一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双向CLLLC‑DCX谐振变换器及其控制方法，本发明专利技术的变换器包含两个端口，两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器。本发明专利技术公开的双向CLLLC‑DCX谐振变换器，电路结构对称，正反向的工作性能一致，在本发明专利技术的控制方法下，可以很好地实现输入侧和输出侧开关管的ZVS或ZCS软开关，可以实现正常负载下的恒电压增益，并且由于辅助二极管的存在，变换器具有双向自动限功率的功能，同时实现正反向运行模式下能量的自然双向流动，提高变换器的效率和可靠性。

A bidirectional CLLLC-DCX resonant converter and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及其控制方法
本专利技术属于开关电源
，更具体地，涉及一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及其控制方法。
技术介绍
近年来，DC-DC变换器被广泛应用在各个领域，尤其是在包含储能单元的高压直流输电、微电网和电动汽车等各种供电系统场合。随着在电力电子
中对能量转换要求的不断提高，变换器逐渐向高频化、高效率、高功率密度发展，而且上述系统的储能单元在进行充放电时需要对能量控制，这就要求功率变换器具有双向可控功率流的特点，因此双向、高频隔离的需求也不断增加。在隔离型DC-DC变换器中，LLC谐振变换器因其可实现全负载范围下的软开关特性，具有很高的功率密度和变换效率。然而，当开关频率远离谐振频率时，会形成很高的环路电流而使效率变低。为了解决宽电压增益问题，通常会使用两级结构，其中一级是工作在谐振点的LLC谐振变换器，由于不改变其电压增益，于是称其为LLC-DCX，另外一级是非隔离型DC-DC变换器，用来调节电压增益。传统的LLC谐振变换器只有在开关谐振和谐振频率相等时才具有恒增益特性，而由于需要添加死区时间防止同一桥臂的开关管同时导通，因此开关频率无法完全等于谐振频率；此外，一般为了提高LLC谐振变换器的效率，副边开关管通常会使用同步整流的控制策略，但是在双向运行模式下，由于谐振腔的不对称，正反向的工作性能是不一样的，反向运行时会失去LLC的软开关特性，且要检测电流过零点，控制逻辑需要在正向与反向之间切换，同时还需要判断能量的流动方向，在实际应用中是非常困难的。
技术实现思路
为了解决不对称和控制逻辑需要切换以及恒增益的问题，本专利技术公开了一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及用于对变换器进行控制的同步等脉宽控制方法，该变换器的拓扑结构对称，要解决的技术问题是，可以很好地实现输入侧和输出侧MOS管的ZVS或ZCS软开关，并且实现正常负载下的恒电压增益和变换器双向限功率的功能，同时实现正反向运行模式下能量的自然双向流动，提高变换器的效率和可靠性。本专利技术公开了一种双向CLLLC-DCX谐振变换器，包括主电路和控制电路，所述主电路包含第一端口、第二端口、两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器，所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为电源端，另外一个则对应地作为负载端；连接变压器两端的电路拓扑结构相同，变压器的原边包括由谐振电感Lr_p、谐振电容Cr_p1和Cr_p2及其反并联辅助二极管D1和D2组成的谐振电路，由开关管Q1、Q2组成的开关电路；变压器的副边同理，包括由谐振电感Lr_s和谐振电容Cr_s1和Cr_s2及其反并联辅助二极管D3和D4组成的谐振电路，由开关管Q3和Q4组成的开关电路；所述主电路中各个部件的连接关系为：在变压器原边，谐振电容Cr_p1的正极和开关管Q1的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容Cr_p1的负极则同时与谐振电容Cr_p2正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q1的源极同时与谐振电感Lr_p的一端和开关管Q2的漏极相连，开关管Q2的源极和谐振电容Cr_p2的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感Lr_p的另一端则与变压器一次侧的正极相连，辅助二极管D1、D2分别反并联于谐振电容Cr_p1、Cr_p2；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感Lr_s的一端相连，谐振电感Lr_s的另一端同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极相连，开关管Q3的漏极同时与谐振电容Cr_s1和第二端口的正极相连，谐振电容Cr_s1的负极同时与谐振电容Cr_s2的正极和变压器二次侧的负极相连，而开关管Q4的源极、谐振电容Cr_s2的负极和第二端口的负极同时连在一起，辅助二极管D3、D4分别反并联于谐振电容Cr_s1、Cr_s2。在另外一个实施例中，控制电路包括控制器和驱动电路；控制器是DSP控制器，用于产生一组互补的PWM驱动信号，驱动电路将接收到的来自控制器的PWM驱动信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管Q1～Q4提供驱动电压。在另外一个实施例中，所述开关管Q1～Q4为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。此外，本专利技术还公开了所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器的控制方法，所述控制方法包括：在正向运行时，当流过谐振电感Lr_p的电流ir1为零时，同时开通开关管Q1和Q3，经过半个谐振周期后，ir1再次为零，此时将开关管Q1和Q3同时关闭，经过一个死区时间，ir1在死区时间内在零附近微幅振荡，Q2和Q4同时导通时，ir1也为零值，经过半个谐振周期后，Q2和Q4在ir1再次为零时同时关闭；在反向运行时，当流过谐振电感Lr_s的电流ir2为零时，同时开通开关管Q1和Q3，经过半个谐振周期后，ir2再次为零，此时将开关管Q1和Q3同时关闭，经过一个死区时间，ir2在死区时间内在零附近微幅振荡，Q2和Q4同时导通时，ir2也为零值，经过半个谐振周期后，Q2和Q4在ir2再次为零时同时关闭。相对于现有技术，本专利技术具备如下的有益效果：1、正反向运行时工作性能一样，无需更换控制逻辑，可实现能量的自然双向流动。2、正向运行时，可实现Q1、Q2的零电流、零电压开通和零电流关断，Q3、Q4的零电压开通，当励磁电感设计得比较合理时，Q3、Q4的关断电流比较小；反向运行时，可实现Q3、Q4的零电流、零电压开通和零电流关断，Q1、Q2的零电压开通，同理当励磁电感设计得比较合理时，Q1、Q2的关断电流也比较小。3、在正常负载范围内，负载的变化不会影响电压增益，电压为恒定值；在过载的情况下，由于辅助二极管的存在，输出功率不会超过一个最大值，起到了输出保护的作用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术提供的一种双向CLLLC-DCX谐振变换器电路结构示意图；图2(a)为本专利技术变压器工作在正常负载情况下的主要波形图；图2(b)为本专利技术变压器工作在过载情况下的主要波形图；图3为本专利技术实施例的变换器正常负载工作时t0～t3的工作情况等效电路图；图4为本专利技术实施例的变换器过载工作时t0～t4的工作情况等效电路图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本专利技术技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。如图1所示，所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器的主电路主要包含两个端口(第一端口、第二端口)，两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器。所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为本专利技术变换器的电源端，另外一个则对应地作为负载端；变压器两端的结构相同，变压器的原边包括由谐振电感Lr_p和谐振电容(Cr_p1、Cr_p2)及其反并联辅助二极管(D1、D2)组成的谐振电路，由开关管(Q1、Q2)组成的开关电路。变压器的副边同理，包括由谐振电感Lr_s和谐振电容(Cr_s1、Cr_s2)及其反并联辅助二极管(D3、D4)组成的谐振电路，由开关管(Q3、Q4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向CLLLC‑DCX谐振变换器，其特征在于，包括主电路和控制电路，所述主电路包含第一端口、第二端口、两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器，所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为电源端，另外一个则对应地作为负载端；连接变压器两端的电路拓扑结构相同，变压器的原边包括由谐振电感Lr_p、谐振电容Cr_p1和Cr_p2及其反并联辅助二极管D1和D2组成的谐振电路，由开关管Q1、Q2组成的开关电路；变压器的副边同理，包括由谐振电感Lr_s和谐振电容Cr_s1和Cr_s2及其反并联辅助二极管D3和D4组成的谐振电路，由开关管Q3和Q4组成的开关电路；所述主电路中各个部件的连接关系为：在变压器原边，谐振电容Cr_p1的正极和开关管Q1的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容Cr_p1的负极则同时与谐振电容Cr_p2正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q1的源极同时与谐振电感Lr_p的一端和开关管Q2的漏极相连，开关管Q2的源极和谐振电容Cr_p2的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感Lr_p的另一端则与变压器一次侧的正极相连，辅助二极管D1、D2分别反并联于谐振电容Cr_p1、Cr_p2；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感Lr_s的一端相连，谐振电感Lr_s的另一端同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极相连，开关管Q3的漏极同时与谐振电容Cr_s1和第二端口的正极相连，谐振电容Cr_s1的负极同时与谐振电容Cr_s2的正极和变压器二次侧的负极相连，而开关管Q4的源极、谐振电容Cr_s2的负极和第二端口的负极同时连在一起，辅助二极管D3、D4分别反并联于谐振电容Cr_s1、Cr_s2。...

【技术特征摘要】
1.一种双向CLLLC-DCX谐振变换器，其特征在于，包括主电路和控制电路，所述主电路包含第一端口、第二端口、两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器，所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为电源端，另外一个则对应地作为负载端；连接变压器两端的电路拓扑结构相同，变压器的原边包括由谐振电感Lr_p、谐振电容Cr_p1和Cr_p2及其反并联辅助二极管D1和D2组成的谐振电路，由开关管Q1、Q2组成的开关电路；变压器的副边同理，包括由谐振电感Lr_s和谐振电容Cr_s1和Cr_s2及其反并联辅助二极管D3和D4组成的谐振电路，由开关管Q3和Q4组成的开关电路；所述主电路中各个部件的连接关系为：在变压器原边，谐振电容Cr_p1的正极和开关管Q1的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容Cr_p1的负极则同时与谐振电容Cr_p2正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q1的源极同时与谐振电感Lr_p的一端和开关管Q2的漏极相连，开关管Q2的源极和谐振电容Cr_p2的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感Lr_p的另一端则与变压器一次侧的正极相连，辅助二极管D1、D2分别反并联于谐振电容Cr_p1、Cr_p2；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感Lr_s的一端相连，谐振电感Lr_s的另一端同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极相连，开关管Q3的漏极同时与谐振电容Cr_s1和第二端口的正极相连，谐振电容Cr_s1的负极同时与谐振电容Cr_s2的正极和变压器...

【专利技术属性】
技术研发人员：许国，李丽婷，陈孝莺，粟梅，孙尧，王辉，韩华，刘永露，但汉兵，熊文静，柳张杰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43