一种LLC谐振DC/DC变换器及其控制方法与流程

一种llc谐振dc/dc变换器及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及电源系统的技术领域，更具体地说，涉及一种llc谐振dc/dc变换器及其控制方法。


背景技术：

2.随着“双碳”目标的提出，电网的能源清洁化要求将进一步缩紧，电网中的可再生能源占比将进一步提高。为了更加高效地利用可再生能源，基于电力电子的直流供配电是一种可行的技术手段。在直流供配电系统中，dc/dc变换器是完成电能传输与电压变换的关键设备。
3.dc/dc变换器通常分为非隔离型与隔离型两种，非隔离型dc/dc变换器成本低、效率高、体积小，但容易向电网馈入谐波，引起触电事故，因此隔离型dc/dc变换器在直流电网中得到了人们的重点关注。同时，为了提高dc/dc变换器的功率密度，隔离型dc/dc变换器通常采用高频隔离。鉴于上述要求，llc谐振dc/dc变换器由于在实现高频隔离的同时具有原边开关管和副边整流管的软开关特性，被广泛应用于直流供电系统中。
4.然而，常规llc谐振dc/dc变换器的高压侧直流电压极性固定，不能发生正、负极性的反转，因此，只能被应用于由电压源换流器(voltage source converter，vsc)所组成的直流供配电系统中，而不能被应用于会发生直流电压极性反转的基于电网换相换流器(line commutated converter，lcc)的直流供配电系统及由vsc与lcc所组成的混合直流供配电系统，这限制了谐振dc/dc变换器的应用范围，也限制了直流供配电系统的母线构建形式。进一步地，常规llc谐振变换器中的集中电容将在直流母线故障时放电，增加母线故障电流，延长供配电系统故障处理时间。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种llc谐振dc/dc变换器及其控制方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种llc谐振dc/dc变换器，包括：接口模块、桥式模块、谐振模块以及电压转换模块；
7.所述接口模块用于根据控制模块输出的控制信号控制其开关管保持导通状态或者保持关闭状态；
8.所述桥式模块与所述接口模块连接，用于根据所述控制模块的脉冲信号执行驱动；
9.所述谐振模块与所述桥式模块连接，用于执行所述变换器的谐振工作；
10.所述电压转换模块与所述谐振模块连接，用于执行能量转换和传递。
11.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，还包括：输入滤波模块；
12.所述输入滤波模块连接在所述接口模块与所述桥式模块之间，用于对桥式模块的输入电压进行滤波处理。
13.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，还包括：整流模块；
14.所述整流模块与所述电压转换模块连接，用于对所述电压转换模块的输出电压进行整流输出。
15.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，还包括：输出滤波模块；
16.所述输出滤波模块与所述整流模块连接，用于对所述整流模块的输出电压进行滤波处理。
17.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，所述接口模块包括：第一mos管、第二mos管、第一二极管和第二二极管；
18.所述第一二极管的阳极连接所述第二mos管的漏极并连接至直流母线的第一输入端，所述第一mos管的源极连接所述第二二极管的阴极并连接至所述直流母线的第二输入端；
19.所述第一二极管的阴极连接所述第一mos管的漏极并连接至所述输入滤波模块的第一端，所述第二二极管的阳极连接所述第二mos管的源极并连接至所述输入滤波模块的第二端；
20.所述第一mos管的栅极和所述第二mos管的栅极分别连接至所述控制模块。
21.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，所述输入滤波模块包括：输入电容；
22.所述输入电容的第一端连接所述第一mos管的漏极，所述输入电容的第二端连接所述第二二极管的阳极。
23.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，所述桥式模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
24.所述第一开关管的第一端连接所述输入电容的第一端，所述第一开关管的第三端连接所述第二开关管的第一端并连接至所述谐振模块，所述第二开关管的第三端连接所述输入电容的第二端；
25.所述第三开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端，所述第三开关管的第三端连接所述第四开关管的第一端，所述第四开关管的第三端连接所述第二开关管的第三端，所述第三开关管的第三端和所述第四开关管的第一端的连接端还连接至所电压转换模块；
26.所述第一开关管的第二端、所述第二开关管的第二端、所述第三开关管的第二端和所述第四开关管的第二端分别连接至所述控制模块。
27.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，所述谐振模块包括：第一电感和第一电容；
28.所述第一电感的第一端连接所述第一开关管的第三端和所述第二开关管的第一端的连接端，所述第一电感的第二端连接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端连接所述电压转换模块。
29.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，所述电压转换模块包括：隔离变压器；
30.所述隔离变压器包括：初级绕组和次级绕组；
31.所述初级绕组的第一端连接所述第一电容的第二端，所述初级绕组的第二端连接所述第四开关管的第一端和所述第三开关管的第三端的连接端；
32.所述次级绕组的第一端和第二端分别连接至所述整流模块。
33.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，所述整流模块为桥式整流电路。
34.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，所述桥式整流电路包括：第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管；
35.所述第三二极管的阳极和所述第四二极管的阴极连接并连接至所述次级绕组的第一端，所述第三二极管的阴极和所述第五二极管的阴极连接；
36.所述第五二极管的阳极和所述第六二极管的阴极连接并连接至所述次级绕组的第二端，所述第六二极管的阳极和所述第四二极管的阳极连接。
37.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，所述输出滤波模块包括：输出电容；
38.所述输出电容的第一端连接所述第五二极管的阴极，所述输出电容的第二端连接所述第六二极管的阳极；
39.所述输出电容的第一端还连接至所述变换器的第一输出端，所述输出电容的第二端还连接至所述变换器的第二输出端。
40.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器中，还包括：所述控制模块；
41.所述控制模块分别与所述接口模块和所述桥式模块连接，用于输出所述控制信号和所述脉冲信号。
42.本发明还提供一种llc谐振dc/dc变换器的控制方法，包括以下步骤：
43.控制模块检测输入电压；
44.所述控制模块根据所述输入电压确定所述输入电压的极性；
45.所述控制模块根据所述输入电压的极性输出控制信号控制接口模块的开关管保持导通状态或者保持关闭状态。
46.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器的控制方法中，所述控制信号包括导通信号和关闭信号；
47.所述控制模块根据所述输入电压的极性输出控制信号控制接口模块的开关管保持导通状态或者保持关闭状态包括：
48.若所述输入电压的极性为正，则所述控制模块输出所述关闭信号至所述接口模块，以控制所述接口模块的开关管保持关闭状态；
49.若所述输入电压的极性为负，则所述控制模块输出所述导通信号至所述接口模块，以控制所述接口模块的开关管保持导通状态。
50.在本发明所述的llc谐振dc/dc变换器的控制方法中，所述方法还包括：
51.所述控制模块还根据所述输入电压检测是否输入异常；
52.若是，所述控制模块输出闭锁信号至所述接口模块，以控制所述接口模块处于闭锁状态。
53.实施本发明的llc谐振dc/dc变换器及其控制方法，具有以下有益效果：包括：接口模块、桥式模块、谐振模块以及电压转换模块；接口模块用于根据控制模块输出的控制信号保持导通状态或者保持关闭状态；桥式模块与接口模块连接，用于根据控制模块的脉冲信号执行驱动；谐振模块与桥式模块连接，用于执行变换器的谐振工作；电压转换模块与谐振模块连接，用于执行能量转换和传递。本发明通过对接口模块的导通与关断控制，可以实现dc/dc变换器的直流极性反转控制，使其可被应用于基于lcc的直流供配电系统中，扩大了其应用范围，同时也可实现高压侧直流故障电流阻断功能，改善直流供配电系统的故障处
理能力。
附图说明
54.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
55.图1是本发明实施例提供的llc谐振dc/dc变换器的结构示意图；
56.图2是本发明实施例提供的llc谐振dc/dc变换器的电路图；
57.图3是本发明实施例提供的输入电压为正时接口模块的电流路径图；
58.图4是本发明实施例提供的输入电压为负时接口模块的电流路径图；
59.图5是是本发明实施例提供的llc谐振dc/dc变换器的流程示意图。
具体实施方式
60.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
61.参考图1，为本发明提供的llc谐振dc/dc变换器一可选实施例的结构示意图。
62.具体的，如图1所示，该llc谐振dc/dc变换器包括：接口模块11、桥式模块13、谐振模块14以及电压转换模块15。
63.接口模块11用于根据控制模块10输出的控制信号控制其开关管保持导通状态或者保持关闭状态。
64.桥式模块13与接口模块11连接，用于根据控制模块10的脉冲信号执行驱动。
65.谐振模块14与桥式模块13连接，用于执行变换器的谐振工作。
66.电压转换模块15与谐振模块14连接，用于执行能量转换和传递。
67.进一步地，一些实施例中，如图1所示，该llc谐振dc/dc变换器还包括：输入滤波模块12。
68.输入滤波模块12连接在接口模块11与桥式模块13之间，用于对桥式模块13的输入电压进行滤波处理。
69.进一步地，一些实施例中，如图1所示，该llc谐振dc/dc变换器还包括：整流模块16。
70.整流模块16与电压转换模块15连接，用于对电压转换模块15的输出电压进行整流输出。
71.进一步地，一些实施例中，如图1所示，该llc谐振dc/dc变换器还包括：输出滤波模块17。
72.输出滤波模块17与整流模块16连接，用于对整流模块16的输出电压进行滤波处理。
73.进一步地，一些实施例中，如图1所示，该llc谐振dc/dc变换器还包括：控制模块10。
74.控制模块10分别与接口模块11和桥式模块13连接，用于输出控制信号和脉冲信号。
75.具体的，本发明实施例中，通过控制模块10对输入电压进行检测并确定输入电压的极性，进而根据输入电压的极性控制接口模块11的开关管导通或者关闭，以使接口模块
11的开关管处于导通状态或者关闭状态，从而达到了dc/dc变换器的直流极性反转控制的目的，以使dc/dc变换器可适用于基于lcc的直流供配电系统中，扩大dc/dc变换器的应用范围。
76.可选的，本发明实施例中，该控制模块10输出的控制信号包括导通信号和关闭信号。其中，当输入电压为负时，控制模块10输出导通信号，以控制接口模块11的开关管在输入电压为负时保持导通状态；当输入电压为正时，控制模块10输出关闭信号，以控制接口模块11的开关管在输入电压为正时保持关闭状态。
77.进一步地，本发明实施例中，该dc/dc变换器还可以实现高压侧直流故障电流阻断功能。具体的，通过控制模块10对输入电压进行检测判断，若输入电压异常时(如直流母线故障)，此时，可通过控制模块10输出闭锁信号至接口模块11，以控制接口模块11处于闭锁状态，从而可以阻断直流电容的放电电流，维持直流电容的电压，减小直流母线总的短路大小，改善直流供配电系统的故障处理性能。
78.在一个具体实施例中，如图2所示，接口模块11包括：第一mos管q1、第二mos管q2、第一二极管d1和第二二极管d2。
79.第一二极管d1的阳极连接第二mos管q2的漏极并连接至直流母线的第一输入端，第一mos管q1的源极连接第二二极管d2的阴极并连接至直流母线的第二输入端。
80.第一二极管d1的阴极连接第一mos管q1的漏极并连接至输入滤波模块12的第一端，第二二极管d2的阳极连接第二mos管q2的源极并连接至输入滤波模块12的第二端。
81.第一mos管q1的栅极和第二mos管q2的栅极分别连接至控制模块10。
82.该实施例中，输入滤波模块12包括：输入电容vc1。
83.输入电容vc1的第一端连接第一mos管q1的漏极，输入电容vc1的第二端连接第二二极管d2的阳极。
84.该实施例中，桥式模块13包括：第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4。
85.第一开关管s1的第一端连接输入电容vc1的第一端，第一开关管s1的第三端连接第二开关管s2的第一端并连接至谐振模块14，第二开关管s2的第三端连接输入电容vc1的第二端。
86.第三开关管s3的第一端连接第一开关管s1的第一端，第三开关管s3的第三端连接第四开关管s4的第一端，第四开关管s4的第三端连接第二开关管s2的第三端，第三开关管s3的第三端和第四开关管s4的第一端的连接端还连接至所电压转换模块15。
87.第一开关管s1的第二端、第二开关管s2的第二端、第三开关管s3的第二端和第四开关管s4的第二端分别连接至控制模块10。
88.可选的，本发明实施例中，该第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和和第四开关管s4均为mos管。
89.其中，第一开关管s1的第一端为mos管的漏极，第一开关管s1的第二端为mos管的栅极，第一开关管s1的第三端为mos管的源极。第二开关管s2的第一端为mos管的漏极，第二开关管s2的第二端为mos管的栅极，第二开关管s2的第三端为mos管的源极。第三开关管s3的第一端为mos管的漏极，第三开关管s3的第二端为mos管的栅极，第三开关管s3的第三端为mos管的源极。第四开关管s4的第一端为mos管的漏极，第四开关管s4的第二端为mos管的
栅极，第四开关管s4的第三端为mos管的源极。
90.该实施例中，谐振模块14包括：第一电感l1和第一电容c1。
91.第一电感l1的第一端连接第一开关管s1的第三端和第二开关管s2的第一端的连接端，第一电感l1的第二端连接第一电容c1的第一端，第一电容c1的第二端连接电压转换模块15。
92.该实施例中，电压转换模块15包括：隔离变压器t1。
93.隔离变压器t1包括：初级绕组和次级绕组。
94.初级绕组的第一端连接第一电容c1的第二端，初级绕组的第二端连接第四开关管s4的第一端和第三开关管s3的第三端的连接端。次级绕组的第一端和第二端分别连接至整流模块16。
95.该实施例中，整流模块16为桥式整流电路。
96.该实施例中，桥式整流电路包括：第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5和第六二极管d6。
97.第三二极管d3的阳极和第四二极管d4的阴极连接并连接至次级绕组的第一端，第三二极管d3的阴极和第五二极管d5的阴极连接。
98.第五二极管d5的阳极和第六二极管d6的阴极连接并连接至次级绕组的第二端，第六二极管d6的阳极和第四二极管d4的阳极连接。
99.该实施例中，输出滤波模块17包括：输出电容vc2。
100.输出电容vc2的第一端连接第五二极管d5的阴极，输出电容vc2的第二端连接第六二极管d6的阳极；输出电容vc2的第一端还连接至变换器的第一输出端，输出电容vc2的第二端还连接至变换器的第二输出端。
101.如图3所示，当直流母线提供的输入电压为正时，此时第一mos管q1和第二mos管q2均处于关闭状态，接口模块11的电流路径如图3所示。当直流母线提供的输入电压为负时，此时第一mos管q1和第二mos管q2均处于导通状态，接口模块11的电流路径如图4所示。
102.进一步地，需要说明的是，本发明实施例中，当处于稳态运行时，控制模块10通过输出相应的脉冲信号至桥式模块13以控制桥式模块13执行相应的工作。即本发明实施例中，稳态运行时，控制模块10对于第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4的控制与常规llc谐振dc/dc变换器相同。具体的，控制模块10检测直流母线提供的直流电压，当直流母线提供的直流电压极性为正时，控制第一mos管q1和第二mos管q2保持关闭状态，第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4根据触发系统的脉冲有规律的触发；当直流母线提供的直流电压极性为负时，控制第一mos管q1和第二mos管q2保持导通状态，第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4根据触发系统的脉冲有规律的触发。
103.进一步地，当直流母线发生短路故障时，控制模块10可直接控制第一mos管q1和第二mos管q2闭锁(关闭)，从而阻断直流电容(输入电容vc1)的放电电流，维持直流电容的电压，减小直流母线总的短路电流大小，改善直流供配电系统的故障处理性能。
104.进一步地，参考图5，为本发明提供的一种llc谐振dc/dc变换器的控制方法一可选实施例的流程示意图。
105.本发明实施例提供的llc谐振dc/dc变换器的控制方法可以用于实现对本发明实
施例提供的一种llc谐振dc/dc变换器的控制。
106.具体的，如图5所示，该llc谐振dc/dc变换器的控制方法包括以下步骤：
107.步骤s501、控制模块10检测输入电压。
108.步骤s502、控制模块10根据输入电压确定输入电压的极性。
109.步骤s503、控制模块10根据输入电压的极性输出控制信号控制接口模块11的开关管保持导通状态或者保持关闭状态。
110.可选的，本发明实施例中，控制信号包括导通信号和关闭信号。
111.具体的，本发明实施例中，控制模块10根据输入电压的极性输出控制信号控制接口模块11的开关管保持导通状态或者保持关闭状态包括：若输入电压的极性为正，则控制模块10输出关闭信号至接口模块11，以控制接口模块11的开关管保持关闭状态；若输入电压的极性为负，则控制模块10输出导通信号至接口模块11，以控制接口模块11的开关管保持导通状态。
112.进一步地，本发明实施例中，该llc谐振dc/dc变换器的控制方法还包括：控制模块10还根据输入电压检测是否输入异常；若是，控制模块10输出闭锁信号至接口模块11，以控制接口模块11处于闭锁状态。通过控制接口模块11处于闭锁状态，可以将直流母线与桥式模块隔离开关，使变换器能够实现高压侧直流故障电流阻断功能，改善直流供配电系统的故障处理性能
113.本发明通过控制电力电子开关的导通与关断实现了dc/dc变换器的直流极性反转控制，使其能够被应用于基于lcc的直流供配电系统中。
114.本发明的dc/dc变换器还能够实现高压侧直流故障电流阻断功能，改善直流供配电系统的故障处理性能。
115.进一步地，基于本发明的llc谐振dc/dc变换器，直流供配电系统的直流母线构建将不再局限于vsc直流供电，而是可以是lcc直流供电，lcc-vsc混合直流供电以及vsc直流供电三种中的任何组合，拓宽了直流供配电的直流母线构建形式。
116.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
117.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
118.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
119.以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人
士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。