一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器及方法技术

本发明专利技术公开一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器及方法，包括一次侧的逆变电路、二次侧的整流电路、连接逆变电路与整流电路的变压器和LC串联谐振腔；一次侧的逆变电路为全桥逆变电路，全桥逆变电路与LC串联谐振腔及变压器的原边绕组相连接；二次侧的两个变压器绕组分别与二极管d1、二极管d2以及电容C1、电容C2组成两个半波整流电路，电容C1与二极管d3串联，电容C2与二极管d4串联，两个串联中点通过开关管S5连接；二次侧的整流电路输出端接输出电感及负载。本发明专利技术能够实现输出电压两倍的变化范围。本发明专利技术在保留传统LLC隔离、高功率密度特性的前提下，还保证了高电能转换效率。还保证了高电能转换效率。还保证了高电能转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器及方法


[0001]本专利技术属于变换器技术邻域，涉及一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器及方法。

技术介绍

[0002]传统的火力发电排放多，污染严重，因此光伏发电或海上风电等分布式发电系统发展迅速。同时汽车尾气排放是城市中碳氧化物的主要来源，新能源汽车也逐渐普及。而直流变换器作为分布式发电与新能源汽车的关键装备，也有了新的需求：分布式发电系统受光照强度与风力等不可控因素的影响，电压浮动大；而在新能源汽车充电中，由于蓄电池自身的特性，其充电电压会随电池电量有较宽范围变化。因此高效率宽电压范围的直流变换器是当下的研究热点。
[0003]直流变换器根据有无隔离变压器分为隔离型和非隔离型，在分布式发电系统中，隔离型直流变换器可利用变压器较易实现高增益特性；在新能源充电系统中由于变压器可以提供电气隔离，安全性更高，因此普遍选择隔离型直流变换器。传统隔离型直流
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直流变换器主要为双有源桥变换器(DAB)、串联谐振变换器(SRC)以及LLC谐振变换器。DAB已成为中高压电力系统的核心变换器，相较于早期的隔离型变换器，DAB拓扑自身有软开关的特性，原边四个开关器件均可实现ZVS，副边4个开关器件均可实现ZCS。但其开关管在电流峰值处关断，关断损耗大，影响了变换器效率的进一步提升。并且当DAB的增益远离1时，会有较大的回流功率产生，使效率显著下降；串联谐振变换器由于加入了LC串联谐振腔，减小了开关器件的关断损耗，但其只能工作在降压模式，并且轻载时变换器的调压能力差；LLC谐振变换器作为最常用的谐振型直流变换器，具有效率高，功率密度高等显著的优势，利用变频调节输出电压，但其高效率特性只在谐振频率附近。当变换器工作在宽电压范围应用场所时，变换器的励磁电感须设计的较小，使开关器件关断损耗与导通损耗都增大,并且给磁性元件的设计带来了困难。因此，传统利用变频调压的LLC变换器不能在较宽的调压范围下满足高效率的特性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有LLC变换器在宽电压范围工况下效率低下的技术缺陷，提出一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器及方法，能够实现输出电压两倍的变化范围。在保留传统LLC隔离、高功率密度特性的前提下，还保证了高电能转换效率。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器，包括一次侧的逆变电路、二次侧的整流电路、连接逆变电路与整流电路的三绕组变压器和LC串联谐振腔；一次侧的逆变电路为全桥逆变电路，全桥逆变电路与LC串联谐振腔及变压器的原边绕组相连接；二次侧为整流电路，其中，两个变压器绕组分别与二极管d1、二极管d2以及电容C1与电容C2组成两个半波整流电路，电容C1与二极管d3串联，电容C2与二极管d4串联，两个串联中点通过开关管S5连接；
二次侧的整流电路输出端接输出电感及负载。
[0007]一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器，包括一次侧的逆变电路、二次侧的整流电路、连接逆变电路与整流电路的变压器和LC串联谐振腔；一次侧的逆变电路为全桥逆变电路，全桥逆变电路与LC串联谐振腔及变压器的原边绕组相连接；二次侧为整流电路，其中，电容C1与二极管d3串联组成一个输出电容桥臂，电容C2与二极管d4组成另一个输出电容桥臂，两输出电容桥臂的电容和二极管位置相反，将两输出电容桥臂并联后接输出电感及负载；二极管d1、二极管d2与开关管S5、开关管S6组成一个变结构的桥式整流电路，其中开关管S5、开关管S6串联并与两个输出电容桥臂的中点相连。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，多个所述变结构LLC变换器的输入并联、输出串联形成中压大功率直流变换器拓扑。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述输出电压V
o
的表达式为：
[0010]V
o
＝(1+d)V2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0011]其中，V2为变压器二次侧绕组两端电压，d为开关管S5的占空比。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述输出电压V
o
的表达式为：
[0013]V
o
＝2DV2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]其中，V2为变压器二次侧绕组两端电压，D为开关管S5与开关管S6的占空比。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述变压器的励磁电感L
m
满足：
[0016][0017]其中t
dead
表示同一桥臂开关器件的死区时间，C
s
表示开关器件的结电容，f
r
表示LC串联谐振腔的谐振频率。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述谐振电容通过谐振频率与变压器漏感满足：
[0019][0020]其中，其中f
r
表示LC串联谐振腔的谐振频率，L
r
表示变压器漏感感值。
[0021]一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器的控制方法，包括以下步骤：
[0022]开关管S5关断时，输出电容并联，输出电压等于电容两端电压，S5导通时，两个输出电容串联，输出电压等于两个电容电压之和，通过调节开关器件占空比来调节输出电压，调压范围为1到2倍。
[0023]一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器的控制方法，包括以下步骤：
[0024]开关管S5,S6同时导通时，两个输出电容串联，输出电压等于两个电容电压之和，否则输出电容并联，输出电压等于电容两端电压；通过调节开关器件占空比来调节输出电压，调压范围为1到2倍；通过合适的控制，使S5的开关时刻与Q1,Q4同步，而S6的开关时刻与Q2,Q3同步，使得S5,S6具有同步整流功能。
[0025]一种实现更宽输出电压范围的变结构LLC变换器的控制方法，包括以下步骤：
[0026]当原边开关管Q1,Q4与Q2,Q3以50％占空比互补导通时，原边工作在全桥逆变模式；当原边的开关管Q3保持关断，Q4保持导通时，原边的全桥逆变可工作在半桥模式下；半桥与全桥两种模式使得变换器的调压范围可以拓宽至1到4倍。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0028]本专利技术提出的拓扑可应用于中大功率场所下的分布式发电系统以及电池或超级电容充电系统，提出的拓扑具有以下显著优势：本专利技术的隔离型直流变换器，二次侧采用一种新型结构，通过改变输出电容的串并联关系，可实现输出电压1
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2倍范围内变化，适用于可再生能源发电和电池充电，克服了传统LLC变换器在宽电压范围工况下效率低下的缺陷，满足电池/超级电容充电时输出电压宽范围调节和可再生能源发电高变比的需求。而且变换器通过二次侧开关器件的导通占空比实现调压，而非利用谐振腔进行变频调压，使得变换器可以工作在固定的开关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器，其特征在于，包括一次侧的逆变电路、二次侧的整流电路、连接逆变电路与整流电路的三绕组变压器和LC串联谐振腔；一次侧的逆变电路为全桥逆变电路，全桥逆变电路与LC串联谐振腔及变压器的原边绕组相连接；二次侧为整流电路，其中，两个变压器绕组分别与二极管d1、二极管d2以及电容C1与电容C2组成两个半波整流电路，电容C1与二极管d3串联，电容C2与二极管d4串联，两个串联中点通过开关管S5连接；二次侧的整流电路输出端接输出电感及负载。2.一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器，其特征在于，包括一次侧的逆变电路、二次侧的整流电路、连接逆变电路与整流电路的变压器和LC串联谐振腔；一次侧的逆变电路为全桥逆变电路，全桥逆变电路与LC串联谐振腔及变压器的原边绕组相连接；二次侧为整流电路，其中，电容C1与二极管d3串联组成一个输出电容桥臂，电容C2与二极管d4组成另一个输出电容桥臂，两输出电容桥臂的电容和二极管位置相反，将两输出电容桥臂并联后接输出电感及负载；二极管d1、二极管d2与开关管S5、开关管S6组成一个变结构的桥式整流电路，其中开关管S5、开关管S6串联并与两个输出电容桥臂的中点相连。3.根据权利要求1或2所述的一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器，其特征在于，多个所述变结构LLC变换器的输入并联、输出串联形成中压大功率直流变换器拓扑。4.根据权利要求1所述的一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器，其特征在于，所述输出电压V
o
的表达式为：V
o
＝(1+d)V2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，V2为变压器二次侧绕组两端电压，d为开关管S5的占空比。5.根据权利要求2所述的一种宽输出电压范围的变结构LLC变换器，其特征在于，所述输出电压V
o
的表达式为：V
o
＝2DV2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
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【专利技术属性】
技术研发人员：杜思行，党恒凯，张岩，刘进军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：