CN108054923B - 一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器，包括依次连接的桥式逆变电路、拓扑组合型多元件谐振电路和二极管整流电路，本变换器由桥式逆变电路输入，经拓扑组合型多元件谐振电路作用后从二极管整流电路输出；所述桥式逆变电路为半桥式逆变电路；本拓扑组合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；本拓扑组合型多元件谐振电路可以根据辅助开关的切换实现输出并联型CLTCL谐振电路与CLCL谐振电路的切换；通过合理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工作范围与高效率。

Description

一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器
技术领域
本发明创造涉及直流变换器领域，尤其涉及一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器。
背景技术
小型风力发电在可再生能源发电系统中具有举足轻重的地位。它凭借其易于安装、功率等级灵活多变、易于维护的性能具有广泛的应用领域。小型风力发电可分为离网型与并网型，其中并网型小型风力发电系统被广泛研究与应用。研究表明并网型小型发电系统在进行能量转换时，易受外界低风速干扰，输出波动较大，输出电压不足于并网。为解决上述问题，研究人员指出小型风力发电系统在低风速运行时，需提高电压增益，使输出电压满足最低并网电压要求。
研究文献指出提高电压增益一般采用DC-DC谐振变换器。DC-DC谐振变换器相较于普通的升压变换器具有效率高、电气隔离的优点。在DC-DC谐振变换器中，LLC谐振变换器具有较好的性能。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实现高效率的同时电压增益会受到抑制。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，增加辅助变压器，将辅助变压器的输出电压叠加在LLC的输出电压上，在保证效率的同时实现高电压增益。但是，改进后的电路拓扑在偏离额定点运行时，阻抗角快速上升，环流增加，变换效率迅速下降。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宽的工作范围、高效率的特点。
因此，为获得宽工作范围，高效率的特点，研发一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器是个亟待解决的问题。
发明内容
本发明创造要解决以上技术问题，提供一种宽工作范围、高效率的拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：
一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器，包括依次连接的桥式逆变电路、拓扑组合型多元件谐振电路和二极管整流电路，本变换器由桥式逆变电路输入，经拓扑组合型多元件谐振电路作用后从二极管整流电路输出；所述桥式逆变电路为半桥式逆变电路；
在所述拓扑组合型多元件谐振电路中，电容C1的一端与桥式逆变电路中开关管S1与开关管S2桥臂的中点连接，电容C1的另一端与电感L1的一端连接；电感L1的另一端与变压器T1的原边连接，变压器T1原边的另一端分两路，一路与电容C2的一端连接，另一路与电感L2的一端连接；变压器T1副边一端经过开关管Sa后分两路，一路与变压器T2的副边一端连接，另一路与二极管整流桥中二极管D1和二极管D3的桥臂中点连接，变压器T1副边另一端分两路，一路与变压器T2副边的另一端连接，另一路与二极管整流桥中二极管D2和二极管D4的桥臂中点连接；变压器T2原边的一端与电感L2的另一端连接，变压器T2原边的另一端与电容C2的另一端连接。
进一步的，本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器根据开关管Sa的通断可以实现输出并联型CLTCL谐振电路与CLCL谐振电路的切换；当开关管Sa开通，输出并联型CLTCL谐振电路工作；当开关管Sa断开，CLCL谐振电路工作。
进一步的，电路在额定点运行时，辅助开关Sa开通，电路工作于半桥输出并联型CLTCL变换器模态。在该种电路模态下，可以传递三次谐波，提高谐振电流利用率，抑制环流。通过谐振电路参数合理设计可实现半桥式逆变侧开关管ZVS开通软开关、整流侧二极管ZCS关断软开关。
进一步的，电路偏离额定点运行时，辅助开关Sa断开，电路工作于半桥CLCL变换器模态。在该种电路模态下，可以获得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。
本发明创造具有的优点和积极效果：
1、本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关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、本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器在可以在较大的工作范围内实现电压调节。
3、本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关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、本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器可以增大电路的工作范围。
5、本拓扑组合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。
附图说明
图1是所述拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器的电路拓扑图。
图2是所述拓扑组合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。其中2-a是半桥输出并联型CLTCL谐振电路的电路增益曲线，2-b是半桥CLCL谐振电路的电压增益曲线。
图3是所述拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器2个工作模态的等效电路图。其中3-a是半桥输出并联型CLTCL谐振电路的等效电路图，3-b是半桥CLCL谐振电路的等效电路图。
图4是所述拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器的仿真结果。其中4-a是电压增益为5的CLTCL谐振软开关电路的仿真波形，4-b是电压增益为2的CLCL谐振软开关电路的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。
如图1所示，一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器，包括依次连接的桥式逆变电路、拓扑组合型多元件谐振电路和二极管整流电路，本变换器由桥式逆变电路输入，经拓扑组合型多元件谐振电路作用后从二极管整流电路输出；所述桥式逆变电路为半桥式逆变电路；本拓扑组合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；本拓扑组合型多元件谐振电路可以根据辅助开关的切换实现输出并联型CLTCL谐振电路与CLCL谐振电路的切换；本拓扑组合型多元件谐振电路可以通过合理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工作范围与高效率。
在所述拓扑组合型多元件谐振电路中，电容C1的一端与桥式逆变电路中开关管S1与开关管S2桥臂的中点连接，电容C1的另一端与电感L1的一端连接；电感L1的另一端与变压器T1的原边连接，变压器T1原边的另一端分两路，一路与电容C2的一端连接，另一路与电感L2的一端连接；变压器T1副边一端经过开关管Sa后分两路，一路与变压器T2的副边一端连接，另一路与二极管整流桥中二极管D1和二极管D3的桥臂中点连接，变压器T1副边另一端分两路，一路与变压器T2副边的另一端连接，另一路与二极管整流桥中二极管D2和二极管D4的桥臂中点连接；变压器T2原边的一端与电感L2的另一端连接，变压器T2原边的另一端与电容C2的另一端连接。
本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器根据开关管Sa的通断可以实现输出并联型CLTCL谐振电路与CLCL谐振电路的切换；当开关管Sa开通，输出并联型CLTCL谐振电路工作；当开关管Sa断开，CLCL谐振电路工作。
本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器根据输出并联型CLTCL谐振电路与CLCL谐振电路之间的变换，可以获得2种工作模态，等效电路图如图3。
工作模态Ⅰ：电路在额定点运行时，辅助开关Sa开通，电路工作于半桥输出并联型CLTCL变换器模态。在该种电路模态下，可以传递三次谐波，提高谐振电流利用率，抑制环流。通过谐振电路参数合理设计可实现半桥式逆变侧开关管ZVS开通软开关、整流侧二极管ZCS关断软开关。
工作模态Ⅱ：电路偏离额定点运行时，辅助开关Sa断开，电路工作于半桥CLCL变换器模态。在该种电路模态下，可以获得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。
因此，所述拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器可获得宽工作范围与较小电路环流损耗，实现电路的高效变换。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。
本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器依据电路运行状态，可分为2种工作状态，可采用模态变换方式对电路运行状态进行调节。电路在额定点运行时，电路工作于半桥输出并联型CLTCL谐振电路状态，随着电路工作状态偏离额定点，电路变换效率下降，可断开辅助开关Sa，使电路工作于半桥CLCL谐振电路状态，提高电路变换效率。因此，所述拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器增大电路的工作范围，实现电路在较大的工作范围内的高效运行。
本拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器的仿真电路如图4所示，对其进行波形分析如下：
如图4(a)所示，输入电压80V，输出电压400V，电路的电压增益为5，电路运行在额定点，工作于半桥输出并联型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，所述拓扑组合型多元件谐振电路具有较高的变换效率。
如图4(b)所示，输入电压200V，输出电压400V，电路的电压增益为2。电路运行偏离额定点,工作于CLCL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，所述拓扑组合型多元件谐振电路能够降低功率开关器件的开关损耗。
本发明涉及的谐振软开关直流变换器是一种新型的直流变换器电路拓扑，可以在输出并联型CLTCL谐振电路和CLCL型谐振电路之间相互转换，可在较宽工作范围内获得较高的效率。同时在输出并联型CLTCL谐振电路中变压器T1和变压器T2二侧以并联方式连接。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，具有高效率的优点。
本发明通过调整辅助开关控制辅助变压器是否参与工作，实现电路拓扑在输出并联型CLTCL与CLCL之间进行组合变换。本发明具有宽工作范围，可以实现高效变换。
以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器，其特征在于：包括依次连接的桥式逆变电路、拓扑组合型多元件谐振电路和二极管整流电路，本变换器由桥式逆变电路输入，经拓扑组合型多元件谐振电路作用后从二极管整流电路输出；所述桥式逆变电路为半桥式逆变电路；在所述拓扑组合型多元件谐振电路中，电容C1的一端与桥式逆变电路中开关管S1与开关管S2桥臂的中点连接，电容C1的另一端与电感L1的一端连接；电感L1的另一端与变压器T1的原边连接，变压器T1原边的另一端分两路，一路与电容C2的一端连接，另一路与电感L2的一端连接；变压器T1副边一端经过开关管Sa后分两路，一路与变压器T2副边的一端连接，另一路与二极管整流桥中二极管D1和二极管D3的桥臂中点连接，变压器T1副边另一端分两路，一路与变压器T2副边的另一端连接，另一路与二极管整流桥中二极管D2和二极管D4的桥臂中点连接；变压器T2原边的一端与电感L2的另一端连接，变压器T2原边的另一端与电容C2的另一端连接；
根据开关管Sa的通断可以实现输出并联型CLTCL谐振电路与CLCL谐振电路的切换；当开关管Sa开通，输出并联型CLTCL谐振电路工作；当开关管Sa断开，CLCL谐振电路工作。
2.根据权利要求1所述的一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器，其特征在于：电路在额定点运行时，开关管Sa开通，电路工作于半桥输出并联型CLTCL变换器模态。
3.根据权利要求1所述的一种拓扑组合型多谐振元件谐振软开关直流变换器，其特征在于：电路偏离额定点运行时，开关管Sa断开，电路工作于半桥CLCL变换器模态。
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