WO2023050216A1 - Cllc dc-dc变流器 - Google Patents

Cllc dc-dc变流器 Download PDF

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WO2023050216A1
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resonant
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capacitor
power switch
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王会锦
赵研峰
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西门子股份公司
西门子（中国）有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac

Definitions

  • the present disclosure generally relates to the field of converter technology, and more particularly, to CLLC DC-DC converters.
  • CLLC also called CLLLC, bidirectional resonant circuit
  • CLLC has been used in some special applications, such as battery charging. But some characteristics of CLLC also have some restrictions on its application, especially the very important resonant frequency.
  • the gain of the converter When the switching frequency of the converter is equal to the resonance frequency, the gain is 1. When the switching frequency is changed, the gain of the converter can also be changed, and the output voltage can be controlled in this way. However, converters generally operate near the resonant frequency because of their higher efficiency. Depending on the parameters of the converter and the load, there is a limit to the range of gain.
  • the resonant frequency is determined by the values of the inductance and capacitance of the resonant cavity. The parameters of inductors, capacitors, and transformers are usually calculated according to actual needs. After the design of the converter is completed, the resonant frequency of the CLLC converter has been determined, and the gain range will be limited by the switching frequency and load. However, the switching frequency cannot be increased or decreased without limit, otherwise the converter will not work properly or efficiently. Therefore, CLLC converters cannot be used where a relatively wide gain range or a relatively large range of switching frequencies is required.
  • Patent Document 1 (CN112688569A) introduces a topology structure of a CLLC converter, which can expand the switching frequency range and acceptable load range.
  • this solution can only improve the operating performance when the switching frequency is lower than the resonant frequency, but cannot change the operating performance when the switching frequency is higher than the resonant frequency.
  • more power switches are used in this topology, resulting in a more complex control strategy and more power loss.
  • the present invention proposes a CLLC DC-DC converter topology, in which the values of the resonant inductance and resonant capacitor of the primary and secondary sides can be changed, so that the resonant frequency of the converter can be changed , which extends the gain range of the converter.
  • a CLLC DC-DC converter including: a first power switch, a second power switch, a third power switch, and a fourth power switch on the primary side, a first resonant inductor, a second A resonant capacitor, an exciting inductance, the fifth power switch, the sixth power switch, the seventh power switch, the eighth power switch of the secondary side, the second resonant inductor, the second resonant capacitor, and the transformer connecting the primary side and the secondary side
  • the first resonant inductance includes a first inductance array composed of a plurality of inductances
  • the second resonant inductance includes a second inductance array composed of a plurality of inductances
  • the first resonant capacitor includes a plurality of capacitors
  • the first capacitor array, the second resonant inductor includes a second capacitor array composed of a plurality of capacitors.
  • the first inductor array and the second inductor array respectively include m parallel branches, each branch is connected with n inductors in series, and between each two inductors And switches are provided between adjacent branches on both sides of an inductor, the first inductor array and the second inductor array have the same or different structures, and m and n are any positive integers.
  • the first capacitor array and the second capacitor array respectively include p branches connected in parallel, each branch is connected with q capacitors in series, and between each two capacitors And switches are provided between adjacent branches on both sides of a capacitor, the first capacitor array and the second capacitor array have the same or different structures, and p and q are any positive integers.
  • the switch includes any one of a mechanical switch and an electronic switch.
  • the technical solution of the present invention has at least one of the following advantages.
  • the resonant frequency can be changed, the gain range of the converter can be expanded, and the converter can work in a wider switching frequency range, and can adapt to a wider range of loads.
  • the inductance array and capacitor array used in the converter according to the present invention can be controlled to be in a fixed state, and the array form can also be changed during operation, so that it can be used as a traditional CLLC or as an adaptable variable streamer.
  • the converter according to the invention has a simple topology, is easy to control, and does not generate much power loss.
  • FIG. 1 is an exemplary circuit topology diagram of a CLLC DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is an exemplary structural diagram of an inductor array composed of a plurality of inductors
  • FIG. 3 is an exemplary structure diagram of a capacitor array composed of multiple capacitors.
  • T1 transformer V1: input voltage of the primary side
  • V2 The output voltage of the secondary side L11, L12, ... L1n, L21,
  • the term “comprising” and its variants represent open terms meaning “including but not limited to”.
  • the term “based on” means “based at least in part on”.
  • the terms “one embodiment” and “an embodiment” mean “at least one embodiment.”
  • the term “another embodiment” means “at least one other embodiment.”
  • the terms “first”, “second”, etc. may refer to different or the same object. The following may include other definitions, either express or implied. Unless the context clearly indicates otherwise, the definition of a term is consistent throughout the specification.
  • the resonant frequency of the CLLC converter is fixed, and the converter can only work within a limited switching frequency range and a limited gain range, and the gain range is also limited by the load of the converter.
  • the present invention proposes a CLLC DC-DC converter topology, in which the values of the resonant inductance and resonant capacitor of the primary and secondary sides can be changed, so that the resonant frequency of the converter can be changed , which extends the gain range of the converter.
  • FIG. 1 is an exemplary circuit topology diagram of a CLLC DC-DC converter 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the CLLC DC-DC converter 100 includes the first power switch Q1, the second power switch Q2, the third power switch Q3, and the fourth power switch Q4 on the primary side, the first resonant inductor Lr1, the first Resonant capacitor Cr1, excitation inductance Lm, secondary side fifth power switch Q5, sixth power switch Q6, seventh power switch Q7, eighth power switch Q8, second resonant inductor Lr2, second resonant capacitor Cr2, and connecting primary side and secondary side of transformer T1.
  • V1 and V2 represent the input voltage of the primary side and the output voltage of the secondary side respectively.
  • the first resonant inductance Lr1 includes a first inductance array composed of a plurality of inductances
  • the second resonant inductance Lr2 includes a second inductance array composed of a plurality of inductances.
  • An inductor array, the first resonant capacitor Cr1 includes a first capacitor array composed of multiple capacitors, and the second resonant capacitor Cr2 includes a second capacitor array composed of multiple capacitors.
  • FIG. 2 shows a specific example of an inductor array composed of multiple inductors.
  • the inductor array includes m parallel branches, and n inductors are connected in series on each branch, L11, L12, ... L1n, L21, L22, ... L2n, ..., Lm1, Lm2, ... Lmn,
  • m represents the number of branches connected in parallel
  • n represents the number of inductors connected in series on each branch.
  • a switch k is provided between every two inductors and between adjacent branches on both sides of the inductor.
  • Point P11 and point P12 in FIG. 2 are two connection points connecting the inductor array Lr1 to the CLLC circuit.
  • the first inductance array and the second inductance array can adopt the same array form or different array forms according to design requirements, that is, the values of m and n of the first inductance array and the values of m and n of the second inductance array can be determined according to the needs are set to any positive integer, respectively.
  • FIG. 3 shows a specific example of a capacitor array composed of multiple capacitors.
  • the capacitor array includes p parallel branches, and q capacitors are connected in series on each branch, C11, C12, ... C1q, C21, C22, ... C2q, ..., Cp1, Cp2, ... Cpq,
  • p represents the number of branches connected in parallel
  • q represents the number of capacitors connected in series on each branch.
  • a switch k is provided between every two capacitors and between adjacent branches on both sides of the capacitors.
  • Point P21 and point P22 in FIG. 3 are two connection points for connecting the capacitor array Cr1 to the CLLC circuit. By turning these switches on or off, the connection of the capacitor array can be changed, resulting in different capacitance values.
  • the first capacitor array and the second capacitor array can adopt the same array form or different array forms according to the design requirements, that is, the values of p and q of the first capacitor array and the values of p and q of the second capacitor array can be adjusted as required are set to any positive integer, respectively.
  • the specific form of the capacitor array and the specific form of the inductor array may also be different, and the specific form of each array is designed according to actual needs.
  • Fig. 2 and Fig. 3 respectively show the exemplary array form of inductance array and capacitance array
  • the inductance array and capacitance array adopted in the present invention also can adopt other array forms, are not limited to Fig. 2 and shown in Figure 3.
  • the switches used in the inductor array and the capacitor array are collectively denoted by a reference sign k without distinction.
  • the switch k can be an electronic switch or a mechanical switch.
  • the equivalent value of the resonant inductance and resonant capacitor of the primary side and the secondary side can be changed, thereby changing the resonant frequency of the converter.
  • the gain range and switching frequency range of the converter can be expanded, so that the converter can work in a wider switching frequency range and adapt to a wider range of loads.
  • the resonant frequency of the CLLC converter is fixed, and the converter can only work within a limited switching frequency range and a limited gain range, which also limits the load range of the converter.
  • the resonant frequency can be changed, and then the converter can be operated at a switching frequency near the resonant frequency, and such a converter has better adaptability.
  • the inductance array and capacitor array used in the converter according to the present invention can be controlled to be in a fixed state, and the array form can also be changed during operation, so that it can be used as a traditional CLLC or as an adaptable variable streamer.
  • the converter according to the invention has a simple topology, is easy to control, and does not generate much power loss.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

一种CLLC DC-DC变流器（100），包括原边的第一功率开关（Q1）、第二功率开关（Q2）、第三功率开关（Q3）、第四功率开关（Q4）、第一谐振电感（Lr1）、第一谐振电容（Cr1）、励磁电感（Lm），副边的第五功率开关（Q5）、第六功率开关（Q6）、第七功率开关（Q7）、第八功率开关（Q8）、第二谐振电感（Lr2）、第二谐振电容（Cr2），以及连接原边和副边的变压器（T1）。其中第一谐振电感（Lr1）包括由多个电感构成的第一电感阵列，第二谐振电感（Lr2）包括由多个电感构成的第二电感阵列，第一谐振电容（Cr1）包括由多个电容构成的第一电容阵列，第二谐振电容（Cr2）包括由多个电容构成的第二电容阵列。

Description

CLLC DC-DC变流器 技术领域
本公开通常涉及变流器技术领域，更具体地，涉及CLLC DC-DC变流器。
背景技术
目前，CLLC(也可以称为CLLLC，双向谐振电路)DC-DC变流器被广泛地使用，并且由于其双向电能传送和高传输效率受到越来越多的关注。
CLLC已经被用于一些特殊的应用，例如电池充电。但是CLLC的某些特征也对其应用存在一些限制，尤其是非常重要的谐振频率。
当变流器的开关频率等于谐振频率时，增益是1，当改变开关频率时，变流器的增益也可以改变，通过这样的方式可以控制输出电压。然而，变流器一般工作在谐振频率附近，因为这样的工作效率较高。取决于变流器的参数和负载，增益的范围有一个限制。谐振频率由谐振腔的电感和电容的值来决定。通常根据实际需要来计算电感、电容、以及变压器的参数。当变流器的设计完成之后，CLLC变流器的谐振频率就已经确定，增益范围将由开关频率和负载来限制。然而，不能无限制地增加或者减小开关频率，否则变流器将无法正常或者高效地工作。因此，在要求相对较宽的增益范围或者相对较大范围的开关频率的情况下无法使用CLLC变流器。
在现有技术中，通常会比较不同变流器拓扑的特征，并且在早期设计阶段选择最满足设计要求的拓扑。如果所要求的增益范围对于CLLC变流器来说确实太宽难以实现，则不选择使用CLLC变流器。
目前已经进行了一些研究来改变CLLC变流器的硬件结构和控制策略，以提高CLLC变流器的增益范围。专利文献1(CN112688569A)介绍了一种CLLC变流器的拓扑结构，可以扩展开关频率范围和可接受的负载范围。但是这种方案只能在开关频率小于谐振频率的情况下提高操作性能，而不能在开关频率大于谐振频率的情况下改变操作性能。并且在这种拓扑中使用了较多的功率开关，导致具有更复杂的控制策略，而且会产生更多的功率损耗。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
有鉴于此，本发明提出了一种CLLC DC-DC变流器拓扑，在该拓扑中，原边和副边的谐振电感和谐振电容的值都可以改变，从而变流器的谐振频率可以改变，这样就扩展了变流器的增益范围。
根据本公开的一个方面，提供了一种CLLC DC-DC变流器，包括：原边的第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关，第一谐振电感、第一谐振电容、励磁电感、副边的第五功率开关、第六功率开关、第七功率开关、第八功率开关，第二谐振电感，第二谐振电容，以及连接原边和副边的变压器，其中，所述第一谐振电感包括由多个电感构成的第一电感阵列，所述第二谐振电感包括由多个电感构成的第二电感阵列，所述第一谐振电容包括由多个电容构成的第一电容阵列，所述第二谐振电感包括由多个电容构成的第二电容阵列。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述第一电感阵列和所述第二电感阵列分别包括m个并联的支路，每个支路上串联连接n个电感，每两个电感之间以及在一个电感两侧的相邻支路之间设置有开关，所述第一电感阵列和所述第二电感阵列具有相同或不同的结构，m和n为任意正整数。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述第一电容阵列和所述第二电容阵列分别包括p个并联的支路，每个支路上串联连接q个电容，每两个电容之间以及在一个电容两侧的相邻支路之间设置有开关，所述第一电容阵列和所述第二电容阵列具有相同或不同的结构，p和q为任意正整数。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述开关包括机械开关和电子开关中的任意一项。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下优势中的一项。
根据本发明的CLLC DC-DC变流器的拓扑可以改变谐振频率，扩展了变流器的增益范围，并且可以工作在更宽的开关频率范围内，可以适应更大范围的负载。
根据本发明的变流器中所采用的电感阵列和电容阵列可以控制为固定状态，也可以在工作期间改变阵列形式，使得其既可以作为传统的CLLC使用，也可以作为可以适应性改 变的变流器。
根据本发明的变流器拓扑简单，容易控制，并且不会产生较多功率损耗。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。附图中：
图1为根据本发明实施例的CLLC DC-DC变流器的示例性电路拓扑图。
图2为由多个电感构成的电感阵列的示例性结构图；
图3为由多个电容构成的电容阵列的示例性结构图。
其中，附图标记如下：
100：CLLC DC-DC变流器            Q1：第一功率开关
Q2：第二功率开关                 Q3：第三功率开关
Q4：第四功率开关                 Q5：第五功率开关
Q6：第六功率开关                 Q7：第七功率开关
Q8：第八功率开关                 Lr1：第一谐振电感
Cr1：第一谐振电容                Lm：励磁电感
Lr2：第二谐振电感                Cr2：第二谐振电容
T1：变压器                       V1：原边的输入电压
V2：副边的输出电压               L11、L12、…L1n，L21、
                                 L22、…L2n，…，Lm1、
                                 Lm2、…Lmn：电感
C11、C12、…C1q，C21、k：开关
C22、…C2q，…，Cp1、
Cp2、…Cpq：电容
P11、P12：电感阵列的连接点       P21、P22：电容阵列的连接点
具体实施方式
现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为 了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
通常CLLC变流器的谐振频率是固定的，变流器只能工作在有限的开关频率范围和有限的增益范围内，增益范围也受到变流器的负载的限制。有鉴于此，本发明提出了一种CLLC DC-DC变流器拓扑，在该拓扑中，原边和副边的谐振电感和谐振电容的值都可以改变，从而变流器的谐振频率可以改变，这样就扩展了变流器的增益范围。
下面将结合附图来具体描述根据本公开的实施例的CLLC DC-DC变流器拓扑。
图1为根据本发明实施例的CLLC DC-DC变流器100的示例性电路拓扑图。
如图1所示，CLLC DC-DC变流器100包括原边的第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4，第一谐振电感Lr1、第一谐振电容Cr1、励磁电感Lm，副边的第五功率开关Q5、第六功率开关Q6、第七功率开关Q7、第八功率开关Q8，第二谐振电感Lr2，第二谐振电容Cr2，以及连接原边和副边的变压器T1。V1和V2分别表示原边的输入电压和副边的输出电压。
在根据本发明的CLLC DC-DC变流器100中，所述第一谐振电感Lr1包括由多个电感构成的第一电感阵列，所述第二谐振电感Lr2包括由多个电感构成的第二电感阵列，所述第一谐振电容Cr1包括由多个电容构成的第一电容阵列，所述第二谐振电容Cr2包括由多个电容构成的第二电容阵列。
图2示出了由多个电感构成的电感阵列的一个具体示例。如图2所示，电感阵列包括m个并联的支路，每个支路上串联连接了n个电感，L11、L12、…L1n，L21、L22、…L2n，…，Lm1、Lm2、…Lmn，这里m表示并联的支路的数量，n表示每个支路上串联连接的电感的数量。每两个电感之间以及在电感两侧的相邻支路之间都设置有开关k。图2中的点P11和点P12是将电感阵列Lr1连接到CLLC电路中的两个连接点。通过接通或关断这些开关，可以改变电感阵列的连接，从而产生不同的电感值。第一电感阵列 和第二电感阵列可以根据设计需要而采用相同的阵列形式或者不同的阵列形式，即第一电感阵列的m和n的值与第二电感阵列的m和n的值可以根据需要分别设置为任意正整数。
图3示出了由多个电容构成的电容阵列的一个具体示例。如图3所示，电容阵列包括p个并联的支路，每个支路上串联连接了q个电容，C11、C12、…C1q，C21、C22、…C2q，…，Cp1、Cp2、…Cpq，这里p表示并联的支路的数量，q表示每个支路上串联连接的电容的数量。每两个电容之间以及在电容两侧的相邻支路之间都设置有开关k。图3中的点P21和点P22是将电容阵列Cr1连接到CLLC电路中的两个连接点。通过接通或关断这些开关，可以改变电容阵列的连接，从而产生不同的电容值。第一电容阵列和第二电容阵列可以根据设计需要而采用相同的阵列形式或者不同的阵列形式，即第一电容阵列的p和q的值与第二电容阵列的p和q的值可以根据需要分别设置为任意正整数。
电容阵列的具体形式和电感阵列的具体形式也可以不同，取决于实际需要来设计各个阵列的具体形式。
本领域技术人员可以理解，图2和图3分别示出了电感阵列和电容阵列的示例性阵列形式，本发明中所采用的电感阵列和电容阵列也可以采用其他阵列形式，而不限于图2和图3所示。
在图2和图3中，将电感阵列和电容阵列中所使用的开关中统一用附图标记k表示，而不进行区分。开关k可以采用电子开关或者机械开关。
在根据本发明的CLLC DC-DC变流器中，通过控制每个开关的状态，可以改变原边和副边的谐振电感和谐振电容的等效值，从而可以改变变流器的谐振频率。通过改变变流器的谐振频率，可以扩展变流器的增益范围，以及开关频率范围，从而使得变流器可以工作在更宽的开关频率范围内，可以适应更大范围的负载。
通常CLLC变流器的谐振频率是固定的，变流器只能工作在有限的开关频率范围和有限的增益范围内，这样也限制了变流器的负载范围。根据本发明的变流器拓扑可以改变谐振频率，然后使变流器工作在谐振频率附近的开关频率，这样的变流器具有更好地适应能力。
根据本发明的变流器中所采用的电感阵列和电容阵列可以控制为固定状态，也可以在工作期间改变阵列形式，使得其既可以作为传统的CLLC使用，也可以作为可以适应性改变的变流器。
根据本发明的变流器拓扑简单，容易控制，并且不会产生较多功率损耗。
上面结合附图阐述的具体实施方式描述了示例性实施例，但并不表示可以实现的或者 落入权利要求书的保护范围的所有实施例。在整个本说明书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

  1. CLLC DC-DC变流器(100)，包括：原边的第一功率开关(Q1)、第二功率开关(Q2)、第三功率开关(Q3)、第四功率开关(Q4)，第一谐振电感(Lr1)、第一谐振电容(Cr1)、励磁电感(Lm)、副边的第五功率开关(Q5)、第六功率开关(Q6)、第七功率开关(Q7)、第八功率开关(Q8)，第二谐振电感(Lr2)，第二谐振电容(Cr2)，以及连接原边和副边的变压器(T1)，其中，
    所述第一谐振电感(Lr1)包括由多个电感构成的第一电感阵列，所述第二谐振电感(Lr2)包括由多个电感构成的第二电感阵列，所述第一谐振电容(Cr1)包括由多个电容构成的第一电容阵列，所述第二谐振电容(Cr2)包括由多个电容构成的第二电容阵列。
  2. 如权利要求1所述的变流器(100)，其中，所述第一电感阵列和所述第二电感阵列分别包括m个并联的支路，每个支路上串联连接n个电感，每两个电感之间以及在一个电感两侧的相邻支路之间设置有开关，所述第一电感阵列和所述第二电感阵列具有相同或不同的结构，m和n为任意正整数。
  3. 如权利要求1所述的变流器(100)，其中，所述第一电容阵列和所述第二电容阵列分别包括p个并联的支路，每个支路上串联连接q个电容，每两个电容之间以及在一个电容两侧的相邻支路之间设置有开关，所述第一电容阵列和所述第二电容阵列具有相同或不同的结构，p和q为任意正整数。
  4. 如权利要求2或3所述的变流器(100)，其中，所述开关(k)包括机械开关和电子开关中的任意一项。
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