CN107493017A - 一种基于cllc的多端口双向dcdc变换器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CLLC的多端口双向DCDC变换器拓扑，变换器通过Buck‑Boost与CLLC电路原边集成、CLLC副边母线电容叠加到原边母线电容上实现高增益。半桥CLLC电路与Buck‑Boost电路集成，通过定频PWM同步控制；有助于开关管在较宽输入电压和负载范围实现软开关、高功率密度，能量可以在四个端口之间自由流动。本发明可大幅度减少传统多端口变换器数量，降低成本。

Description

一种基于CLLC的多端口双向DCDC变换器拓扑
技术领域
本发明涉及电能转换技术领域，尤其适用于新能源发电及直流微网。
背景技术
可再生能源发电大多具有直流输出形式，并且输出功率不稳定，需要DCDC变换器连接储能单元和直流母线，提升可再生能源发动系统的可靠性和稳定性。传统的DCDC变换器分为变压器隔离型和非隔离型DCDC变换器；隔离型适用于中小功率应用场合，非隔离型适用于大功率场合。
传统的多端口DCDC变换器所用开关管数量较多，控制器设计较复杂且较难在所有工作状态下实现软开关。
发明内容
本发明目的在于提供一种适合多种电压等级及工作模式需求、最大限度的减少能源转换环节、提高可利用率的CLLC多端口DCDC变换器拓扑。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：所述变换器拓扑包括电源UH、电源U1、电源U2、电源UL、电阻RH、电阻R1、电阻R2、电阻RL、电压侧电容CL、电感Lb、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、高频谐振变压器T、高频谐振变压器T的副边电感n1、高频谐振变压器T的原边电感n2、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、谐振变压器原边漏感Lr1、谐振变压器副边漏感Lr2、励磁电感Lm、桥臂电容C1、桥臂电容C2、桥臂电容C3、桥臂电容C4、输入电容Cb1、输出电容Cb2；
电源UH正极分别与电源U2正极、输出电容Cb2一端、开关管S4一端、桥臂电容C4一端连接；
电源UH负极与电阻RH连接后分别与电阻R1一端、输入电容Cb1一端、电阻RL一端、电压侧电容CL一端、开关管S1一端、桥臂电容C1一端连接；
电阻R1另一端与电源U1负极相连，电源U1正极分别与电阻R2一端、输出电容Cb2另一端、输入电容Cb1另一端、开关管S2一端、开关管S3一端、桥臂电容C2一端、桥臂电容C3一端相连，电阻R2另一端与电源U2负极相连；输出电容Cb2另一端与输入电容Cb1另一端相连；开关管S2一端与开关管S3一端相连；桥臂电容C2一端与桥臂电容C3一端相连；
开关管S4另一端分别与开关管S3另一端、谐振电容Cr2一端相连，谐振电容Cr2另一端连接高频谐振变压器T的原边电感n2，原边电感n2另一端连接谐振变压器副边漏感Lr2，谐振变压器副边漏感Lr2另一端分别与桥臂电容C3另一端、桥臂电容C4另一端相连；
电阻RL另一端与电源UL负极相连，电源UL正极分别与电压侧电容CL另一端、电感Lb一端相连，电感Lb另一端分别与开关管S1另一端、开关管S2另一端、谐振电容Cr1一端相连，谐振电容Cr1另一端分别与励磁电感Lm一端、高频谐振变压器T的副边电感n1一端相连，高频谐振变压器T的副边电感n1另一端分别与励磁电感Lm另一端、谐振变压器原边漏感Lr1一端相连，谐振变压器原边漏感Lr1另一端分别与桥臂电容C1另一端、桥臂电容C2另一端相连；
谐振电容Cr1与变压器原边漏感Lr1谐振，谐振电容Cr2与变压器原边漏感Lr2谐振；
电压侧电容CL、电感Lb、开关管S1、开关管S2构成Buck-Boost电路；
高频谐振变压器T、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、两个对称的半桥臂构成CLLC谐振电路，开关管S1、S2和桥臂电容C1、C2组成下桥臂，开关管S3、S4和桥臂电容C3、C4组成上桥臂；
CLLC谐振网络的输出电容Cb2叠加到输入电容Cb1之上；
Buck-Boost电路与CLLC谐振电路共用开关管S1、S2。
进一步的，开关管S1、S3为同一驱动信号，开关管S2、S4为同一驱动信号；开关管S1、S2的驱动信号互补，开关管S3、S4的驱动信号互补。
进一步的，Boost模式：D<0.5时，开关管S2、S4实现软开关；D＝0.5时，开关管S2、S3、S4实现软开关；D>0.5时，开关管S2、S3实现软开关；
Buck模式：D<0.5时，开关管S1、S3实现软开关；D＝0.5时，开关管S1、S3、S4实现软开关；D>0.5时，开关管S1、S4实现软开关；D为占空比。
所述控制策略如下：
端口1接蓄电池或超级电容，端口4接直流母线，通过双闭环PI调节器稳定端口4的输出电压；
当输出电压参考值高于直流母线电压时储能单元放电；当输出电压参考值低于直流母线电压时储能单元充电；
端口2、3电压能够自动均压，可根据需要接入负载或储能元件。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、大幅度减少了传统多端口变换器器件数量，降低了成本；
2、融合了非隔离技术和CLLC谐振隔离技术；
3、突破了传统CLLC变换器只能依靠变频调制的技术瓶颈，采用PWM调制降低了磁性元件设计的难度；
4、四个端口之间可以实现能量的自由流动。
附图说明
图1为本发明所提的拓扑结构图。
图2为本发明所提的调制波形及其关键的电压、电流波形图。
图3为本发明所实现的最佳状态波形图。
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，本发明所述变换器拓扑包括电源UH、电源U1、电源U2、电源UL、电阻RH、电阻R1、电阻R2、电阻RL、电压侧电容CL、电感Lb、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、高频谐振变压器T、高频谐振变压器T的副边电感n1、高频谐振变压器T的原边电感n2、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、谐振变压器原边漏感Lr1、谐振变压器副边漏感Lr2、励磁电感Lm、桥臂电容C1、桥臂电容C2、桥臂电容C3、桥臂电容C4、输入电容Cb1、输出电容Cb2；
电源UH正极分别与电源U2正极、输出电容Cb2一端、开关管S4一端、桥臂电容C4一端连接；
电源UH负极与电阻RH连接后分别与电阻R1一端、输入电容Cb1一端、电阻RL一端、电压侧电容CL一端、开关管S1一端、桥臂电容C1一端连接；
电阻R1另一端与电源U1负极相连，电源U1正极分别与电阻R2一端、输出电容Cb2另一端、输入电容Cb1另一端、开关管S2一端、开关管S3一端、桥臂电容C2一端、桥臂电容C3一端相连，电阻R2另一端与电源U2负极相连；输出电容Cb2另一端与输入电容Cb1另一端相连；开关管S2一端与开关管S3一端相连；桥臂电容C2一端与桥臂电容C3一端相连；
开关管S4另一端分别与开关管S3另一端、谐振电容Cr2一端相连，谐振电容Cr2另一端连接高频谐振变压器T的原边电感n2，原边电感n2另一端连接谐振变压器副边漏感Lr2，谐振变压器副边漏感Lr2另一端分别与桥臂电容C3另一端、桥臂电容C4另一端相连；
电阻RL另一端与电源UL负极相连，电源UL正极分别与电压侧电容CL另一端、电感Lb一端相连，电感Lb另一端分别与开关管S1另一端、开关管S2另一端、谐振电容Cr1一端相连，谐振电容Cr1另一端分别与励磁电感Lm一端、高频谐振变压器T的副边电感n1一端相连，高频谐振变压器T的副边电感n1另一端分别与励磁电感Lm另一端、谐振变压器原边漏感Lr1一端相连，谐振变压器原边漏感Lr1另一端分别与桥臂电容C1另一端、桥臂电容C2另一端相连；
谐振电容Cr1与变压器原边漏感Lr1谐振，谐振电容Cr2与变压器原边漏感Lr2谐振；
电压侧电容CL、电感Lb、开关管S1、开关管S2构成Buck-Boost电路；
高频谐振变压器T、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、两个对称的半桥臂构成CLLC谐振电路，开关管S1、S2和桥臂电容C1、C2组成下桥臂，开关管S3、S4和桥臂电容C3、C4组成上桥臂；
CLLC谐振网络的输出电容Cb2叠加到输入电容Cb1之上；
Buck-Boost电路与CLLC谐振电路共用开关管S1、S2。
开关管S1、S3为同一驱动信号，开关管S2、S4为同一驱动信号；开关管S1、S2的驱动信号互补，开关管S3、S4的驱动信号互补。
Boost模式：D<0.5时，开关管S2、S4实现软开关；D＝0.5时，开关管S2、S3、S4实现软开关；D>0.5时，开关管S2、S3实现软开关；
Buck模式：D<0.5时，开关管S1、S3实现软开关；D＝0.5时，开关管S1、S3、S4实现软开关；D>0.5时，开关管S1、S4实现软开关；D为占空比。
当变换器达到稳态，占空比D稳定时谐振槽utank1、utank2电压为偶函数，其傅立叶分解后只含直流分量和余弦分量，其傅立叶级数为：
根据伏秒平衡原理得到Buck-Boost电路稳态时电压增益：
考虑谐振电容承担的直流分量，CLLC谐振网络在占空比调制下的电压增益为Mr；
端口1到端口4的电压增益为：
以下就超级电容作为储能元件接入端口1，端口4接入直流母线为例分别进行说明。超级电容容量10F,电压等级0～200V，经过DCDC变换器接入直流母线进行仿真分析如图2b、图2e所示。Boost模式D＝0.5时S2可实现零电压开通，S3、S4可实现零电流开关；Buck模式D＝0.5时S1可实现零电压开通，S3、S4可实现零电流开关。
根据图3所示的实验结果充分说明CLLC多端口可稳定运行，实现了设计要求。
在不同工况下对变换器效率测试进行测试表明：整机效率在92％以上，最优效率在97％以上。
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 (3)

1.一种基于CLLC的多端口双向DCDC变换器拓扑，其特征在于：所述变换器拓扑包括电源UH、电源U1、电源U2、电源UL、电阻RH、电阻R1、电阻R2、电阻RL、电压侧电容CL、电感Lb、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、高频谐振变压器T、高频谐振变压器T的副边电感n1、高频谐振变压器T的原边电感n2、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、谐振变压器原边漏感Lr1、谐振变压器副边漏感Lr2、励磁电感Lm、桥臂电容C1、桥臂电容C2、桥臂电容C3、桥臂电容C4、输入电容Cb1、输出电容Cb2；
电源UH正极分别与电源U2正极、输出电容Cb2一端、开关管S4一端、桥臂电容C4一端连接；
电源UH负极与电阻RH连接后分别与电阻R1一端、输入电容Cb1一端、电阻RL一端、电压侧电容CL一端、开关管S1一端、桥臂电容C1一端连接；
电阻R1另一端与电源U1负极相连，电源U1正极分别与电阻R2一端、输出电容Cb2另一端、输入电容Cb1另一端、开关管S2一端、开关管S3一端、桥臂电容C2一端、桥臂电容C3一端相连，电阻R2另一端与电源U2负极相连；输出电容Cb2另一端与输入电容Cb1另一端相连；开关管S2一端与开关管S3一端相连；桥臂电容C2一端与桥臂电容C3一端相连；
开关管S4另一端分别与开关管S3另一端、谐振电容Cr2一端相连，谐振电容Cr2另一端连接高频谐振变压器T的原边电感n2，原边电感n2另一端连接谐振变压器副边漏感Lr2，谐振变压器副边漏感Lr2另一端分别与桥臂电容C3另一端、桥臂电容C4另一端相连；
电阻RL另一端与电源UL负极相连，电源UL正极分别与电压侧电容CL另一端、电感Lb一端相连，电感Lb另一端分别与开关管S1另一端、开关管S2另一端、谐振电容Cr1一端相连，谐振电容Cr1另一端分别与励磁电感Lm一端、高频谐振变压器T的副边电感n1一端相连，高频谐振变压器T的副边电感n1另一端分别与励磁电感Lm另一端、谐振变压器原边漏感Lr1一端相连，谐振变压器原边漏感Lr1另一端分别与桥臂电容C1另一端、桥臂电容C2另一端相连；
谐振电容Cr1与变压器原边漏感Lr1谐振，谐振电容Cr2与变压器原边漏感Lr2谐振；
电压侧电容CL、电感Lb、开关管S1、开关管S2构成Buck-Boost电路；
高频谐振变压器T、谐振电容Cr1、谐振电容Cr2、两个对称的半桥臂构成CLLC谐振电路，开关管S1、S2和桥臂电容C1、C2组成下桥臂，开关管S3、S4和桥臂电容C3、C4组成上桥臂；
CLLC谐振网络的输出电容Cb2叠加到输入电容Cb1之上；
Buck-Boost电路与CLLC谐振电路共用开关管S1、S2。
2.根据权利要求1所述的一种基于CLLC的多端口双向DCDC变换器拓扑，其特征在于：开关管S1、S3为同一驱动信号，开关管S2、S4为同一驱动信号；开关管S1、S2的驱动信号互补，开关管S3、S4的驱动信号互补。
3.根据权利要求1所述的一种基于CLLC的多端口双向DCDC变换器拓扑，其特征在于：Boost模式：D<0.5时，开关管S2、S4实现软开关；D＝0.5时，开关管S2、S3、S4实现软开关；D>0.5时，开关管S2、S3实现软开关；
Buck模式：D<0.5时，开关管S1、S3实现软开关；D＝0.5时，开关管S1、S3、S4实现软开关；D>0.5时，开关管S1、S4实现软开关；
其中，D为占空比。
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