CN105811779A - Cltc谐振软开关双向变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双向直流变换器，为提出一种变换效率更高的新型直流变换器电路拓扑,实现开关管的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，提高变换器的效率和功率密度，并拓宽增益范围。为此，本发明：CLTC谐振软开关双向变换器,包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路三个部分；所述三个部分依次连接；所述CLTC谐振电路设置有辅助变压器T_r2，辅助变压器T_r2原边与主变压器T_r1原边并接，辅助变压器T_r2副边与主变压器T_r1副边串联，辅助变压器T_r2主、副边与主变压器T_r1主、副边同名端位置同向。本发明主要应用于双向直流变换器的设计制造。

Description

CLTC谐振软开关双向变换器

技术领域

本发明涉及双向直流变换器，具体讲,涉及CLTC谐振软开关双向变换器。

背景技术

当今，随着能源枯竭、环境恶化等问题的日益严重，合理、有效的利用能源受到了人们的关注。在光伏、风机、燃料电池、微燃机等分布式发电系统中，需要储能系统通过双向DC/DC变换器实现系统的稳定与经济运行。而在电动汽车、储能电站等应用场合同样需要双向DC/DC实现稳定、高效、快速的双向充放电。特别是当电压增益高，电流应力大的场景下，双向DC/DC效率损耗急剧增加，也提高了散热设计的难度。目前，传统的双向DC/DC变换器多为隔离型双向DC/DC变换器，在保证系统安全性的基础上，通过提高变压器的变比实现电压增益提升。例如双有源桥DAB和三相交错并联有源钳位型DC/DC变换器，可实现开关管的ZVS，适合应用于中大功率场合。但是以上电路功率密度低、无法实现开关管ZCS并且无法实现轻载ZVS。LLC谐振型DC/DC变换器工作频率高功率密度大，副边二极管可实现ZCS，轻载可实现ZVS，但该电路无法实现双向能量变换。在LLC谐振变换器的基础上，采用双边谐振结构的CLLC双向DC/DC变换器可实现双向能量变换，但当负载加重时增益曲线难以抬升，增益范围过窄。故为进一步提升变换器功率密度、效率，拓宽增益范围并实现双向能量变换，本发明提出了一种基于谐振的高增益隔离型大功率双向CLTC直流变换器。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种变换效率更高的新型直流变换器电路拓扑,实现开关管的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，提高变换器的效率和功率密度，并拓宽增益范围。为此，用的技术方案是，CLTC谐振软开关双向变换器,包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路三个部分；所述三个部分依次连接；所述一次侧全桥电路在能量正向传递时工作，通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述二次侧全桥电路在能量反向传递时通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述CLTC谐振电路设置有辅助变压器T_r2，辅助变压器T_r2原边与主变压器T_r1原边并接，辅助变压器T_r2副边与主变压器T_r1副边串联，辅助变压器T_r2主、副边与主变压器T_r1主、副边同名端位置同向，辅助变压器T_r2原边同名端与主变压器T_r1原边同名端之间为谐振电感L_r。

当工作频率低于谐振频率时，CLTC谐振电路工作于高增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，CLTC谐振电路电流首先以f_r1的第一谐振频率谐振，直至两个变压器不再向二次侧传递能量；随后，CLTC谐振电路电流以f_r2f的第二谐振频率进行谐振，直至开关管关断；当工作频率不低于谐振频率时，CLTC谐振电路工作于低增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，CLTC谐振电路电流以f_r1的频率谐振，直至开关管关断；反向工作时，工作模式与正向工作时类似，唯一区别在于高增益模式下，电流的第二谐振频率为f_r2b；且：

$f_{r1}=\sqrt{{(\frac{N_1}{N_2}+1)}^2{C}_{r2}+{\left(\frac{N_1}{N_2}\right)}^2{N_2}^2{C}_{r1}}/2\mathrm{\π}\sqrt{C_{r1}{C}_{r2}{L}_r}$

$f_{r2f}=\sqrt{L_r+L_{m1}+L_{m2}}/2\mathrm{\π}\sqrt{C_{r1}{L}_{m2}(L_r+L_{m1})}$

$f_{r2b}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{(\frac{L_{m1}}{N_1^2}+\frac{L_{m2}}{N_2^2})C_{r2}}$

其中，L_r为谐振电感，C_r1、C_r2为主、副边谐振电容，L_m1，L_m2为对应主变压器T_r1、辅助变压器T_r2的励磁电感，N₁、N₂为对应主变压器T_r1、辅助变压器T_r2的变压器变比。

本发明的特点及有益效果是：

1、CLTC谐振变换器允许双向工作，并且均可实现开关管的零电压开通和零电流关断；

2、CLTC谐振变换器与传统LLC变换器相比，去掉了副边谐振电感，添加一个辅助变压器，拓宽了增益范围如图8所示；

3、CLTC谐振变换器减小了变换器对谐振参数的敏感性，具有较高的可行性和一致性；实现了开关管的ZVS和二极管的ZCS，提升了变换器工作效率；

4、CLTC谐振变换器通过合理的参数设计，可提高工作频率并降低关断点，提高了变换器的功率密度。

附图说明：

图1：新型CLTC拓扑结构示意图。

图2：正向运行模式等效电路。

图3：正向运行模式，CLTC工作流程图。图中：

(a)正向运行模式，过程1，开关状态0

(b)正向运行模式，过程2，开关模态1

(c)正向运行模式，过程3，开关模态2

(d)正向运行模式，过程4，开关模态3

(e)正向运行模式，过程5，开关模态4

(f)正向运行模式，过程6，开关模态5

图4：正向工作模式下，主要工作波形。图中：

(a)f_s<f_r情况下主要工作波形

(b)f_s≥f_r情况下主要工作波形

图5：反向运行模式等效电路。

图6：反向运行模式，CLTC工作流程图。图中：

(a)反向运行模式，过程1，开关状态0

(b)反向运行模式，过程2，开关状态1

(c)反向运行模式，过程3，开关状态2

(d)反向运行模式，过程4，开关状态3

(e)反向运行模式，过程5，开关状态4

(f)反向运行模式，过程6，开关状态5

图7：反向工作模式下，主要工作波形。图中：

(a)f_s＇＜f_r情况下主要工作波形

(b)f_s＇≥f_r情况下主要工作波形

图8：5kW新型CLTC谐振变换器工作增益曲线。

具体实施方式

本发明涉及双向直流变换器，是一种新型的直流变换器电路拓扑，可实现开关管的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，提高了变换器的效率和功率密度，并拓宽了增益范围。

为实现上述目的，本发明提出了一种CLTC谐振变换器。包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路。所述三个部分依次连接；所述一次侧全桥电路在能量正向传递时工作，通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述二次侧全桥电路在能量反向传递时通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述CLTC谐振电路通过引入辅助变压器T_r2，拓宽了电压增益范围，保证开关管的零电压开通和二极管的零电流关断。

所述的CLTC谐振变换器，所述CLTC谐振电路，加入了辅助变压器T_r2，其原边位于图1中A点与B点之间，其副边与主变压器T_r1副边串联，同名端位置同向。该辅助变压器的引入，改变了电路的谐振网络，改变了电路的谐振频率，达到了拓宽增益范围的效果。

所述CLTC谐振变换器，正向工作时，根据工作频率是否高于电路谐振频率，分为两种工作模式，两种模式中变压器一次侧开关管均可以实现零电压开通(ZVS)。其中，当工作频率低于谐振频率时，CLTC工作于高增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，其电流首先以f_r1的第一谐振频率谐振，直至两个变压器不再向二次侧传递能量；随后，其电流以f_r2f的第二谐振频率进行谐振，直至开关管关断。此过程中，主变压器二次侧二极管可实现零电流关断(ZCS)。当工作频率不低于谐振频率时，CLTC工作于低增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，其电流以f_r1的频率谐振，直至开关管关断。反向工作时，工作模式与正向工作时类似，唯一区别在于高增益模式下，电流的第二谐振频率为f_r2b。其中：

$f_{r1}=\sqrt{{(\frac{N_1}{N_2}+1)}^2{C}_{r2}+{\left(\frac{N_1}{N_2}\right)}^2{N_2}^2{C}_{r1}}/2\mathrm{\&pi;}\sqrt{C_{r1}{C}_{r2}{L}_r}$

$f_{r2f}=\sqrt{L_r+L_{m1}+L_{m2}}/2\mathrm{\&pi;}\sqrt{C_{r1}{L}_{m2}(L_r+L_{m1})}$

$f_{r2b}=1/2\mathrm{\&pi;}\sqrt{(\frac{L_{m1}}{N_1^2}+\frac{L_{m2}}{N_2^2})C_{r2}}$

本发明是一种应用于直流电源系统中的DC/DC环节的CLTC谐振变换器。图1是其具体电路拓扑图。图2、图3、图5、图6是所述新型CLTC谐振变换器的具体工作说明图。图4、图7是新型CLTC谐振变换器主要工作波形图。

如图1所示，本发明电路在传统DC/DC基础上加入辅助变压器T_r2，通过电感电容与变压器中励磁电感产生谐振，实现开关管的零电压导通，零电压关断。由于本发明为双向DC/DC结构，根据其能量传递方向分为能量从一次侧传递至二次侧的正向运行模式和能量从二次侧传递至一次侧的反向运行模式，同时在这两种模式中根据开关管的频率不同又衍生出两种不同运行状态。

(一)正向运行模式：

下面根据图2、图3、图4分析对应正向工作模式下的具体工作过程。在正向工作模式下，能量从一次侧送往二次侧，为方便理解，将二次侧全桥开关管等效为二极管，如图2所示。根据图2所示的基本电路，L_r为谐振电感，C_r1、C_r2为谐振电容，L_m1，L_m2为对应变压器T_r1、T_r2的励磁电感，N₁、N₂为对应变压器变比，C₁、C₂、C₃、C₄为一次侧对应开关管S₁～S₄的飞跨电容；C_f为输出电容。i_Lr为谐振电感电流，i_Lm1，i_Lm2为主变压器及辅变压器励磁电感电流，f_s为一次侧开关频率，f_r1为第一谐振频率，f_r2f为第二谐振频率，i_D为变压器输出二次侧电流。

情况(1)开关频率小于第一谐振频率即(f_s<f_r1)：

此情况下，一周期主要工作波形如图4(a)所示，根据图4(a)具体工作过程描述如下：

过程1[t₀，t₁]，开关状态对应图3(a)：假设在t₁时刻之前，S₂、S₃导通，L_r、C_r1、L_m1、L_m2组成谐振回路共同谐振，此时谐振频率为正向第二谐振频率f_r2f，输出变压器T_r1，T_r2被同时隔离。变压器T_r2，T_r2原、副边均无电流，输出电容C_f给负载供电。

过程2[t₁，t₂]，开关模态对应图3(b)：t₁时刻，关断S₂、S₃，由于励磁电感L_m2、L_m1较大并且该模态持续时间很短，可以近似认为谐振电流不变，i_Lr＝i_Lm1，给C₂、C₃充电，给C₁、C₄放电。C₁～C₄限制了开关管S₂、S₃两端的电压上升率，S₂和S₃为零电压关断。当S₁和S₄的并联二极管导通时，即可零电压开通S₁和S₄。为了保证开关管S₁和S₄的零电压开通，应为i_Lr由负变正之前开通S₁和S₄，即开通S₁和S₄的时刻(t₂时刻)应在i_Lr由负变正的时刻(t_x时刻)之前。

过程3[t₂，t₃]，开关模态对应图3(c)：t₂时刻，零电压开通S₁和S₄。此时，电路中L_r、C_r1、C_r2相应产生谐振，以第一谐振频率f_r1进行谐振，谐振电流成正弦变化，直至谐振电流与励磁电流i_Lm1相同(t₃时刻)。

过程4[t₃，t₄]，开关模态对应图3(d)：t₃时刻，谐振电感电流i_Lr谐振到与励磁电感电流i_Lm1相等，此时变压器二次侧负载端与谐振网络脱开，电路以正向第二谐振频率f_r2f谐振，二次侧整流桥为零电压关断。

t₄时刻开始，关断S₁、S₄，进入下半个工作周期，变换器的工作原理与上半个周期工作情况类似，这里将不再赘述，开关状态对应图3(e)、(f)。

情况(2)开关频率不小于第一谐振频率即(f_s≥f_r1)：

此情况下，一周期主要工作波形如图4(b)所示，根据图4(b)具体工作过程描述如下：

过程1[t₀，t₁]，开关状态对应图3(f)：假设在t₁时刻之前，S₂、S₃导通，L_r、C_r1、C_r2组成谐振回路共同谐振，谐振电流成正弦变化，励磁电流线性下降，直至t₁时刻。

过程2[t₁，t₂]，开关状态对应图3(b)：t₁时刻，关断S₂、S₃，励磁电感较大并且死区时间较短，可认为励磁电流近似不变，谐振电流大于励磁电流情况下，谐振电感与励磁电感相比较小，谐振电流在死区时间内迅速下降至与励磁电流i_Lm1相同。C₂、C₃充电，给C₁、C₄放电。由于C₁～C₄限制了开关管S₂、S₃两端的电压上升率，因此S₂和S₃近似为零电压关断。当S₁和S₄的并联二极管导通时，即可零电压开通S₁和S₄。为了保证开关管S₁和S₄的零电压开通，应为i_Lr由负变正之前开通S₁和S₄，即开通S₁和S₄的时刻(t₂时刻)应在i_Lr由负变正的时刻(t_x时刻)之前。

过程3[t₂，t₃]，开关状态对应图3(c)：t₂时刻，零电压开通S₁和S₄。此时，电路中L_r、C_r1、C_r2相应产生谐振以第一谐振频率f_r1谐振，谐振电流成正弦变化，励磁电流线性上升，由于f_s≥f_r1，开关周期小于谐振周期，在半周期内，即(S₁、S₄导通时)谐振电流无法下降至与励磁电流i_Lm1相等。因此，谐振电流成正弦变化直至t₃时刻，开关管S₁、S₄关断。

t₃时刻开始，关断S₁，S₄，进入下半个工作周期，变换器的工作原理与上半个周期工作情况类似，这里将不再赘述，开关状态对应图3(e)、(f)。

(二)反向运行模式：

下面根据图5、图6、图7分析对应反向工作模式下的具体工作过程。如图5基本电路所示，由于反向工作模式下，能量从二次侧送往一次侧，同正向运行模式相同处理方式，将一次侧全桥开关管等效为二极管。类似于正向运行模式，其运行状态同样根据第一谐振频率f_r1和二次侧开关频率f_s＇的关系具有两种工作状态。L_r为谐振电感，C_r1、C_r2为谐振电容，L_m1，L_m2为对应变压器T_r1、T_r2的励磁电感，N₁、N₂为对应变压器变比，C₁＇、C₂＇、C₃＇、C₄＇为二次侧开关管S₁＇～S₄＇的飞跨电容；C_f＇为一次侧输出电容；i_Lr为谐振电感电流，i_Lm1，i_Lm2为变压器励磁电感电流，f_s＇为二次侧开关频率，f_r1为电路第一谐振频率，f_r2b为反向第二谐振频率，i_D＇为变压器一次侧输出电流。

情况(1)开关频率小于第一谐振频率即(f_s＇<f_r1)：

此情况下，一周期主要工作波形如图7(a)所示，根据图7(a)具体工作过程描述如下：

过程1[t₀，t₁]，开关状态对应图6(a)：假设在t₁时刻之前，S₂＇、S₃＇导通，S₁＇S₄＇关断，C_r2、L_m1、L_m2组成谐振回路共同谐振，输出变压器T_r1，T_r2被同时隔离。输出电容C_f＇给负载供电。

过程2[t₁，t₂]，开关模态对应图6(b)：t₁时刻，关断S₂＇、S₃＇，由于励磁电感L_m2、L_m1较大并且该模态持续时间很短，可以近似认为谐振电感电流不变，i_Lr＝i_Lm1，给C₂＇、C₃＇充电，给C₁＇、C₄＇放电。通过C₁＇～C₄＇限制了开关管S₂＇、S₃＇两端的电压上升率，因此S₂＇和S₃＇可实现零电压关断。当S₁＇和S₄＇的并联二极管导通时，即可实现零电压开通S₁＇和S₄＇。为了保证开关管S₁＇和S₄＇的零电压开通，应在i_Lr由负变正之前开通S₁＇和S₄＇，即开通S₁＇和S₄＇(t₂时刻)应在i_Lr由负变正之前(t_x时刻)。

过程3[t₂，t₃]，开关模态对应图6(c)：t₂时刻，零电压开通S₁＇和S₄＇。此时，电路中L_r、C_r1、C_r2和变压器产生谐振，谐振电流i_Lr呈正弦变化，励磁电流i_Lm1线性上升直至谐振电流与励磁电流相同(t₃时刻)。

过程4[t₃，t₄]，开关模态对应图6(d)：t₃时刻，谐振电流i_Lr下降到与励磁电感电流i_Lm1相等，此时电路中，C_r2、L_m1、L_m2以反向第二谐振频率f_r2b进行谐振，变压器一次侧负载端与谐振网络脱开，一次侧整流桥实现零电流关断。

t₄时刻开始，关断S₁＇，S₄＇，进入下半个工作周期，变换器的工作原理与上半个周期工作情况类，这里将不再赘述，具体开关模态对应图6(e)、(f)。

情况(2)开关频率不小于第一谐振频率即(f_s＇≥f_r1)：

此情况下，一周期主要工作波形如图7(b)所示，根据图7(b)具体工作过程描述如下：

过程1[t₀，t₁]，开关状态对应图6(f)：假设在t₁时刻之前，S₂＇、S₃＇导通，C_r2、L_m1、L_m2组成谐振回路共同谐振电路以第一谐振频率f_r1，谐振电流i_Lr成正弦变化，励磁电流线性下降，直至t₁时刻。

过程2[t₁，t₂]，开关模态对应图6(b)：t₁时刻，关断S₂＇、S₃＇，励磁电感较大并且死区时间较短，可认为励磁电流近似不变，谐振电流大于励磁电流情况下，谐振电感与励磁电感相比较小，谐振电流i_Lr在死区时间内迅速下降至与励磁电流i_Lm1相同。C₂＇、C₃＇充电；C₁＇、C₄＇放电。当S₁＇和S₄＇的并联二极管导通时，即可零电压开通S₁＇和S₄＇。为了保证开关管S₁＇和S₄＇的零电压开通，应在i_Lr由负变正之前开通S₁＇和S₄＇，即开通S₁＇和S₄＇时刻(t₂时刻)应在i_Lr由负变正时刻之前(t_x时刻)。

过程3[t₂，t₃]，开关模态对应图6(c)：t₂时刻，零电压开通S₁＇和S₄＇。此时，电路中L_r、C_r1、C_r2相应产生谐振以第一谐振频率f_r1谐振，谐振电流i_Lr成正弦变化，励磁电流i_Lm1线性上升，由于f_s＇≥f_r1，开关周期小于谐振周期，在半周期内，即(S₁＇、S₄＇导通时)谐振电流无法下降至与谐振电流相等。因此，谐振电流成正弦变化直至t₃时刻，开关管S₁＇、S₄＇关断。

t₃时刻开始，关断S₁＇，S₄＇，进入下半个工作周期，变换器的工作原理与上半个周期工作情况类似，这里将不再赘述，开关模态对应图6(e)、(f)。

图8为5kW400V-48VCLTC双向DC/DC电路的电压增益曲线，电压增益曲线单调，且有0.8-1.2的增益范围，满足数据中心、光伏储能微电网、电动汽车双向充放电等场景的应用。

Claims (2)

1.一种CLTC谐振软开关双向变换器，其特征是，包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路三个部分；所述三个部分依次连接；所述一次侧全桥电路在能量正向传递时工作，通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述二次侧全桥电路在能量反向传递时通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述CLTC谐振电路设置有辅助变压器T_r2，辅助变压器T_r2原边与主变压器T_r1原边并接，辅助变压器T_r2副边与主变压器T_r1副边串联，辅助变压器T_r2主、副边与主变压器T_r1主、副边同名端位置同向，辅助变压器T_r2原边同名端与主变压器T_r1原边同名端之间为谐振电感L_r。

2.如权利要求1所述的CLTC谐振软开关双向变换器，其特征是，当工作频率低于谐振频率时，CLTC谐振电路工作于高增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，CLTC谐振电路电流首先以f_r1的第一谐振频率谐振，直至两个变压器不再向二次侧传递能量；随后，CLTC谐振电路电流以f_r2f的第二谐振频率进行谐振，直至开关管关断；当工作频率不低于谐振频率时，CLTC谐振电路工作于低增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，CLTC谐振电路电流以f_r1的频率谐振，直至开关管关断；反向工作时，工作模式与正向工作时类似，唯一区别在于高增益模式下，电流的第二谐振频率为f_r2b；且：

$f_{r1}=\sqrt{{(\frac{N_1}{N_2}+1)}^2{C}_{r2}+{\left(\frac{N_1}{N_2}\right)}^2{N_2}^2{C}_{r1}}/2\mathrm{\&pi;}\sqrt{C_{r1}{C}_{r2}{L}_r}$

$f_{r2f}=\sqrt{L_r+L_{m1}+L_{m2}}/2\mathrm{\&pi;}\sqrt{C_{r1}{L}_{m2}(L_r+L_{m1})}$

$f_{r2b}=1/2\mathrm{\&pi;}\sqrt{(\frac{L_{m1}}{N_1^2}+\frac{L_{m2}}{N_2^2})C_{r2}}$

其中，L_r为谐振电感，C_r1、C_r2为主、副边谐振电容，L_m1，L_m2为对应主变压器T_r1、辅助变压器T_r2的励磁电感，N₁、N₂为对应主变压器T_r1、辅助变压器T_r2的变压器变比。