CN209963957U - 一种定频谐振式直流变换装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种定频谐振式直流变换装置，属于电力电子和电力自动化设备，解决现有谐振式直流变换系统轻载效率低和控制复杂问题。本实用新型所述定频谐振式直流变换装置包括功率变换电路、谐振电路、高频变压器、整流电路、滤波电路、采样调理电路、控制器以及驱动电路；本实用新型所述控制方法通过控制谐振式直流变换器工作模式的组合方式与工作时间，实现在固定频率下对谐振式直流变换器输出能量的调节。与传统谐振式直流变换系统相比，本实用新型具有高效率、控制设计简单和频率固定等特点，实现了谐振式直流变换器全负载变化范围的高效运行。
Description
技术领域
本实用新型属于电力电子和电力自动化设备，涉及一种定频谐振式直流变换装置。
背景技术
谐振变换器是各种直流变换器中较为流行的拓扑结构，具有软开关特性和磁集成特性等优势。目前，谐振变换器主要有变频控制和定频控制两种控制方法。
在传统的定频控制方法中，通过控制超前桥臂和滞后桥之间的移相，从而调节输入电压以获得所需电压；该方法有三个主要缺点：(1)有较大环路电流；(2)高反向恢复电压；(3)在轻载工作状态下失去软开关特性。为解决上述问题，部分研究者利用同步整流开关实现原、副边相移以提高电压调节能力，但是当输入电压和输出电压不匹配时会出现较大无功电流。在宽工作范围的要求下，传统固定频率控制方法效率较低且调节性能较差，使其难以应用。
在变频控制方法中，通过控制开关频率以改变谐振腔阻抗从而达到所需电压，该方法已广泛应用于谐振变换器中；但该控制方法使得变换器具有非线性特性，控制性能较差。为解决该问题，部分研究者采用多环反馈控制方法，通过构建的谐振电流或电压内环来改善小信号特性，部分研究者设计状态观测器以减小变换器非线性的影响。但是，上述线性控制方法难以用于优化非线性系统的性能。部分研究者采用滑模控制、bang-bang控制、鲁棒控制、自适应模糊控制等非线性控制方法控制谐振变换器获取良好性能，但其计算复杂难以在实际中应用。
因此，急需一种建模简单、控制便捷，具有较宽工作范围且有较好的动态响应性能以及稳定性的谐振变换器。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种定频谐振变换器装置，以解决现有谐振变换器效率低、控制复杂、调节范围窄等问题，与现有技术相比，本实用新型综合具有了传统定频控制与变频控制的优点，即提高了谐振变换器的效率，又使得谐振变换器具有线性特性，实现了简单有效的控制。
根据本实用新型的其中一方面，本实用新型解决其技术问题，采用的定频谐振式直流变换装置，包括：功率变换电路、谐振电路、高频变压器、整流电路、滤波电路、采样调理电路、控制器以及驱动电路；
功率变换电路采用全桥电压型变换器或半桥电压型变换器，用于根据驱动电路输出的驱动信号将输入电源的直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压；当功率变换电路为全桥型电压型变换器时，驱动电路生成的第一至第四路驱动信号送至功率变换电路的第一至第四路驱动信号接口；当功率变换电路为半桥型电压型变换器时，驱动电路生成的第一和第二路驱动信号送至功率变换电路的第一和第二路驱动信号接口；功率变换电路的输入端用于与输入电源相连，功率变换电路的输出端与谐振电路输入端相连，功率变换电路的驱动信号接口与驱动电路相连；
谐振电路用于在方波电压的激励下产生的高频谐振电流，谐振电路的输入端与功率变换电路的输出端相连，谐振电路的输出端与高频变压器的输入端相连；
高频变压器用于放大或缩小高频谐振电压和电流；高频变压器输入端与谐振电路输出端相连，高频变压器输出端与整流电路输入端相连；
整流电路用于将高频谐振电流变换为直流电流，整流电路输入端与高频变压器输出端相连，整流电路输出端与滤波电路输入端相连；
滤波电路用于滤除整流电路输出的电流中的高频分量，为负载提供平稳的直流能量，滤波电路的输入端与整流电路的输出端相连，滤波电路的输出端用于与负载相连，滤波电路的反馈端与采样调理电路的输入端相连；
采样调理电路用于对滤波电路进行采样，并进行调理以处理成控制器适合处理的信号，采样调理电路的输出端连接至控制器的输入端，控制器的输出端连接至驱动电路的输入端，控制器用于控制驱动电路产生所述驱动信号，驱动电路的输出端与功率变换电路的驱动信号接口相连。
进一步地，在本实用新型的定频谐振式直流变换装置中，所述谐振电路采用包含电感和电容的谐振电路，包括：串联谐振电路、并联谐振电路、串并联型谐振电路、LLC型谐振电路、CLC型谐振电路以及LCL型谐振电路。
进一步地，在本实用新型的定频谐振式直流变换装置中，所述高频变压器包括：高频隔离变压器、高频自耦变压器以及带中心抽头高频变压器。
进一步地，在本实用新型的定频谐振式直流变换装置中，所述整流电路包括全桥整流电路、半桥整流电路以及倍流整流电路。
进一步地，在本实用新型的定频谐振式直流变换装置中，所述滤波电路包括：LC型滤波电路、CL型滤波电路以及LCL型滤波电路。
进一步地，在本实用新型的定频谐振式直流变换装置中，所述全桥型电压型变换器包含四个相同的NMOS开关管S1～S4，各个NMOS开关管S1-S4的D极和S极之间分别连接一组并联的二极管和缓冲电容，其中二极管的阳极连接对应NMOS开关管的S极，阴极连接对应NMOS开关管的D极，NMOS开关管S1的S极与NMOS开关管S2的D极相连后用于连接在输入电源的两输出端之间，NMOS开关管S3的S极与NMOS开关管S4的D 极相连后用于连接在输入电源的两输出端之间；其中，NMOS开关管S1与S3的D极用于连接输入电源的正极，NMOS开关管S1与S3的S极用于连接输入电源的负极。
进一步地，在本实用新型的定频谐振式直流变换装置中，所述谐振电路采用包含电感和电容的LLC型谐振电路，LLC型谐振电路包含谐振电容Cr、谐振电感Lr以及励磁电感Lm，谐振电容Cr的一端连接NMOS开关管S1的S极，另一端依次串联谐振电感Lr与励磁电感Lm后连接NMOS开关管S3的S极，励磁电感Lm的两端作为LLC型谐振电路的电性输出端。
进一步地，在本实用新型的定频谐振式直流变换装置中，高频变压器为带中心抽头高频变压器，变比为10:1:1，整流电路包括二极管D1和D2，二极管D1和D2的阴极并联后与滤波电路端相连后引出一个输出端，二极管D1的阳极与带中心抽头高频变压器的副边线圈的一端相连，二极管D2的阳极与带中心抽头高频变压器的副边线圈的另一端端相连，带中心抽头高频变压器的副边线圈的中间部分引出另一输出端。
进一步地，在本实用新型的定频谐振式直流变换装置中，滤波电路为直流滤波电容。
本实用新型可解决现有谐振变换器效率低、控制复杂、调节范围窄等问题，与现有技术相比，本实用新型综合具有了传统定频控制与变频控制的优点，即提高了谐振变换器的效率，又使得谐振变换器具有线性特性，实现了简单有效的控制。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是本实用新型的定频谐振式直流变换装置的原理图；
图2是本实用新型的定频谐振式直流变换装置一实施例的电路图；
图3是本实用新型的功率变换电路中开关管驱动信号示意图；
图4是采样调理电路的原理图；
图5是驱动电路的原理图。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
参考图1-2，图1-2示出了本实用新型定频谐振式直流变换装置的原理图以及一实施例的电路图，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下。本实施例的定频谐振式直流变换装置包括：功率变换电路2、谐振电路3、高频变压器4、整流电路5、滤波电路6和采样调理电路8、控制器9以及驱动电路10；
功率变换电路2采用全桥电压型变换器，用于根据驱动电路10输出的驱动信号将输入电源1的直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压，输入电压80V—120V；驱动电路10生成的第一至第四路驱动信号送至功率变换电路2的第一至第四路驱动信号接口；功率变换电路2的输入端与输入电源1相连，功率变换电路2的输出端与谐振电路3 输入端相连，功率变换电路2的驱动信号接口与驱动电路10相连；
谐振电路3用于在方波电压的激励下产生近似正弦的高频谐振电流，采用包含电感和电容的LLC型谐振电路，谐振电感Lr＝86uH，谐振电容Cr＝23.5nF，励磁电感Lm＝266.5uH；所述谐振电路3的输入端与功率变换电路2的输出端相连，谐振电路3的输出端与高频变压器4的输入端相连；
高频变压器4用于放大或缩小高频谐振电压和电流，采用带中心抽头高频变压器，变压器变比为10:1:1；高频变压器4输入端与谐振电路3输出端相连，高频变压器4输出端与整流电路5输入端相连；
整流电路5用于将高频谐振电流变换为直流电流，采用全波整流电路；整流电路5输入端与高频变压器4输出端相连，整流电路输出端与滤波电路输入端相连；
滤波电路6用于滤除4整流电路5输出的电流中的高频分量，为负载7提供平稳的直流能量，采用单电容C型滤波电路，滤波电容C＝3.96mF；滤波电路6的输入端与4整流电路5的输出端相连，滤波电路6的输出端与负载7相连，滤波电路6的反馈端与控制电路8的输入端相连；
采样调理电路8用于对滤波电路6进行采样，并进行调理以处理成控制器9适合处理的信号，采样调理电路8的输出端连接至10控制器9的输入端，10控制器9的输出端连接至驱动电路10的输入端，10控制器9用于控制驱动电路10产生所述驱动信号，驱动电路10的输出端与功率变换电路2的驱动信号接口相连。采样调理电路8用于采集滤波电路 6的原始输入整流电流isrec和原始输出电压vso，并对其进行调理获取整流电流irec和输出电压vo；驱动电路10用于在10控制器9的控制下生成所述功率变换电路2的功率管开关的控制信号。
在本实用新型实例中，功率变换电路2包含四个相同的NMOS开关管S1～S4，各个NMOS开关管S1-S4的D极和S极之间分别连接一组并联的二极管和缓冲电容，其中二极管的阳极连接对应NMOS开关管的S极，阴极连接对应NMOS开关管的D极，NMOS开关管S1的S极与NMOS开关管S2的D极相连后用于连接在输入电源1的两输出端之间， NMOS开关管S3的S极与NMOS开关管S4的D极相连后用于连接在输入电源1的两输出端之间；其中，NMOS开关管S1与S3的D极用于连接输入电源1的正极，NMOS开关管S1与S3的S极用于连接输入电源1的负极。在本实用新型的另一实施例中，NMOS开关管可还采用PMos、SiC、GaAs等具有较高开关频率的半导体功率器件代替。
在本实用新型实施例中，谐振电路3包括谐振电感Lr、谐振电容Cr及高频隔离变压器 Tr。谐振电感Lr的一端与第一开关管S1和第二开关管S2的连接端相连，谐振电容Cr的一端与谐振电感Lr的另一端相连，谐振电容Cr的另一端与高频隔离变压器Tr的原边线圈的一端相连，原边线圈的另一端连接至第三开关管S3和第四开关管S4的连接端。在功率变换电路输出方波电压的激励下，谐振电路的谐振电感Lr、谐振电容Cr与高频隔离变压器原边的等效励磁电感产生近似正弦的高频谐振电流，通过高频隔离变压器原边传输到其副边。
在本实用新型实施例中，整流电路5包括二极管D1和D2，二极管D1和D2的阴极并联后与滤波电路端相连后引出一个输出端，二极管D1的阳极与带中心抽头高频变压器的副边线圈的一端相连，二极管D2的阳极与带中心抽头高频变压器的副边线圈的另一端端相连，带中心抽头高频变压器的副边线圈的中间部分引出另一输出端。整流电路将高频隔离变压器副边的高频谐振电流转换成直流电流。
在本实用新型实施例中，滤波电路6由直流滤波电容C2构成。滤波电容C2端与输出整流二极管D1、D2的阴极相连，其另一端与整流滤波电容C2的另一端相连。滤波电容 C2的另一端与高频隔离变压器Tr副边的中心抽头端相连。滤波电路通过抑制整流电路输出直流电流的波动，为负载提供平稳的直流电源。
参考图4、图5，在本实用新型实施例中，采样调理电路8的输出端接入控制器9的信号输入端，采样调理电路8的输入端分别连接至图2所示电路中滤波电路6中电容的正极与负极，驱动电路10的典型控制信号端连接控制器8的信号输出端，驱动信号连接至功率变换电路2中开关管的门极G与源极S，控制器9可采用STM32芯片。
上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。
Claims (9)
1.一种定频谐振式直流变换装置，其特征在于，包括：功率变换电路(2)、谐振电路(3)、高频变压器(4)、整流电路(5)、滤波电路(6)、采样调理电路(8)、控制器(9)以及驱动电路(10)；
功率变换电路(2)采用全桥电压型变换器或半桥电压型变换器，用于根据驱动电路(10)输出的驱动信号将输入电源(1)的直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压；当功率变换电路(2)为全桥型电压型变换器时，驱动电路(10)生成的第一至第四路驱动信号送至功率变换电路(2)的第一至第四路驱动信号接口；当功率变换电路(2)为半桥型电压型变换器时，驱动电路(10)生成的第一和第二路驱动信号送至功率变换电路(2)的第一和第二路驱动信号接口；功率变换电路(2)的输入端用于与输入电源(1)相连，功率变换电路(2)的输出端与谐振电路(3)输入端相连，功率变换电路(2)的驱动信号接口与驱动电路(10)相连；
谐振电路(3)用于在方波电压的激励下产生的高频谐振电流，谐振电路(3)的输入端与功率变换电路(2)的输出端相连，谐振电路(3)的输出端与高频变压器(4)的输入端相连；
高频变压器(4)用于放大或缩小高频谐振电压和电流；高频变压器(4)输入端与谐振电路(3)输出端相连，高频变压器(4)输出端与整流电路(5)输入端相连；
整流电路(5)用于将高频谐振电流变换为直流电流，整流电路(5)输入端与高频变压器(4)输出端相连，整流电路(5)输出端与滤波电路(6)输入端相连；
滤波电路(6)用于滤除整流电路(5)输出的电流中的高频分量，为负载(7)提供平稳的直流能量，滤波电路(6)的输入端与整流电路(5)的输出端相连，滤波电路(6)的输出端用于与负载(7)相连，滤波电路(6)的反馈端与采样调理电路(8)的输入端相连；
采样调理电路(8)用于对滤波电路(6)进行采样，并进行调理以处理成控制器(9)适合处理的信号，采样调理电路(8)的输出端连接至控制器(9)的输入端，控制器(9)的输出端连接至驱动电路(10)的输入端，控制器(9)用于控制驱动电路(10)产生所述驱动信号，驱动电路(10)的输出端与功率变换电路(2)的驱动信号接口相连。
2.根据权利要求1所述的定频谐振式直流变换装置，其特征在于，所述谐振电路(3)采用包含电感和电容的谐振电路，包括：串联谐振电路、并联谐振电路、串并联型谐振电路、LLC型谐振电路、CLC型谐振电路以及LCL型谐振电路。
3.根据权利要求1所述的定频谐振式直流变换装置，其特征在于，所述高频变压器(4)包括：高频隔离变压器、高频自耦变压器以及带中心抽头高频变压器。
4.根据权利要求1所述的定频谐振式直流变换装置，其特征在于，所述整流电路(5)包括全桥整流电路、半桥整流电路以及倍流整流电路。
5.根据权利要求1所述的定频谐振式直流变换装置，其特征在于，所述滤波电路(6)包括：LC型滤波电路、CL型滤波电路以及LCL型滤波电路。
6.根据权利要求1所述的定频谐振式直流变换装置，其特征在于，所述全桥型电压型变换器包含四个相同的NMOS开关管S1～S4，各个NMOS开关管S1-S4的D极和S极之间分别连接一组并联的二极管和缓冲电容，其中二极管的阳极连接对应NMOS开关管的S极，阴极连接对应NMOS开关管的D极，NMOS开关管S1的S极与NMOS开关管S2的D极相连后用于连接在输入电源(1)的两输出端之间，NMOS开关管S3的S极与NMOS开关管S4的D极相连后用于连接在输入电源(1)的两输出端之间；其中，NMOS开关管S1与S3的D极用于连接输入电源(1)的正极，NMOS开关管S1与S3的S极用于连接输入电源(1)的负极。
7.根据权利要求6所述的定频谐振式直流变换装置，其特征在于，所述谐振电路(3)可采用包含电感和电容的LLC型谐振电路，LLC型谐振电路包含谐振电容Cr、谐振电感Lr以及励磁电感Lm，谐振电容Cr的一端连接NMOS开关管S1的S极，另一端依次串联谐振电感Lr与励磁电感Lm后连接NMOS开关管S3的S极，励磁电感Lm的两端作为LLC型谐振电路的电性输出端。
8.根据权利要求6所述的定频谐振式直流变换装置，其特征在于，高频变压器(4)为带中心抽头高频变压器，变比为10:1:1，整流电路(5)包括二极管D1和D2，二极管D1和D2的阴极并联后与滤波电路端相连后引出一个输出端，二极管D1的阳极与带中心抽头高频变压器的副边线圈的一端相连，二极管D2的阳极与带中心抽头高频变压器的副边线圈的另一端端相连，带中心抽头高频变压器的副边线圈的中间部分引出另一输出端。
9.根据权利要求1所述的定频谐振式直流变换装置，其特征在于，滤波电路(6)为直流滤波电容。
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| CN110086348A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-02 | 中国地质大学（武汉） | 一种定频谐振式直流变换装置及其控制方法 |
| CN113938022A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-01-14 | 国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司 | 一种高频llc谐振直流变换器 |
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