CN112968610A - 一种双向隔离型dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双向隔离型DC/DC变换器及控制方法，包括：至少2台LLC谐振变换器单元；LLC谐振变换器单元包括两个开关网络和一个谐振单元；谐振单元包括谐振电容、谐振电感和变压器，第一开关网络的第一接口与谐振电容、谐振电感以及变压器的一个绕组串联后连接至第一开关网络的第二接口，变压器的另一个绕组的两端分别与第二开关网络的两个接口相连；所有LLC谐振变换器单元分两类，所有一类LLC谐振变换器单元的第一开关网络与所有二类LLC谐振变换器单元的第二网络进行串联，所有一类LLC谐振变换器单元的第二开关网络与所有二类LLC谐振变换器单元的第一网络进行并联。能实现双向的增益和效率一致以及平滑的功率换向。

Description

一种双向隔离型DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及DC/DC变换器技术领域，尤其涉及一种双向隔离型DC/DC变换器。
背景技术
隔离型DC/DC变换器中无源器件的尺寸可随着开关频率的不断提高大大降低，但是其开关损耗却会大幅增加。作为隔离型DC/DC变换器的一种典型拓扑，单向功率流动的LLC谐振变换器在全负载范围内可以实现变压器原边开关管的零电压开关和副边开关管的零电流开关，从而减小开关损耗、提高了转换效率、降低了电磁干扰。由于具备以上优点，LLC谐振变换器被广泛应用于单向功率流动的场合，以实现更高的功率密度。同时，LLC谐振变换器在功率正向流动和功率反向流动时存在不同的谐振特性，因此很少直接用于功率双向流动的场合。在功率双向流动的场合，一般采用两种方式来实现高效的功率传输：一种是采用CLLC或CLLLC等双向谐振拓扑来实现高效的功率流动，但是这种方法存在的缺点就是在参数设计和控制策略上比较复杂；另一种是将非隔离型DC/DC变换器和LLC谐振变换器级联后使用，非隔离型DC/DC变换器来实现功率及电压的控制，而定频控制的LLC谐振变换器仅用来实现高效的隔离变换，但其中非隔离型DC/DC变换器的损耗较大。
LLC谐振变换器中的谐振电容、谐振电感和变压器的励磁电感构成谐振网络，通过调节开关频率可实现对输出电压和输出功率的控制。但是该谐振网络不具备对称性，因此在正向功率流动和反向功率流动时，谐振网络的增益特性不同，从而不适用于双向功率流动的场合。对于采用双向谐振网络的CLLC拓扑和CLLLC拓扑的变换器，其谐振网络能在功率双向流动时实现相同的增益。但是，为了保证实现双向的相同增益，其谐振网络的参数需要进行复杂的计算及验证，且在功率方向发生变化时，两侧开关器件的控制策略也需要发生改变，控制难度高。对于非隔离型DC/DC变换器和LLC谐振变换器的级联方案，工作在谐振频率下的LLC谐振变换器在功率双向流动时，可以实现高效的功率传输，但无法控制其增益及功率大小，因此需要非隔离型DC/DC变换器对增益及功率进行控制。但是，采用级联的非隔离型的DC/DC变换器同时也流过所有功率，且大多不能实现软开关，损耗较大。
因此，亟需一种双向隔离型DC/DC变换器，以克服单级LLC谐振变换器难以应用于功率双向流动的场合以及现有双向功率拓扑存在的控制复杂、损耗较大等问题。
发明内容
本发明提供了一种双向隔离型DC/DC变换器，以解决现有技术问题中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种双向隔离型DC/DC变换器，包括：至少n台LLC谐振变换器单元，n≥2；
所述LLC谐振变换器单元包括两个开关网络和一个谐振单元；所述谐振单元包括谐振电容、谐振电感和变压器，所述第一开关网络的第一接口与谐振电容、谐振电感以及变压器的一个绕组串联后连接至第一开关网络的第二接口，变压器的另一个绕组的两端分别与第二开关网络的两个接口相连；
所述n台LLC谐振变换器单元包括两类LLC谐振变换器单元，其中，一类LLC谐振变换器单元为LLC谐振变换器单元的第一开关网络采用串联的方式与其他谐振变换器单元的开关网络相连、第二开关网络采用并联的方式与其他谐振变换器单元的开关网络相连；二类LLC谐振变换器单元为LLC谐振变换器单元第二开关网络采用串联的方式与其他谐振变换器单元的开关网络相连、第一开关网络采用并联的方式与其他谐振变换器单元的开关网络相连；
所有一类LLC谐振变换器单元的第一开关网络与所有二类LLC谐振变换器单元的第二网络进行串联，所有一类LLC谐振变换器单元的第二开关网络与所有二类LLC谐振变换器单元的第一网络进行并联。
进一步地，n为2，所述2台LLC谐振变换器单元包括一台一类LLC谐振变换器单元和一台二类LLC谐振变换器单元。
进一步地，两个开关网络为两个半桥电路或两个全桥电路，或一个半桥电路和一个全桥电路。
进一步地，全桥电路为直流侧电容分别与两个桥臂并联，每条桥臂包括两个串联的开关管,直流侧电容的两端以及两个桥臂的中点作为全桥电路的接口，其中两个桥臂的中点分别为开关网络的第一接口和第二接口，直流侧电容的两端为LLC谐振变换器单元的串/并联接口。
进一步地，半桥电路为两个串联的直流侧电容与一个桥臂并联，每条桥臂包括两个串联的开关管,直流侧电容的两端、两个直流侧电容的中点以及桥臂的中点作为半桥电路的接口，其中桥臂的中点和两个直流侧电容的中点分别为开关网络的第一接口和第二接口，串联的直流侧电容的两端为LLC谐振变换器单元的串/并联接口。
本发明实施例的另一方面还提供了一种应用上述双向隔离型DC/DC变换器的控制方法，包括如下步骤：
当功率从串联侧向并联侧传输时，至少1台一类LLC谐振变换器单元采用变频控制来调节传输功率的大小，其他一类LLC谐振变换器单元可采用变频控制辅助调节传输功率的大小或采用谐振频率下的定频控制，所有二类LLC谐振变换器单元采用谐振频率下的定频控制来保证高效率的功率变换；
当功率从并联侧向串联侧传输时，至少1台二类LLC谐振变换器单元采用变频控制来调节传输功率的大小，其他二类LLC谐振变换器单元采用变频控制辅助调节传输功率的大小或采用谐振频率下的定频控制，所有一类LLC谐振变换器单元采用谐振频率下的定频控制来保证高效率的功率变换；
当功率方向需要进行切换时，将变频控制的LLC谐振变换器单元的开关频率逐渐调节至谐振频率，然后平滑切换至定频控制，将定频控制的LLC谐振变换器单元的开关频率根据功率需求开始调节，从而实现功率换向的平滑切换。
由上述本发明的双向隔离型DC/DC变换器提供的技术方案可以看出，本发明采用两台及以上镜像LLC谐振变换器构成双向隔离DC/DC变换器，变换器采用一侧串联、另一侧并联的连接方式，其中，有LLC谐振变换器采用谐振频率下的定频控制，也有LLC谐振变换器采用变频控制调节电压增益，在功率流向发生变化时切换不同变换器控制方式可实现功率流向的平滑切换，能够实现功率的双向控制，在双向功率流动时，能实现双向的增益和效率一致，解决了单级LLC谐振变换器难以应用于功率双向流动的场合以及现有双向功率拓扑存在的控制复杂和损耗较大的问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例提供的一种双向隔离型DC/DC变换器连接拓扑图；
图2为实施例的LLC谐振变换器单元的结构示意图；
图3为单个LLC谐振变换器单元的典型频率-增益曲线图；
图4为功率方向切换的控制方法示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。
实施例
图1为本实施例提供的一种双向隔离型DC/DC变换器连接拓扑图，参照图1，该双向隔离型DC/DC变换器包括：两台LLC谐振变换器单元。
图2为本实施例的LLC谐振变换器单元的结构示意图，参照图2，LLC谐振变换器单元包括两个开关网络和一个谐振单元，谐振单元包括谐振电容Cr、谐振电感Lr和匝比为N的变压器，变压器的励磁电感为Lm。
从图1可以看出本实施例中的开关网络为全桥电路，其中，开关S1和S3、S2和S4分别串联构成两条桥臂，两条桥臂与直流侧电容C1进行并联得到全桥电路。同理，S5、S6、S7、S8、C2也构成一个全桥电路。谐振电容Cr的一端连接第一开关网络的第一接口，另一端分别与谐振电感Lr以及变压器的一个绕组顺序串联后连接至第一开关网络的第二接口，变压器的另一个绕组的两端分别与第二开关网络的两个接口相连；将Cr一端与S1和S2构成的桥臂中点的接口连接、另一端与Lr以及变压器的一个绕组进行串联之后再与S3和S4构成的桥臂中点的接口进行连接，将变压器的另一个绕组分别与S5、S6、S7、S8构成的两条桥臂的中点进行连接，即为本实施例的LLC谐振变换器单元。
参照图1，两台LLC谐振变换器单元中一类LLC谐振变换器单元的第一开关网络与二类LLC谐振变换器单元的第二开关网络串联，二类LLC谐振变换器单元的第一开关网络与一类LLC谐振变换器单元的第二开关网络并联。具体地，将两台LLC谐振变换器单元中的一台进行镜像放置，并将两台LLC谐振变换器的左侧进行串联，右侧进行并联。图3中，两个单元左侧进行了串联，则两个单元左侧电流相同；两个单元右侧进行了并联，则两个单元右侧电压相同。
本实施例还提供了上述双向隔离型DC/DC变换器的控制方法，具体包括如下步骤：
当功率从串联侧向并联侧传输时，一类LLC谐振变换器单元采用变频控制来调节传输功率的大小；二类LLC谐振变换器单元采用谐振频率下的定频控制来保证高效率的功率变换；具体地，当功率从串联侧向并联侧传输时，一类LLC谐振变换器单元采用变频控制，其增益受开关频率影响，二类LLC谐振变换器单元采用定频控制，其增益保持不变。当减小第1LLC谐振变换器单元的开关频率时，该单元从串联侧到并联侧的增益增加，双向隔离型DC/DC变换器从串联侧到并联侧的总增益增加，则从串联侧到并联侧的总功率增加；当增大一类LLC谐振变换器单元的开关频率时，双向隔离型DC/DC变换器从串联侧到并联侧的总增益减小，则从串联侧到并联侧的总功率减小。
当功率从并联侧向串联侧传输时，二类LLC谐振变换器单元采用变频控制来调节传输功率的大小；一类LLC谐振变换器单元采用谐振频率下的定频控制来保证高效率的功率变换。具体地，当功率从并联侧向串联侧传输时，一类LLC谐振变换器单元采用定频控制，其增益保持不变，二类LLC谐振变换器单元采用变频控制，其增益保持不变。当减小二类LLC谐振变换器单元的开关频率时，该单元从串联侧到并联侧的增益增加，双向隔离型DC/DC变换器从串联侧到并联侧的总增益增加，则从串联侧到并联侧的总功率增加；当增大二类LLC谐振变换器单元的开关频率时，双向隔离型DC/DC变换器从串联侧到并联侧的总增益减小，则变换器的从串联侧到并联侧的总功率减小。
图3为单个LLC谐振变换器单元的典型频率-增益曲线图，参照图3可以看出通过在工作频率段内改变开关频率，可以改变LLC谐振变换器单元的归一化电压增益，该增益决定了两侧电压的比例关系。当第一开关网络侧的电压为定值时，通过调节开关频率，可以改变第二开关网络侧的电压，进而调节传输功率的大小。当功率从第二开关网络侧向第一开关网络侧传输时，LLC谐振变换器单元采用谐振频率下的定频控制，谐振频率下的LLC谐振变换器单元的归一化增益不受传输功率的影响，恒为1，且功率转换效率高，但无法对增益、功率大小进行控制。通过对比可看出本实施例的双向隔离型DC/DC变换器在功率流向发生变化时切换不同变换器控制方式可实现功率流向的平滑切换，能够实现功率的双向控制，在双向功率流动时，能实现双向的增益和效率一致。
图4为功率方向切换的控制方法示意图，如图4所示，当功率方向需要进行切换时，可将变频控制的LLC谐振变换器单元的开关频率逐渐调节至谐振频率，然后平滑切换至定频控制；将定频控制的LLC谐振变换器单元的开关频率根据功率需求开始调节，从而实现功率换向的平滑切换。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的网络元素的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双向隔离型DC/DC变换器，其特征在于，包括：至少n台LLC谐振变换器单元，n≥2；
所述LLC谐振变换器单元包括两个开关网络和一个谐振单元；所述谐振单元包括谐振电容、谐振电感和变压器，所述第一开关网络的第一接口与谐振电容、谐振电感以及变压器的一个绕组串联后连接至第一开关网络的第二接口，变压器的另一个绕组的两端分别与第二开关网络的两个接口相连；
所述n台LLC谐振变换器单元包括两类LLC谐振变换器单元，其中，一类LLC谐振变换器单元为LLC谐振变换器单元的第一开关网络采用串联的方式与其他谐振变换器单元的开关网络相连、第二开关网络采用并联的方式与其他谐振变换器单元的开关网络相连；二类LLC谐振变换器单元为LLC谐振变换器单元第二开关网络采用串联的方式与其他谐振变换器单元的开关网络相连、第一开关网络采用并联的方式与其他谐振变换器单元的开关网络相连；
所有一类LLC谐振变换器单元的第一开关网络与所有二类LLC谐振变换器单元的第二网络进行串联，所有一类LLC谐振变换器单元的第二开关网络与所有二类LLC谐振变换器单元的第一网络进行并联。
2.根据权利要求1所述的双向隔离型DC/DC变换器，其特征在于，所述的n为2，所述2台LLC谐振变换器单元包括一台一类LLC谐振变换器单元和一台二类LLC谐振变换器单元。
3.根据权利要求1所述的双向隔离型DC/DC变换器，其特征在于，所述的两个开关网络为两个半桥电路或两个全桥电路，或一个半桥电路和一个全桥电路。
4.根据权利要求3所述的双向隔离型DC/DC变换器，其特征在于，所述的全桥电路为直流侧电容分别与两个桥臂并联，每条桥臂包括两个串联的开关管,直流侧电容的两端以及两个桥臂的中点作为全桥电路的接口，其中两个桥臂的中点分别为开关网络的第一接口和第二接口，直流侧电容的两端为LLC谐振变换器单元的串/并联接口。
5.根据权利要求3所述的双向隔离型DC/DC变换器，其特征在于，所述的半桥电路为两个串联的直流侧电容与一个桥臂并联，每条桥臂包括两个串联的开关管,直流侧电容的两端、两个直流侧电容的中点以及桥臂的中点作为半桥电路的接口，其中桥臂的中点和两个直流侧电容的中点分别为开关网络的第一接口和第二接口，串联的直流侧电容的两端为LLC谐振变换器单元的串/并联接口。
6.根据权利要求1-5任一权项所述的双向隔离型DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
当功率从串联侧向并联侧传输时，至少1台一类LLC谐振变换器单元采用变频控制来调节传输功率的大小，其他一类LLC谐振变换器单元可采用变频控制辅助调节传输功率的大小或采用谐振频率下的定频控制，所有二类LLC谐振变换器单元采用谐振频率下的定频控制来保证高效率的功率变换；
当功率从并联侧向串联侧传输时，至少1台二类LLC谐振变换器单元采用变频控制来调节传输功率的大小，其他二类LLC谐振变换器单元采用变频控制辅助调节传输功率的大小或采用谐振频率下的定频控制，所有一类LLC谐振变换器单元采用谐振频率下的定频控制来保证高效率的功率变换；
当功率方向需要进行切换时，将变频控制的LLC谐振变换器单元的开关频率逐渐调节至谐振频率，然后平滑切换至定频控制，将定频控制的LLC谐振变换器单元的开关频率根据功率需求开始调节，从而实现功率换向的平滑切换。
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