波动电能回收的高精度DC/DC变换器的制作方法与工艺

本发明涉及一种DC/DC变换器，具体是输入电压可变化的、高频的、串联谐振软开关的、高精度的、用于波动电能回收的DC/DC变换器。

背景技术：
光伏电能、风能或电动汽车等的能量回收系统，都随着外界因素(如温度、光照强度、风速、发动机转速等)的变化而波动，不便于直接回收、存储、利用。DC/DC变换器是一种是用半导体开关器件，配合电感、电容器、变压器等器件，通过控制半导体开关器件的快速导通、关断来控制输出直流电压的变换电路，其功能是将不稳定、不可控的直流电压变换为满足系统要求的、可控的直流电压。目前，常用的DC/DC变换器采用Boost/Buck电路拓扑，对直流电压进行升压或降压变化。但是，Boost/Buck电路拓扑有如下缺点：升压或降压幅度有限，当大幅度变压时，很难控制开关器件的通断，且输出的电压易不稳定；输入侧电压有波动时，控制策略较为复杂、难以实现。

技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种高精度串联谐振DC/DC变换器。该变换器可适应较宽的输入侧电压变化，采用高频隔离变压器隔离、变压，输出侧电压可实现大幅度变压。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：输入侧稳压电容器、单极高频逆变器、可调式串联谐振电路、高频变压器、高频可不控整流器、输出侧稳压电容器，依次顺序连接组成。所述的输入侧稳压电容器用于稳定输入侧直流电压。所述的单极高频逆变器包括：第一高频开关、第一高频二极管、第二高频开关、第二高频二极管。第一高频开关与第一高频二极管反并联和第二高频开关与第二高频二极管反并联后串联连接，第二高频开关与第二高频二极管反并联后与可调式串联谐振电路并联连接。进一步地，单极高频逆变器采用离散的控制方式，根据开关管不同的导通方式，逆变器的输出有3种状态，分别称之为正向谐振、自由谐振、和反向谐振。正向谐振是单极高频逆变器输出的脉冲电压方向与谐振电流方向相同，对谐振电流起到加强作用，称之为正向谐振；单极高频逆变器输出脉冲电压为零，对谐振电流无影响，称之为自由谐振；单极高频逆变器输出的脉冲电压方向与谐振电流方向相反，使得谐振电流减弱，称之为反向谐振。进一步地，单极高频逆变器的3种离散控制状态都在谐振电流的过零点切换开关管的状态，以使得开关损耗为零，开关频率与第三高频开关关断时的串联谐振频率始终保持相同，3种离散控制状态的作用周期设定为第三高频开关关断时的串联谐振周期的一半，且正向谐振只能在谐振电流的正半周、反向谐振只能在谐振电流的负半周、自由谐振能够在谐振电流的整个周期，正向谐振和反向谐振不能在一个串联谐振周期内连续出现，正向谐振或反向谐振的下一个状态强制设定为自由谐振。进一步地，单极高频逆变器的第一高频开关和第二高频开关不能同时导通，正向谐振状态的开关导通方式为：谐振电流正半周，导通第一高频开关和关断第二高频开关；自由谐振状态的开关导通方式为：导通第二高频开关和关断第一高频开关；反向谐振状态的开关导通方式为：谐振电流负半周，关断第一高频开关和第二高频开关，第一高频二极管导通使得可调式串联谐振电路向单极高频逆变器输入侧回馈电能。所述的可调式串联谐振电路包括：第一谐振电容器、第二谐振电容器、第三高频开关、谐振电感、高频变压器的漏感，第二谐振电容器与第三高频开关串联后和第一谐振电容器并联，谐振电感、高频变压器与之串联连接。进一步地，第三高频开关导通时，第一谐振电容器与第二谐振电容器并联作为可调式串联谐振电路的谐振电容，谐振电容的容量增加，谐振周期增大，控制策略不变，高频逆变器的3种离散状态仍按第三高频开关关断时的谐振周期的一半作为作用周期，仍在谐振电流的过零点切换开关管的状态，正向谐振或反向谐振状态结束时下一个谐振电流过零点还未到来，下一个串联谐振半周期强制为自由谐振状态，关断第一高频开关、导通第二高频开关提前进入自由谐振状态。通过第三高频开关调节谐振电容器的容量对输出侧直流电压微调、精度更高。进一步地，单极高频逆变器的3种离散状态的控制策略，输出侧直流电压与给定值比较，给定值设定滞环差值范围，若输出侧直流电压超出滞环差值上限，高频逆变器的下一时刻离散状态为反向谐振；若输出侧直流电压低于滞环差值下限，高频逆变器的下一时刻离散状态为正向谐振；若输出侧直流电压在滞环差值范围内，高频逆变器的下一时刻离散状态为自由谐振；正向谐振和反向谐振不能连续出现，否则将下一个的后续状态强制为自由谐振；若在谐振电流负半周出现正向谐振或谐振电流正半周出现反向谐振，则强制为自由谐振；在一个串联谐振周期内，必然是：正向谐振和自由谐振、自由谐振和反向谐振、自由谐振；输出侧直流电压达到电压设定值后，导通第三高频开关，谐振电容器的容量增加，控制策略不变，微调输出侧直流电压，使得输出侧直流电压的波动更小、精度更高。所述的高频变压器用于变换输入输出侧的电压，输入侧的漏感参与到可调式串联谐振电路中。所述的高频不可控整流器用于将高频变压器输出的高频交流波形电压变换为直流电压。所述的输出侧电容器用于稳定输出侧直流电压。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：第一、输入侧直流电压波动变化时，不影响输出侧电压；第二、单极高频逆变器只有两个高频开关，结构简单、控制策略容易实现，基于谐振软开关控制技术，可消除开关损耗，开关频率进一步提高；第三、增加了谐振电容的微调功能，与离散的谐振软开关控制技术结合，可使输出电压的波动更小、响应更快；第四、隔离变压器为高频变压器，体积小、响应快，通过变压器变压，变压幅度大，而且整流后的直流电压质量高、稳定。附图说明当参考阅读下面的详细说明时，将更好地理解本发明的特征和优点，其中，在全部附图内，类似的字符表示类似的部分，其中：图1为根据本发明的一个实施例；图2为实施例中单极高频逆变器10的离散控制状态，U为高频逆变器输出的电平，Ir为谐振电感的电流，I为正向谐振和自由谐振，II为自由谐振和反向谐振，III为自由谐振，IV为高频开关S3导通后的正向谐振和自由谐振，V为高频开关S3导通后的自由谐振和反向谐振；图3为本发明实施例的仿真结果图，1-输入侧直流电压Uin，2-输出侧直流电压Uout，其中高频变压器Th的初级、次级绕组匝数比为1:1。具体实施方式在如图1所示，根据本发明的一个实施例的高精度DC/DC变换器100的拓扑，包括：输入侧稳压电容器C1、单极高频逆变器10、可调式串联谐振电路20、高频变压器Th、高频不可控整流器30、输出侧稳压电容器C2，依次顺序连接组成。所述的输入侧稳压电容器C1用于稳定输入电压Uin。所述的单极高频逆变器10包括：第一高频开关S1、第一高频二极管D1、第二高频开关S2、第二高频二极管D2，第一高频开关S1与第一高频二极管D1反并联和第二高频开关S2与第二高频二极管D2反并联后串联连接，第二高频开关S2与第二高频二极管D2反并联后与可调式串联谐振电路20并联连接。如图2所示，单极高频逆变器10采用离散的控制方式，在串联谐振的正半周，单极高频逆变器10输出的脉冲电压U方向与谐振电流Ir方向相同，对谐振电流Ir起到加强作用，I为正向谐振和自由谐振；在串联谐振的负半周，单极高频逆变器10输出的脉冲电压U方向与谐振电流Ir方向相反，使得谐振电流Ir减弱，II为自由谐振和反向谐振；单极高频逆变器10输出脉冲电压U为零，对谐振电流Ir无影响，III为自由谐振。进一步地，单极高频逆变器10的3种离散控制状态都在谐振电流Ir的过零点切换高频开关的状态，以使得开关损耗为零，开关频率为Lr-Cr1串联谐振频率，且3种离散控制状态的作用周期设定为Lr-Cr1串联谐振周期的一半。进一步地，单极高频逆变器10的第一高频开关S1和第二高频开关S2不能同时导通，正向谐振状态的开关导通方式为：谐振电流Ir正半周，导通第一高频开关S1和关断第二高频开关S2；自由谐振状态的开关导通方式为：导通第二高频开关S2和关断第一高频开关S1；反向谐振状态的开关导通方式为：谐振电流Ir负半周，关断第一高频开关S1、第二高频开关S2，第一高频二极管D1导通使得可调式串联谐振电路20向单极高频逆变器10输入侧回馈电能。所述的可调式串联谐振电路20包括：第一谐振电容器Cr1、第二谐振电容器Cr2、第三高频开关S3、谐振电感Lr(高频变压器Th的漏感包含其中)，第二谐振电容器Cr2与第三高频开关S3串联后和第一谐振电容器Cr1并联，谐振电感Lr、高频变压器Th与之串联连接，图1所示的实施例中，谐振电感Lr取0.5mH，第一谐振电容器Cr1取5.1nF，第二谐振电容器Cr2取300pF，第三高频开关S3关断时，谐振频率为100kHz，第三高频开关S3导通后，谐振频率为95kHz。进一步地，输出侧直流电压Uout达到设定电压值Uset后，保持第三高频开关S3为导通状态，第一谐振电容器Cr1与第二谐振电容器Cr2并联作为可调式串联谐振电路20的谐振电容，谐振电容的容量增加，谐振周期增大，其他条件不变，单极高频逆变器10的3种离散状态仍按第三高频开关S3关断时的谐振周期的一半作为作用周期，仍在谐振电流Ir的过零点切换开关管的状态，正向谐振或反向谐振的下一个状态强制为自由谐振，正向谐振或反向谐振状态结束时下一个谐振电流Ir过零点还未到来，提前进入下一个半周期的自由谐振状态，单极高频逆变器10的第一高频开关S1保持关断、第二高频开关S2保持导通，如图2所示，IV为正向谐振和自由谐振，V为反向谐振和自由谐振。高频逆变器10的3种离散状态如何确定，输出侧直流电压Uout与给定值Uset比较，给定值Uset设定滞环差值Ud，若输出侧直流电压Uout超出滞环差值上限(Uset+Ud)，高频逆变器10的下一时刻离散状态为反向谐振；若输出侧直流电压Uout低于滞环差值下限(Uset-Ud)，高频逆变器10的下一时刻离散状态为正向谐振；若输出侧直流电压Uout在滞环差值范围内(Uset-Ud~Uset+Ud)，高频逆变器10的下一时刻离散状态为自由谐振。正向谐振和反向谐振不能连续出现，否则将下一个后续状态强制为自由谐振；若在谐振电流负半周出现正向谐振或谐振电流正半周出现反向谐振，则强制为自由谐振；在一个串联谐振周期内，必然是：正向谐振和自由谐振、自由谐振和反向谐振、自由谐振。所述的高频变压器Th用于变换输入输出侧的电压，输入侧的漏感参与到可调式串联谐振电路20中。所述的高频不可控整流器30与高频变压器Th的另一侧相连接，与输出侧电容器C2并联，输出高频整流后的直流电压Uout。如图3所示，高精度串联谐振DC/DC变换器100的仿真图例，高频变压器Th初级、次级绕组匝数比为1:1，谐振频率根据谐振电容器Cr1和谐振电感Lr设置为100kHz，因此开关频率是100kHz，单极高频变换器的3种工作状态的作用时间为5us。从图中看到，输入侧直流电压Uin不稳定，在极短的时间0.5ms内波动，高精度串联谐振DC/DC变换器100对此波动快速响应，输出电压Uout不受输入电压Uin变化的影响稳定在500V，且精度很高。