CN113489336B - 一种多谐振lcllc变换器系统及其控制方法 - Google Patents

一种多谐振lcllc变换器系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多谐振LCLLC变换器系统及其控制方法，其包括：隔离变压器；第一变换器，设置在所述隔离变压器的原边侧；主谐振支路，设置在所述第一变换器与所述隔离变压器之间；辅助谐振支路，与所述主谐振支路并联；通过所述辅助谐振支路调整谐振电流波形，在传输相同的功率下，降低电流的有效值，减少开关器件的导通损耗；第二变换器，设置在所述隔离变压器的副边侧。本发明解决了现有技术中因拓扑等因素制约无法有效实现宽电压增益范围、功率传输受限的问题，本发明可以广泛在电网领域、电动汽车领域和储能领域中应用。

Description

一种多谐振LCLLC变换器系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电网领域、电动汽车领域和储能领域，特别是关于一种多谐振LCLLC变换器系统及其控制方法。
背景技术
在电网、电动汽车充电、储能电站等电能变换领域，常常采用谐振型隔离型DC/DC变换器，实现高效的电能变换，并且满足安全电位隔离的需求。
谐振型隔离型DC/DC变换器具有良好的软开关效果，能够大大减小开关损耗，缓解散热压力，进一步提高变换器的工作频率、减小变换器体积重量，提高其的功率密度。谐振型隔离型DC/DC变换器中往往包含高频变压器，对原副边进行隔离，保证原副边的绝缘与安全要求。然而，在实际应用场合，单谐振型隔离型DC/DC变换器如LLC变换器，受限于变换器调节特性，输出电压调节范围有限。同时由于谐振电流为正弦，因此功率传输能力受限。
发明内容
针对上述现有技术中因拓扑等因素制约无法有效实现宽电压增益范围、功率传输受限的谐振型隔离DC/DC变换器，本发明的目的是提供一种多谐振LCLLC变换器系统及其控制方法。
为实现上述目的，一方面，本发明提供的技术方案为：一种多谐振LCLLC变换器系统，其包括：隔离变压器；第一变换器，设置在所述隔离变压器的原边侧；主谐振支路，设置在所述第一变换器与所述隔离变压器之间；辅助谐振支路，与所述主谐振支路并联；通过所述辅助谐振支路调整谐振电流波形，在传输相同的功率下，降低电流的有效值，减少开关器件的导通损耗；第二变换器，设置在所述隔离变压器的副边侧。
进一步，所述主谐振支路包括串联的第一电容和第一电感；所述第一电容的一端分别与所述第一变换器的输出端及所述辅助谐振支路的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端分别与所述辅助谐振支路的另一端及所述隔离变压器的原边侧连接。
进一步，所述辅助谐振支路串联的第二电容和第二电感；所述第二电容的一端分别与所述第一变换器的输出端及所述第一电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述第二电感的一端连接；所述第二电感的另一端分别与所述第一电感的另一端及所述隔离变压器的原边侧连接。
进一步，所述第一变换器包括第一桥臂和第二桥臂；所述第一桥臂和所述第二桥臂与输入电源并联；且所述第一桥臂的中点引出线和所述第二桥臂的中点引出线作为所述第一变换器的输出端。
进一步，所述第二变换器包括第三桥臂和第四桥臂；所述第三桥臂和所述第四桥臂与输出电容并联；且所述第一桥臂的中点引出线和所述第二桥臂的中点引出线作为所述第二变换器的输入端，用于与所述隔离变压器的副边侧连接。
进一步，所述第一桥臂至所述第四桥臂都由串联的两个开关管构成；
所述第一变换器内的开关管采用MOSFET或IGBT；所述第二变换器内的开关管采用MOSFET、IGBT或二极管。
一方面，本发明提供的技术方案为：一种多谐振LCLLC变换器控制方法，该方法基于上述系统实现，包括：
采用方波控制所述第一变换器内的开关管动作；
根据所述第二变换器内的开关管形式选择进行第一种控制方法或第二种控制方法；
所述第一种控制方法为：所述第二变换器内的开关管封锁脉冲不动作，由二极管进行续流，通过调整开关频率，并经主谐振支路和辅助谐振支路改变电路传输的功率，实现输出电压控制；
所述第二种控制方法为：根据所述隔离变压器的副边电流控制第二变换器内各开关管的动作，通过调整开关频率，并经主谐振支路和辅助谐振支路改变电路传输的功率，实现输出电压控制。
进一步，所述第二变换器内的开关管采用IGBT或二极管时，则采用所述第一种控制方法；所述第二变换器内的开关管采用MOSFET时，则采用所述第二种控制方法。
一方面，本发明提供的技术方案为：一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
一方面，本发明提供的技术方案为：一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明增加了一条谐振支路，电路的增益特型发生变化，输出电压可以在宽电压范围内调整。
2、本发明可以通过调整辅助谐振支路参数，调整谐振电流波形，在传输相同的功率下，降低电流的有效值，从而减少开关器件的导通损耗。
3、本发明电路的谐振点计算简单，大大简化了变换器参数设计难度。
4、本发明可以通过对现有的LLC增加LC支路得到，因此可以升级优化已经生产并适用的LLC产品。
附图说明
图1是本发明一实施例中的多谐振LCLLC变换器系统示意图；
图2是本发明一实施例中的多谐振LCLLC变换器系统的开关器件替代的示意图；
图3是本发明一实施例中的多谐振LCLLC变换器系统的输出电压增益变化示意图；
图4是本发明一实施例中的多谐振LCLLC变换器系统的控制方法示意图；
图5是本发明一实施例中一种典型的多谐振LCLLC变换器系统工作时波形的示意图；
图6是本发明一实施例中的计算设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，提供一种多谐振LCLLC变换器系统，其包括：
隔离变压器T；优选的，采用变比为n：1的隔离变压器T；
第一变换器，设置在隔离变压器T的原边侧；
主谐振支路，设置在第一变换器与隔离变压器T之间；
辅助谐振支路，与主谐振支路并联；通过辅助谐振支路调整谐振电流波形，在传输相同的功率下，降低电流的有效值，减少开关器件的导通损耗；
第二变换器，设置在隔离变压器T的副边侧。
在一个优选的实施例中，主谐振支路包括串联的第一电容Cr1和第一电感Lr1；第一电容Cr1的一端分别与第一变换器的输出端及辅助谐振支路的一端连接，第一电容Cr1的另一端与第一电感Lr1的一端连接；第一电感Lr1的另一端分别与辅助谐振支路的另一端及隔离变压器T的原边侧连接。
在一个优选的实施例中，辅助谐振支路串联的第二电容Cr2和第二电感Lr2；第二电容Cr2的一端分别与第一变换器的输出端及第一电容Cr1的一端连接，第二电容Cr2的另一端与第二电感Lr2的一端连接；第二电感Lr2的另一端分别与第一电感Lr1的另一端及隔离变压器的原边侧连接。
上述实施例中，第一变换器包括第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂和第二桥臂与输入电源Bin并联；且第一桥臂的中点引出线和第二桥臂的中点引出线作为第一变换器的输出端。
上述实施例中，第二变换器包括第三桥臂和第四桥臂；第三桥臂和第四桥臂与输出电容Co并联；且第一桥臂的中点引出线和第二桥臂的中点引出线作为第二变换器的输入端，用于与隔离变压器T的副边侧连接。
其中，第一桥臂至第四桥臂都由串联的两个开关管构成；第一桥臂和第二桥臂由4个开关器件S1-S4构成，第三桥臂和第四桥臂由4个开关器件S5-S8构成。
具体的，原边侧开关器件S1与S2串联成第一桥臂，原边侧开关器件S3与S4串联成第二桥臂，两个桥臂与输入电源Bin并联；Cr1与Lr1组成的主谐振支路与Cr2与Lr2组成的辅助谐振支路并联，两个谐振支路与隔离变压器T的原边连接串入原边桥臂中点；副边侧开关器件S5与S6串联成第三桥臂，副边侧开关器件S7与S8联成第四桥臂，两个桥臂与输出电容Co并联；隔离变压器T的副边连接串入副边桥臂中点。
优选的，第一变换器内的开关管S1-S4可以是MOSFET或IGBT；第二变换器内的开关管S5-S8可以是MOSFET，IGBT或二极管。
具体的，如图2所示，是本发明的多谐振LCLLC变换器系统的开关器件替代的示意图。其中，原边的四个开关器件可以由IGBT或MOSFET进行替代，IGBT与MOSFET均包含相对应的反并联二极管；副边的四个开关器件可以由IGBT或MOSFET或二极管进行替代，如果采用IGBT与MOSFET，则其均包含相对应的反并联二极管。
使用时，如图3所示，是本发明的多谐振LCLLC变换器系统的输出电压增益变化示意图。其中实线代表两种典型工况下LCLLC变换器输出电压随着开关频率变化而变化的曲线，圆圈代表传统LLC变换器(仅包含一条谐振支路)输出电压随着开关频率变化而变化的曲线。从3图中可以看到，在低频情况下，相同工况下的LCLLC与LLC变换器的输出电压基本一致，然而在频率升高的过程中，LCLLC变换器的输出电压增益存在一个巨大的下落，随后又一定程度的回升。这说明LCLLC变换器能够通过控制开关频率，工作在较宽的输出电压范围，弥补了LLC变换器输出电压范围窄的缺点。
LCLLC变换器的三个重要谐振点分别为：
Figure BDA0003165963730000051
其中，当开关频率等于fr1与fr2时，输出增益恒为1，当开关频率为fr12时，输出增益恒为0。三个谐振点分别为主谐振支路的串联谐振，辅助谐振支路的串联谐振，以及主谐振支路与辅助谐振支路的并联谐振。三个谐振点表达方式简单，简化了多谐振变换器参数设计难度。
在本发明的一个实施例中，提供一种多谐振LCLLC变换器控制方法，该方法基于上述实施例中的多谐振LCLLC变换器系统实现，如图4所示，该方法包括以下步骤：
步骤1、采用方波控制第一变换器内的开关管动作；
步骤2、根据第二变换器内的开关管形式选择进行第一种控制方法或第二种控制方法；
第二变换器内的开关管采用IGBT或二极管时，则采用第一种控制方法；第一种控制方法为：第二变换器内的开关管封锁脉冲不动作，由二极管进行续流，通过调整开关频率，并经主谐振支路和辅助谐振支路改变电路传输的功率，实现输出电压控制；
具体为：当副边器件为IGBT或二极管时，原边S1-S4采用50％占空比的方波控制，S1与S4开关动作相同，S2与S3开关动作相同，且与S1与S4相反；副边S5-S8开关管封锁脉冲不动作，仅依靠二极管或者IGBT反并联二极管进行续流，如图4中方法1方框中，S1-S4开关状态对应的波形为高时，对应开关器件开通，开关对应的波形为低时，对应开关器件关闭；通过调整开关频率，并经主谐振支路和辅助谐振支路改变电路传输的功率，实现控制输出电压的目的。
通过控制开关管开通关断的时间，调整开关频率，即调整50％占空比方波的频率。开关器件均是由弱电控制的，即给开关器件50％的方波驱动信号，开关就在一个周期内开通关断一次。可以通过调整方波的频率，实现开关动作频率的变化。辅助谐振支路提供了三次高频谐波，带来了额外的功率传输，在波形图中可以看到辅助支路的波形。
第二变换器内的开关管采用MOSFET时，则采用第二种控制方法；第二种控制方法为：根据隔离变压器的副边电流控制第二变换器内各开关管的动作，通过调整开关频率，实现输出电压控制；
具体为：当副边器件为MOSFET时，原边S1-S4采用50％占空比的方波控制，S1与S4开关动作相同，S2与S3开关动作相同，且与S1与S4相反；副边通过电流传感器对变压器副边电流is进行检测，当is大于零时，开关S5与S8开通，同时S6与S7关闭；当is小于零时，开关S6与S7开通，同时S5与S8关闭，如图4中方法2方框中，S1-S8开关状态对应的波形为高时，对应开关器件开通，开关对应的波形为低时，对应开关器件关闭，is为变压器副边电流；通过调整开关频率，实现控制输出电压的目的。
如图5所示，是本发明的一种典型的多谐振LCLLC变换器系统工作时波形的示意图。iLr1为流过主谐振支路的电流，iLr2为流过辅助谐振支路的电流，ip为变压器原边电流，is为变压器副边电流，iLm为变压器励磁电流。变压器原边电流ip由主谐振支路的电流iLr1与iLr2辅助谐振支路的电流叠加而成。在相同的传输功率下，LCLLC变压器相比于LLC变换器，原边电流ip的有效值更小，因此电路的开关器件的通态损耗减小，变换器效率更高。
如图6所示，为本发明一实施例中提供的计算设备结构示意图，该计算设备可以是终端，其可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)、显示屏和输入装置。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。该处理器用于提供计算和控制能力。该存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现一种控制方法；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、管理商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如下方法：
采用方波控制第一变换器内的开关管动作；根据第二变换器内的开关管形式选择进行第一种控制方法或第二种控制方法；第一种控制方法为：第二变换器内的开关管封锁脉冲不动作，由二极管进行续流，通过调整开关频率，实现输出电压控制；第二种控制方法为：根据隔离变压器的副边电流控制第二变换器内各开关管的动作，通过调整开关频率，实现输出电压控制。
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。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或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在本发明的一个实施例中，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：采用方波控制第一变换器内的开关管动作；根据第二变换器内的开关管形式选择进行第一种控制方法或第二种控制方法；第一种控制方法为：第二变换器内的开关管封锁脉冲不动作，由二极管进行续流，通过调整开关频率，实现输出电压控制；第二种控制方法为：根据隔离变压器的副边电流控制第二变换器内各开关管的动作，通过调整开关频率，实现输出电压控制。
在本发明的一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：采用方波控制第一变换器内的开关管动作；根据第二变换器内的开关管形式选择进行第一种控制方法或第二种控制方法；第一种控制方法为：第二变换器内的开关管封锁脉冲不动作，由二极管进行续流，通过调整开关频率，实现输出电压控制；第二种控制方法为：根据隔离变压器的副边电流控制第二变换器内各开关管的动作，通过调整开关频率，实现输出电压控制。
上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种多谐振LCLLC变换器控制方法，其特征在于，该方法基于多谐振LCLLC变换器系统实现，所述系统包括：
隔离变压器；
第一变换器，设置在所述隔离变压器的原边侧；
主谐振支路，设置在所述第一变换器与所述隔离变压器之间；
辅助谐振支路，与所述主谐振支路并联；通过所述辅助谐振支路调整谐振电流波形，在传输相同的功率下，降低电流的有效值，减少开关器件的导通损耗；
第二变换器，设置在所述隔离变压器的副边侧；
所述主谐振支路包括串联的第一电容和第一电感；所述第一电容的一端分别与所述第一变换器的输出端及所述辅助谐振支路的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端分别与所述辅助谐振支路的另一端及所述隔离变压器的原边侧连接；
所述辅助谐振支路包括串联的第二电容和第二电感；所述第二电容的一端分别与所述第一变换器的输出端及所述第一电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述第二电感的一端连接；所述第二电感的另一端分别与所述第一电感的另一端及所述隔离变压器的原边侧连接；
所述第一变换器包括第一桥臂和第二桥臂；所述第一桥臂和所述第二桥臂与输入电源并联；且所述第一桥臂的中点引出线和所述第二桥臂的中点引出线作为所述第一变换器的输出端；
所述第二变换器包括第三桥臂和第四桥臂；所述第三桥臂和所述第四桥臂与输出电容并联；且所述第三桥臂的中点引出线和所述第四桥臂的中点引出线作为所述第二变换器的输入端，用于与所述隔离变压器的副边侧连接；
所述第一桥臂至所述第四桥臂都由串联的两个开关管构成；所述第一变换器内的开关管采用MOSFET或IGBT；所述第二变换器内的开关管采用MOSFET、IGBT或二极管；
所述方法包括：
采用方波控制所述第一变换器内的开关管动作；
根据所述第二变换器内的开关管形式选择进行第一种控制方法或第二种控制方法；
所述第一种控制方法为：所述第二变换器内的开关管封锁脉冲不动作，由二极管进行续流，通过调整开关频率，并经主谐振支路和辅助谐振支路改变电路传输的功率，实现输出电压控制；
所述第二种控制方法为：根据所述隔离变压器的副边电流控制第二变换器内各开关管的动作，通过调整开关频率，并经主谐振支路和辅助谐振支路改变电路传输的功率，实现输出电压控制。
2.如权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述第二变换器内的开关管采用IGBT或二极管时，则采用所述第一种控制方法；所述第二变换器内的开关管采用MOSFET时，则采用所述第二种控制方法。
3.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至2所述方法中的任一方法。
4.一种计算设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至2所述方法中的任一方法的指令。
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