CN108832818B - 具有宽电压增益范围的谐振型隔离dc-dc变换器及调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC‑DC变换器及调制方法，包括：依次连接的输入母线电容、输入半桥逆变电路、LLC谐振网络、高频变压器、输出全桥整流电路和输出母线电容；其特征在于，还包括：辅助电感储能电路，所述辅助电感储能电路包括：依次串联连接的储能电感La、开关管S3和电感Db；所述辅助电感储能电路一端与电源正极连接，另一端连接在输入半桥逆变电路的两个开关管之间。相对于广泛应用的LLC谐振变换器方案，带辅助电感的LLC变换器变压器在有限的开关频率调整范围内，实现更高的电压增益。
Description
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器技术领域，特别涉及一种具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器及调制方法。
背景技术
LLC谐振型DC-DC变换器通过调节开关频率的方式实现电压增益调节，以其具有原边开关管零电压开通，副边开关管零电流关断的软开关特性，成为不同直流母线之间或母线与储能电池之间实现电气隔离与电压变换的优选拓扑之一。在电动汽车充电机、UPS等需要宽电压增益工作范围的场合，传统LLC谐振变换器必须采用较宽的开关频率范围以实现较大的电压增益。然而，LLC谐振变换器仅通过调节开关频率可获得的电压增益范围有限，往往难以满足应用要求。同时较宽的开关频率也会对变换器的变压器等磁性元件的设计提出严峻的挑战。
因此，很有必要对传统的LLC变换器的拓扑和控制方式进行优化，以在变换器开关频率可调范围内，进一步提高电压增益，降低磁性元件设计难度。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器及调制方法，通过添加辅助储能电感，使拓扑的电压增益得到大幅提高，使得LLC变换器的工作频率范围得以优化，极大拓展了LLC变换器的适用范围。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
在一个或多个实施方式中给出的具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器，包括：依次连接的输入母线电容、输入半桥逆变电路、LLC谐振网络、高频变压器、输出全桥整流电路和输出母线电容；其特征在于，还包括：辅助电感储能电路，所述辅助电感储能电路包括：依次串联连接的储能电感La、开关管S3和电感Db；所述辅助电感储能电路一端与电源正极连接，另一端连接在输入半桥逆变电路的两个开关管之间。
进一步地，所述输入半桥逆变电路的开关管与辅助电感储能电路的开关管均工作于定频PWM开关模式，开关频率相同。
进一步地，所述辅助电感储能电路的开关管占空比根据输出电压反馈值进行调整。
在一个或多个实施方式中给出的一种LLC谐振变换器，其特征在于，包括如上述具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器。
进一步地，所述LLC谐振变换器的电压增益根据辅助电感储能电路中开关管的占空比确定。
进一步地，所述LLC谐振变换器的电压增益具体为：
其中，M为变换器运行于调频模式下最大电压增益设计值，Vin为输入电压，La为辅助电感，D为辅助电感支路开关管占空比，n为变压器原副边变比，Io为输出电流，fs为开关频率fr为谐振频率，Rout为等效负载电阻。
在一个或多个实施方式中给出的具有宽输出电压范围的全桥谐振DC-DC变换器的调制方法，其特征在于，包括以下阶段：
[t0-t1]:开关管S2导通，S1和S3关断；输出全桥整流电路导通，LLC谐振网络中的能量向后传输；
[t1-t2]:开关管S2导通，S1关断，S3导通；输出全桥整流电路关断，谐振网络无能量向后传输；同时，输入电源对辅助电感La充电；
[t2-t3]:开关管S3导通，S1和S2关断；输出全桥整流电路导通，辅助电感La中电流下降，谐振网络电流抬升；谐振网络中的能量向后传输；
[t4-t5]:开关管S1导通，S2和S3关断；输出全桥整流电路导通，谐振网络中的能量向后传输；
[t5-t6]:开关管S1导通，S2和S3关断；输出全桥整流电路关断，谐振网络无能量向后传输。
本发明有益效果：
1、常态工作情况下，变换器工作于传统LLC工作模式，实现不同直流母线间电气隔离及一定范围内的电压调整；
2、辅助电感工作模式下，变换器电压增益与辅助开关占空比单调正相关，便于采用闭环控制方式，控制更简单；
3、相对于广泛应用的LLC谐振变换器方案，带辅助电感的LLC变换器变压器在有限的开关频率调整范围内，实现更高的电压增益。
附图说明
图1为具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器拓扑图；
图2为具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器开关波形及关键电流波形；
图3为具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器电压增益与辅助开关管占空比特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示为带辅助电感的谐振变换器拓扑，包括初级逆变半桥、次级整流全桥、LC谐振网络，以上部分均与传统LLC谐振变换器相同。图1中开关管S3支路部分，则为辅助电感储能电路，可快速从输入端获取能量，并在本周期内将能量传递到负载端，以实现更高的电压增益。
具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器，包括：依次连接的输入母线电容、输入半桥逆变电路、LLC谐振网络、高频变压器、输出全桥整流电路和输出母线电容；其特征在于，还包括：辅助电感储能电路，所述辅助电感储能电路包括：依次串联连接的储能电感La、开关管S3和电感Db；所述辅助电感储能电路一端与电源正极连接，另一端连接在输入半桥逆变电路的两个开关管之间。
输入半桥逆变电路由开关管S1和S2组成，二极管Da用于确定S1支路电流方向，使之单向流动。开关管S3、辅助电感La和二极管Db组成辅助电感支路。辅助电感支路中，二极管Db用于确定该支路电流方向，使之在开关管S3导通过程中，断开该支路回流路径，以确保变换器运行的稳定性。
本发明中带辅助电感的谐振变换器开关管驱动控制及关键波形如图2所示，主要包括以下阶段：
(1)[t0-t1]:本阶段内，开关管S2导通，S1和S3关断。Lr与Cr谐振，Lm被输出电压钳位。二极管D2和D3导通，此时，谐振腔中的能量向后传输。
(2)[t1-t2]:本阶段内，开关管S2导通，S1关断，S3导通。Lr、Cr和Lm共同谐振，次级二极管全部关断，谐振腔无能量向后传输。同时，输入电源对辅助电感La充电，La电流线性上升。
(3)[t2-t3]:本阶段内，开关管S3导通，S1和S2关断。La中电流迅速下降，并将谐振网络电流快速抬升。次级二极管D1和D2导通，此时，初级侧能量快速向负载端传输。
(4)[t4-t5]:本阶段内，开关管S1导通，S2和S3关断。Lr与Cr谐振，Lm被输出电压钳位。二极管D1和D4导通，此时，初级侧能量向后传输。
(5)[t5-t6]:本阶段内，开关管S1导通，S2和S3关断。Lr、Cr和Lm共同谐振，次级二极管全部关断，谐振腔无能量向后传输。
以上是针对带辅助电感的谐振变换器运行分析，其电压增益-辅助开关占空比计算公式如下
GPWM：变换器电压增益，为输出电压与输入电压比值，
M：变换器运行于调频模式下最大电压增益设计值，
Vin：输入电压，
La：辅助电感，
D：辅助电感支路开关管占空比，
n：变压器原副边变比，
Io：输出电流，
fs：开关频率，
fr：谐振频率，
Rout：等效负载电阻。
本实施例设定参数Vin＝200V，Lr＝20uH，Io＝5A，fs＝70kHz。
图3给出了一种具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器的全工作范围内电压增益特性，包括LLC频率调整阶段和辅助开关占空比调节阶段。由图3可知，传统LLC谐振变换器只能在1到1+M之间范围内实现电压增益调整。而添加辅助电感支路后，变换器的电压增益可以实现进一步大幅度提高。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (3)
1.具有宽输出电压范围的半桥谐振DC-DC变换器的调制方法，该方法基于一个具有宽电压增益范围的谐振型隔离DC-DC变换器，包括：依次连接的输入母线电容、输入半桥逆变电路、LLC谐振网络、高频变压器、输出全桥整流电路和输出母线电容；还包括：辅助电感储能电路，所述辅助电感储能电路包括：依次串联连接的储能电感La、开关管S3和二极管Db；所述辅助电感储能电路一端与电源正极连接，另一端连接在输入半桥逆变电路的两个开关管之间，输入半桥逆变电路由开关管S1和S2组成，其特征在于：所述调制方法包括以下阶段：
[t0-t1]:开关管S2导通，S1和S3关断；输出全桥整流电路导通，LLC谐振网络中的能量向后传输；
[t1-t2]:开关管S2导通，S1关断，S3导通；输出全桥整流电路关断，谐振网络无能量向后传输；同时，输入电源对储能电感La充电；
[t3-t4]：开关管S3导通、S2和S1关断；输出全桥整流电路导通，储能电感La中电流下降，谐振网络电流抬升；谐振网络中的能量向后传输；
[t4-t5]:开关管S1导通，S2和S3关断；输出全桥整流电路导通，谐振网络中的能量向后传输；
[t5-t6]:开关管S1导通，S2和S3关断；输出全桥整流电路关断，谐振网络无能量向后传输。
2.如权利要求1所述的具有宽输出电压范围的半桥谐振DC-DC变换器的调制方法，其特征在于，所述输入半桥逆变电路的开关管与辅助电感储能电路的开关管均工作于定频PWM开关模式，开关频率相同。
3.如权利要求1所述的具有宽输出电压范围的半桥谐振DC-DC变换器的调制方法，其特征在于，所述辅助电感储能电路的开关管占空比根据输出电压反馈值进行调整。
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