CN117013831A - 基于混合isop的宽输入电压范围dc-dc变换器及调压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC‑DC变换器及调压方法，涉及中高压直流配电DC‑DC变换器领域。包括多个子模块，分别为一个LLC‑DCX变换器与k个多谐振变换器，k≥2，多个子模块的输入侧串联连接，输出侧并联连接。本发明采用混合ISOP型结构，其内部利用多谐振变换器模块来代替LLC模块，当面对输入电压范围宽时，可实时切换为D2D变换器，保证宽电压增益；当输入电压范围窄时，可切换为DCX变换器与LLC‑DCX部分一同提高工作效率。本发明解决了以传统LLC作为单个DC‑DC模块在高输入电压、宽电压范围的应用场景下损耗高、效率低、开关频率范围宽、轻载调压能力差等问题。

Description

基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器及调压方法
技术领域
本发明涉及中高压直流配电DC-DC变换器领域，具体为一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器及调压方法，该变换器为多谐振变换器与LLC-DCX复合的混合型变换器拓扑结构。
背景技术
随着新能源技术、储能技术、现代电力电子技术的不断进步，对能量转换***的需求也越来越迫切，为了应对能源危机与环境污染等问题，以太阳能、风能等为代表的可再生能源逐渐成为近年来开发利用的焦点，光伏和燃料电池等分布式电源以直流电形式发电，因此接入直流配电网时，DC/DC变换器不可避免。然而，以光伏发电为代表的新能源发电方式易受环境等因素的影响导致出力不稳定，光照强度和温度的变化往往会引起光伏组件的输出电压在一定范围内波动。同时，城轨交通供电电压也从早期的600VDC和750VDC提高到1500VDC，电网电压的提高对辅助电源DC-DC变换器的电压等级也提出了更高的要求。在机载电源***方面，也需要电源具备较宽的输入电压范围和良好的阶跃响应以满足飞机发动机转速变化引起的输入电压宽范围波动。因此，宽输入范围的DC/DC变换器在新能源发电、机载电源、车载充电器等输入电压变化范围较大的应用场合具有重要意义，宽输入电压范围DC-DC变换器的研究与开发已经成为电力电子领域的热点之一。
在输入电压范围较宽的应用场景下，传统的LLC谐振变换器受本身增益特性影响，在很高的开关频率下才能实现低输出电压，当增益范围较宽时，开关频率范围也会较宽，这不利于磁性元件的设计，会增加损耗，并且单个模块调压能力不足。因此提出用多个输入电压较低的子模块串联，子模块的输出侧并联，而对于ISOP（输入串联，输出并联）组合结构中的子模块，通常分为两类：一类为移相型双有源全桥变换器（DAB），另一类为谐振型变换器，如串联谐振变换器（SRC）、LLC变换器、CLLLC变换器等。以DAB为子模块的ISOP变换器能够实现零电压开通，但是关断时电流大，关断损耗较大，限制了其在高频场合下的发展，以LLC变换器作为子模块，虽然能同时实现ZVS（全名Zero Voltage Switch，零电压开通）和ZCS（全名Zero Current Switch，零电流开通），相比DAB而言效率更高，且控制简单灵活，既可以采用频率控制又可以采用移相控制，但其仅适用于电压比固定的工况。
因此基于上述问题，需要改进现有的变换器或设计新的变换器来满足工况需求。
发明内容
本发明为了解决传统单个LLC谐振变换器难以同时兼容宽电压增益及高效率的问题，提供了一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器及调压方法，该变换器基于多谐振变换器与LLC-DCX变换器构成，采用多谐振变换器充当D2D（DC to DC）变换器来拓宽输入电压范围并且进行输出电压调节，选取LLC-DCX谐振变换器充当DCX（直流变压器）变换器，利用谐振点处的高效率来拉高整体的效率，最终提出一种在宽输入电压范围变化的情况下，仍具备输出电压调节能力的DC/DC变换器，使得输出电压保持稳定。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器，包括多个子模块，分别为一个LLC-DCX变换器与k个多谐振变换器，k≥2，多个子模块的输入侧串联连接，输出侧并联连接。
k个多谐振变换器的电路结构均相同，从输入端到输出端依次包括变换器开关网络、谐振腔电路、变压器和变压器副边的整流网络，所述多谐振变换器的变换器开关网络为全桥逆变结构，由功率开关管Q 1~Q 4构成，谐振腔电路包括由陷波滤波器、励磁支路与谐振电感L r 串联而成，所述陷波滤波器为L p 和C r 串联后与C p 并联所形成的电路，励磁支路由L m 和C m 串联形成，原边与副边之间通过匝数比为n的变压器连接，变压器副边的整流网络为全桥整流网络，由二极管D 1~D 4构成。由于所有多谐振变换器结构均相同，所以可以采用罗马数字来给多谐振变换器编号，后续多谐振变换器的电路原件可以用区别于编号靠前的多谐振变换器电路原件的标记来区分；例如：多谐振变换器Ⅱ的变换器开关网络为全桥逆变结构，由功率开关管Q 1′~Q 4′构成，谐振腔电路包括由陷波滤波器、励磁支路与谐振电感L r ′串联而成，所述陷波滤波器为L p ′和C r ′串联后与C p ′并联所形成的电路，励磁支路由L m ′和C m ′串联形成，原边与副边之间通过匝数比为n的变压器连接，变压器副边的整流网络为全桥整流网络，由二极管D 1′~D 4′构成。工作时，开关管Q 1~Q 4或Q 1′~Q 4′，每个桥臂以50%的占空比上下互补导通，将直流输入电压逆变为方波，再送入副边整流网络，从而得到稳定的直流输出。所有多谐振变换器的励磁支路只有很短的时间参与谐振，而通过增加谐振槽元件的方法，多谐振变换器在其余谐振元件谐振时具有两个谐振频率，以第一谐振频率为界，分为欠谐振、准谐振、过谐振三种模式。
所述LLC-DCX变换器从输入端到输出端依次包括变换器开关网络、谐振腔电路、变压器和变压器副边的整流网络，变换器开关网络为全桥逆变结构，由功率开关管S 1~S 4构成，谐振腔电路由谐振电感L r1、谐振电容C r1与励磁电感L m1串联构成，原边与副边之间通过匝数比为n 1的变压器连接，变压器副边的整流网络为全桥整流网络，由二极管D R1~D R4构成。工作时，开关管S 1~S 4每个桥臂以50%的占空比上下互补导通，将直流输入电压逆变为方波，再通过副边二极管D R1~D R4进行整流，从而得到稳定的直流输出。
本发明所设计的一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器，采用混合ISOP型结构，其内部利用多个多谐振变换器模块来代替LLC模块，它既可以传输基波能量，也可以传输三次谐波能量，当面对输入电压范围宽的情况时，可实时切换为D2D变换器，保证宽电压增益；当输入电压范围窄时，又可切换为DCX变换器与LLC-DCX部分一同提高工作效率。DCX部分选取LLC谐振变换器，利用谐振点处的高效率来拉高整体的效率，最终提出一种在宽输入电压范围下，具备输出电压调节能力的DC/DC变换器。上述LLC-DCX变换器固定在谐振频率处，即采用定频控制，只完成电压变换功能，传输大部分功率（60%以上），不具备电压调节功能，利用其谐振频率处的高效率性能拉高整体变换器效率。多谐振变换器提供电压调节能力，且支撑着宽输入电压范围的功能；此处利用了多个多谐振变换器来更进一步拓宽输入电压范围，以达到可供多等级输入电压的目的；一般宽输入电压范围指可调范围的上下限之差超过300V。具体为：当输入电压过高时，k个多谐振变换器均作为D2D变换器，来应对高输入电压；当输入电压正常时，依据输出侧负载的情况，一个或多个多谐振变换器作为DCX，与LLC-DCX变换器一同拉高整体效率，剩余的多谐振变换器依旧作为D2D实现电压调节功能；当输入电压较低时，k个多谐振变换器均作为DCX与LLC-DCX变换器一同拉高整体效率。
进一步的，本发明采用了三个子模块，分别为LLC-DCX变换器、多谐振变换器Ⅰ、多谐振变换器Ⅱ，三个子模块的输入侧串联连接，输出侧并联连接；当输入电压过高在925V~1100V时，两个多谐振变换器均作为D2D变换器，来应对高输入电压；当输入电压正常，在645V~925V时，依据输出侧负载的情况，多谐振变换器Ⅰ和多谐振变换器Ⅱ在D2D与DCX之间实时切换，其中多谐振变换器Ⅰ作为DCX，与LLC-DCX变换器一同拉高整体效率，多谐振变换器Ⅱ依旧作为D2D实现电压调节功能；当输入电压较低，在645V以下时，两个多谐振变换器均作为DCX与LLC-DCX变换器一同拉高整体效率。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器及调压方法，解决了在面对输入电压大范围波动的情况下，单个DC-DC模块调压能力不足的问题，并且解决了以传统LLC作为单个DC-DC模块在高输入电压、宽电压范围的应用场景下，会出现损耗高、效率低、开关频率范围宽、轻载调压能力差等问题；降低了变换器运行的损耗，提升了变换器整体效率，并且能够在拓宽的输入电压范围内进行输出电压调节，使输出电压保持稳定。
附图说明
图1是本发明具体实施例所涉及混合型ISOP变换器模块图。
图2是本发明具体实施例所涉及混合型ISOP变换器拓扑结构图，图中，i s 、i s ’、i s1分别为各子模块变换器的低压侧交流电流。
图3是本发明具体实施例所涉及多谐振变换器拓扑结构图。
图4是本发明具体实施例所涉及LLC-DCX变换器拓扑结构图。
图5和图6是本发明具体实施例所涉及多谐振变换器欠谐振时的工作波形图，其中v ab 是高压侧逆变桥输出电压，v cd 是低压侧逆变桥输出电压，i o 是输出直流电流。
图7是本发明具体实施例所涉及多谐振变换器准谐振时的工作波形图。
图8是本发明具体实施例所涉及多谐振变换器过谐振时的工作波形图。
图9是本发明具体实施例所涉及LLC-DCX工作波形图。
图10是本发明具体实施例所涉及混合型ISOP变换器工作波形图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器，包括多个子模块，分别为一个LLC-DCX变换器与k个多谐振变换器，k≥2，多个子模块的输入侧串联连接，输出侧并联连接；本实施例中，采用了三个子模块，如图1与图2所示：分别为LLC-DCX变换器、多谐振变换器Ⅰ、多谐振变换器Ⅱ，三个子模块的输入侧串联连接，输出侧并联连接。
所述多谐振变换器Ⅰ与多谐振变换器Ⅱ电路结构相同，如图3所示，从输入端到输出端依次包括变换器开关网络、谐振腔电路、变压器和变压器副边的整流网络，多谐振变换器Ⅰ的变换器开关网络为全桥逆变结构，由功率开关管Q 1~Q 4构成，谐振腔电路包括由陷波滤波器、励磁支路与谐振电感L r 串联而成，所述陷波滤波器为L p 和C r 串联后与C p 并联所形成的电路，励磁支路由L m 和C m 串联形成，原边与副边之间通过匝数比为n的变压器连接，变压器副边的整流网络为全桥整流网络，由二极管D 1~D 4构成；多谐振变换器Ⅱ的变换器开关网络为全桥逆变结构，由功率开关管Q 1′~Q 4′构成，谐振腔电路包括由陷波滤波器、励磁支路与谐振电感L r ′串联而成，所述陷波滤波器为L p ′和C r ′串联后与C p ′并联所形成的电路，励磁支路由L m ′和C m ′串联形成，原边与副边之间通过匝数比为n的变压器连接，变压器副边的整流网络为全桥整流网络，由二极管D 1′~D 4′构成。
所述LLC-DCX变换器从输入端到输出端依次包括变换器开关网络、谐振腔电路、变压器和变压器副边的整流网络，如图4所示，变换器开关网络为全桥逆变结构，由功率开关管S 1~S 4构成，谐振腔电路由谐振电感L r1、谐振电容C r1与励磁电感L m1串联构成，原边与副边之间通过匝数比为n 1的变压器连接，变压器副边的整流网络为全桥整流网络，由二极管D R1~D R4构成。
LLC-DCX变换器固定工作于谐振频率处，完成电压变换功能，传输60%以上功率，不具备电压调节功能；多谐振变换器Ⅰ和多谐振变换器Ⅱ提供电压调节能力，且支撑着宽输入电压范围的功能。所述LLC-DCX变换器只作为DCX，所述多谐振变换器Ⅰ与多谐振变换器Ⅱ既可作为DCX，也可作为D2D，根据输入电压的实时值实时切换其所实现的功能。
1、多谐振变换器Ⅰ在一个周期内，励磁支路只有很短的时间参与谐振，通过增加谐振槽元件，变换器在其余谐振元件谐振时具有两个谐振频率，以第一谐振频率为界，分为欠谐振、准谐振、过谐振三种模式，三种模式的工作模态同理，多谐振变换器Ⅱ工作原理与多谐振变换器Ⅰ相似。
①多谐振变换器Ⅰ在欠谐振时有6种工作模态，工作波形如图5和图6所示，V gs 为Q 1~Q 4各自的栅源电压，具体如下：
模态1[t 0~t 1]：Q 1和Q 4导通，Q 2和Q 3关断，在t 0时刻，励磁电流i Lm 由负变正，谐振电流i Lr >i Lm ，原边向副边传输功率，二极管D 1、D 4导通，输出电压为+V o 。在此阶段内，由于输出电压的钳位，励磁支路两端电压不变，i Lm 保持线性增长，励磁支路不参与谐振，L r 、C r 、L p 和C p 共同谐振。由于变换器同时传递基波与三次谐波，故波形近似马鞍状。至t 1时刻，i Lr 与i Lm 相等，模态1结束。
模态2[t 1~t 2]：Q 1和Q 4依然导通，Q 2和Q 3关断。该阶段中励磁电流i Lm 与谐振电流i Lr 相等，原边不向副边传输功率，D 1和D 4零电流关断。谐振腔内L r 、C r 、L p 、C p 、L m 和C m 共同谐振，一次侧与二次侧分离，一次侧不向二次侧传递能量，负载由输出电容C o 提供能量。
模态3[t 2~t 3]：Q 2和Q 3仍然保持关断，Q 1和Q 4准备关断，变换器进入死区。在死区时间内，谐振电流i Lr 一边为功率开关管的输出电容充放电，到t 3时刻充放电结束。Q 2和Q 3的漏源极电压V ds 降为零，为ZVS开通（零电压开通）做了基础。
模态4[t 3~t 4]：Q 1~Q 4均处于关断状态。t 3时刻，C s1~C s4充放电完成，励磁电流i Lm >谐振电流i Lr ，副边电流为负，因此D 2、D 3导通，输出电压为-V o 。在此阶段内，开关管Q 2和Q 3的反并联二极管为谐振电流i Lr 提供续流通道，Q 2和Q 3漏源极电压V ds 降为零，实现了ZVS开通。
模态5[t 4~t 5]：Q 1和Q 4均关断，Q 2和Q 3准备导通。在此阶段内，仍然满足i Lm >i Lr ，显然i s 仍然小于零，从而D 2、D 3继续导通，输出电压为-V o 。直到t 5时刻，i Lr 降为零，模态5结束。
模态6[t 5~t 6]：Q 1和Q 4关断，Q 2和Q 3保持导通。谐振电流i Lr 在t 5时刻下降至零，由正变为负，励磁电流i Lm 继续下降。在此阶段内，D 2、D 3仍然处于导通态，输出电压保持-V o ，直到t 6时刻，i Lm 下降至零，前半周期至此结束。
②多谐振变换器Ⅰ在准谐振时，即多谐振变换器工作在第一谐振频率，工作波形如图7所示，与欠谐振模式相比，准谐振模式中，i Lr 与i Lm 相等的瞬间，变换器立即进入死区，因而不存在图5中i Lr 和i Lm 近似相等的小“平台”。由上述分析可知，该模式不存在欠谐振模式的模态2[t 1~t 2]。其余各模态的工作情况与欠谐振时相同。
③多谐振变换器Ⅰ在过谐振时，即当工作频率大于第一谐振频率时，多谐振变换器处于过谐振模式，其工作波形如图8所示，与准谐振相比，由于工作频率高，导致周期短暂，以至于i Lr 和i Lm 还未相等，变换器就提前进入了死区，具体如下：
模态1[t 0~t 1]：此阶段内 Q 1和Q 4处于导通状态，Q 2和Q 3处于关断状态，v ab 为+V in ，v ab 为图2~图4中，a点与b点之间的电压，即高压侧逆变桥输出电压；V in 为输入电压，t 0时刻，励磁电流i Lm 由负变正，谐振电流i Lr 为正且i Lr >i Lm ，故i s >0，D 1、D 4得以导通，输出电压为+V o 。由于输出电压的钳位作用，励磁支路两端电压保持恒定，因而i Lm 维持线性增长，并且L m 和C m 不参与谐振，由L r 、C r 、L p 和C p 共同谐振。i Lr 由于变换器同时传递基波与三次谐波，故波形近似马鞍状。直到t 1时刻，Q 1和Q 4开始关断，变换器开始进入死区，模态1结束，此时i Lr 仍大于i Lm 。
模态2[t 1~t 2]：此时Q 2和Q 3继续保持关断，Q 1和Q 4准备进入关断。t 1时刻，变换器迈入死区。死区内，谐振电流i Lr 一边为功率开关管Q 1和Q 4的输出电容C s1和C s4充电，同时功率开关管Q 2和Q 3的输出电容C s2和C s3通过i Lr 进行放电， i Lr 开始下降。由于工作频率较高，谐振周期较短暂，因而此时i Lr >i Lm 。由KCL定律可知，i s >0，从而D 1、D 4保持导通，输出电压保持+V o 。t 2时刻，Q 2和Q 3的漏源极电压V ds 降至零，为Q 2和Q 3的零电压开通奠定基础。为了Q 2和Q 3顺利实现零电压开通，需要死区时间足够长，大于充放电过程所需时间。
模态3[t 2~t 3]：该阶段中Q 1~Q 4均处于关断状态。t 2时刻，C s1~C s4充放电完成，励磁电流i Lm 和谐振电流i Lr 均开始下降，且i Lr 下降速度比i Lm 快，从而i Lm >i Lr ，由KCL定律可知，副边电流为负，从而D 2、D 3导通，输出电压为-V o 。在此阶段内，开关管Q 2和Q 3的反并联二极管D s2和D s3为谐振电流i Lr 提供续流通道，Q 2和Q 3的漏源极电压V ds 顺利降至零，实现了零电压开通。
模态4[t 3~t 4]：此时Q 1和Q 4继续保持关断， Q 2和Q 3准备进入导通状态。在此阶段内，仍然满足i Lm >i Lr ，i s <0，因而D 2、D 3继续导通，输出电压也保持为-V o 。直到t 4时刻，i Lr 降为零，模态4结束。
模态5[t 4~t 5]：此阶段内Q 1和Q 4继续关断，Q 2和Q 3已导通。谐振电流i Lr 在t 4时刻降至零，由正变为负，励磁电流i Lm 也在下降。在此阶段内，D 2、D 3继续导通，输出电压保持-V o 。直到t 5时刻，i Lm 下降至零，至此前半周期结束。
2、LLC-DCX模块：当LLC-DCX变换器的谐振电感L r1和谐振电容C r1串联谐振时，可以得到谐振频率f r ，以f r 为界限可以将LLC-DCX工作模式划分为欠谐振、准谐振和过谐振。三种模式下变换器的工作模态与多谐振变换器的工作模态同理，工作波形如图9所示。
上述基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器的调压方法，当输入电压过高在925V~1100V时，LLC-DCX变换器依然工作在最高效率下，多谐振变换器Ⅰ和多谐振变换器Ⅱ均作为D2D变换器，即电压调节模块，来应对高输入电压，保证输出电压仍然能够保持恒定不变，不会受到输入电压波动高的影响。当输入电压正常，在645V~925V时，依据输出侧负载的情况，多谐振变换器Ⅰ和多谐振变换器Ⅱ在D2D与DCX之间实时切换，比如：多谐振变换器Ⅰ作为DCX，与LLC-DCX变换器一同拉高整体效率，多谐振变换器Ⅱ依旧作为D2D变换器，实现电压调节功能，保持输出电压稳定不变。当输入电压较低，在645V以下时，此时不需要做大幅度的电压调节，多谐振变换器Ⅰ和多谐振变换器Ⅱ均作为DCX与LLC-DCX变换器一同拉高整体效率。
通过本实施例所提出的一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器，工作波形如图10所示，可以根据输入侧电压的情况实时调节内部多谐振变换器的功能，能够在D2D和DCX之间实时切换，既可以降低变换器运行的损耗，进一步提升变换器整体效率，也可以在保证基本效率的基础上，也能够拓宽输入电压范围，在输入电压大幅度波动的情况下，输出电压依然能够保持不变。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器，其特征在于：包括多个子模块，分别为一个LLC-DCX变换器与k个多谐振变换器，k≥2，多个子模块的输入侧串联连接，输出侧并联连接；
k个多谐振变换器的电路结构均相同，从输入端到输出端依次包括变换器开关网络、谐振腔电路、变压器和变压器副边的整流网络，所述多谐振变换器的变换器开关网络为全桥逆变结构，由功率开关管Q 1~Q 4构成，谐振腔电路包括由陷波滤波器、励磁支路与谐振电感L r 串联而成，所述陷波滤波器为L p 和C r 串联后与C p 并联所形成的电路，励磁支路由L m 和C m 串联形成，原边与副边之间通过匝数比为n的变压器连接，变压器副边的整流网络为全桥整流网络，由二极管D 1~D 4构成；
所述LLC-DCX变换器从输入端到输出端依次包括变换器开关网络、谐振腔电路、变压器和变压器副边的整流网络，变换器开关网络为全桥逆变结构，由功率开关管S 1~S 4构成，谐振腔电路由谐振电感L r1、谐振电容C r1与励磁电感L m1串联构成，原边与副边之间通过匝数比为n 1的变压器连接，变压器副边的整流网络为全桥整流网络，由二极管D R1~D R4构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器，其特征在于：所述LLC-DCX变换器作为DCX，k个多谐振变换器作为DCX或D2D，根据输入电压的实时值实时切换多谐振变换器所实现的功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器，其特征在于：包括三个子模块，分别为LLC-DCX变换器、多谐振变换器Ⅰ、多谐振变换器Ⅱ，三个子模块的输入侧串联连接，输出侧并联连接。
4.一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器的调压方法，其特征在于：采用权利要求2所述的基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器来实现，LLC-DCX变换器固定工作于谐振频率处，完成电压变换功能，传输60%以上功率，不进行电压调节；而k个多谐振变换器作为DCX或D2D，提供电压调节能力，且支撑着宽输入电压范围的调节功能。
5.根据权利要求4所述的一种基于混合ISOP的宽输入电压范围DC-DC变换器的调压方法，其特征在于：采用了三个子模块，分别为LLC-DCX变换器、多谐振变换器Ⅰ、多谐振变换器Ⅱ，三个子模块的输入侧串联连接，输出侧并联连接；当输入电压过高在925V~1100V时，多谐振变换器Ⅰ和多谐振变换器Ⅱ均作为D2D变换器，来应对高输入电压；当输入电压正常，在645V~925V时，依据输出侧负载的情况，多谐振变换器Ⅰ作为DCX，与LLC-DCX变换器一同拉高整体效率，多谐振变换器Ⅱ依旧作为D2D实现电压调节功能；当输入电压较低，在645V以下时，多谐振变换器Ⅰ和多谐振变换器Ⅱ均作为DCX与LLC-DCX变换器一同拉高整体效率。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120262955A1 (en) * 2009-02-27 2012-10-18 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Converter with input voltage balance circuit
CN105515417A (zh) * 2016-01-26 2016-04-20 南京航空航天大学 双输出单相pfc变换器及其组合式功率变换***和控制方法
CN112803740A (zh) * 2020-12-30 2021-05-14 山东大学 混合型输入串联输出并联直流变压器的软启动方法及***
CN113162429A (zh) * 2021-04-28 2021-07-23 山东大学 DAB-LLC Sigma变换器的性能提升控制方法
CN116526861A (zh) * 2023-06-06 2023-08-01 深圳信息职业技术学院 一种谐振拓扑输入串联输出并联组合的电荷均压控制***

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120262955A1 (en) * 2009-02-27 2012-10-18 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Converter with input voltage balance circuit
CN105515417A (zh) * 2016-01-26 2016-04-20 南京航空航天大学 双输出单相pfc变换器及其组合式功率变换***和控制方法
CN112803740A (zh) * 2020-12-30 2021-05-14 山东大学 混合型输入串联输出并联直流变压器的软启动方法及***
CN113162429A (zh) * 2021-04-28 2021-07-23 山东大学 DAB-LLC Sigma变换器的性能提升控制方法
CN116526861A (zh) * 2023-06-06 2023-08-01 深圳信息职业技术学院 一种谐振拓扑输入串联输出并联组合的电荷均压控制***

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUEFENG LIAO, ETAL: "Single-Stage DAB-LLC Hybrid Bidirectional Converter With Tight Voltage Regulation Under DCX Operation", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 68, no. 1, 31 January 2021 (2021-01-31), pages 293 - 302 *
焦岳超等: "《新能源发电与并网技术研究》", 31 July 2021, 哈尔滨工业大学出版社, pages: 131 - 132 *
秦月等: "基于多谐振结构的宽输入电压范围DC/DC变换器", 电源学报, 11 October 2022 (2022-10-11), pages 1 - 14 *
秦海鸿等: "《碳化硅电力电子器件原理与应用》", 31 December 2019, 北京航空航天大学出版社, pages: 305 - 306 *

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