一种副边调整型定频谐振变换器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种副边调整型定频谐振变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
【背景技术】
[0002]直流变换器已经成为各类电气系统中的重要装置，在国民经济、社会、国防等领域发挥重要作用。随着航空、航天、可再生能源发电、储能等技术的发展，提高直流变换器的效率、功率密度并扩展直流变换器对输入输出电压的适应能力是直流变换器所需要面对和解决的重要问题。
[0003]反激、正激、推挽、全桥等传统的PWM直流变换器由于其开关管工作于硬开关状态，开关损耗大、效率低，不适宜工作于高频状态，也难以实现高效率变换。通过引入软开关技术可以有效减小PWM直流变换器的开关损耗，从而使其能够工作于较高开关频率、实现较高功率密度，但是其代价是导通损耗的大幅增加，特别是当输入或输出电压宽范围变化时，为了实现软开关需要付出的代价更高。以全桥变换器为例，通过采用移相控制技术并辅助电感，可以实现开关管的软开关，但是当输入电压升高或者输出电压降低而使得有效占空比减小时，辅助电感引起的环流损耗大幅增加，从而导致效率的降低。
[0004]LLC谐振变换器是近年来得到广泛关注并逐渐获得工业界认可的直流变换器拓扑。它能够实现所有开关管、二极管的软开关，特别适合高频工作，借助于磁集成技术，能够实现非常高的功率密度。然而，LLC谐振变换器需要采用改变开关频率的方式调整输出电压和输出功率，这使得LLC谐振变换器的磁性元器件很难进行优化设计。更严重的是，为了适应宽电压、负载范围调节，LLC谐振变换器的激磁电感不得不减小以提供所需的电压增益，这导致环流损耗大幅增加、整体效率(特别是轻载效率)严重降低。目前国内外学者和工业界针对变频LLC的缺点提出了多种改进方法，包括参数优化、改进控制方式、改进拓扑结构等，但都收效甚微。文献“Zhiyuan Hu, Yajie Qiu, Laili Wang, Yan-FeiLiuj’An interleaved LLC resonant converter operating at constant switchingfrequency, ’ IEEE Trans.Power Electronics, vol.29，n0.6，pp.2931-2943，June 2014.，，提出了一种定频LLC谐振变换器拓扑结构，它通过在电路原边动态调整谐振电容的容值来调节输出电压，虽然实现了定频控制，但控制复杂，且额外引入的导通损耗很大。
【发明内容】
[0005]发明目的:针对上述现有技术，提出一种副边调整型定频谐振变换器及其控制方法，有效减小环流损耗，提尚变换器效率。
[0006]技术方案:一种副边调整型定频谐振变换器，包括输入源、原边开关电路、谐振腔、变压器、副边开关电路、第一输出滤波电容、第二输出滤波电容以及负载；所述原边开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述谐振腔包括第一谐振电感、第二谐振电感、谐振电容，所述副边开关电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五开关管和第六开关管，所述变压器包括原边绕组和副边绕组；
[0007]所述输入源的正极分别与第一开关管的漏极和第二开关管的漏极相连，第一开关管的源极分别连于第三开关管的漏极和第一谐振电感的一端，第一谐振电感的另一端连于第二谐振电感的一端和变压器原边绕组的同名端，变压器原边绕组的非同名端连于第二谐振电感的另一端和串联谐振电容的一端，串联谐振电容的另一端连接于第二开关管的源极和第四开关管的漏极，第四开关管的源极连于第三开关管的源极和输入源的负极；
[0008]所述变压器副边绕组的同名端连于第一二极管的阳极、第三二极管的阴极，第一二极管的阴极连接于第二二极管的阴极、第一输出滤波电容的一端和负载的一端，负载的另一端连于第二输出滤波电容的一端、第三二极管的阳极和第四二极管的阳极，第一输出滤波电容的另一端连于第二输出滤波电容的另一端、第五开关管的漏极，第五开关管的源极连于第六开关管的源极，第六开关管的漏极连于第二二极管的阳极、第四开关管阴极和变压器副边绕组的非同名端。
[0009]一种副边调整型定频谐振变换器的控制方法，所述第一开关管与第三开关管互补导通，第二开关管与第四开关管互补导通，第五开关管和第六开关管互补导通，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的占空比相等，第一开关管和第四开关管同时导通、同时关断，第二开关管和第三开关管同时导通、同时关断，第一开关管的开通时刻不晚于第六开关管的开通时刻，第二开关管的开通时刻不晚于第五开关管的开通时刻，通过调节第一开关管和第六开关管导通时刻之间的移相角实现输出电压的控制。
[0010]有益效果:(I)本发明的变换器定频开关工作，通过原副边移相控制实现调压，可有效减小环流损耗，提高变换器效率，适用于宽输入电压场合。
[0011](2)所有开关器件的电压都直接由输入电压，或者输出电压，或者输出电压的一半钳位，开关器件电压应力低，进一步减小环流损耗；
[0012](3)所有开关器件能够在全负载范围内实现软开关，变换效率高；
[0013](4)串联的第一谐振电感(LJ全部或部分由变压器⑴的漏感代替，并联的第二谐振电感(Lm)全部或部分由变压器(T)的激磁电感代替，变压器漏感和激磁电感得到有效利用;
[0014](5)该变换器可以高频开关工作，从而有效减小电感和变压器的体积重量，实现高功率密度。
【附图说明】
[0015]附图1是本发明副边调整型定频谐振变换器的电路原理图；
[0016]附图2是本发明副边调整型定频谐振变换器的主要波形图；
[0017]附图3?附图8是本发明副边调整型定频谐振变换器各开关模态的等效电路图；
[0018]以上附图中的符号名称:Vin为输入源电压；10为原边开关电路；20为谐振腔；30为副边开关电路；τ为变压器；乂和Ns分别为变压器T的原边绕组和副边绕组；Cfl、Cf2分别为第一、第二输出滤波电容；RLd为负载和Q 6分别为第一、第二、第三、第四、第五和第六开关管；dr1、dK2、dK3和Dk4分别为第一、第二、第三和第四二极管；v。为输出电压；Vab为A、B两点之间的电压(第一开关管Q i源极和第三开关管Q 3漏极的连接点记为A点，第二开关管Q2源极和第四开关管Q 4漏极连接点记为B点)；v ■为变压器T副边绕组N 3同名端和非同名端之间的电压为第一谐振电k的电流第二谐振电感L111的电流；iD1为第一二极管Dki的电流；i D2为第二二极管Dk2的电流；i Q5为第五开关管Q5的电流；vdsQ5为第五开关管QJi极和源极之间的电压；iQ6为第六开关管Q6的电流；vdsQ6为第六开关管QJI极和源极之间的电压；t、tQ、t2、t3、tJP 15为时间。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0020]如附图1所示，一种副边调整型定频谐振变换器，包括输入源Vin、原边开关电路10、谐振腔20、变压器T、副边开关电路30、第一输出滤波电容Cfl、第二输出滤波电容Cf2以及负载Ru。原边开关电路10包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4。谐振腔20包括第一谐振电感L,、第二谐振电感Lm、谐振电容C,。副边开关电路30包括第一二极管Dk1、第二二极管Dk2、第三二极管Dk3、第四二极管Dk4、第五开关管05和第六开关管Q6。变压器T包括原边绕组Np和副边绕组N s。
[0021]输入源Vin的正极分别与第一开关管Q工的漏极和第二开关管Q 2的漏极相连，第一开关管Q1的源极分别连于第三开关管Q 3的漏极和第一谐振电感L ^的一端，第一谐振电感L的另一端连于第二谐振电感1^的一端和变压器T原边绕组Np的同名端，变压器T原边绕组Np的非同名端连于第二谐振电感Lm的另一端和串联谐振电容C,的一端，串联谐振电容(；的另一端连接于第二开关管Q 2的源极和第四开关管Q 4的漏极，第四开关管Q 4的源极连于第三开关管93的源极和输入源V ^的负极。
[0022]变压器T副边绕组队的同名端连于第一二极管Dki的阳极、第三二极管Dk3的阴极，第一二极管Dki的阴极连接于第二二极管D K2的阴极、第一输出滤波电容C fl的一端和负载Ru的一端，负载Ru的另一端连于第二输出滤波电容Cf2的一端、第三二极管DK3的阳极和第四二极管Dk4的阳极，第一输出滤波电容Cfl的另一端连于第二输出滤波电容Cf2的另一端、第五开关管05的漏极，第五开关管Q 5的源极连于第六开关管Q 6的源极，第六开关管Q 6的漏极连于第二二极管Dk2的阳极、第四开关管Q 4阴极和变压器T副边绕组N s的非同名端。
[0023]其中，第一开关管Q1与第三开关管Q 3互补导通，第二开关管Q 2与第四开关管Q 4互补导通，第五开关管Q5和第六开关管Q 6互补导通，第一开关管Q 1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q