CLTC谐振软开关双向变换器制造技术

本发明专利技术涉及双向直流变换器，为提出一种变换效率更高的新型直流变换器电路拓扑,实现开关管的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，提高变换器的效率和功率密度，并拓宽增益范围。为此，本发明专利技术：CLTC谐振软开关双向变换器,包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路三个部分；所述三个部分依次连接；所述CLTC谐振电路设置有辅助变压器Tr2，辅助变压器Tr2原边与主变压器Tr1原边并接，辅助变压器Tr2副边与主变压器Tr1副边串联，辅助变压器Tr2主、副边与主变压器Tr1主、副边同名端位置同向。本发明专利技术主要应用于双向直流变换器的设计制造。

【技术实现步骤摘要】
CLTC谐振软开关双向变换器
本专利技术涉及双向直流变换器，具体讲,涉及CLTC谐振软开关双向变换器。
技术介绍
当今，随着能源枯竭、环境恶化等问题的日益严重，合理、有效的利用能源受到了人们的关注。在光伏、风机、燃料电池、微燃机等分布式发电系统中，需要储能系统通过双向DC/DC变换器实现系统的稳定与经济运行。而在电动汽车、储能电站等应用场合同样需要双向DC/DC实现稳定、高效、快速的双向充放电。特别是当电压增益高，电流应力大的场景下，双向DC/DC效率损耗急剧增加，也提高了散热设计的难度。目前，传统的双向DC/DC变换器多为隔离型双向DC/DC变换器，在保证系统安全性的基础上，通过提高变压器的变比实现电压增益提升。例如双有源桥DAB和三相交错并联有源钳位型DC/DC变换器，可实现开关管的ZVS，适合应用于中大功率场合。但是以上电路功率密度低、无法实现开关管ZCS并且无法实现轻载ZVS。LLC谐振型DC/DC变换器工作频率高功率密度大，副边二极管可实现ZCS，轻载可实现ZVS，但该电路无法实现双向能量变换。在LLC谐振变换器的基础上，采用双边谐振结构的CLLC双向DC/DC变换器可实现双向能量变换，但当负载加重时增益曲线难以抬升，增益范围过窄。故为进一步提升变换器功率密度、效率，拓宽增益范围并实现双向能量变换，本专利技术提出了一种基于谐振的高增益隔离型大功率双向CLTC直流变换器。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种变换效率更高的新型直流变换器电路拓扑,实现开关管的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)，提高变换器的效率和功率密度，并拓宽增益范围。为此，用的技术方案是，CLTC谐振软开关双向变换器,包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路三个部分；所述三个部分依次连接；所述一次侧全桥电路在能量正向传递时工作，通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述二次侧全桥电路在能量反向传递时通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述CLTC谐振电路设置有辅助变压器Tr2，辅助变压器Tr2原边与主变压器Tr1原边并接，辅助变压器Tr2副边与主变压器Tr1副边串联，辅助变压器Tr2主、副边与主变压器Tr1主、副边同名端位置同向，辅助变压器Tr2原边同名端与主变压器Tr1原边同名端之间为谐振电感Lr。当工作频率低于谐振频率时，CLTC谐振电路工作于高增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，CLTC谐振电路电流首先以fr1的第一谐振频率谐振，直至两个变压器不再向二次侧传递能量；随后，CLTC谐振电路电流以fr2f的第二谐振频率进行谐振，直至开关管关断；当工作频率不低于谐振频率时，CLTC谐振电路工作于低增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，CLTC谐振电路电流以fr1的频率谐振，直至开关管关断；反向工作时，工作模式与正向工作时类似，唯一区别在于高增益模式下，电流的第二谐振频率为fr2b；且：其中，Lr为谐振电感，Cr1、Cr2为主、副边谐振电容，Lm1，Lm2为对应主变压器Tr1、辅助变压器Tr2的励磁电感，N1、N2为对应主变压器Tr1、辅助变压器Tr2的变压器变比。本专利技术的特点及有益效果是：1、CLTC谐振变换器允许双向工作，并且均可实现开关管的零电压开通和零电流关断；2、CLTC谐振变换器与传统LLC变换器相比，去掉了副边谐振电感，添加一个辅助变压器，拓宽了增益范围如图8所示；3、CLTC谐振变换器减小了变换器对谐振参数的敏感性，具有较高的可行性和一致性；实现了开关管的ZVS和二极管的ZCS，提升了变换器工作效率；4、CLTC谐振变换器通过合理的参数设计，可提高工作频率并降低关断点，提高了变换器的功率密度。附图说明：图1：新型CLTC拓扑结构示意图。图2：正向运行模式等效电路。图3：正向运行模式，CLTC工作流程图。图中：(a)正向运行模式，过程1，开关状态0(b)正向运行模式，过程2，开关模态1(c)正向运行模式，过程3，开关模态2(d)正向运行模式，过程4，开关模态3(e)正向运行模式，过程5，开关模态4(f)正向运行模式，过程6，开关模态5图4：正向工作模式下，主要工作波形。图中：(a)fs<fr情况下主要工作波形(b)fs≥fr情况下主要工作波形图5：反向运行模式等效电路。图6：反向运行模式，CLTC工作流程图。图中：(a)反向运行模式，过程1，开关状态0(b)反向运行模式，过程2，开关状态1(c)反向运行模式，过程3，开关状态2(d)反向运行模式，过程4，开关状态3(e)反向运行模式，过程5，开关状态4(f)反向运行模式，过程6，开关状态5图7：反向工作模式下，主要工作波形。图中：(a)fs＇＜fr情况下主要工作波形(b)fs＇≥fr情况下主要工作波形图8：5kW新型CLTC谐振变换器工作增益曲线。具体实施方式本专利技术涉及双向直流变换器，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(ZVS)和零电流关断(ZCS)，提高了变换器的效率和功率密度，并拓宽了增益范围。为实现上述目的，本专利技术提出了一种CLTC谐振变换器。包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路。所述三个部分依次连接；所述一次侧全桥电路在能量正向传递时工作，通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述二次侧全桥电路在能量反向传递时通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述CLTC谐振电路通过引入辅助变压器Tr2，拓宽了电压增益范围，保证开关管的零电压开通和二极管的零电流关断。所述的CLTC谐振变换器，所述CLTC谐振电路，加入了辅助变压器Tr2，其原边位于图1中A点与B点之间，其副边与主变压器Tr1副边串联，同名端位置同向。该辅助变压器的引入，改变了电路的谐振网络，改变了电路的谐振频率，达到了拓宽增益范围的效果。所述CLTC谐振变换器，正向工作时，根据工作频率是否高于电路谐振频率，分为两种工作模式，两种模式中变压器一次侧开关管均可以实现零电压开通(ZVS)。其中，当工作频率低于谐振频率时，CLTC工作于高增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，其电流首先以fr1的第一谐振频率谐振，直至两个变压器不再向二次侧传递能量；随后，其电流以fr2f的第二谐振频率进行谐振，直至开关管关断。此过程中，主变压器二次侧二极管可实现零电流关断(ZCS)。当工作频率不低于谐振频率时，CLTC工作于低增益模式，在变压器一次侧开关管的每次开通时间中，其电流以fr1的频率谐振，直至开关管关断。反向工作时，工作模式与正向工作时类似，唯一区别在于高增益模式下，电流的第二谐振频率为fr2b。其中：本专利技术是一种应用于直流电源系统中的DC/DC环节的CLTC谐振变换器。图1是其具体电路拓扑图。图2、图3、图5、图6是所述新型CLTC谐振变换器的具体工作说明图。图4、图7是新型CLTC谐振变换器主要工作波形图。如图1所示，本专利技术电路在传统DC/DC基础上加入辅助变压器Tr2，通过电感电容与变压器中励磁电感产生谐振，实现开关管的零电压导通，零电压关断。由于本专利技术为双向DC/DC结构，根据其能量传递方向分为能量从一次侧传递至二次侧的正向运行模式和能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CLTC谐振软开关双向变换器，其特征是，包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路三个部分；所述三个部分依次连接；所述一次侧全桥电路在能量正向传递时工作，通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述二次侧全桥电路在能量反向传递时通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述CLTC谐振电路设置有辅助变压器Tr2，辅助变压器Tr2原边与主变压器Tr1原边并接，辅助变压器Tr2副边与主变压器Tr1副边串联，辅助变压器Tr2主、副边与主变压器Tr1主、副边同名端位置同向，辅助变压器Tr2原边同名端与主变压器Tr1原边同名端之间为谐振电感Lr。

【技术特征摘要】
1.一种CLTC谐振软开关双向变换器，其特征是，包括主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路三个部分；所述主变压器一次侧全桥电路、CLTC谐振电路、主变压器二次侧全桥电路依次连接；所述一次侧全桥电路在能量正向传递时工作，通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述二次侧全桥电路在能量反向传递时通过控制工作频率以改变输出功率和电压增益；所述CLTC谐振电路设置有辅助变压器Tr2，辅助变压器Tr2原边与主变压器Tr1原边并接，辅助变压器Tr2副边与主变压器Tr1副边串联，辅助变压器Tr2原、副边与主变压器Tr1原、副边同名端位置同相，辅助变压器Tr2原边同名端与主变压器Tr1原边同名端之间为谐振电感Lr。2.如权利要求1所述的CLTC谐振软开关双向变换器，其特征是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王议锋，张书槐，王成山，陈博，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12