一種升壓型軟開關(guān)諧振變換器及其定頻控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種升壓型軟開關(guān)諧振變換器及其定頻控制方法，屬于電力電子變換器【技術(shù)領(lǐng)域】。該變換器由輸入源(Uin)、第一至第六開關(guān)管(S1～S6)、主電感(Lm)、變壓器(T)、諧振電感(Lr)、兩個(gè)二極管(D1、D2)、兩個(gè)諧振電容(Cr1、Cr2)、輸出濾波電容(Co)和負(fù)載(Ro)構(gòu)成；該變換器通過諧振電感和諧振電容的諧振完成原副邊能量傳輸，所有開關(guān)管均工作在相同且固定的開關(guān)頻率，通過開關(guān)管的移相控制實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制；本發(fā)明升壓型軟開關(guān)諧振變換器能夠全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)器件的軟開關(guān)，特別適合高頻、高功率密度、高效率隔離功率變換，具有控制簡(jiǎn)單、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種升壓型軟開關(guān)諧振變換器及其定頻控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種升壓型軟開關(guān)諧振變換器及其定頻控制方法，屬于電力電子變換器【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隔離型直流升壓變換器適用于要求輸入輸出電氣隔離且輸出電壓高于輸入電壓的場(chǎng)合，這類變換器在新能源發(fā)電、工業(yè)、民用、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
[0003]傳統(tǒng)的隔離型直流變換器，例如正激變換器、反激變換器、推挽變換器、半橋變換器、全橋變換器等，通過調(diào)整變壓器的變比，都能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的升壓要求。然而，單純依靠調(diào)整變壓器的變比來實(shí)現(xiàn)升壓存在以下問題:開關(guān)器件的電壓應(yīng)力高，特別是變換器副邊整流二極管的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于輸出電壓；變壓器漏感增加，引起開關(guān)器件的電壓尖峰和震蕩，進(jìn)一步加劇了開關(guān)器件的應(yīng)力、降低了可靠性和效率。此外，傳統(tǒng)的直流變換器通常不能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，限制了變換器的效率。雖然全橋變換器通過采用移相控制可以在特定負(fù)載和輸入輸出電壓條件下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但是其代價(jià)是增加了變換器的導(dǎo)通損耗，特別是漏感引起的環(huán)流損耗，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，環(huán)流損耗將急劇增加，此外，移相全橋變換器在輕載時(shí)也無法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
[0004]LLC諧振變換器是近年來獲得廣泛關(guān)注的升降壓型隔離變換器，當(dāng)其工作在升壓區(qū)間時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)，特別適合高頻、高功率密度場(chǎng)合的應(yīng)用。然而，LLC諧振變換器需要通過改變開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載或輸入電壓波動(dòng)時(shí)，開關(guān)頻率需要在很寬范圍內(nèi)變化，這給變換器的設(shè)計(jì)、分析、控制和實(shí)現(xiàn)都帶來了極大困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:
[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種升壓型軟開關(guān)諧振變換器及其定頻控制方法。
[0007]技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]所述升壓型軟開關(guān)諧振變換器由輸入源(Uin)、第一開關(guān)管(S1)、第二開關(guān)管(S2)、第三開關(guān)管(S3)、第四開關(guān)管(S4)、第五開關(guān)管(S5)、第六開關(guān)管(S6)、主電感(Lm)、變壓器(T)、諧振電感(L1X第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第一諧振電容(Crt)第二諧振電容(Cr2)、輸出濾波電容(C。)和負(fù)載(R。)構(gòu)成，變壓器⑴包括原邊繞組(Np)和副邊繞組(Ns)。
[0010]所述輸入源(Uin)的正極與第一開關(guān)管(S1)的漏極和第三開關(guān)管(S3)的漏極相連，第一開關(guān)管(S1)的源極連于第二開關(guān)管(S2)的漏極、主電感(Lm)的一端和變壓器(T)原邊繞組(Np)的同名端，變壓器(T)原邊繞組(Np)的非同名端連于第三開關(guān)管(S3)的源極、第四開關(guān)管(S4)的漏極和主電感(Lm)的另一端，第四開關(guān)管(S4)的源極連于第二開關(guān)管(S2)的源極和輸入源(Uin)的負(fù)極。[0011]所述變壓器⑴副邊繞組(Ns)的同名端連于諧振電感(Lr)的一端，諧振電感(U的另一端連于第一二極管(D1)的陽極、第二二極管(D2)的陰極和第五開關(guān)管(S5)的漏極，變壓器⑴副邊繞組(Ns)的非同名端連于第六開關(guān)管(S6)的漏極、第一諧振電容(Crt)的一端和第二諧振電容(C1^2)的一端，第一諧振電容(C11)的另一端連于第一二極管(D1)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負(fù)載(R。)的一端，負(fù)載(R。)的另一端連于輸出濾波電容(C0)的另一端、第二諧振電容(CJ的另一端和第二二極管(D2)的陽極，第五開關(guān)管(S5)的源極連于第六開關(guān)管(S6)的源極。
[0012]所述主電感(Lm)可以由變壓器⑴的激磁電感代替。
[0013]所述諧振電感(Lr)可以部分或全部由變壓器⑴的漏感代替。
[0014]所述第一至第六開關(guān)管(S1~S6)的開關(guān)頻率相等且固定，第一開關(guān)管(S1)與第二開關(guān)管(S2)互補(bǔ)導(dǎo)通，第三開關(guān)管(S3)與第四開關(guān)管(S4)互補(bǔ)導(dǎo)通，第五開關(guān)管(S5)和第六開關(guān)管(S6)互補(bǔ)導(dǎo)通，第一開關(guān)管(Si)、第二開關(guān)管(S2)、第三開關(guān)管(S3)、第四開關(guān)管(S4)、第五開關(guān)管(S5)和第六開關(guān)管(S6)的占空比相等，第一開關(guān)管(S1)和第四開關(guān)管
(S4)同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，第二開關(guān)管(S2)和第三開關(guān)管(S3)同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，第一開關(guān)管(S1)的開通時(shí)刻不晚于第六開關(guān)管(S6)的開通時(shí)刻，第三開關(guān)管(S3)的開通時(shí)刻不晚于第五開關(guān)管(S5)的開通時(shí)刻，通過調(diào)節(jié)第一開關(guān)管(S1)和第六開關(guān)管(S6)導(dǎo)通時(shí)刻之間的移相角實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。
[0015]本發(fā)明具有如下技術(shù)效果:
[0016](I)所有開關(guān)器件的電壓都直接由輸入電壓或輸出電壓鉗位，開關(guān)器件電壓應(yīng)力低；
·[0017](2)所有開關(guān)器件能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，變換效率高；
[0018](3)變壓器漏感得到有效利用，不存在漏感引起的環(huán)流或電壓尖峰問題；
[0019](4)該變換器可以高頻開關(guān)工作，從而有效減小電感和變壓器的體積重量，實(shí)現(xiàn)高功率密度；
[0020](5)變換器工作在固定開關(guān)頻率、控制簡(jiǎn)單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]附圖1是本發(fā)明升壓型軟開關(guān)諧振變換器的電路原理圖；
[0022]附圖2是本發(fā)明升壓型軟開關(guān)諧振變換器的主要波形圖；
[0023]附圖3~附圖6是本發(fā)明升壓型軟開關(guān)諧振變換器在各開關(guān)模態(tài)的等效電路圖；
[0024]以上附圖中的符號(hào)名稱:Uin為輸入源；Lm為主電感心為諧振電感汀為變壓器；NP和Ns分別為變壓器(T)的原邊繞組和副邊繞組；Cri和(；2分別為第一和第二諧振電容；C。為輸出濾波電容；R。為負(fù)載；Sp S2> S3> S4> S5和S6分別為第一、第二、第三、第四、第五和第六開關(guān)管辦、D2分別為第一和第二二極管；U。為輸出電壓；uDS1為第一開關(guān)管(S1)的漏極和源極之間的電壓為變壓器⑴原邊繞組(Np)同名端和非同名端之間的電壓；im為主電感(Lm)的電流；iP為流過主電感(Lm)的電流與變壓器原邊繞組(Np)的電流之和&為諧振電感(Lr)的電流；t、tQ、tp t2、t3和t4為時(shí)間。
【具體實(shí)施方式】[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]如附圖1所示，所述升壓型軟開關(guān)諧振變換器由輸入源(Uin)、第一開關(guān)管(S1)、第二開關(guān)管(S2)、第三開關(guān)管(S3)、第四開關(guān)管(S4)、第五開關(guān)管(S5)、第六開關(guān)管(S6)、主電感(Lm)、變壓器⑴、諧振電感(Lr)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第一諧振電容(Crt)第二諧振電容(CJ、輸出濾波電容(C。)和負(fù)載(R。)構(gòu)成，變壓器⑴包括原邊繞組(Np)和副邊繞組(Ns)。所述輸入源(Uin)的正極與第一開關(guān)管(S1)的漏極和第三開關(guān)管(S3)的漏極相連，第一開關(guān)管(S1)的源極連于第二開關(guān)管(S2)的漏極、主電感(Lm)的一端和變壓器(T)原邊繞組(Np)的同名端，變壓器(T)原邊繞組(Np)的非同名端連于第三開關(guān)管(S3)的源極、第四開關(guān)管(S4)的漏極和主電感(Lm)的另一端，第四開關(guān)管(S4)的源極連于第二開關(guān)管(S2)的源極和輸入源(Uin)的負(fù)極。所述變壓器⑴副邊繞組(Ns)的同名端連于諧振電感(Lj的一端,諧振電感(Lj的另一端連于第一二極管(D1)的陽極、第二二極管(D2)的陰極和第五開關(guān)管(S5)的漏極，變壓器(T)副邊繞組(Ns)的非同名端連于第六開關(guān)管
(S6)的漏極、第一諧振電容(C11)的一端和第二諧振電容(Crf)的一端,第一諧振電容(Crt)的另一端連于第一二極管(D1)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負(fù)載(R。)的一端，負(fù)載(R0)的另一端連于輸出濾波電容(C。)的另一端、第二諧振電容(Cr2)的另一端和第二二極管(D2)的陽極，第五開關(guān)管(S5)的源極連于第六開關(guān)管(S6)的源極。
[0027]在具體實(shí)施時(shí)，所述主電感(Lm)可以由變壓器(T)的激磁電感代替，所述諧振電感(LJ可以部分或全部由變壓器(T)的漏感代替。這表明實(shí)際應(yīng)用中所需的電感數(shù)量可以大大減少，而且變壓器(T)的漏感將得到有效利用。
[0028]本發(fā)明所述升壓型軟開關(guān)諧振變換器在具體實(shí)施時(shí)采取如下控制方案，所述第一至第六開關(guān)管(S1-S6)的開關(guān)頻率相等且固定，第一開關(guān)管(S1)與第二開關(guān)管(S2)互補(bǔ)導(dǎo)通，第三開關(guān)管(S3)與第四開關(guān)管(S4)互補(bǔ)導(dǎo)通，第五開關(guān)管(S5)和第六開關(guān)管(S6)互補(bǔ)導(dǎo)通，第一開關(guān)管(Si)、第二開關(guān)管(S2)、第三開關(guān)管(S3)、第四開關(guān)管(S4)、第五開關(guān)管
(S5)和第六開關(guān)管(S6)的占空比相等，第一開關(guān)管(S1)和第四開關(guān)管(S4)同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，第二開關(guān)管(S2)和第三開關(guān)管(S3)同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，第一開關(guān)管(S1)的開通時(shí)刻不晚于第六開關(guān)管(S6)的開通時(shí)刻，第三開關(guān)管(S3)的開通時(shí)刻不晚于第五開關(guān)管(S5)的開通時(shí)刻，通過調(diào)節(jié)第一開關(guān)管(S1)和第六開關(guān)管(S6)導(dǎo)通時(shí)刻之間的移相角實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。
[0029]在具體實(shí)施時(shí)，第一開關(guān)管(S1)與第二開關(guān)管(S2)的開關(guān)信號(hào)之間必須設(shè)置合理的死區(qū)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)第一開關(guān)管(S1)與第二開關(guān)管(S2)的軟開關(guān)，第三開關(guān)管(S3)與第四開關(guān)管(S4)的開關(guān)信號(hào)之間必須設(shè)置合理的死區(qū)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)第三開關(guān)管(S3)與第四開關(guān)管(S4)的軟開關(guān)，而第五開關(guān)管(S5)和第六開關(guān)管(S6)的開關(guān)信號(hào)之間則不需要設(shè)置任何的死區(qū)時(shí)間。
[0030]在具體實(shí)施時(shí)，所有的開關(guān)管應(yīng)選用帶有寄生體二極管的半導(dǎo)體開關(guān)器件，例如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。如果所選用的開關(guān)管不帶有寄生體二極管，則應(yīng)該在其漏極和源極兩端反并聯(lián)二極管。
[0031]從附圖1所示的本發(fā)明升壓型軟開關(guān)諧振變換器的電路結(jié)構(gòu)可以直觀地看出，該變換器原邊的開關(guān)器件都直接被輸入電壓鉗位，即其電壓應(yīng)力就等于輸入電壓，而變換器副邊的開關(guān)器件都直接被輸出電壓鉗位，也即其電壓應(yīng)力就不超過輸出電壓，原邊和副邊的所有開關(guān)器件都不存在電壓尖峰問題，具有開關(guān)器件電壓應(yīng)力低的優(yōu)點(diǎn)。
[0032]假設(shè)所有電感、電容、開關(guān)管和二極管都為理想器件，忽略輸出濾波電容(C。)上的電壓紋波，則輸出濾波電容C。的電壓即等于輸出電壓U。。本發(fā)明升壓型軟開關(guān)諧振變換器(以下簡(jiǎn)稱變換器)在半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)共有四種開關(guān)模態(tài)。
[0033]開關(guān)模態(tài)UVt1]: h時(shí)刻之前，開關(guān)管S2、SjP S5導(dǎo)通，但是開關(guān)管S5中的電流為零，諧振電感(LJ的電流也為零，二極管全部關(guān)斷，主電感(Lm)的電流為負(fù)值且在輸入電壓的作用下線性增加山時(shí)刻，S2、S3關(guān)斷，主電感(Lm)的電流換向到SjP S4的體二極管中，開關(guān)管S1和S4的漏源電壓降為0，因此，S1和S4具備了零電壓開通的條件，同時(shí)主電感(Lni)的電流込在輸入電壓的作用下反向減小，諧振電感(Lr)的電流U也在輸入電壓的作用下線性增加，該模態(tài)等效電路如附圖3所示。
[0034]開關(guān)模態(tài)A1時(shí)刻,開關(guān)管S1和S4零電壓開通,主電感Lm和諧振電感(Lr)的電流都繼續(xù)增加，該模態(tài)等效電路如附圖4所示，此時(shí)第六開關(guān)管(S6)的漏源電壓自然降為零，即第六開關(guān)管具備了零電壓開通的條件。值得注意的是，該模態(tài)持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，諧振電感(D的電流也越大，這直接決定了諧振電感(Lj和兩個(gè)諧振電容諧振的起始時(shí)刻諧振電感(LJ電流的初值，該初值也進(jìn)一步?jīng)Q定了諧振過程中向負(fù)載傳輸?shù)哪芰浚虼送ㄟ^調(diào)節(jié)該開關(guān)模態(tài)的時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓和輸出功率的調(diào)節(jié)。
[0035]開關(guān)模態(tài)3[t2，t3]:t2時(shí)刻，開關(guān)管S5關(guān)斷、S6開通，但是由于S5關(guān)斷，S6中并沒有電流流過，副邊繞組電流自然換向到二極管D1，諧振電感(LJ開始與兩個(gè)諧振電容(Crt、Cr2)諧振，輸入源Uin通過諧振電感k向負(fù)載傳輸能量，直到t3時(shí)刻，諧振電感(LJ的電流自然諧振到零，該模態(tài)等效電路如附圖5所示。
[0036]開關(guān)模態(tài)4[t3，t4]:t3時(shí)刻，諧振電感(LJ的電流自然諧振到零，第一二極管(D1)自然關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)損耗，該模態(tài)等效電路如附圖6所示。在該模態(tài)，輸入源不向負(fù)載傳輸能量，只有主電感(Lm)在輸入電壓的作用下電流線性增加，為第二和第三開關(guān)管(S2> S3)的零電壓開通創(chuàng)造條件。
[0037]t4時(shí)刻后，下半開關(guān)周期開始，工作過程類似，不再重復(fù)敘述。
[0038]總結(jié)電感電流連續(xù)模式下的工作過程可知，該變換器所有的開關(guān)管都能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，兩個(gè)二極管的電流都是自然減小到O、自然從O開始增加，因此不存在二極管反向恢復(fù)問題，因此，所有的開關(guān)器件都是軟開關(guān)工作狀態(tài)。此外，由于開關(guān)管的零電壓開關(guān)取決于主電感，與負(fù)載大小無關(guān)，因此，該變換器可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)。
【權(quán)利要求】
1.一種升壓型軟開關(guān)諧振變換器，其特征在于: 所述升壓型軟開關(guān)諧振變換器由輸入源(Uin)、第一開關(guān)管(Si)、第二開關(guān)管(S2)、第三開關(guān)管(S3)、第四開關(guān)管(S4)、第五開關(guān)管(S5)、第六開關(guān)管(S6)、主電感(Lm)、變壓器⑴、諧振電感(D、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第一諧振電容(C11)第二諧振電容(C1^2)、輸出濾波電容(C。)和負(fù)載(R。)構(gòu)成，變壓器⑴包括原邊繞組(Np)和副邊繞組(Ns)； 所述輸入源(Uin)的正極與第一開關(guān)管(S1)的漏極和第三開關(guān)管(S3)的漏極相連，第一開關(guān)管(S1)的源極連于第二開關(guān)管(S2)的漏極、主電感(Lm)的一端和變壓器(T)原邊繞組(Np)的同名端，變壓器⑴原邊繞組(Np)的非同名端連于第三開關(guān)管(S3)的源極、第四開關(guān)管(S4)的漏極和主電感(Lm)的另一端，第四開關(guān)管(S4)的源極連于第二開關(guān)管(S2)的源極和輸入源(Uin)的負(fù)極； 所述變壓器⑴副邊繞組(Ns)的同名端連于諧振電感(LJ的一端，諧振電感(LJ的另一端連于第一二極管(D1)的陽極、第二二極管(D2)的陰極和第五開關(guān)管(S5)的漏極，變壓器⑴副邊繞組(Ns)的非同名端連于第六開關(guān)管(S6)的漏極、第一諧振電容(Crt)的一端和第二諧振電容(Crf)的一端,第一諧振電容(Crt)的另一端連于第一二極管(D1)的陰極、輸出濾波電容(C。)的一端和負(fù)載(R0)的一端，負(fù)載(R。)的另一端連于輸出濾波電容(C。)的另一端、第二諧振電容(CJ的另一端和第二二極管(D2)的陽極，第五開關(guān)管(S5)的源極連于第六開關(guān)管(S6)的源極。
2.一種基于權(quán)利要求1的升壓型軟開關(guān)諧振變換器，其特征在于:所述主電感(Lm)可以由變壓器(T)的激磁電感代替。
3.一種基于權(quán)利要求1的升壓型軟開關(guān)諧振變換器，其特征在于:所述諧振電感(LJ可以部分或全部由 變壓器(T)的漏感代替。
4.一種基于權(quán)利要求1所述的升壓型軟開關(guān)諧振變換器的定頻控制方法，其特征在于: 所述第一至第六開關(guān)管(S1-S6)的開關(guān)頻率相等且固定，第一開關(guān)管(S1)與第二開關(guān)管(S2)互補(bǔ)導(dǎo)通，第三開關(guān)管(S3)與第四開關(guān)管(S4)互補(bǔ)導(dǎo)通，第五開關(guān)管(S5)和第六開關(guān)管(S6)互補(bǔ)導(dǎo)通，第一開關(guān)管(Si)、第二開關(guān)管(S2)、第三開關(guān)管(S3)、第四開關(guān)管(S4)、第五開關(guān)管(S5)和第六開關(guān)管(S6)的占空比相等，第一開關(guān)管(S1)和第四開關(guān)管(S4)同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，第二開關(guān)管(S2)和第三開關(guān)管(S3)同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，第一開關(guān)管(S1)的開通時(shí)刻不晚于第六開關(guān)管(S6)的開通時(shí)刻，第三開關(guān)管(S3)的開通時(shí)刻不晚于第五開關(guān)管(S5)的開通時(shí)刻，通過調(diào)節(jié)第一開關(guān)管(S1)和第六開關(guān)管(S6)導(dǎo)通時(shí)刻之間的移相角實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK103595258SQ201310637119
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】吳紅飛, 夏天, 許 鵬, 邢巖 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)