CN111817566A - 一种llct谐振型双向直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LLCT谐振型双向直流变换器，该变换器的拓扑结构包括依次连接的逆变侧全桥电路、LLCT谐振腔和整流侧全桥电路；所述LLCT谐振电路引入辅助变压器T₂，T₂一次侧并联于谐振腔入口图2中A、B两点间，二次侧与主变压器二次侧串联，同名端同向。辅助变压器T₂的引入，改变了谐振腔结构和工作频率。与LLC、CLLC等传统谐振变换器相比，本发明可实现高增益升降压双向工作，同时具备开关管的软开关特性，保证变换器的高效率；增加辅助变压器高压侧并联低压侧串联，同时副边去掉谐振电感，拓宽了增益范围，增加辅助变压器高压侧并联低压侧串联，同时副边去掉谐振电感，拓宽了增益范围。

Description

一种LLCT谐振型双向直流变换器

技术领域

本发明涉及一种谐振型双向直流变换器，尤其是一种高增益宽范围大功率双向直流变换器。

背景技术

为了解决能源枯竭和环境污染问题，近年来绿色新能源技术获得了飞速发展，分布式可再生能源的开发和有效利用成为了当今时代研究的热点。随着绿色建筑或家庭清洁能源发电***数量的增多，户用储能设备将被普遍使用，因此需要适用于分布式储能***的双向功率变换器。

在许多应用中，双向功率变换器的容量约1～5千瓦，同时为了安全和便于检修，户用储能电池的电压多为24～48伏，而为了实现并网，母线电压多为400V。较大的电压差，导致相应的双向DC/DC变换器效率较低。

相关研究虽已广泛展开，但是同时获得较宽的增益范围和效率仍然是一个巨大的挑战。例如，隔离型双向DC/DC变换器可以实现较大的电压变换等级和较好的电气隔离特性，在新能源领域运用更加广泛。双有源桥DAB电路由两个全桥、1个电感和变压器组成，高压侧和低压侧开关管均可实现零电压开通(ZVS)，开关损耗很小。但其在一些特定的场景下会有些不足，比如传输功率提高时变换器中的环流现象会明显加剧，造成电路损耗较大；另外，轻载时难以实现软开关。LLC变换器具有很高的转换效率，不同工作频率下能够产生可变电压增益，但其在反向工作模式下依然为串联谐振变换器(SRC)的特性，电压增益会大幅降低至1以下。双向全桥CLLC谐振型DC/DC变换器完全保留了LLC谐振电路的优点，在全负载范围内实现软开关以及低关断损耗的同时，实现了功率的双向流动且正反向工作过程完全对称，有很好的变换特性。但当负载加重时增益曲线难以抬升，增益范围过窄。

发明内容

针对现有直流变换器设计方法不适用于户用储能既要双向高变比又要满足高功率的需求，本发明提出了一种谐振型大功率高增益双向LLCT直流变换器，使双向DC/DC变换器更好实现高功率密度、高效率和宽增益范围。高效率高增益宽范围的新型双向直流变换器

本发明的一种LLCT谐振型双向直流变换器，该变换器的拓扑结构包括依次连接的逆变侧全桥电路、LLCT谐振腔和整流侧全桥电路；其中，所述逆变侧全桥电路包括由开关管S₁、S₂、S₃、S₄以及与它们各自并联的输出电容和并联的反向二极管D₁、D₂、D₃、D₄所构成的四个桥臂，并且还包括与S₁、S₂、S₃、S₄所在桥臂并联的高压侧电容C_H；所述LLCT谐振腔由谐振电感L_r和谐振电容C_r组成，辅助变压器T₂，T₂一次侧并联于谐振腔入口中A、B两点之间，二次谐振时的谐振腔由谐振电感L_r、谐振电容C_r和励磁电感L_m1构成；所述逆变侧全桥电路包括开关管S₅、S₆、S7、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂以及与它们并联的各个寄生电容电容和并联的各个反向二极管D₅、D₆、D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂所构成的八个逆变侧全桥桥臂，在逆变侧全桥桥臂的C、D两点之间、E、F两点之间分别跨接了串联的主变压器T₁、辅助变压器T₂，并且还包括在S₅、S₆、S7、S₈所在桥臂并联的一低压侧电容C_L；

该变换器正向工作时，所述逆变侧全桥电路通过调节开关管的开/关频率调整电压增益；该变换器反向工作时，所述整流侧全桥电路通过调节该模块开关管开关频率调整电压增益。

与LLC、CLLC等传统谐振变换器相比，本发明能够实现的积极技术效果如下：

1)可实现高增益升降压双向工作，同时具备开关管的软开关特性，保证变换器的高效率；

2)增加辅助变压器高压侧并联低压侧串联，同时副边去掉谐振电感，拓宽了增益范围如图6所示；

3)增加辅助变压器高压侧并联低压侧串联，同时副边去掉谐振电感，拓宽了增益范围。

附图说明

图1为本发明的LLCT谐振型双向直流变换器拓扑结构示意图；

图2为本发明的LLCT谐振型双向直流变换器正向运行工作模态图；(2a)正向运行工作模态1，(2b)正向运行工作模态2，(2c)正向运行工作模态3，(2d)正向运行工作模态4；

图3为本发明的LLCT谐振型双向直流变换器正向运行工作波形图；(3a)、f'_s<f_r断续情况下工作波形，(3b)f's≥f_r连续情况下工作波形；

图4为本发明的LLCT谐振型双向直流变换器反向运行工作模态图；(4a)反向运行工作模态1，(4b)反向运行工作模态1，(4c)反向运行工作模态3，(4d)反向运行工作模态4；

图5为本发明的LLCT谐振型双向直流变换器反向运行模式工作波形图；(5a)f'_s<f_r断续情况下工作波形，(5b)f's≥f_r连续情况下工作波形；

图6为本发明的LLCT谐振型双向直流变换器工作增益曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案进行具体描述。

本发明提出了一种LLCT谐振型双向直流变换器，包括逆变侧全桥电路、LLCT谐振腔和整流侧全桥电路，这三个部分依次连接。变换器正向工作时，所述逆变侧全桥电路通过调节开关管开关频率调整电压增益；变换器反向工作时，所述整流侧全桥电路同样通过调节该模块开关管开关频率调整电压增益；所述LLCT谐振腔过引入辅助变压器T2，利用其自身变比提高电压增益，保证开关管的零电压开通和二极管的零电流关断。

如图1所示，为本发明的LLCT谐振型双向直流变换器拓扑结构示意图，包括逆变侧全桥电路、LLCT谐振腔和整流侧全桥电路。其中，所述逆变侧全桥电路包括由开关管S₁、S₂、S₃、S₄以及与它们各自并联的输出电容和并联的反向二极管D₁、D₂、D₃、D₄所构成的四个桥臂构成，同时包括与桥臂并联的高压侧电容C_H。所述LLCT谐振腔由谐振电感L_r、谐振电容C_r、主变压器T₁和辅助变压器T₂组成。T₂一次侧并联于谐振腔入口中A、B两点之间，二次谐振时的谐振腔由谐振电感L_r、谐振电容C_r和励磁电感L_m1构成。所述逆变侧全桥电路包括开关管S₅、S₆、S7、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂以及与它们并联的各个寄生电容电容和并联的各个反向二极管D₅、D₆、D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂所构成的八个逆变侧全桥桥臂，在逆变侧全桥桥臂的C、D两点之间、E、F两点之间分别跨接了串联的主、辅变压器T₁、T₂。对应逆变侧全桥电路，T₁、T₂表示主、辅变压器的原边绕线侧；对应整流侧全桥电路，T₁、T₂表示主、辅变压器的副边绕线侧，。

本发明涉及适用于直流储能***和直流配用电领域的新型双向直流变换器拓扑，可实现开关管的软开关技术，提高了变换器的效率和功率密度，并拓宽了增益范围。

变换器正向工作时，所述逆变侧全桥电路通过调节开关管的开/关频率调整电压增益；变换器反向工作时，所述整流侧全桥电路同样通过调节该模块开关管开关频率调整电压增益；所述LLCT谐振腔过引入辅助变压器T₂，T₂一次侧并联于谐振腔入口A、B两点间，二次侧与主变压器二次侧串联，同名端同向，利用其自身变比提高电压增益，保证开关管的零电压开通和二极管的零电流关断，改变了谐振腔结构和工作频率，实现宽范围下的高增益目标。

LLCT谐振型直流变换器为双向变换拓扑，下面分别从正向和反向两个方向介绍变换器工作模式。

(一)正向工作模式：

当能量从高压侧传输到低压侧时，正向模式下的等效电路和关键波形如图2和图3所示。当开关频率低于主谐振频率时，LLCT变换器以DCM模式工作，在半周期内有四个工作模态，如图2中(2a)、(2b)、(2c)和(2d)所示。

本发明的LLCT谐振型双向直流变换器正向运行工作波形图

当开关频率超过主谐振频率时，LLCT变换器工作在CCM模式，如图2中(2a)、(2b)和(2c)所示，半周期内只有三个工作模态。

C_r为谐振电容、L_r为谐振电感、L_m1、L_m2为变压器T₁、T₂的励磁电感，N₁、N₂为对应变压器变比。i_Lr为谐振电感电流，i_Lm1、i_Lm2为流经变压器T₁、T₂的励磁电感电流，f_s为一次侧开关频率，f_{r_m}为主谐振频率，f_r2F为第二谐振频率。

当变换器工作在正向运行模式时，根据开关频率f_s与主谐振频率f_{r_m}的关系，变换器分别工作在连续模式(continuous conduction mode，CCM)和断续模式(discontinuousconduction mode，DCM)。如图2所示，为本发明的LLCT谐振型双向直流变换器正向运行工作模态图。(2a)和(2b)分别为正向运行工作模态1、正向运行工作模态2，在死区时间内，寄生电容通过反并联二极管充放电以实现高压侧开关管的零电压开通。图2中(2c)LLCT变换器工作在主谐振持续时间，图2中的(2d)为LLCT变换器工作在第二谐振区间。

正向运行工作模态1(t₀～t₁)：如(2a)所示。高压侧开关管S₂和S₃在t₀时刻关闭，谐振电流通过反并联二极管对S₂和S₃的输出电容充电，对S₁和S₄的输出电容放电，u_AB升高。高压侧开关管的漏源电压u_S1、u_S2、u_S3和u_S4用下列公式表示：

如(2b)所示的正向运行工作模态2(t₁～t₂)：S₁和S₄的反并联二极管D₁和D₄在t₁时刻导通，之后，u_S1和u_S4被钳位至零，u_S2、u_S3和u_AB保持在U_H。因此，S₁和S₄实现零电压开通。流经开关管S₁和S₄的电流满足下式：

如(2c)所示的正向运行工作模态3(t₂～t₃)：S₁和S₄、S₅和S₈以及S₉和S₁₂在t₂时刻导通。与LLC类似，谐振腔工作在主谐振频率，功率从高压侧传输到低压侧。励磁电感L_m1的电流增大，i_Lr随主谐振频率的变化而变化。在t₃时刻，i_Lr等于i_Lm1。此时谐振腔由谐振电感L_r和谐振电容C_r组成，主谐振频率表示为：

假设在t₂时，C_r上的电压为u_crt2，L_r的电流为I_Lrt2，则电流i_Lr(t)和电压u_cr(t)表示为：

在上述方程中，Z_rF表示无辅助变压器T₂时，谐振腔逆变侧的输入阻抗。

如(2d)所示的正向运行工作模态4(t₃～t₄)：S₁和S₄在t₃时刻仍处于导通状态，但S₅和S₈、S₉和S₁₂在t₄时刻关闭。由于低压侧整流模块在此模态不工作，开关管工作在断续模式。假设t₃时刻L_r上电流和C_r上电压分别为I_Lrt3和U_crt3，则电流i_Lr(t)和电压U_cr(t)表示为：

在上述方程中，Z_r2F为谐振腔工作在二次谐振频率时的输入阻抗。

二次谐振时，谐振腔由谐振电感L_r、谐振电容C_r和励磁电感L_m1构成。由于励磁电感L_m2的电压被钳位至U_H，所以不参与谐振。因此，正向模式下的二次谐振频率f_r2F为：

(二)反向工作模式：

当能量从低压侧传输到高压侧时，反向模式下的等效电路和关键波形如图4和图5所示。与正向运行工作模式类似，当开关频率低于主谐振频率时，LVS侧开关管工作在DCM模式，半周期内LLCT变换器有四个工作模态，如图4中(4a)、(4b)、(4c)、(4d)所示。当开关频率高于主谐振频率时，变换器工作在CCM模式，半周期内有三个工作模态，如图4中(4a)、(4b)和(4c)所示。

如(4a)所示的反向运行工作模态1(t₀-t₁)：，t₀时刻，高压侧开关管S₆和S₇、S₁₀和S₁₁关断。低压侧上的谐振电流对S₆和S₇、S₁₀和S₁₁的寄生电容充电，对S₅和S₈、S₉和S₁₂的寄生电容放电，u_CD升高。低压侧开关管电压用下列方程表示

如4(b)所示的反向运行工作模态2(t₁-t₂)：开关管S₅和S₈、S₉和S₁₂的反并联二极管D₅和D₈、D₉和D₁₂在t₁时刻导通，之后，u_S5和u_S8、u_S9和u_S12被钳位至零，u_S6和u_S7、u_S10和u_S11以及u_CD保持U_L不变。因此，S₅和S₈、S₉和S₁₂可以零电压导通。

反向运行工作模态3(t₂-t₃)：如(4c)所示，t₂时刻，开关管S₅和S₈、S₉和S₁₂导通，功率由低压侧传输至高压侧，S₁和S₄的反向并联二极管D₁和D₄在t₂时刻导通，t₃时刻关断。谐振腔工作在主谐振频率。假设t₂时刻Cr上的电压为U'_Crt2，L_r的电流为I'_Lrt2，则谐振电流和电压表示为：

在上述方程中，Z_rB表示反向工作时谐振腔的输入阻抗。

在第三模态中，励磁电感电流i'_Lm1和i'_Lm2升高。至t₃时刻，i'Lr满足以下等式，功率停止从低压侧传输至高压侧。

如(4d)所示的反向运行工作模态4(t₃-t₄)：开关管S₅和S₈、S₉和S₁₂在t₃时刻依然处于导通状态，S₁和S₄关断。假设t₃时刻L_r上电流为I'_Lrt3，C_r上电压为U'_Crt3，则电流i'_Lr(t)和电压u'_Cr(t)表示为：

本发明是一种以户用储能***为背景的LLCT谐振型直流变换器。与传统LLC变换器相比，LLCT电路加入辅助变压器T₂参与谐振，利用自身变比有效提高升压能力。副边采用两条支路并联的方式分流，从而减小流过开关管的电流，降低损耗，实现较高的工作效率。

Claims (1)

1.一种LLCT谐振型双向直流变换器，其特征在于，该变换器的拓扑结构包括依次连接的逆变侧全桥电路、LLCT谐振腔和整流侧全桥电路；其中，所述逆变侧全桥电路包括由开关管S₁、S₂、S₃、S₄以及与它们各自并联的输出电容和并联的反向二极管D₁、D₂、D₃、D₄所构成的四个桥臂，并且还包括与S₁、S₂、S₃、S₄所在桥臂并联的高压侧电容C_H；所述LLCT谐振腔由谐振电感L_r和谐振电容C_r组成，辅助变压器T₂，T₂一次侧并联于谐振腔入口中A、B两点之间，二次谐振时的谐振腔由谐振电感L_r、谐振电容C_r和励磁电感L_m1构成；所述逆变侧全桥电路包括开关管S₅、S₆、S7、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂以及与它们并联的各个寄生电容电容和并联的各个反向二极管D₅、D₆、D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂所构成的八个逆变侧全桥桥臂，在逆变侧全桥桥臂的C、D两点之间、E、F两点之间分别跨接了串联的主变压器T₁、辅助变压器T₂，并且还包括在S₅、S₆、S7、S₈所在桥臂并联的一低压侧电容C_L；

该变换器正向工作时，所述逆变侧全桥电路通过调节开关管的开/关频率调整电压增益；该变换器反向工作时，所述整流侧全桥电路通过调节该模块开关管开关频率调整电压增益。

Images