开关管S2保持关断状态，第四开关管S4保持常通状态，仅第一开关管S1、第三开关管S3进行互补导通，第五开关管Sa1开通，第六开关管Sa2断开，电路工作于半桥LCLCL变换器模态。在该种电路模态下，存在谐振零点，可获得从零可调的宽电压增益范围、固有的过电流保护能力，较小的谐振电路环流，降低电路环流损耗、实现电路升降压变换。通过谐振电路参数合理设计可实现桥式逆变侧开关管ZVS开通软开关、整流侧二极管ZCS关断软开关。
因此，本发明直流变换器可获得宽电压增益范围与较小电路环流损耗，提高效率，实现电路的升降压变换。通过谐振电路参数合理设计可实现桥式逆变侧开关管ZVS开通软开关、整流侧二极管ZCS关断软开关。
进一步的，本发明直流变换器依据电路输入、输出状态以及电压增益要求，可采用分模态方式进行电压调节。所述变换器共有4个模态，在每个模态中，随着输入电压的升高，可通过增大其开关频率来降低电压增益。当输入电压进一步提高，根据电压增益要求需要进入到下个模态时，可不必继续增大开关频率，而是进行模态切换。模态切换后开关频率会被拉回到变换器的额定工作频率附近。因此，所述拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器减小开关频率的工作范围，实现在较小的频段内的宽电压调节。
对本发明直流变换器的仿真电路如图4-1-1至图4-3-3所示，对其进行波形分析如下：
如图4-1-1至图4-1-3所示，输入电压40V，输出电压400V，电路的电压增益为10。电路工作于CLTCL变换器模态。逆变侧开关管可以实现零电压开通软开关，整流侧二极管电流自然下降至零，二极管实现零电流关断软开关。因此，所述拓扑变换型多元件谐振电路具有较高的变换效率与高增益。
如图4-2-1至图4-2-3所示，输入电压200V，输出电压400V，电路的电压增益为2。电路工作于LCLCL变换器模态。逆变侧开关管可以实现零电压开通软开关，整流侧二极管电流自然下降至零，二极管实现零电流关断软开关。因此，所述拓扑变换型多元件谐振电路能够降低功率开关器件的开关损耗。
如图4-3-1至图4-3-3所示，所述拓扑变换型多元件谐振电路可以实现降压变换，输入电压600V高于输出电压400V，电压增益为0.67，电路工作于LCLCL变换器模态。虽然整流侧失去零电流关断特性，但逆变侧开关管仍可以实现零电压开通软开关。
如图5所示，为保证输出电压维持在400V，当输入电压较低，电压增益要求为5-10时，电路工作于全桥CLTCL变换器模态；随着输入电压的升高，电压增益要求为4-5时，电路工作于半桥CLTCL变换器模态；输入电压继续增大，电压增益要求在2-4时，电路工作于全桥LCLCL变换器模态；输入电压再次增加，电压增益要求在0-2时，电路工作于半桥LCLCL变换器模态。从图5输入输出电压波形可以看出在电路拓扑切换时，输出电压会有波动，最后可以稳定在400V。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器，其特征在于，由依次连接的桥式逆变电路、拓扑变换型多元件谐振电路和二极管整流电路组成，变换器由所述桥式逆变电路输入，经所述拓扑变换型多元件谐振电路作用后从二极管整流电路输出；所述桥式逆变电路可根据开关管的切换实现半桥与全桥的切换；所述拓扑变换型多元件谐振电路中包括两个变压器，以有效拓宽变换器的功率传输能力；所述拓扑变换型多元件谐振电路可通过辅助开关实现LCLCL谐振电路与CLTCL谐振电路的切换；
其中LCLCL表示由第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二电感(L2)、第二电容(C2)、第一变压器(T1)组成的谐振电路；CLTCL表示由第一电容(C1)、第一电感(L1)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第二电容(C2)、第二电感(L2)组成的谐振电路；
所述桥式逆变电路由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)组成；所述拓扑变换型多元件谐振电路由第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一变压器(T1)、第二变压器(T2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第五开关管(Sa1)、第六开关管(Sa2)组成；所述二极管整流电路包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和第三电容(Co)；
所述第一电容(C1)的一端与所述第一开关管(S1)与第三开光管(S3)桥臂的中点连接，另一端与第一变压器(T1)的原边连接；第一变压器(T1)的原边一端与第一电容(C1)连接，另一端分别与第二电容(C2)和第二电感(L2)连接；第一变压器(T1)的副边一端与第一二极管(D1)和第三二极管(D3)的桥臂中点连接，另一端分为两路，其中一路与第二变压器(T2)的副边一端连接，另一路经第五开关管(Sa1)与第二二极管(D2)和第四二极管(D4)的桥臂中点连接；所述第二电容(C2)一端分别与第一变压器(T1)原边和第二电感(L2)连接，另一端分别与第一电感(L1)和第二变压器(T2)原边相连；第一电感(L1)一端与第二开关管(S2)和第四开关管(S4)的中点连接，另一端与第二电容(C2)连接；第二电感(L2)一端分别与第一变压器(T1)和第二电容(C2)连接，另一端与第二变压器(T2)原边连接；第二变压器(T2)原边一端与第二电感(L2)连接，另一端分别与第二电容(C2)和第一电感(L1)连接；第二变压器(T2)副边一端经第六开关管(Sa2)与第二二极管(D2)和第四二极管(D4)的桥臂中点连接，另一端分为两路，一路与第一变压器(T1)的副边一端连接，另一路经第五开关管(Sa1)与第二二极管(D2)和第四二极管(D4)的桥臂中点连接；
所述拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器引入了三次谐波参与功率传输，减小环流，实现高效率。
2.根据权利要求1所述一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器，其特征在于，当第一开关管(S1)、第四开关管(S4)与第二开关管(S2)、第三开关管(S3)互补导通时，桥式逆变电路工作于全桥状态；当第二开关管(S2)保持关断状态，第四开关管(S4)保持常通状态，仅第一开关管(S1)和第三开关管(S3)互补导通时，桥式逆变电路工作于半桥状态。
3.根据权利要求1所述一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器，其特征在于，当第五开关管(Sa1)开通，第六开关管(Sa2)断开时，LCLCL谐振电路工作；当第五开关管(Sa1)断开，第六开关管(Sa2)开通，CLTCL谐振电路工作。
4.根据权利要求1所述一种拓扑变换型多谐振元件谐振软开关直流变换器，其特征在于，直流变换器具有至少4种 工作模态。
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