一种宽输入范围的三电平llc谐振变换器及电平切换控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力电子变换技术，尤其是一种宽输入范围的三电平LLC谐振变换器。
【背景技术】
[0002]随着环境污染和能源匮乏问题的日益严重，可再生能源越来越受到人们的重视。可再生能源发电形式主要有光伏发电、风力发电、水利发电和燃料电池供电等，它们都具有输出电压范围宽的特点。因此，为了能够高效地利用可再生能源，减少能源浪费，需要一种能够在宽输入电压范围内工作的DC/DC变换器。
[0003]目前，传统的三电平LLC谐振变换器拥有如下优点，例如:开关管承受电压为输入电压一半，能在全负载范围内实现ZVS，副边整流二极管能够实现零电流关断，避免了二极管反向恢复问题。三电平LLC谐振变换器因此受到广泛关注，但其仍不适合宽输入范围的应用场合。另外，传统的三电平电路拓扑的驱动信号较为复杂，控制不易实现。为了提高输入电压范围，有学者提出了既能工作在三电平模式又能工作在两电平模式的电路拓扑，但它们不仅驱动控制更为复杂、不易实现，而且电路拓扑结构复杂，使用器件数量较多，增加了成本。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种输入电压范围宽、电路拓扑结构简单、驱动控制简单的宽输入范围的三电平LLC谐振变换器及电平切换控制方法。
[0005]为实现上述目的，采用了以下技术方案:
[0006]本发明所述谐振变换器包括输入直流电压源Vin、第一母线分压电容Cinl、第二母线分压电容Cin2、第一双向开关管S1、第二双向开关管S2、第一全桥开关管Q1、第二全桥开关管Q2、第三全桥开关管Q3、第四全桥开关管Q4、第一谐振电容Ch、第二谐振电容Crt、谐振电感W、励磁电感Ln1、变压器T、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、输出滤波电容C。和负载R0;
[0007]其中，输入直流电压源Vin的正极分别与第一母线分压电容Cinl的一端、第一全桥开关管Q1的漏极连接；第一母线分压电容C ιη1的另一端分别与第二母线分压电容C ιη2的一端、第一双向开关管S1的漏极连接；第二母线分压电容C ιη2的另一端分别与输入直流电压源Vin的负极、第四全桥开关管Q4的源极连接；第一双向开关管51的源极与第二双向开关管S2的源极相连；第二双向开关管S 2的漏极分别与第二全桥开关管Q 2的源极、第三全桥开关管Qi5的漏极、谐振电感L的一端连接；第一全桥开关管Q:的源极分别与第二全桥开关管Q2的漏极、第一谐振电容G的一端连接；第二全桥开关管Q2的源极与第三全桥开关管Q3的漏极连接，第三全桥开关管Q3的源极与第四全桥开关管Q4的漏极连接，第一全桥开关管Q:、第二全桥开关管％、第三全桥开关管Q3、第四全桥开关管94顺次串联；第一谐振电容C η的另一端分别与变压器T的原边一端、第二谐振电容Crt的一端连接；第二谐振电容(^2的另一端分别与第三全桥开关管Q3的源极、第四全桥开关管Q 4的漏极连接；变压器T的原边的另一端与谐振电感W的另一端连接，励磁电感Lni集成在变压器中并与谐振电感k相连；变压器T第一副边绕组的一端与第一整流二极管D1的阳极连接，第一整流二极管D i的阴极分别与第二整流二极管D2的阴极、输出滤波电容C ^的一端以及负载Rci的一端连接；变压器T第一副边绕组的另一端分别与变压器T第二副边绕组的一端、输出滤波电容Cci的另一端以及负载R。的另一端连接；变压器T第二副边绕组的另一端与第二整流二极管D 2的阳极连接。
[0008]本发明所述的应用于上述谐振变换器的一种三电平到两电平工作模式切换的控制方法，具体方法如下:
[0009]当输入电压处于低输入电压范围时，变换器工作在两电平模式，第一双向开关管S1、第二双向开关管S2断开，第一全桥开关管Q i和第四全桥开关管Q4闭合，第二全桥开关管Q2和第三全桥开关管Q3互补导通，占空比固定为0.5，谐振槽的输入端电压幅值就是输入电压。
[0010]当输入电压处于高输入电压范围时，变换器工作在三电平模式，第一双向开关管S1、第二双向开关管S2闭合，第一全桥开关管Q i与第三全桥开关管Q3同时导通同时关断，第二全桥开关管Q2与第四全桥开关管Q4同时导通同时关断，且第二全桥开关管Q2、第四全桥开关管Q4与第一全桥开关管Q1、第三全桥开关管Q3互补，占空比固定为0.5，谐振槽的输入端电压幅值为输入电压的一半。
[0011]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0012]1、通过双向开关管的使用，使变换器能够在三电平和两电平两种模式下进行工作。
[0013]2、在选择合适的模式切换输入电压值后，可以使高压输入下作用在谐振槽的输入电压幅值范围与低压时一致，这样两种工作模式的频率范围也就一致，即在同样的频率范围内，使输入电压范围加倍。
[0014]3、通过模式切换，拓宽了变换器的增益，使其更适用于新能源应用场合。
[0015]4、电路拓扑结构较为简单，驱动控制更为简单，更易实现。
[0016]5、当该变换器工作在输入电压为定值，输出电压变换的场合时，还能够实现宽输出电压。
【附图说明】
[0017]图1为本发明变换器的电气原理图。
[0018]图2为本发明变换器工作在三电平模式下的工作波形图。
[0019]图3为本发明变换器工作在两电平模式下的工作波形图。
[0020]图4为本发明变换器工作在三电平模式下的等效电路图。
[0021]图5为本发明变换器工作在两电平模式下的等效电路图。
[0022]图6至图11是本发明变换器工作在三电平时的不同开关模态的等效电路图。
[0023]图12至图17是本发明变换器工作在两电平时的不同开关模态的等效电路图。
[0024]附图中各符号含义:Vin是输入直流电压源，C ιη1是第一母线分压电容，C ιη2是第二母线分压电容，S1是第一双向开关管，S2是第二双向开关管，Q1是第一全桥开关管，Q2是第二全桥开关管，Q3是第三全桥开关管，Q4是第四全桥开关管，C1是第一全桥开关管Q1的结电容，C2是第一全桥开关管Q 2的结电容，C 3是第一全桥开关管Q 3的结电容，C4是第一全桥开关管Q4的结电容，Lr是谐振电感，C η是第一谐振电容，Crt是第二谐振电容，Lni是励磁电感，T是变压器，N1,队是匝数，D:是第一整流二极管，D 2是第二整流二极管，C。是输出滤波电容，R。是输出负载，g S1是第一双向开关管S:的驱动信号，g S2是第二双向开关管S 2的驱动信号，gQ1是第一全桥开关管Q1的驱动信号，gQ2是第二全桥开关管Q2的驱动信号，gQ3是第三全桥开关管Q3的驱动信号，g (H是第四全桥开关管Q 4的驱动信号，V Q1、VQ2、VQ3、Vq4是开关管Qp Q2、Q3、Q4两端电压，i ^是谐振电流，i ^是励磁电流，i D1是第一整流二极管D滿过的电流，iD2是第二整流二极管D 2流过的电流，t。?16为时间。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0026]如图1所示，本发明所述变换器包括输入直流电压源Vin、第一母线分压电容Cinl、第二母线分压电容Cin2、第一双向开关管S1、第二双向开关管S2、第一全桥开关管Q1、第二全桥开关管Q2、第三全桥开关管Q3、第四全桥开关管Q4、第一谐振电容Ch、第二谐振电容Crf、谐振电感W、励磁电感Ln1、变压器T、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、输出滤波电容C。和负载R。；
[0027]其中，输入直流电压源Vin的正极分别与第一母线分压电容Cinl的一端、第一全桥开关管Q1的漏极连接；第一母线分压电容C ιη1的另一端分别与第二母线分压电容C ιη2的一端、第一双向开关管S1的漏极连接；第二母线分压电容C ιη2的另一端分别与输入直流电压源Vin的负极、第四全桥开关管Q4的源极连接；第一双向开关管51的源极与第二双向开关管S2的源极相连；第二双向开关管S 2的漏极分别与第二全桥开关管Q 2的源极、第三全桥开关管Qi5的漏极、谐振电感L的一端连接；第一全桥开关管Q:的源极分别与第二全桥开关管Q2的漏极、第一谐振电容G的一端连接；第二全桥开关管Q2的源极与第三全桥开关管Q3的漏极连接，第三全桥开关管Q3的源极与第四全桥开关管Q4的漏极连接，第一全桥开关管Q:、第二全桥开关管％、第三全桥开关管Q3、第四全桥开关管94顺次串联；第一谐振电容C η的另一端分别与变压器T的原边一端、第二谐振电容Crt的一端连接；第二谐振电容(^2的另一端分别与第三全桥开关管Q3的源极、第四全桥开关管Q 4的漏极连接；变压器T的原边的另一端与谐振电感W的另一端连接，励磁电感Lni集成在变压器中并与谐振电感k相连；变压器T第一副边绕组的一端与第一整流二极管D1的阳极连接，第一整流二极管D i的阴极分别与第二整流二极管D2的阴极、输出滤波电容C ^的一端以及负载Rci的一端连接；变压器T第一副边绕组的另一端分别与变压器T第二副边绕组的一端、输出滤波电容Cci的另一端以及负载R。的另一端连接；变压器T第二副边绕组的另一端与第二整流二极管D 2的阳极连接。
[0028]本发明所述的三电平到两电平工作模式切换的控制方法，具体方法如下:
[0029]如图2所示，当输入电压处于高输入电压范围时，变换器工作在三电平模式，第一双向开关管S1、第二双向开关管S2闭合，第一全桥开关管Q i与第三全桥开关管Q 3同时导通同时关断，第二全桥开关管Q2与第四全桥开关管Q4同时导通同时关断，且第二全桥开关管Q2、第四全桥开关管94分别与第一全桥开关管Q:、第三全桥开关管Q3互补，占空比固定为
0.5，且开关管承受的电压为输入电压一半，谐振槽的输入端电压幅值为输入电压的一半。
[0030]如图3所示，当输入电压处于低输入电压范围时，变换器工作在两电平模式，第一双向开