CN111262447B - 一种宽输出电压范围谐振变换器拓扑及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽输出电压范围谐振变换器拓扑及其调制方法，其拓扑包括了输入滤波电容、六个开关管构成的三个开关桥臂、两组谐振支路、两组全桥整流电路、以及输出滤波电容，其控制方法包括谐振变换器的变频控制和应对不同输出电压工况的模式切换控制，具体的方式是在需求输出电压增益较小的工况下，将中间桥臂的开关管全部关断，两侧桥臂采取变频的谐振变换器控制方法，而在需求输出电压增益较大的工况下，三个桥臂同时采用变频的谐振变换器控制方法，通过模式切换的控制提高谐振变换器的电压增益范围。

Description

一种宽输出电压范围谐振变换器拓扑及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器的拓扑以及控制方法，更具体地涉及一种宽输出电压范围的谐振变换器拓扑以及一种通过模式切换实现宽电压输出范围的控制方法。
背景技术
常规的LLC谐振变换器和串联谐振变换器的拓扑已被公开，但常规LLC变换器和串联谐振变换器的只适合用于输出电压增益范围较窄的情况，在输出电压增益范围较宽的工作场合，例如LED调光电路、电动汽车充电机等，此类谐振变换的工作点会偏离额定工作点较远，从而导致变换器的参数难以优化，出现功率密度下降、效率下降、成本上升等问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有电力电子谐振变换器拓扑中的缺点，提供一种宽输出电压范围的谐振变换器拓扑以及一种通过模式切换实现宽电压输出范围的控制方法，实现了一种适应宽电压输出范围的谐振变换器，提升了谐振变换器在宽输出电压范围内的性能，降低了宽范围谐振变换器参数设计的难度，提升了效率和功率密度。
本发明内容的一个方面，提供了一种宽输出电压范围的谐振变换器拓扑，包括输入电压源；三组由两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成的桥臂，其中：第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S1、S6、Ds1、Ds6, 第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S2、S5、Ds2、Ds5，第三桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S3、S4、Ds3、Ds4；还包括跨接在第一桥臂中点与第二桥臂中点之间的第一谐振支路，第一谐振支路由第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1和第一谐振变压器T1的一次侧串联组成；跨接在第二桥臂中点与第三桥臂中点之间的第二谐振支路，第二谐振支路由第二谐振电容Cr2、第二谐振电感Lr2和第二谐振变压器T2的一次侧串联组成；还包括连接在第一谐振变压器T1二次侧的第一全桥整流电路,第一全桥整流电路所用二极管分别为D1,D2,D3,D4；连接在第二谐振变压器T2二次侧的第二全桥整流电路,第二全桥整流电路所用二极管分别为D5,D6,D7,D8；以及连接在第一全桥整流电路的正端和第一全桥整流电路的负端的输出电容Co，且第一全桥整流电路的正端和第二全桥整流电路的正端连接，第一全桥整流电路的负端和第二全桥整流电路的负端连接。
上述技术方案中，进一步的，所述的全控型开关包括且不仅限于：MOSFET、IGBT、GTR；所述反并二极管可以是全控型开关的内部集成二极管。变压器二次侧全桥整流电路包括且不仅限于：二极管不控整流，同步整流；所述整流电路，可以是全桥整流，倍压整流，全波整流。
上述宽输出电压范围谐振变换器的控制方法，其工作模式切换方法：基于输出电压值和输入电压值得到所需增益Greq,与所设定阈值进行比较，所述的设定阈值具有第一阈值和第二阈值，所述第一阈值高于所述第二阈值；当所需增益高于第一阈值，电路工作于模式一，具体是：第二桥臂的开关管S2、S5关断；若所需增益低于第二阈值，电路工作于模式二，具体是：第一桥臂和第二桥臂的开关管S1、S6、S2、S5按照固定占空比，频率调制的方法开关，同时第三桥臂的开关管S3、S4分别和第一桥臂的开关管S1、S6同步开关。
所述的与所设定阈值进行比较采用滞回比较器实现。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
根据本发明所述的谐振变换器拓扑和控制方法，使得传统谐振变换器的电压增益范围翻倍，实现了宽电压范围的输出。
同时，本发明提高了谐振变换器在宽输出电压范围工况下的性能，降低了谐振腔参数的设计难度，提高了效率，提高了功率密度。
附图说明
图1为宽输出电压范围谐振变换器拓扑。
图2为宽输出电压范围谐振变换器的控制示意图。
图3为模式选择模块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参考图1为一种具体的宽输出电压范围谐振变换器拓扑，包括一个直流输入电源，三个开关桥臂，分别跨接在直流输入电源两端，每个桥臂两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成，其中：第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S1、S6、Ds1、Ds6, 第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S2、S5、Ds2、Ds5，第三桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S3、S4、Ds3、Ds4；在一个实施例中，开关管采用MOSFET，开关管内部包括了反并联的二极管。跨接在第一桥臂中点与第二桥臂中点之间的第一谐振支路，第一谐振支路由第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1和第一谐振变压器T1的一次侧串联组成；跨接在第二桥臂中点与第三桥臂中点之间的第二谐振支路，第二谐振支路由第二谐振电容Cr2、第二谐振电感Lr2和第二谐振变压器T2的一次侧串联组成；连接在第一谐振变压器T1二次侧的第一全桥整流电路,在一个实施例中，第一全桥整流电路为全桥整流电路，所用二极管分别为D1,D2,D3,D4；连接在第二谐振变压器T2二次侧的第二全桥整流电路, 在一个实施例中，第二全桥整流电路为全桥整流电路，所用二极管分别为D5,D6,D7,D8；连接在第一全桥整流电路的正端和第一全桥整流电路的负端的输出电容Co，且第一全桥整流电路的正端和第二全桥整流电路的正端连接，第一全桥整流电路的负端和第二全桥整流电路的负端连接。本领域技术人员可知，在不改变本发明本质的前提下，第一全桥整流电路和第二全桥整流电路可以是本领域所公知的其他整流电路，如倍压整流电路，全波整流电路等。
上述拓扑中，所述第一谐振支路的谐振电感Lr1、谐振电容Cr1、谐振变压器T1的一次侧三个元件的排列顺序可以自由变化；第二LLC谐振支路的谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、谐振变压器T2的一次侧三个元件的排列顺序可以自由变化；Lr1可以集成在谐振变压器T1中，Lr2可以集成在谐振变压器T2中。
基于输入电压和设定的输出电压（或者所需的输出电压）得到电路所需的增益，增益的计算为本领域常识，将设定的输出电压折算到变压器的一次侧，除以输入电压得到所需的电路增益Greq。当电路所需的增益，与一个设定的增益阈值Gset比较，当Greq小于（或者不大于）Gset时，电路工作在第一模态，即第二桥臂的开关管S2、S5关断，不工作，相当于两个谐振支路串联后，然后与S1、S6、S3和S4构成了全桥电路。在一个实施例中，第一桥臂和第三桥臂的开关管S1、S6、S3、S4按照固定占空比，频率调制的方法开关，此时输入电压的一半施加在每个谐振支路上。当Greq不小于（或者大于）Gset时，电路工作在第二模态，这个模态下，三个桥臂均工作。在一个实施方式中，第一桥臂和第二桥臂的开关管S1、S6、S2、S5按照固定占空比，频率调制的方法开关，同时第三桥臂的开关管S3、S4分别和第一桥臂的开关管S1、S6同步开关，相当于两个全桥电路的并联，相对前述两个谐振支路串联模式，输入电压直接施加在每个谐振支路上，增益可以提升一倍。
在实际应用中，为了避免扰动带来的模式频繁切换，上述增益大小的比较器采用带回差的比较器（施密特比较器）,Gset可以变化成两个阈值Gh, Gl，通常Gh略大于Gset，Gl略小于Gset。参考图2，一种宽输出电压范围谐振变换器的控制方法基于以下模块实现：采样模块、模式选择模块、反馈控制模块、变频PWM驱动模块；具体是将设定的输出电压值和采样模块采得的输入电压值传输给模式选择模块，经过计算得到所需增益Greq,与模式选择模块中的滞回比较器的滞回比较上限Gh和滞回比较下限Gl比较，若滞回比较器的输出为0，则判断所需的输出电压增益较小，电路工作在模态1，具体是：第二桥臂的开关管S2、S5关断，第一桥臂和第三桥臂的开关管S1、S6、S3、S4按照固定占空比，频率调制的方法开关；若滞回比较器的输出为1，则判断所需的输出电压增益较大，电路工作在模态2，具体是：第一桥臂和第二桥臂的开关管S1、S6、S2、S5按照固定占空比，频率调制的方法开关，同时第三桥臂的开关管S3、S4分别和第一桥臂的开关管S1、S6同步开关。
参考图3，模式选择模块将采样模块采得的输入电压的峰值、或者平均值、或有效值、或事先设定好的固定值与设定的输出电压（需要的输出电压）做除法，得到需求增益Greq，输入滞回比较器，得到工作模式。
参考表1为滞回比较器真值表，根据需求增益Greq和滞回比较上限Gh、滞回比较下限Gl的关系、当前输出状态；滞回比较器得出下次输出的值，输出给反馈控制模块，确定工作模式。
Figure 383724DEST_PATH_IMAGE002
表 1滞回比较器真值表
所述的采样模块包括输入电压采样子模块、输出电压采样子模块、输入电流采样子模块；除输出电压采样子模块外，其他各个子模块根据所述反馈控制模块的控制需要将信号输入反馈控制模块，并非必需。采样模块采样电压、电流两种信号，其采样电压的具体方式包括且不仅限于：电阻分压法、电压传感器；其采样电流的具体方式包括且不仅限于：霍尔传感器，电阻采样法。
所述的变频PWM驱动模块可以为数字电路或模拟电路，具体的工作方式是：将输入的频率和占空比信息转化为对应的的PWM信号，并通过驱动电路驱动全控开关。

Claims (4)

1.一种宽输出电压范围谐振变换器拓扑，其特征在于：所述宽输出电压范围谐振变换器拓扑包括输入电压源；三组由两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成的桥臂，其中：第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S1、S6、Ds1、Ds6, 第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S2、S5、Ds2、Ds5，第三桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S3、S4、Ds3、Ds4；还包括跨接在第一桥臂中点与第二桥臂中点之间的第一谐振支路，第一谐振支路由第一谐振电容Cr1、第一谐振电感Lr1和第一谐振变压器T1的一次侧串联组成；跨接在第二桥臂中点与第三桥臂中点之间的第二谐振支路，第二谐振支路由第二谐振电容Cr2、第二谐振电感Lr2和第二谐振变压器T2的一次侧串联组成；还包括连接在第一谐振变压器T1二次侧的第一全桥整流电路,第一全桥整流电路所用二极管分别为D1,D2,D3,D4；连接在第二谐振变压器T2二次侧的第二全桥整流电路,第二全桥整流电路所用二极管分别为D5,D6,D7,D8；以及连接在第一全桥整流电路的正端和第一全桥整流电路的负端的输出电容Co，且第一全桥整流电路的正端和第二全桥整流电路的正端连接，第一全桥整流电路的负端和第二全桥整流电路的负端连接；其工作模式切换方法为：基于输出电压值和输入电压值得到所需增益Greq,与所设定阈值进行比较，所述设定阈值具有第一阈值和第二阈值，所述第一阈值高于所述第二阈值；当所需增益低于第二阈值，电路工作于模式一，具体是：第二桥臂的开关管S2、S5关断，第一桥臂和第三桥臂的开关管S1、S6、S3、S4按照固定占空比，频率调制的方法开关；若所需增益高于第一阈值，电路工作于模式二，具体是：第一桥臂和第二桥臂的开关管S1、S6、S2、S5按照固定占空比，频率调制的方法开关，同时第三桥臂的开关管S3、S4分别和第一桥臂的开关管S1、S6同步开关。
2.根据权利要求1所述的宽输出电压范围谐振变换器拓扑，其特征在于：全控型开关为MOSFET、IGBT或GTR；所述反并二极管是全控型开关的内部集成二极管。
3.根据权利要求1所述的宽输出电压范围谐振变换器拓扑，其特征在于：第一谐振电感Lr1集成在第一谐振变压器T1中，第二谐振电感Lr2集成在第二谐振变压器T2中。
4.根据权利要求1所述的宽输出电压范围谐振变换器拓扑，其特征在于，所述的与所设定阈值进行比较采用滞回比较器实现。
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