一种CLTCL谐振直流变换器的制作方法

本发明属于一种谐振软开关型直流变换器，尤其是一种高效、宽频、宽电压范围的CLTCL谐振直流变换器。

背景技术：

新能源的蓬勃发展和分布式能源的大力开发对传统化石能源带来的能源危机、环境污染以及其他问题有着显著的缓解作用，并且将在未来时间具有更加重要的作用。在未来的户用分布式能源系统中，小型风力发电、光伏发电、燃料电池等多种新能源将集合在同一个能源系统中，并与户用系统的交直流电压母线连接，灵活地实现能源的传递和应用。其中，作为直流母线中的重要一环，DC-DC变换器扮演重要角色，具有控制母线电压、互联不同等级直流母线、连接直流母线与直流负载等多种功能。

当前，户用分布式能源系统中的DC-DC变换器多采用传统的Boost电路、Buck电路以及基于该两种基础电路的改进电路等，虽然这些电路具有技术成熟、控制简单、可靠性高等优点，但同时也存在效率、功率密度偏低等问题，因此相关技术需要进一步提高。

为了解决上述问题，相关学者提出了基于谐振元件的软开关谐振电路，有效的提高了变换器的变换效率。最基础的软开关谐振电路可以分为串联LC谐振电路和并联LC谐振电路两种类型。前者将谐振电感、电容元件以串联形式连接，具有高效率、零电压开通软开关、电路输入侧隔离直流电压、输入电流跟随负载变化等诸多优点，但该电路存在轻载时较难调节输出电压等问题；并联LC电路则是将谐振电感、电容元件以并联形式相连接，具有高效率、零电压开通软开关、空载时输出电压可调等优点，但同时存在轻载时效率偏低等问题。进一步，一些文献提出了LLC谐振电路，该电路同时具有串、并联型LC电路的所有优点，同时避免了两种传统电路的缺点具有良好的运行特性，但是该电路仍然存在一些问题：开关管仅能实现零电压开通软开关，不能同时实现开关管的软开关关断，使得变换器效率无法进一步提高；输入、输出电压范围偏窄，应用范围有限；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。近年来国内外专家学者提出的各种新型谐振软开关直流变换器也存在类似的问题，仍需进一步研究。

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，为了提高直流变换器的变换效率、实现功率开关器件的ZVS和Q-ZCS软开关、拓宽输入/输出电压范围、拓宽功率范围，提供一种基于谐振的高效、大功率、宽电压范围的隔离型CLTCL直流变换器，该变换器是一种新型的直流变换器电路拓扑，可实现开关管的零电压开通(Zero voltage switching，ZVS)、准零电流关断(Quasi-Zero current switching，Q-ZCS)，以及后级整流电路二极管的零电流关断(ZCS)，提高了变换器的效率和容量，具有输入输出电压宽范围可调节的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种CLTCL谐振直流变换器，由依次连接的半桥逆变电路、CLTCL谐振电路以和二极管整流电路组成，变换器由半桥逆变电路输入，经所述CLTCL谐振电路作用后从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CLTCL谐振电路由第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、第一变压器和第二变压器组成；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；CLTCL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第一变压器的原边连接；所述第一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；第一变压器的副边一端分别与所述二极管整流电路的一个中点连接，另一端与第二变压器的副边一端连接；第二电容一端分别与第一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、第二变压器的原边连接；第二电感一端分别与第一变压器的原边和第二电容连接，另一端与第二变压器的原边连接；第二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；第一变压器和第二变压器的副边以串联形式连接，改变了电路的谐振网络和谐振频率，并拓宽了电路的输入电压范围和输出电压范围。

所述输入电压范围为350V～600V；输出电压范围为0V～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低频工作段具有较宽的电压调节范围，可以实现输出电压从零至额定值可调；

3.本发明变换器在高频段具有平缓的电压增益，电压增益随频率变化的变化较慢，非常适合恒电压输出的应用场合。

4.本发明变换器具有两个变压器，可以实现拓宽功率应用范围；

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3-6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CLTCL谐振直流变换器，由依次连接的半桥逆变电路、CLTCL(“电容-电感-变压器-电容-电感”型)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CLTCL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，CLTCL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、第一变压器T₁和第二变压器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，CLTCL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，另一端与第一变压器T₁的原边连接；第一变压器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，另一端与第二变压器T₂的副边一端连接；第二电容C₂一端与第一变压器T₁原边、第二电感L₂连接，另一端与第二开关管S₂的源极、第二变压器T₂原边连接；第二电感L₂一端与第一变压器T₁原边、第二电容C₂连接，另一端与第二变压器T₂原边连接；第二变压器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，使电路具有较宽的输入输出电压范围。其中V_in表示电路的直流输入电压，L_m1、L_m2分别表示第一变压器T₁、第二变压器T₂的等效励磁电感。

CLTCL谐振软开关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CLTCL变换器的电压增益曲线如图2所示，经电路参数设计之后，电路在第一谐振点fr₁附近取得电压增益M_v的最大值，并随着电路的控制开关频率f_s的增加快速下降至零，因此具有输出电压从零至额定电压的可调节范围；进一步随着开关频率的继续上升，变换器在第二谐振点fr₂附近达到电压增益的最大值，电压增益随着频率的继续增加而缓慢下降，此时该变换器可以应用在需要恒电压输出的场景。CLTCL变换器在图2中的AB段和C段之后可以在全功率范围内实现ZVS开通软开关，同时整流电路中的二极管可以实现ZCS关断软开关；CLTCL变换器可以在两个谐振点fr₁、fr₂附近实现Q-ZCS软开关。

CLTCL谐振软开关直流变换器的工作等效电路和主要波形如图3-1至图3-6和图4所示，t₀至t₆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；其中t₀、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆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，第一开关管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。第一变压器T₁的励磁电流i_Lm1反向流通。第二变压器T₂的励磁电流i_Lm2正向流通。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正向流通。变压器T₁、T₂副边电流相等，记为i_S，正向流通。二级管D₁、D₄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S₁两端电压保持为零，零电压开通软开关得以实现；同时i₁、_iLm2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从零开始上升，i_Lm2从零开始下降，其余变量保持原方向不变，继续参与电路谐振。至t₂时刻，第二电容C₂电流i_C2上升至零，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_C2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t₃时刻，第一变压器T₁的励磁电流i_Lm1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，i_Lm1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，第二电感L₂电流i₂下降至零，此模态结束。

模态5[t₄，t₅]：此模态等效电路如图3-5所示。此模态中，i₂从零开始下降，其余变量保持原方向不变，继续参与电路谐振。至t₅时刻，变压器T₁、T₂副边电流i_S下降至零，二极管D₁、D₄自然关断，实现ZCS关断软开关，此模态结束。

模态6[t₅，t₆]：此模态等效电路如图3-6所示。此模态中，二极管D₂、D₃导通，i_S向负向流动，其余变量保持原方向不变，继续参与电路谐振。至t₆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，所述CLTCL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为所述CLTCL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，所述CLTCL谐振软开关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。