一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器。它包括三个主要部分，即：单向LLC谐振变换部分、切换开关网络部分、稳压放电部分。单向LLC谐振变换部分作用是通过控制MOSFET开关频率，将直流电转换成到相应的高频交流电；切换开关网络部分作用是进行电路充放电功能转换；稳压放电部分作用是在电路充放电结束后对电路进行放电，保证电路不带电。本文利用切换开关设计出的双向LLC电路，通过开关K1和K2闭合，其他开关断开，DC/DC变换器根据控制器触发信号对电池进行充电；通过开关K3和K4闭合，其他开关断开，进行电池升压放电。通过K5闭合，其他开关断开，进行稳压电容放电。这种方式使用的可控开关器件少，辅助器件少，使得电路结构较为简单、稳定。

A bidirectional LLC resonant converter based on switching switch

The invention provides a bidirectional LLC resonant converter based on switching switches. It consists of three main parts, namely, one-way LLC resonant conversion part, switching switch network part, voltage stable discharge part. Effect of unidirectional LLC resonant part by controlling the switching frequency of MOSFET, the direct current into alternating current corresponding to high frequency switch; network is used to charge and discharge circuit function conversion function; voltage discharge in discharge circuit part is at the end of charge and discharge circuit, to ensure that the circuit is not charged. In this paper, a bidirectional LLC circuit designed by switching switch is closed by switch K1 and K2, and the other switches are disconnected. The DC/DC converter charges the battery according to the trigger signal of the controller, and the other switches are switched off through the switch K3 and K4, and the battery is boosted and discharged. The other switches are disconnected through K5 closure, and the capacitor discharge is carried out. The control switch device used in this way is less and the auxiliary device is few, which makes the circuit structure more simple and stable.

【技术实现步骤摘要】
一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器
本专利技术涉及一种应用于电动汽车的V2G
，特别是涉及一种采用切换开关使电网侧与负载侧充放电切换更加简单稳定的电路。
技术介绍
在电动汽车研究领域中，V2G作为关键技术，促使研究者们对V2G模式的深入研究，以利用好这一庞大的资源。V2G是Vehicle-to-grid的简称即电动汽车到电网。它描述了这样的一个系统：当混合电动车或是纯电动车不在运行的时候，通过联接到电网的电动马达将能量输给电网，反过来，当电动车的电池需要充满时，电流可以从电网中提取出来给到电池。它的基本概念是指电动汽车在闲置的时候能够向电网反馈能量的过程。其中双向变换器起到了一个基础支撑的作用。与传统PWM变换器相比，LLC谐振变换器具有很多优点。在控制方法上，LLC谐振变换器是在保持开关管占空比不变的情况下，通过控制开关频率来调节输出电压，不存在输入电压范围宽时占空比严重偏离的情况，所以它的掉电维持时间特性比较好，且由于输入电压的增大，谐振槽路电流峰值在减小，使得开关管通态损耗、关断损耗都在减小，所以LLC谐振变换器非常适合应用在输入电压较宽的场合。在输出整流二极管电压应力上，LLC谐振变换器所承受电压应力更小，所以LLC谐振变换器在输入电压范围较宽时的效率较高。除此之外由于LLC谐振变换器中的串联谐振电感Lr和并联谐振电感Lm，可以用变压器的漏感及励磁电感来实现，大大减小了变换器的体积，减小了寄生参数对变换器的不利影响，在高频时的电磁兼容问题比较小。本文针对双向DC/DC变换器提出一种新设计思路。当前充电电路DC/DC变换部分中广泛采用LLC谐振原理，使用较多的电路结构有半桥单向、全桥单向、三电平单向等结构，基本都是单向功率流动。目前能够实现双向的LLC电路形式，主要有半桥双向LLC电路、全桥双向LLC电路、三电平双向LLC电路等等。这些电路采用的可控开关器件较多，尤其是三电平电路；虽然半桥式双向电路中开关器件较少，但是辅助器件较多，影响电路的稳定性、可控性，增加了电路设计难度。本专利技术利用切换开关方式设计出双向电路，使得LLC谐振电路双向能量传递过程得到简化，能够有效减少减少装置成本，提高工作效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于切换开关的双向充放电LLC谐振变换器，在单向LLC谐振式DC/DC变换器基础上，通过两组切换开关，来实现电路的充放电变换。为了防止电容或电池对稳压电容反向充电，造成对电容电流冲击，同时在每组开关上加入一个辅助二极管。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：提供一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器，它包括三个主要部分，即：单向LLC谐振变换部分、切换开关网络部分、稳压放电部分。单向LLC谐振变换部分作用是通过控制MOSFET开关频率，将直流电转换成到相应的高频交流电；切换开关网络部分作用是进行电路充放电功能转换；稳压放电部分作用是在电路充放电结束后对电流进行放电，保证电路不带电。具体的说，包括输入直流源DCS、第一功率MOS开关管M1、第二功率MOS开关管M2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频隔离变压器T1及其漏感Lm、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、稳压电容C、稳压电感R、开关K1、带有辅助二极管的开关K2、带有辅助二极管的开关K3、开关K4、开关K5、负载动力电池BAT；所述变压器由漏感Lm、原边绕组Np、副边中心抽头输出绕组Ns1和Ns2构成；所述输入直流源DCS正向输出端连接第二功率MOS开关管M2的源级、开关K1、带有辅助二极管的开关K3、高压隔离变压器T1的漏感Lm及其原边绕组Np；所述开关K1连接开关K4、第一功率MOS开关管M1的漏级；所述第一功率MOS开关管M1的源级连接谐振电容Cr、开关K1和K4、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述第二功率MOS开关管M2的漏级连接谐振电容Cr、第一功率MOS开关管M1；所述谐振电容Cr连接谐振电感Lr、第一功率MOS开关管M1的源级、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述谐振电感Lr连接谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器原边绕组Np的同名端及其漏感Lm；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的同名端连接第一功率二极管D1的正极；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的异名端连接变压器副边中心抽头输出绕组Ns2的同名端；所述变压器中心抽头输出绕组Ns2的同名端连接稳压电容的阴极、稳压电感R、负载动力电池的阴极；所述中心抽头输出绕组Ns2的异名端连接第二功率二极管D2的正极；所述第一功率二极管D1的负极以及第二功率二极管D2的负极连接第二功率二极管D2的负极、连接K2开关的辅助二极管的正极、稳压电容C、开关K5；所述开关K1连接开关K3、输入直流源正端、开关K4、第一功率MOS开关管漏级；所述开关K3连接输入直流源DCS的正端、开关K1；所述开关K4连接开关K1、第一功率MOS开关管M1的漏级、开关K2、负载动力电池BAT；所述开关K3连接其辅助二极管阴极、开关K1、输入直流源的正端；所述开关K5连接稳压电容C、稳压电感R、第一功率二极管D1的负极、开关K2的辅助二极管的正极。进一步地，所述第一功率MOS开关管M1和第二功率MOS开关管M2构成了半桥逆变部分，通过控制MOSFET开关状态得到高频电流。进一步地，所述谐振电容Cr、谐振电感Lr和高频隔离变压器T1及其漏感Lm构成了谐振网络部分，当开关频率在各个频率范围内变化时，能够实现MOS开关管的零电压开关和消除二极管反向恢复产生的损耗。进一步地，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、稳压电容C和稳压电感R构成了整流稳压部分，能够实现对变压器副边输出进行整流，并在充电结束后对电路进行放电。进一步地，开关K1、开关K2及其辅助二极管、开关K3及其辅助二极管和开关K4构成了切换开关网络，通过K1和K2、K3和K4的切换，来实现电源对电池的充电和电池对电源的放电过程，实现功率的双向流动。其中两个辅助二极管的作用是防止电源或电池对稳压电容反向充电，造成电容电流冲击，损坏电源、电容以及电池。本专利技术在K1和K2闭合时，其他开关断开，相当于单向LLC谐振式DC/DC变换器，通过控制两个MOS开关管的频率，可以实现为电池充电功能；在K3和K4闭合时，其他开关断开，电池能够放电，为电源反馈能量。在充电结束后，K5闭合，其他开关断开，进入稳压电容放电过程。本专利技术的基于切换开关的双向充放电LLC谐振变换器设计方案，提供了能够简便切换电动汽车电池的充电和放电过程的方法，所需设备仅仅是四个开关和两个辅助二极管，相比传统的双向LLC电路，这种方式减少了可控开关器件和辅助器件的数量，提高了电路稳定性，同时也简化了电路，减少生产成本和维护成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术实施例的基于切换开关的双向LLC电路示意图。图2为本专利技术实施例的基于切换开关的双向LLC电路充电等效电路。图3为本专利技术实施例的基于切换开关的双向LLC电路放电等效电路。图4为本专利技术实施例的基于切换开关的双向LLC电路稳压放电等效电路。附图中所列部件列表如下所示：00:直流源DCS11：切换开关K1；12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于切换开关的LLC充放电电路，其特征在于，包括三个主要部分，即：单向LLC谐振变换部分、切换开关网络部分、稳压放电部分。单向LLC谐振变换部分作用是通过控制MOSFET开关频率，将直流电转换成到相应的高频交流电；切换开关网络部分作用是进行电路充放电功能转换；稳压放电部分作用是在电路充放电结束后对电路进行放电，保证电路不带电。具体的说，主要包括输入直流源DCS、第一功率MOS开关管M1、第二功率MOS开关管M2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频隔离变压器T1及其漏感Lm、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、稳压电容C、稳压电感R、开关K1、带有辅助二极管的开关K2、带有辅助二极管的开关K3、开关K4、开关K5、负载动力电池BAT；所述变压器由漏感Lm、原边绕组Np、副边中心抽头输出绕组Ns1和Ns2构成；所述输入直流源DCS正向输出端连接第二功率MOS开关管M2的源级、开关K1、带有辅助二极管的开关K3、高压隔离变压器T1的漏感Lm及其原边绕组Np；所述开关K1连接开关K4、第一功率MOS开关管M1的漏级；所述第一功率MOS开关管M1的源级连接谐振电容Cr、开关K1和K4、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述第二功率MOS开关管M2的漏级连接谐振电容Cr、第一功率MOS开关管M1；所述谐振电容Cr连接谐振电感Lr、第一功率MOS开关管M1的源级、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述谐振电感Lr连接谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器原边绕组Np的同名端及其漏感Lm；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的同名端连接第一功率二极管D1的正极；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的异名端连接变压器副边中心抽头输出绕组Ns2的同名端；所述变压器中心抽头输出绕组Ns2的同名端连接稳压电容的阴极、稳压电感R、负载动力电池的阴极；所述中心抽头输出绕组Ns2的异名端连接第二功率二极管D2的正极；所述第一功率二极管D1的负极以及第二功率二极管D2的负极连接第二功率二极管D2的负极、连接K2开关的辅助二极管的正极、稳压电容C、开关K5；所述开关K1连接开关K3、输入直流源正端、开关K4、第一功率MOS开关管漏级；所述开关K3连接输入直流源DCS的正端、开关K1；所述开关K4连接开关K1、第一功率MOS开关管M1的漏级、开关K2、负载动力电池BAT；所述开关K3连接其辅助二极管阴极、开关K1、输入直流源的正端；所述开关K5连接稳压电容C、稳压电感R、第一功率二极管D1的负极、开关K2的辅助二极管的正极。...

【技术特征摘要】
1.一种基于切换开关的LLC充放电电路，其特征在于，包括三个主要部分，即：单向LLC谐振变换部分、切换开关网络部分、稳压放电部分。单向LLC谐振变换部分作用是通过控制MOSFET开关频率，将直流电转换成到相应的高频交流电；切换开关网络部分作用是进行电路充放电功能转换；稳压放电部分作用是在电路充放电结束后对电路进行放电，保证电路不带电。具体的说，主要包括输入直流源DCS、第一功率MOS开关管M1、第二功率MOS开关管M2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频隔离变压器T1及其漏感Lm、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、稳压电容C、稳压电感R、开关K1、带有辅助二极管的开关K2、带有辅助二极管的开关K3、开关K4、开关K5、负载动力电池BAT；所述变压器由漏感Lm、原边绕组Np、副边中心抽头输出绕组Ns1和Ns2构成；所述输入直流源DCS正向输出端连接第二功率MOS开关管M2的源级、开关K1、带有辅助二极管的开关K3、高压隔离变压器T1的漏感Lm及其原边绕组Np；所述开关K1连接开关K4、第一功率MOS开关管M1的漏级；所述第一功率MOS开关管M1的源级连接谐振电容Cr、开关K1和K4、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述第二功率MOS开关管M2的漏级连接谐振电容Cr、第一功率MOS开关管M1；所述谐振电容Cr连接谐振电感Lr、第一功率MOS开关管M1的源级、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述谐振电感Lr连接谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器原边绕组Np的同名端及其漏感Lm；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的同名端连接第一功率二极管D1的正极；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的异名端连接变压器副边中心抽头输出绕组Ns2的同名端；所述变压器中心抽头输出绕组Ns2的同名端连接稳压电容的阴极、稳压电感R、...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹忠东，张家博，李莉，杨啸天，王亚楠，黄永章，廖斌，刘虹，俞忠，
申请(专利权)人：华北电力大学，国网江苏省电力公司南通供电公司，北京科力源能源技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11