CN113162420A - 一种谐振型dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种谐振型DC‑DC变换器，包括第一逆变电路、第二逆变电路、第一谐振电路、第二谐振电路、第一高频变压器、第二高频变压器、第一整流电路、第二整流电路；输入端分别连接第一逆变电路、第二逆变电路的直流输入端；第一整流电路、第二整流电路输出端并联后连接输出端；第一逆变电路输出端连接第一谐振电路输入端，第一谐振电路输出端连接第一高频变压器原边绕组，第一高频变压器副边绕组连接第一整流电路；第二逆变电路输出端连接第二谐振电路输入端，第二谐振电路输出端连接第二高频变压器原边绕组，第二高频变压器副边绕组连接第二整流电路。本发明的变换器由两个谐振变换器交错并联构成，互为冗余备份，提高了变换器的可靠性和安全性。

Description

一种谐振型DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种谐振型DC-DC变换器，同时该装置也可用做新能源汽车中的车载DC-DC变换器。
背景技术
近年来，电力电子技术飞速发展，开关电源技术作为电力电子的重要领域逐渐成为应用和研究的热点。开关变换器以其高效率、高功率密度逐渐确立了其在开关电源领域的主流地位。随着业界标准的不断发展和提高，高频化、模块化、数字化成为开关电源的主要发展趋势。为适应发展趋势的需要，对开关电源装置体积、重量的要求不断提高。
目前DC-DC变换器是当代变换器的主流，被人们广泛关注，其效率问题一直是一个热门话题，谐振变换器因其高功率密度、高工作效率、低EMI干扰与零电流/零电压开关特性等得到了广泛的重视和应用。直流-直流变换器，简称DC-DC变换器或DCDC变换器，是一种将直流基础电源转变为另一种直流电压(升压或降压)的直流变换装置，广泛应用于太阳能发电、不间断电源等领域，其工作原理是将直流电变换成另一种直流电压。目前，DCDC变换器的应用越来越广泛，不同的DCDC变换器，经过简化变换，均可以等效为升压型变换器或降压型变换器，传统的DCDC变换器控制在单工作模式只能实现能量单向流动，系统转换效率低，能量利用率低。高压DC/DC变换器因工作电压高，导致开关损耗很大，制约效率的提升。同时，在高压应用场合，需要实现软开关工作，降低开通和关断损耗，提升工作频率，降低体积和重量。
谐振技术在DC/DC中的应用受到人们的广泛关注，优化了软开关的实现方式。以谐振网络作为传递能量的桥梁，其中的电感和电容会发生谐振使得开关管的端电压和流经的电流相位错开，实现开关管的零电压开通或零电流关断，降低了变换器的开关损耗。其局限性在于，将谐振技术应用到双向DC/DC变换器时，反向工作的效果不佳。谐振变换器主要分为串联谐振变换器、并联谐振变换器和串并联谐振变换器三种，其中串联谐振变换器空载时输出电压不易稳定，并联谐振变换器轻载效率低。
而LLC型串并联谐振变换器利用谐振腔发生谐振，使原副边实现软开关的特性，提高了效率，成为了DC-DC变换器的佼佼者。LLC谐振的DC-DC变换器作为三元件串并联谐振变换器的一种在综合以上两者优点的同时克服相应的缺点，是一种具有良好前景的DC-DC变换器。LLC谐振型DC-DC变换器可分为变频调制与定频调制两类。变频调制通过改变开关管的工作频率达到调整输出电压的目的。变频LLC谐振型DC-DC变换器具有较宽的软开关范围，但变换器中磁性元件利用率较低；定频调制通过调节移相角实现输出电压稳定。定频LLC谐振型DC-DC变换器能够提高磁性元件的利用率，但存在电流电压应力大、软开关范围窄的问题。一般考虑控制电路的实现复杂度，LLC谐振型DC-DC变换器广泛采用变频调制。
LLC谐振变换器作为一种优秀的DC/DC变换器拓扑已经被业界所广泛接受和使用，相比于其他变换器来说，谐振技术的加入使得变换器的一些明显的缺点被弥补，比如开关管应力的问题，LLC谐振型变换器一般都采用半桥或者全桥结构，这样开关管应力高的问题解决了。其次就是软开关的问题，谐振技术的加入主要解决了开关网络硬开关导致的开关管的导通损耗问题，同时也解决了整流侧二极管的电流恢复，使得二极管可以实现在电流为0时关断以达到二极管的损耗最小。所以LLC谐振变换器可以在大功率场合，频率变化较大的场合实现稳定运行。
工作于高频状态的谐振变换电路工作环境恶劣，例如用于电动汽车的DC-DC变换器在驱动状态和动能回收状态还要面临频繁切换的双向变流工作，一旦烧毁或者损坏，将导致变换器彻底失效，导致事故的发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效可靠的新型谐振型DC-DC变换器，用于解决现有谐振型DC-DC变换器可靠性低、易失效的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种谐振型DC-DC变换器，包括用于连接直流电源的变换器输入端、用于连接直流负载的变换器输出端，第一逆变电路、第二逆变电路、第一谐振电路、第二谐振电路、第一高频变压器、第二高频变压器、第一整流电路、第二整流电路；
所述变换器输入端分别连接第一逆变电路、第二逆变电路的直流输入端；第一整流电路、第二整流电路直流输出端并联后连接变换器输出端；
第一逆变电路交流输出端连接第一谐振电路输入端，第一谐振电路输出端连接第一高频变压器原边绕组，第一高频变压器副边绕组连接第一整流电路；
第二逆变电路交流输出端连接第二谐振电路输入端，第二谐振电路输出端连接第二高频变压器原边绕组，第二高频变压器副边绕组连接第二整流电路。
本发明的DC-DC变换器由两个谐振变换器交错并联构成，实现了电压幅值的变换及能量的传递，起到电气隔离的作用；同时逆变电路、谐振电路、高频变压电路和整流电路互为冗余备份，提高了变换器的可靠性和安全性。
进一步的，所述第一逆变电路的直流输入端上还并联有滤波电容器；所述第二逆变电路的直流输入端上也并联有滤波电容器。
进一步的，所述第一逆变电路、第二逆变电路均为全桥可控逆变电路，且全桥可控逆变电路中的可控开关器件为IGBT。
本发明调压功能由前级非隔离桥式变换器完成，提高了系统安全性，同时开关管能够实现软开关，系统转换效率高；逆变器采用IGBT，采用开关管能够实现软开关，系统转换效率高。
进一步的，所述全桥可控逆变电路中的IGBT上均反向并联有续流二极管。
进一步的，第一谐振电路、第二谐振电路均为LLC型谐振电路。
进一步的，所述第一整流电路为全波整流电路。
进一步的，所述第二整流电路为全桥整流电路。
本发明的DC-DC变换器中的两路谐振变换电路，一路通过可控的全桥整流电路可以工作于反向变换模式，一路仅工作于正向变换模式。在用于例如电动车辆，DC-DC变换器需要反复经常双向工作的工况时，正向谐振变换电路可以承担更大功率的正向变换工作，由承担较小正向变换工作的第二路来频繁切换变换方向，分工更加合理；频繁切换工作方向的变换电路在烧毁后也不至于导致整个变换器失效，最多失去动能回收的功能。
进一步的，所述全桥整流电路采用可控开关器件，可控开关器件为IGBT。
进一步的，所述全桥整流电路中的IGBT上均反向并联有续流二极管。
进一步的，所述变换器输出端并联有滤波电容器。
附图说明
图1是本发明的谐振型DC-DC变换器电路原理图。
图中包括，1、储能电池；2、第一滤波电容器；3、第一IGBT；4、第二IGBT；5、第三IGBT；6、第四IGBT；7、第一谐振电感；8、第一谐振电容；9、第二谐振电感；10、第一变压器一次绕组；11、第一变压器二次绕组；12、第一整流二极管；13、第二整流二极管；14、第二滤波电容器15、第五IGBT；16、第六IGBT；17、第七IGBT；18、第八IGBT；19、第三谐振电感；20、第二谐振电容；21、第四谐振电感；22、第二变压器一次绕组；23、第二变压器二次绕组；24、第九IGBT；25、第十IGBT；26、第十一IGBT；27、第十二IGBT；28、输出滤波电容器；29、驱动电机；30、第一全桥逆变器；31、第一谐振电路；32、第一高频变压器；33、第二全桥逆变器；34、第二谐振电路；35、第二高频变压器；36、全桥整流电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明的一种谐振型DC-DC变换器，如图1所示，本发明的DC-DC变换器主要由一个单向LLC谐振变换器(图1上部的谐振电路)和一个双向有源全桥LLC谐振变换器(图1下部的谐振电路)交错并联组成，包括变换器原边电路、两个谐振电路(第一谐振电路31和第二谐振电路34)、两高频变压器(第一高频变压器32和第二高频变压器35)、以及变换器副边电路。
变换器原边电路包括变换器输入端、第一滤波电容器2、第二滤波电容器14、第一全桥逆变器30、第二全桥逆变器33组成；本实施例中的变换器用于车辆DC-DC变换，为达到解释说明的效果，本实施例的变换器输入端连接有作为电动汽车动力电池的储能电池1。第一全桥逆变器30及第二全桥逆变器33中的可控开关元件均采用IGBT，第一全桥逆变器30包括由第一IGBT3、第二IGBT4、第三IGBT5、第四IGBT6及其上反向并联的续流二极管组成的四个桥臂的全桥逆变电路；第二全桥逆变器33包括第五IGBT15、第六IGBT16、第七IGBT17、第八IGBT18及其上反向并联的续流二极管组成的四个桥臂的全桥逆变电路。变换器输入端分别并联于第一全桥逆变器30的直流输入端和第二全桥逆变器33的直流输入端。第一全桥逆变器30的直流输入端和第二全桥逆变器33的直流输入端还分别并联有第一滤波电容器2和第二滤波电容器14。第一全桥逆变器30和第二全桥逆变器33均可反向工作于整流模式。
第一全桥逆变器30的交流输出端连接第一谐振电路31的输入端，第二全桥逆变器33的交流输出端连接第二谐振电路34的输入端。第一谐振电路31和第二谐振电路34均为现有技术中的LLC谐振电路，均包括依次串联的谐振电感、谐振电容和第二个谐振电感，谐振电感、谐振电容和第二个谐振电感串联电路的两端构成该谐振电路的输入端，第二个谐振电感的两端构成该谐振电路的输出端。第一谐振电路31包括第一谐振电感7、第一谐振电容8以及第二谐振电感9，第二谐振电路34包括第三谐振电感19、第二谐振电容20以及第四谐振电感21。
第一谐振电路31的输出端与第一高频变压器32的第一变压器一次绕组10连接，第一变压器32的第一变压器二次绕组11连接第一变压器副边电路，第一变压器副边电路包括第一整流二极管12和第二个整流二极管13组成的全波整流电路。
第二谐振电路34的输出端与第二高频变压器35的第二变压器一次绕组22连接；第二变压器二次绕组23连接全桥整流电路36。全桥整流电路36采用可控开关元件IGBT，全桥整流电路36包括由第九IGBT24、第十IGBT25、第十一IGBT26、第十二IGBT27及其上反向并联的续流二极管组成的四个桥臂的整流电路构成。全桥整流电路36可反向工作于逆变模式。
全桥整流电路36直流输出端与全波整流电路输出端并联后作为变换器输出端，变换器输出端并联有输出滤波电容28。作为本实施例应用于电动车辆的DC-DC变换器，变换器输出端连接车来那个驱动电机29。
本发明的谐振型DC-DC变换器采用一个单向LLC谐振变换器和一个双有源全桥LLC谐振变换器交错并联的结构，可以实现固定直流电压变换为可变的直流电压，能够可靠的反向工作，用于电动汽车时实现可靠的动能回收，并具有电气隔离功能。谐振电路(第一谐振电路31、第二谐振电路32)采用谐振电感(第一谐振电感7和第三谐振电感19)、谐振电容(第一谐振电容8和第二谐振电容20)、第二个谐振电感(第二谐振电感9和第四谐振电感21)构成的LLC型复合谐振电路，容易利用寄生参数，实现宽范围的负载软开关。第一高频变压器32的变压器二次绕组11连接由第一整流二极管12和第二整流二极管13构成的全波可控整流电路，该电路只用两个门极驱动电路驱动两个晶闸管；第二高频变压器35的第二变压器二次绕组23连接分别带有第九IGBT24、第十IGBT25、第十一IGBT26、第十二IGBT27的四个桥臂组成的全桥整流电路36的交流输入端，全波可控整流电路的直流输出端和全桥整流电路36的直流输出端两端并联就可将两个高频变压器(第一高频变压器32、第二高频变压器35)输出的交流电整流成直流供给负载。
本发明的一种谐振型DC-DC变换器用于电能变换时，储能电池1连接变换器输入端提供直流电源，第一滤波电容器2滤波后由第一全桥逆变器30逆变成交流，再经过第一谐振电路31输入到第一高频变压器32的第一变压器一次绕组10，变压后的交流电经第一变压器二次绕组11输送到全波整流电路整流成直流；第二滤波电容器14滤波后由第二全桥逆变器33逆变成交流，再经过第二谐振电路34输入到第二高频变压器35的第二变压器一次绕组22，变压后的交流电经第二变压器二次绕组23输送到全桥整流电路36整流成直流，两整流电路(全波整流电路、全桥整流电路36)输出端交错并联再经输出滤波电容28滤波后直接供给驱动电机29使用。
通过对两全桥逆变器(第一全桥逆变器30和第二全桥逆变器33)的高频脉冲控制、两谐振电路(第一谐振电路31和第二谐振电路34)的参数设计、两高频变压器(第一高频变压器32和第二高频变压器35)的变比设计以及全桥整流电路36的高频脉冲控制，最终保证两整流电路(全波整流电路、全桥整流电路36)输出电压等级相同。
本发明的一种谐振型DC-DC变换器，该DC-DC变换器由一个单向LLC谐振变换器和一个双有源全桥LLC谐振变换器交错并联组成；包括输入端、滤波电容器、全桥逆变器、谐振电路、高频变压器、全波整流电路、全桥整流电路、输出滤波电容器、输出端依次连接组成。该DC-DC变换器利用了全桥逆变器、高频变压器、全波可控整流电路的组合，实现了电压幅值的变换及能量的传递，起到电气隔离的作用，提高了系统安全性，同时开关管能够实现软开关，系统转换效率高，也提高了电力变换器运行的可靠性。

Claims (10)

1.一种谐振型DC-DC变换器，其特征在于，包括用于连接直流电源的变换器输入端、用于连接直流负载的变换器输出端，第一逆变电路、第二逆变电路、第一谐振电路、第二谐振电路、第一高频变压器、第二高频变压器、第一整流电路、第二整流电路；
所述变换器输入端分别连接第一逆变电路、第二逆变电路的直流输入端；第一整流电路、第二整流电路直流输出端并联后连接变换器输出端；
第一逆变电路交流输出端连接第一谐振电路输入端，第一谐振电路输出端连接第一高频变压器原边绕组，第一高频变压器副边绕组连接第一整流电路；
第二逆变电路交流输出端连接第二谐振电路输入端，第二谐振电路输出端连接第二高频变压器原边绕组，第二高频变压器副边绕组连接第二整流电路。
2.根据权利要求1所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述第一逆变电路的直流输入端上还并联有滤波电容器；所述第二逆变电路的直流输入端上也并联有滤波电容器。
3.根据权利要求2所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述第一逆变电路、第二逆变电路均为全桥可控逆变电路，且全桥可控逆变电路中的可控开关器件为IGBT。
4.根据权利要求3所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述全桥可控逆变电路中的IGBT上均反向并联有续流二极管。
5.根据权利要求4所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，第一谐振电路、第二谐振电路均为LLC型串并联谐振电路。
6.根据权利要求5所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述第一整流电路为全波整流电路。
7.根据权利要求6所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述第二整流电路为全桥整流电路。
8.根据权利要求7所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述全桥整流电路采用可控开关器件，可控开关器件为IGBT。
9.根据权利要求8所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述全桥整流电路中的IGBT上均反向并联有续流二极管。
10.根据权利要求9所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述变换器输出端并联有滤波电容器。
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