具有双电压增益曲线的LLC谐振变流器的制作方法

具有双电压增益曲线的llc谐振变流器
技术领域
1.本发明涉及一种串并联谐振变流器，具体涉及一种具有双电压增益曲线的llc谐振变流器。


背景技术：

2.在光伏发电并网、新能源电动汽车充电和储能电站等领域，由于在输入电源侧和输出负载侧的工况不断变化，导致连接与直流电源和负载的dc/dc变流器需要具有宽电压增益的优良特性。同时，为了在电源侧和负载侧设置一道电气故障隔离，通常采用隔离型dc/dc变流器来连接直流侧电源和负载。
3.由于llc谐振变流器具有软开关、高效率和高功率密度等优点，因此，llc谐振变流器常被应用于宽电压增益场合。传统llc谐振变流器分为半桥llc谐振变流器和全桥llc谐振变流器，半桥llc谐振变流器受限于散热条件和开关器件的功率处理能力等，常用于中、小功率场合；全桥llc谐振变流器虽然可用于大功率场合，但面临宽电压增益应用时会导致开关器件的开关损耗增加。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种具有双电压增益曲线的llc谐振变流器，利用hb模式在较低的开关频率下为负载提供低电压增益，可降低llc谐振变流器在低电压增益区的开关频率和开关损耗，利用tp模式为负载提供高电压增益，将hb模式和tp模式相结合，可在窄频率范围内为负载提供宽电压增益。
5.本发明的技术方案是：
6.一种具有双电压增益曲线的llc谐振变流器，包括原边电路和副边电路；所述原边电路包括顺次串联连接的高频开关q1、谐振电容c
r1
、高频隔离变压器t1的原边、谐振电感l
r1
、谐振电感l
r2
、高频隔离变压器t2的原边和谐振电容c
r2
，串联电路谐振电容c
r1
、高频隔离变压器t1的原边和谐振电感l
r1
的两端并联有高频开关q2，串联电路谐振电感l
r2
、高频隔离变压器t2的原边和谐振电容c
r2
的两端并联有高频开关q3；所述高频隔离变压器t1的副边的中心抽头、所述高频隔离变压器t2的副边的中心抽头与滤波电容c0的一端星型连接，所述高频隔离变压器t1的副边的上边与二极管d1的阳极电连接，所述高频隔离变压器t1的副边的下边与二极管d2的阳极电连接，所述高频隔离变压器t2的副边的上边与二极管d3的阳极电连接，所述高频隔离变压器t2的副边的下边与二极管d4的阳极电连接，所述二极管d1的阴极、二极管d2的阴极、二极管d3的阴极、二极管d4的阴极与所述滤波电容c0的另一端星型连接。
7.优选的，所述高频开关q1、高频开关q2和高频开关q3均为带寄生关联电容的mosfet管。
8.前述的具有双电压增益曲线的llc谐振变流器的使用方法，包括以下步骤：
9.高频开关q1的触发信号为占空比为50％的脉冲宽度调制波，高频开关q2和高频开
关q3的触发信号也为50％的pwm波，但高频开关q2和高频开关q3的触发信号同相位，且高频开关q2和高频开关q3的触发信号与高频开关q1的触发信号互补，则所述具有双电压增益曲线的llc谐振变流器工作在hb模式；
10.高频开关q1的触发信号恒为高电平波，高频开关q2的触发信号为50％的脉冲宽度调制波，高频开关q3的触发信号与高频开关q2的触发信号互补，则所述具有双电压增益曲线的llc谐振变流器工作在tp模式。
11.本发明的有益效果是：
12.1.利用hb模式在较低的开关频率下为负载提供低电压增益，且不需要更宽的开关频率，可降低llc谐振变流器在低电压增益区的开关频率和开关损耗，利用tp模式为负载提供高电压增益，将hb模式和tp模式相结合，可在窄频率范围内为负载提供宽电压增益。本发明技术方案中，llc谐振变流器原边只有3只全控型开关器件，比全桥llc谐振变流器的硬件成本低，但最大电压增益与全桥llc谐振变流器的最大电压增益相同。本发明技术方案中，相比于传统半桥llc谐振变流器，提出的llc谐振变流器具有更高的峰值电压增益。
13.2.当该llc谐振变流器工作在hb模式时，该llc谐振变流器可在较低频率下为负载提供低电压增益，可降低低电压增益区的开关损耗。当该llc谐振变流器工作在tp模式时，该llc谐振变流器可通过2个llc通道为负载提供高电压增益。
附图说明
14.图1为一种具有双电压增益曲线的llc谐振变流器的电路结构图。
15.图2为图1所示的具有双电压增益曲线的llc谐振变流器在tp模式下的等效电路图。
16.图3为图1所示的具有双电压增益曲线的llc谐振变流器在tp模式下的工作波形示意图。
17.图4为图1所示的具有双电压增益曲线的llc谐振变流器在hb模式下的等效电路图。
18.图5为图1所示的具有双电压增益曲线的llc谐振变流器在hb模式下的工作波形示意图。
19.图6为图1所示的具有双电压增益曲线的llc谐振变流器在hb模式和ip模式之间的切换控制示意图。
20.图7为图1所示的具有双电压增益曲线的llc谐振变流器的电压增益曲线图；
具体实施方式
21.下面结合附图，以实施例的形式说明本发明，以辅助本技术领域的技术人员理解和实现本发明。除另有说明外，不应脱离本技术领域的技术知识背景理解以下的实施例及其中的技术术语。
22.本发明提出的一种具有双电压增益曲线的llc谐振变流器，其功能是将原边输入侧的直流电压变换为副边需要的另外一种直流电压，根据应用需要，变换情况总共有以下3种情况：
23.1)输入侧电压恒定，输出侧电压随负载情况变化；
24.2)输入侧电压随电源工作状态而变化，输出侧电压恒定；
25.3)输入侧电压随电源工作状态而变化，输出侧电压随负载情况也发生变化。
26.实施例1：一种具有双电压增益曲线的llc谐振变流器，包括原边电路和副边电路；所述原边电路包括顺次串联连接的高频开关q1、谐振电容c
r1
、高频隔离变压器t1的原边、谐振电感l
r1
、谐振电感l
r2
、高频隔离变压器t2的原边和谐振电容c
r2
，串联电路谐振电容c
r1
、高频隔离变压器t1的原边和谐振电感l
r1
的两端并联有高频开关q2，串联电路谐振电感l
r2
、高频隔离变压器t2的原边和谐振电容c
r2
的两端并联有高频开关q3；所述高频隔离变压器t1的副边的中心抽头、所述高频隔离变压器t2的副边的中心抽头与滤波电容c0的一端星型连接，所述高频隔离变压器t1的副边的上边与二极管d1的阳极电连接，所述高频隔离变压器t1的副边的下边与二极管d2的阳极电连接，所述高频隔离变压器t2的副边的上边与二极管d3的阳极电连接，所述高频隔离变压器t2的副边的下边与二极管d4的阳极电连接，所述二极管d1的阴极、二极管d2的阴极、二极管d3的阴极、二极管d4的阴极与所述滤波电容c0的另一端星型连接。
27.图1中，l
m1
为高频隔离变压器t1的励磁电感，l
m2
为高频隔离变压器t2的励磁电感。r0为负载。
28.参见图1，原边部分包括3只高频开关器件q1、q2和q3，如图1所示，开关器件q1、q2和q3在形式上是串联关系，q1的一端和q3的一端分别和输入电压u
in
的正极和负极连接；p1、p2和p3分别为q1、q2和q3的触发信号，i
q1
、i
q2
和i
q3
分别为流过开关器件q1、q2和q3的电流；原边开关器件q1、q2和q3自带反并联二极管，且具有寄生并联电容；p1、p2和p3具有一定死区时间用于实现原边开关器件的零电压开关(zero-voltage switching，zvs)。
29.参见图1，本实施例中提出的llc谐振变流器包含2个串并联llc通道，如图1所示，第1通道包括隔离变压器t1、谐振电容c
r1
和谐振电感l
r1
；第2通道包括隔离变压器t2、谐振电感l
r2
和谐振电容。两llc通道的谐振电感相等，即l
r1
＝l
r2
＝lr，谐振电容相等，即c
r1
＝c
r2
，变压器构造相同，变压器t1的原边匝数n
t1,p
与变压器t2的原边匝数n
t2,p
相等，变压器t1的副边匝数n
t1,s
与变压器t2的副边匝数n
t2,s
相等，即n
t1,p
＝n
t2,p
，n
t1,s
＝n
t2,s
。u
cr1
为谐振电容c
r1
两端的电压，u
cr2
为谐振电容c
r2
两端的电压，i
m1
为变压器t1的励磁电流，i
m2
为变压器t2的励磁电流，i
r1
为流过谐振电流l
r1
的电流，i
r2
为流过谐振电流l
r2
的电流。
30.参见图1，副边部分包括整流二极管d1、d2、d3和d4，输出滤波电容co，二极管d1、d2、d3和d4的型号相同，具有相同的等效串联电阻、反向恢复电流和反向恢复时间等。i
d1
、i
d2
、i
d2
和i
d4
分别为流过整流二极管d1、d2、d3和d4的电流。
31.优选的，所述高频开关q1、高频开关q2和高频开关q3均为带寄生关联电容的mosfet管。
32.前述的具有双电压增益曲线的llc谐振变流器的使用方法，包括以下步骤：
33.高频开关q1的触发信号为占空比为50％的脉冲宽度调制波，高频开关q2和高频开关q3的触发信号也为50％的pwm波，但高频开关q2和高频开关q3的触发信号同相位，且高频开关q2和高频开关q3的触发信号与高频开关q1的触发信号互补，则所述具有双电压增益曲线的llc谐振变流器工作在hb模式；
34.高频开关q1的触发信号恒为高电平波，高频开关q2的触发信号为50％的脉冲宽度调制波，高频开关q3的触发信号与高频开关q2的触发信号互补，则所述具有双电压增益曲线
的llc谐振变流器工作在tp模式。
35.一种具有双电压增益曲线的llc谐振变流器工作在tp模式时的等效电路如图2所示。
36.在tp模式下，r
o,tp
为提出的llc谐振变流器工作tp模式时每通道输出侧的直流等效电阻，可表示为：
[0037][0038]uab
为a点和b点电压的基波分量，u
bc
为a点和b点电压的基波分量。
[0039]
在tp模式下，r
ac,tp
为提出的llc谐振变流器工作于tp模式时的交流等效电阻，可表示为：
[0040][0041]
在tp模式下，n
t,tp
为tp模式下变压器的等效变比，可表示为：
[0042][0043]
在tp模式下，提出的llc谐振变流器的电压增益g
tp
可表示为：
[0044][0045][0046]
本实施例中，一种具有双电压增益曲线的llc谐振变流器工作在hb模式时的等效电路如图4所示。
[0047]
在hb模式下，变压器的等效变比n
t,hb
可表示为：
[0048][0049]
在hb模式下，交流等效电阻r
ac,hb
为：
[0050][0051]
在hb模式下，提出的llc谐振变流器的电压增益g
hb
为：
[0052][0053]
本实施例中，提出的llc谐振变流器工作在tp模式下的波形如图3所示，工作在hb模式下的波形如图5所示，u
ab
为a点与b点之间的电压u
bc
为b点与c点之间的电压，i
m1
为t1的励磁电流，i
m2
为t2的励磁电流，i
lr1
为流过l
r1
的电流，i
lr2
为流过l
r2
的电流，i
d1
、i
d2
、i
d3
和i
d4
为流过二极管d1、d2、d3和d4的电流，p1、p2和p3为q1、q2和q3的触发信号。
[0054]
本实施例中，提出的llc谐振变流器从hb模式切换到tp模式的控制方法如图6所示，g
hb,min
和g
hb,max
分别为hb模式下提出的llc谐振变流器的最大电压增益和最小电压增益，g
tp,min
和g
tp,max
分别为tp模式下提出的llc谐振变流器的最大电压增益和最小电压增益。f
s,max
为提出的llc谐振变流器的最大开关频率，f
s,hb,swit
为提出的llc谐振变流器在hb模式下的最小开关频率，f
s,tp,swit
为提出的llc谐振变流器在tp模式下的最大开关频率，f
s,min
为提出的llc谐振变流器在tp模式下的最小开关频率。
[0055]
本实施例中，提出的llc谐振变流器既可以工作在hb模式，为负载提供低电压增益，并达到降低llc谐振变流器工作频率的目的，还可以工作在tp模式，为负载提供高电压增益。将hb模式和tp模式的电压增益曲线相结合，即可同时达到提高电压增益，降低最大开关频率的目的。hb模式和tp模式电压增益曲线结合在一起后，提出的llc谐振变流器的电压增益曲线如图7所示。
[0056]
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明。应当明白，实践中无法穷尽地说明所有可能的实施方式，在此通过举例说明的方式尽可能的阐述本发明得发明构思。在不脱离本发明的发明构思、且未付出创造性劳动的前提下，本技术领域的技术人员对上述实施例中的技术特征进行取舍组合、具体参数进行试验变更，或者利用本技术领域的现有技术对本发明已公开的技术手段进行常规替换形成的具体的实施例，均应属于为本发明隐含公开的内容。