CN116470774B - 一种t型lcl谐振变换器及其全范围软开关调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种T型LCL谐振变换器及其全范围软开关调制方法，T型LCL型谐振变换器原边为全桥逆变电路，由四个MOS管组成；副边为半桥整流电路，由两个MOS管和两个均压电容组成，原边和副边之间用T型LCL谐振槽和高频变压器连接。基于此谐振变换器，提出了一种全范围软开关调制策略，调制策略要求一个周期内所有开关以50%占空比运行，原边为三电平对称波形，副边为二电平方波，副边基波滞后原边基波相角。通过调整谐振电感电流的相位，本发明可以让变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行，从而获得最小化的开关损耗，极大地提高了变换器的效率。

Description

一种T型LCL谐振变换器及其全范围软开关调制方法
技术领域
本发明涉及高频隔离型DC-DC谐振变换器的调制技术领域，具体的涉及一种T型LCL谐振变换器及其全范围软开关调制方法。
背景技术
高频隔离型DC-DC变换器被广泛运用在DC微电网、固态变压器和电动汽车(EVs)之中。其中，双有源桥(DAB)变换器由于电气隔离、高开关频率、低EMI和容易实现软开关等优点被广泛研究。但是，DAB变换器在电压不匹配时容易失去软开关，导致变换器效率急剧降低。因此，学者们提出了高频隔离型DC-DC谐振式变换器，与DAB相比具有更容易的软开关，电流近似正弦。常见的高频隔离型DC-DC谐振式变换器有串联谐振变换器、并联谐振变换器和LLC谐振变换器，它们提高了变换器的效率，但仍然无法在全范围下实现软开关。
为了提高高频隔离型DC-DC变换器效率，学者们采用不同调制策略来减小开关损耗，改善效率。单移相（single-phase-shift，SPS）是最简单的调制策略，但当电压不匹配时开关管难以实现软开关；拓展移相控制(extended-phase-shift，EPS)和双移相控制（dual-phase-shift，DPS）可以减少无功环流和电流应力，增加了软开关范围，但轻载时失去软开关；三移相控制（triple-phase-shift，TPS）使变换器在轻载条件下进一步提升了软开关范围，有效减少了无功环流和电流应力，但是控制的复杂度急剧上升，且仍然无法实现所有开关的软开管。
申请号2022116095932公开了一种CLCLC型谐振变换器在LCL型谐振变换器基础上仅添加两个额外的电容。非对称调制策略，一次侧电压正半周脉冲宽度可调，负半周脉冲宽度固定为，二次侧电压正半周脉冲宽度可调，负半周脉冲宽度固定为/>。此外，二次侧电压滞后一次侧电压相位。该非对称调制策略只能适用CLCLC型谐振变换器，无法适用其他不同性质的谐振槽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种T型LCL谐振变换器及其全范围软开关调制方法，可以适用于T型LCL谐振变换器，可以让变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行，实现最小化的开关损耗，极大地提高了变换器的效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种T型LCL谐振变换器，包括依次相连的原边全桥、谐振槽、高频变压器和副边半桥，所述原边全桥包括开关管，所述开关管S 1 ~S 4 构成全桥逆变电路；所述谐振槽包括设置在原边的第一谐振电感/>、第二谐振电感/>和谐振电容/>，所述第一谐振电感/>和第二谐振电感/>依次连接，所述第一谐振电感/>连接原边全桥的第一连接点，所述谐振电容/>一端连接于所述第一谐振电感/>和第二谐振电感/>的连接节点，另一端连接所述原边全桥的第二连接点；所述高频变压器的匝数比为/>；所述副边半桥包括开关管和
，所述开关管/>、/>和均压电容/>、/>构成半桥整流电路。
本发明还公开了一种T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法，采用上述的T型LCL谐振变换器，调制方法包括以下步骤：
步骤S01：一个周期内，调节原边高频交流电压为三电平对称波形且幅值为，正、负脉冲宽度可调；副边高频交流电压/>为二电平方波且幅值为/>，正、负脉冲宽度固定为/>，/>和/>分别是输入电压和输出电压；
步骤S02：调节副边基波滞后原边基波相角，通过调整谐振电感/>的电流/>相位，使得变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行。
优选的技术方案中，所述步骤S01中，调节开关管的脉冲宽度，产生原边高频交流电压/>的波形，具体方法为：使开关管/>保持50%占空比互补导通，开关管滞后开关管/>一定的角度，开关管/>和开关管/>同时开通的部分定义为/>，产生了一个具有三电平的对称电压波形且波形幅值为/>，通过调整/>大小控制原边电压波形的脉冲宽度。
优选的技术方案中，调节开关管S 5和S 6的脉冲宽度，以50%占空比互补导通，副边基波滞后原边基波相角 ，由此产生一个波形幅值为/>的二电平方波。
优选的技术方案中，所述步骤S02中调整谐振电感的电流/>相位至/>处。
优选的技术方案中，谐振电感的电流/>和谐振电感/>的电流/>的计算方法包括：
得到变换器在相量域下的等效电路，根据KCL和KVL定律，得到：
其中，是/>的相量表达形式，/>是/>转换到原边的相量表达形式，/>和/>分别是谐振电感/>的电流/>和谐振电感/>的电流/>的相量表达形式，/>为开关角频率；
当电路谐振运行时，开关角频率等于谐振角频率，谐振角频率，这里/>，上述表达式化简为：
采用基波近似法进行稳态分析，和/>的傅里叶基波相量表达式为：
进一步得到：
和/>分别是输入电压和输出电压。
优选的技术方案中，还包括：
使谐振电感的电流/>的相位保持到/>，即需要满足以下条件：
即
计算得到输出功率：
。
本发明还公开了一种T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制***，采用上述的T型LCL谐振变换器，调制***包括：
原边高频电压波形调节模块，一个周期内，调节原边高频交流电压为三电平对称波形且幅值为/>，正、负脉冲宽度可调；/>是输入电压；
副边高频电压波形调节模块，一个周期内，调节副边高频交流电压为二电平方波且幅值为/>，正、负脉冲宽度固定为/>；调节副边基波滞后原边基波相角/>；/>是输出电压；
相位调节模块，调整谐振电感的电流/>相位，使得变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行。
优选的技术方案中，所述原边高频电压波形调节模块，调节开关管的脉冲宽度，产生原边高频交流电压/>的波形，具体方法为：使开关管/>保持50%占空比互补导通，开关管/>滞后开关管/>一定的角度，开关管/>和开关管/>同时开通的部分定义为/>，产生了一个具有三电平的对称电压波形且波形幅值为/>，通过调整/>大小控制原边电压波形的脉冲宽度。
本发明又公开了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1) 本发明拓扑结构具有导抗网络性质，输入电压与输出电流相位相差90°、输出电压与输入电流相位相差90°，可以使原边和副边保持单位功率因数运行，减小导通损耗。
(2) 本发明二次侧为半桥结构，减少了开关管的电压应力，降低了成本。
(3) 本发明调制策略要求一个周期内所有开关以50%占空比运行，原边为三电平对称波形，副边为二电平方波，副边基波滞后原边基波相角。通过调整谐振电感电流的相位，本发明可以让变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行，从而获得最小化的开关损耗，极大地提高了变换器的效率。
附图说明
图1是T型LCL谐振变换器原理图；
图2是在T型LCL谐振变换器下采用全范围软开关调制策略的稳态波形图；
图3是T型LCL谐振变换器在相量域下的等效电路图；
图4是T型LCL谐振变换器谐振电感电流和电压的相位图；
图5是，/>，/>，/>，/> 、/> 、/> 、/> 、/> 、 和各开关管电流波形；
图6是，/>，/>，/>，/> 、/> 、/> 、/> 、/> 、 和各开关管电流波形；
图7是，/>，/>，/>，/> 、/> 、/> 、/> 、/> 、 和各开关管电流波形；
图8是，/>，/>，/>，/> 、/> 、/> 、/> 、/> 、/>和各开关管电流波形。
具体实施方式
本发明的原理是：LCL型谐振变换器原边为全桥逆变电路，由四个MOS管组成；副边为半桥整流电路，由两个MOS管和两个均压电容组成，减少了开关管的电压应力，降低了成本。原边和副边之间用T型LCL谐振槽和高频变压器连接，具有导抗网络性质，即输入电压与输出电流相位相差90°、输出电压与输入电流相位相差90°，可以使原边和副边保持单位功率因数运行，减小导通损耗，基于此谐振变换器，提出了一种全范围软开关调制策略。所述调制策略要求一个周期内所有开关以50%占空比运行，原边为三电平对称波形，副边为二电平方波，副边基波滞后原边基波相角。通过调整谐振电感电流的相位，本发明可以让变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行，从而获得最小化的开关损耗，极大地提高了变换器的效率。
实施例1：
如图1所示，一种T型LCL谐振变换器，包括依次相连的原边全桥、谐振槽、高频变压器和副边半桥，所述原边全桥包括开关管，所述开关管/>构成全桥逆变电路；所述谐振槽包括设置在原边的第一谐振电感/>、第二谐振电感/>和谐振电容/>，所述第一谐振电感/>和第二谐振电感/>依次连接，所述第一谐振电感/>连接原边全桥的第一连接点，所述谐振电容/>一端连接于所述第一谐振电感/>和第二谐振电感/>的连接节点，另一端连接所述原边全桥的第二连接点；所述高频变压器的匝数比为/>；所述副边半桥包括开关管/>和/>，所述开关管/>、/>和均压电容/>、/>构成半桥整流电路。
该T型LCL型谐振变换器具有导抗网络性质，输入电压与输出电流相位相差90°、输出电压与输入电流相位相差90°，可以使原边和副边保持单位功率因数运行，减小导通损耗，且此拓扑副边为半桥结构，减少了开关管的电压应力，降低了成本。
具体的，原边全桥包括开关管，体二极管/>，寄生电容/>，副边半桥包括开关管/>和/>，体二极管/>和/>，寄生电容/>和/>，/>是谐振电容的电流。
另一实施例中，一种T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法，采用上述的T型LCL谐振变换器，调制方法包括以下步骤：
S01：一个周期内，调节原边高频交流电压为三电平对称波形且幅值为/>，正、负脉冲宽度可调；副边高频交流电压/>为二电平方波且幅值为/>，正、负脉冲宽度固定为/>，/>和/>分别是输入电压和输出电压；
S02：调节副边基波滞后原边基波相角，通过调整谐振电感/>的电流/>相位，使得变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行。
一实施例中，步骤S01中，如图2所示，调节开关管的脉冲宽度，产生原边高频交流电压/>的波形，具体方法为：使开关管/>保持50%占空比互补导通，开关管滞后开关管/>一定的角度，开关管/>和开关管/>同时开通的部分定义为，产生了一个具有三电平的对称电压波形且波形幅值为/>，通过调整/>大小控制原边电压波形的脉冲宽度。
一实施例中，调节开关管和/>的脉冲宽度，以50%占空比互补导通，副边基波滞后原边基波相角/> ，由此产生一个波形幅值为/>的二电平方波。
一实施例中，步骤S02中调整谐振电感的电流/>相位至/>处，从而实现全范围软开关。
一实施例中，谐振电感的电流/>和谐振电感/>的电流/>的计算方法包括：
得到变换器在相量域下的等效电路，如图3所示，根据KCL和KVL定律，得到：
其中，是/>的相量表达形式，/>是/>转换到原边的相量表达形式，/>和/>分别是谐振电感/>的电流/>和谐振电感/>的电流/>的相量表达形式，/>为开关角频率；
当电路谐振运行时，开关角频率等于谐振角频率，谐振角频率，这里/>，上述表达式化简为：
这表示谐振电感电流和电压的相位关系，如图4所示：谐振电感的电流/>超前副边电压/>角度90°，谐振电感/>的电流/>滞后一次侧电压/>角度90°。
采用基波近似法进行稳态分析，和/>的傅里叶基波相量表达式为：
进一步得到：
和/>分别是输入电压和输出电压。
一实施例中，还包括：
为了实现全范围软开关，需要对谐振电感电流的相位进行调整。将谐振电感的电流/>过零点调整在/>处，即需要满足以下条件：
即
计算得到输出功率：
。
定义电压增益的表达式如下：
则输出功率表达式可以化简为：
。
另一实施例，一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法。
另一实施例中，一种T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制***，采用上述的T型LCL谐振变换器，调制***包括：
原边高频电压波形调节模块，一个周期内，调节原边高频交流电压为三电平对称波形且幅值为/>，正、负脉冲宽度可调；/>是输入电压；
副边高频电压波形调节模块，一个周期内，调节副边高频交流电压为二电平方波且幅值为/>，正、负脉冲宽度固定为/>；调节副边基波滞后原边基波相角/>；是输出电压；
相位调节模块，调整谐振电感的电流/>相位，使得变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行。
通过三个模块的协作调节，实现了变换器全功率范围下所有开关管的软开关。
一实施例中，原边高频电压波形调节模块，调节开关管的脉冲宽度，产生原边高频交流电压/>的波形，具体方法为：使开关管/>保持50%占空比互补导通，开关管/>滞后开关管/>一定的角度，开关管/>和开关管/>同时开通的部分定义为/>，产生了一个具有三电平的对称电压波形且波形幅值为/>，通过调整/>大小控制原边电压波形的脉冲宽度。
具体的，进行关键参数设计：
选择。设计输入电压/>为150V,输出电压/>为75V，额定功率/>为200W。当电压增益/>时，变换器为150V转75V。
因此关键参数可以得到：，/>，
。
为了验证理论分析，将采用以上参数在PSIM软件里进行仿真。
接下来，将在额定功率下进行仿真验证本发明的实际效果，如图5~8所示。
由此可知，可以让变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行，从而获得最小化的开关损耗，极大地提高了变换器的效率。
上述实施例为本发明优选地实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法，其特征在于，采用T型LCL谐振变换器，所述T型LCL谐振变换器，包括依次相连的原边全桥、谐振槽、高频变压器和副边半桥，所述原边全桥包括开关管，所述开关管/>构成全桥逆变电路；所述谐振槽包括设置在原边的第一谐振电感/>、第二谐振电感/>和谐振电容/>，所述第一谐振电感/>和第二谐振电感/>依次连接，所述第一谐振电感/>连接原边全桥的第一连接点，所述谐振电容/>一端连接于所述第一谐振电感/>和第二谐振电感/>的连接节点，另一端连接所述原边全桥的第二连接点；所述高频变压器的匝数比为/>；所述副边半桥包括开关管和/>，所述开关管/>、/>和均压电容/>、/>构成半桥整流电路；调制方法包括以下步骤：
步骤S01：一个周期内，调节原边高频交流电压为三电平对称波形且幅值为/>，正、负脉冲宽度可调；副边高频交流电压/>为二电平方波且幅值为/>，正、负脉冲宽度固定为/>，/>和/>分别是输入电压和输出电压；
步骤S02：调节副边基波滞后原边基波相角，通过调整谐振电感通过调整谐振电感/>的电流/>相位至/>处，/>为开关管/>和开关管/>同时开通的部分的角度，使得变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行。
2.根据权利要求1所述的T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法，其特征在于，所述步骤S01中，调节开关管的脉冲宽度，产生原边高频交流电压/>的波形，具体方法为：使开关管/>保持50%占空比互补导通，开关管/>滞后开关管/>一定的角度，产生了一个具有三电平的对称电压波形且波形幅值为/>，通过调整/>大小控制原边电压波形的脉冲宽度。
3.根据权利要求1所述的T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法，其特征在于，调节开关管和/>的脉冲宽度，以50%占空比互补导通，副边基波滞后原边基波相角/> ，由此产生一个波形幅值为/>的二电平方波。
4.根据权利要求1所述的T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法，其特征在于，谐振电感的电流/>和谐振电感/>的电流/>的计算方法包括：
得到变换器在相量域下的等效电路，根据KCL和KVL定律，得到：
，
其中，是/>的相量表达形式，/>是/>转换到原边的相量表达形式，/>和/>分别是谐振电感/>的电流和谐振电感/>的电流/>的相量表达形式，/>为开关角频率，C为谐振电容；
当电路谐振运行时，开关角频率等于谐振角频率，谐振角频率
，这里/>，上述表达式化简为：
，
采用基波近似法进行稳态分析，和/>的傅里叶基波相量表达式为：
，
进一步得到：
，
和/>分别是输入电压和输出电压。
5.根据权利要求4所述的T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法，其特征在于，还包括：
使谐振电感的电流/>的相位保持到/>，即需要满足以下条件：
，
即，
计算得到输出功率：
。
6.一种T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制***，其特征在于，采用T型LCL谐振变换器，所述T型LCL谐振变换器，包括依次相连的原边全桥、谐振槽、高频变压器和副边半桥，所述原边全桥包括开关管，所述开关管/>构成全桥逆变电路；所述谐振槽包括设置在原边的第一谐振电感/>、第二谐振电感/>和谐振电容/>，所述第一谐振电感/>和第二谐振电感/>依次连接，所述第一谐振电感/>连接原边全桥的第一连接点，所述谐振电容/>一端连接于所述第一谐振电感/>和第二谐振电感/>的连接节点，另一端连接所述原边全桥的第二连接点；所述高频变压器的匝数比为/>；所述副边半桥包括开关管和/>，所述开关管/>、/>和均压电容/>、/>构成半桥整流电路，调制***包括：原边高频电压波形调节模块，一个周期内，调节原边高频交流电压/>为三电平对称波形且幅值为/>，正、负脉冲宽度可调；/>是输入电压；副边高频电压波形调节模块，一个周期内，调节副边高频交流电压/>为二电平方波且幅值为/>，正、负脉冲宽度固定为/>；调节副边基波滞后原边基波相角/>；/>是输出电压；
相位调节模块，调整谐振电感的电流/>相位至/>处，/>为开关管/>和开关管/>同时开通的部分的角度，使得变换器在全功率范围下实现所有开关管的软开关运行。
7.根据权利要求6所述的T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制***，其特征在于，所述原边高频电压波形调节模块，调节开关管的脉冲宽度，产生原边高频交流电压的波形，具体方法为：使开关管/>保持50%占空比互补导通，开关管/>滞后开关管/>一定的角度，产生了一个具有三电平的对称电压波形且波形幅值为/>，通过调整/>大小控制原边电压波形的脉冲宽度。
8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现权利要求1-5任一项所述的T型LCL谐振变换器的全范围软开关调制方法。
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