一种CL‑FT‑CL谐振直流变换器的制作方法

本发明属于一种直流变换器，尤其是一种高效、宽输入输出范围、高功率的“电容电感-反激变压器-电容电感(CL-FT-CL)”型谐振直流变换器。

背景技术：

现在分布式发电是一种新兴的能源利用方式，相较于传统的大规模集中性化石能源发电方式，它具有环保型高、可持续性强、成本低、装机容量灵活可调等优点，得到了国内外学者的广泛关注。直流变换器，作为分布式发电系统中电力电子装置的重要一环扮演着重要的角色，具有连接不同等级直流母线、控制直流电压、控制电池充放电等多种功能与作用，成为了时下的一个研究热点。

为提高能量传递效率、减少因热损耗产生的热老化等问题，直流变换器对变换器的变换效率的要求越来越高，以至于传统的Boost直流变换器和Buck变换器等已经不能满足日益提高的应用需要。因此，研究具有接近100％效率的大功率直流变换器成为相关研究的重中之重。

谐振直流变换器在变换器中引入谐振元件(电容元件C、电感元件L)，利用其谐振的特性使得变换器的功率开关器件可以工作在软开关条件下，极大地提高了直流变换器的变换效率，因此成为了理想的直流变换器的研究方向之一。传统的谐振直流变换器包括串联LC变换器和并联LC变换器，两者均具有高效率、软开关的特性，但前者存在轻载时较难调节输出电压等问题，后者存在轻载时变换效率降低等问题，这些问题使得两种变换器的应用受到了限制。进一步，LLC变换器、CLL变换器等变换器的提出使得谐振变换器的研究得到了发展。这些变换器通过引入额外的谐振器件，使得变换器保持传统串、并联LC电路优点的同时，克服了传统电路存在的缺点，具有优异的变换效果。然而，这些变换器仍然存在一些问题亟待解决，包括不能同时实现功率开关管的开通、关断软开关，效率受限；输入、输出电压范围狭窄，不适用于需要灵活调整电压等级的场景；仅有单一功率变换器，考虑磁性元件饱和问题，变换器传输功率有限等。此外，一些诸如CLCL、三电平LLC等谐振变换器也存在类似问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，进一步提高谐振变换器的变换效率、应用功率，提出了一种具有功率开关管开通/关断双软开关、宽输入/输出电压范围、高功率等级、高变换效率的隔离型CL-FT-CL谐振直流变换器。该变换器是一种新型的直流变换器电路拓扑，可以实现功率开关管的零电压开通(Zero voltage switching，ZVS)、准零电流关断(Quasi-Zero current switching，Quasi-ZCS)，以及后级整流电路二极管的零电流关断(ZCS)，具有较宽的输入、输出电压应用范围，同时保证变换器在全功率范围内的高效率等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种CL-FT-CL谐振直流变换器，由依次连接的半桥逆变电路、CL-FT-CL谐振电路和二极管整流电路组成，变换器由所述半桥逆变电路输入，经所述CL-FT-CL谐振电路作用后从所述二极管整流电路输出；所述半桥逆变电路由第一开关管和第二开关管组成，所述CL-FT-CL谐振电路由第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、反激式高频变压器和正激式高频变压器组成，所述二极管整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和第三电容；所述反激式高频变压器的同名端不在同一侧，所述正激式高频变压器的同名端位于同一侧，所述反激式高频变压器和正激式高频变压器可拓宽变换器的功率传输能力，所述CL-FT-CL谐振电路可实现开关管的零电压开通、准零电流关断和二极管的零电流关断，并拓宽电路的输入电压范围和输出电压范围。

所述CL-FT-CL谐振电路中，所述第一电容一端与所述半桥逆变电路的中点连接，另一端依次与所述第一电感和所述反激式高频变压器的原边连接；反激式高频变压器的原边一端与第一电感连接，另一端分别与所述第二电容和所述第二电感连接；反激式高频变压器的副边一端与所述二极管整流电路的一个中点连接，另一端与所述正激式高频变压器的副边一端连接；第二电容一端分别与反激式高频变压器的原边和第二电感连接，另一端分别与所述第二开关管的源极、正激式高频变压器的原边连接；第二电感一端分别与反激式高频变压器的原边和第二电容连接，另一端与正激式高频变压器的原边连接；正激式高频变压器的原边一端与第二电感连接，另一端分别与第二电容和第二开关管的源极连接；反激式高频变压器和正激式高频变压器的副边以串联形式连接，改变了电路的谐振网络，同时改变了电路的谐振频率，拓宽了电路的输入电压范围和输出电压范围。

所述CL-FT-CL谐振电路内通过第一电容的电流、通过第二电容的电流和通过第二电感的电流在谐振点附近保持同相位或相位差180度。

所述输入电压范围为350V～600V；输出电压范围为10V～52V。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明变换器可以实现开关管的零电压开通、准零电流关断软开关，和二极管的零电流关断软开关，提高了变换器的工作效率。

2.本发明变换器可以在第二谐振点附近具有较宽的电压调节范围，可以实现对输出电压的快速、宽范围调节。

3.本发明变换器具有两个变压器，可以拓宽变换器功率应用范围。

4.本发明变换器中CL-FT-CL谐振电路的主要电流在谐振点附近保持近似同相位或相位差180度，并呈现理想的正弦波形状，这样不仅可以提高系统的效率，同时也使得采用等效基波法分析电路更加准确，方便电路的参数设计。

5.本发明变换器通过合理的参数设计，可提高工作频率，提高了变换器的功率密度。

附图说明

图1为本发明变换器的拓扑结构示意图；

图2为本发明变换器的电压增益曲线；

图3-1至图3-4分别为本发明变换器工作过程的等效电路图；

图4为本发明变换器的主要工作波形图；

图5为本发明变换器的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

一种CL-FT-CL谐振直流变换器，由依次连接的半桥逆变电路、CL-FT-CL(电容电感-反激变压器-电容电感)谐振电路和二极管整流电路组成，变换器由所述半桥逆变电路输入，经CL-FT-CL谐振电路作用后从所述二极管整流电路输出；本实施例中，半桥逆变电路由第一开关管S₁和第二开关管S₂组成，CL-FT-CL谐振电路由第一电容C₁、第二电容C₂、第一电感L₁、第二电感L₂、反激式高频变压器T₁和正激式高频变压器T₂组成，二极管整流电路由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄和第三电容C_o组成，R_o为负载电阻。

如图1所示，所述的CL-FT-CL谐振电路中，第一电容C₁一端与半桥逆变电路的中点连接，另一端与第一电感L₁连接；第一电感L₁与第一电容C₁连接，另一端与反激式高频变压器T₁的原边连接；反激式高频变压器T₁的原边一端与第一电感L₁连接，原边另一端与第二电容C₂、第二电感L₂连接，副边一端与二极管整流桥的一个中点连接，另一端与正激式高频变压器T₂的副边一端连接；第二电容C₂一端与反激式高频变压器T₁原边、第二电感L₂连接，另一端与第二开关管S₂的源极、正激式高频变压器T₂原边连接；第二电感L₂一端与反激式高频变压器T₁原边、第二电容C₂连接，另一端与正激式高频变压器T₂原边连接；正激式高频变压器T₂原边一端与第二电感L₂连接，另一端与第二电容C₂、第二开关管S₂的源极连接。两个变压器的副边以串联形式连接，改变了电路的谐振网络，同时改变了电路的谐振频率，可以有效拓宽变换器的功率传输能力，通过合理设计变换器参数，即改变T₁、T₂的励磁电感L_m1、L_m2和绕线匝比n₁、n₂，L₁、L₂的电感，C₁、C₂的电容可以有效实现开关管的零电压开通、开关管的准零电流关断和二极管整流电路内二极管的零电流关断，同时可以保证电路具有宽输入输出电压范围，可具有350V～600V输入电压范围，10V～52V的输出电压范围。其中V_in表示电路的直流输入电压，L_m1、L_m2分别表示反激式高频变压器T₁和正激式高频变压器T₂的等效励磁电感。

CL-FT-CL谐振直流变换器具有两个谐振频率，根据频率的大小关系可以分为第一谐振频率fr₁和第二谐振频率fr₂，其中fr₁小于fr₂。本实施例中谐振软开关变换器的电压增益曲线如图2所示，变换器在第二谐振点fr₂附近取得电压增益M_v的最大值，M_v随着开关频率f_s的继续上升迅速下降。因此该变换器可以通过调节控制信号的开关频率实现对变换器输出电压的快速调节，具有较宽的可调范围，例如在图2所示的增益曲线中，当负载为额定条件下时候，当开关频率向高于谐振频率fr₂的方向上调20kHz时候，Mv将快速从1.3倍下降到0.2左右，具有快速条件输出电压的能力。所述CL-FT-CL谐振软开关变换器在第二谐振频率fr₂附近可以实现功率开关管ZVS开通软开关和Quasi-ZCS关断软开关，以及整流电路二极管的ZCS软关断。

本实施例变换器中谐振电路部分的主要电流(即第一电容C₁电流i₁、第二电容C₂电流i_C2和第二电感L₂电流i₂)在谐振点附近保持近似同相位或相位差180度，并呈现理想的正弦波形状，这样不仅可以提高系统的效率，同时也使得采用等效基波法分析电路更加准确，方便电路的参数设计。

本实施例中谐振直流变换器的工作等效电路和主要波形如图3-1至图3-4和图4所示，t₀至t₄为变换器在半个工作周期的波形图，与另外半个周期的工况完全对称，不再赘述：t₀、t₁、t₂、t₃、t₄分别表示各个模态间的时刻，PWM1、PWM2分别为第一开关管S₁、第二开关管S₂的PWM驱动信号。

模态1[t₀，t₁]：此模态等效电路如图3-1所示。此模态为控制信号的死区段。在t₀时刻，第二开关管S₂关断，同时第一开关管S₁的开通信号还未到来，S₁保持关断。流过第一电容C₁的电流记为i₁，此时i₁通过第一开关管S₁的寄生二极管和寄生电感反向流通，第一开关管S₁的两端电压保持为零。第二电容C₂的电流i_C2反向流通。流过第二电感L₂的电流i_L2反向流通。变压器T₁、T₂副边电流幅值、方向相同，记为i_S，反向流通。二级管D₂、D₃导通，电路向负载R_o供电。在t₁时刻，第一开关管S₁导通，此时由于第一S₁两端电压保持为零，零电压开通软开关得以实现；同时i₁、i_C2均为零。

模态2[t₁，t₂]：此模态等效电路如图3-2所示。此模态中，i₁、i_C2从零开始上升，其余变量保持原方向不变，参与电路谐振。至t₂时刻，i_S下降至零，即流过二级管D₂、D₃的电流自然下降至零，二极管实现零电流关断软开关，此模态结束。

模态3[t₂，t₃]：此模态等效电路如图3-3所示。此模态中，i_S从零开始上升，正向流通，其余变量保持原方向不变，继续参与电路谐振。二极管D₁、D₄正向导通。至t₃时刻，流过第二电感L₂的电流i₂上升至零，此模态结束。

模态4[t₃，t₄]：此模态等效电路如图3-4所示。此模态中，i₂从零开始上升，其余变量保持原方向不变，继续参与电路谐振。至t₄时刻，第一开关管S₁关断，此时流过开关管的电流方向和大小与i₁完全相同，i₁非常接近于0，因此第一开关管S₁可以实现准零电流关断软开关。

至此，CL-FT-CL谐振直流变换器电路在半个周期内的工作结束，进入另半个周期工作。

图5为本实施例CL-FT-CL谐振直流变换器的仿真波形，从图中可以看出，第一开关管S₁可以实现零电压开通软开关和准零电流关断软开关，二极管电流自然下降至零，二极管实现零电流关断软开关。因此，CL-FT-CL谐振直流变换器具有较高的变换效率。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。