一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法技术

本发明专利技术提供一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法。这种调制方法下高压侧和低压侧的脉冲宽度调制(PWM)信号完全一致，不需要方向的判断和模式的切换，实现了能量的自然双向流动，并且很好地减少了双向系统控制的复杂度，使系统的可靠性也得到改善。工作在这种调制方法下的LLC变换器可以实现恒定电压增益，其本质可以等效为一个直流变压器(DCX)。此外，该调制方法实现了一侧的零电压开关(ZVS)和另外一侧的零电流开关(ZCS)。

A Modulation Method for LLC Converter with Natural Bidirectional Power Flow

【技术实现步骤摘要】
一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法
本专利技术涉及双向DC-DC变换器领域，更具体地，涉及一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法。
技术介绍
近年来，隔离双向DC-DC变换器发展迅速，广泛应用于电动汽车、不间断电源和储能系统中。考虑到这些应用的功率拓扑结构，一种解决方案是双有源全桥(DAB)变换器。它具有结构对称、零电压开通能力、自然双向功率流控制等优点。但受到软开关范围的限制，加上关断电流较大，导致功率转换效率降低。考虑到效率问题，LLC谐振变换器是另一种有吸引力的拓扑结构，因为它的软开关特性适用于全负载范围下的所有功率器件。当转换增益范围较窄时，如工作在谐振频率下，它可以实现零电压开通和零电流关断，转换效率很高。而如果转换增益需要大范围调整时，则变换器开关频率需要远离谐振频率，这样会产生大的环流，从而大大降低效率。为了解决大范围调压下的效率问题，两级式的变换结构得到提出。例如一种拓扑结构，其前级为LLC谐振变换器，固定工作在谐振频率点，实现电气隔离、固定增益，同时工作效率最高。而其第二级可以采用非隔离型DC-DC变换器(如Buck变换器)来实现电压增益范围的调节，这种拓扑结构下的LLC谐振变换器开关频率固定，且不参与调压。但是大部分研究都还集中在单向电能传输的应用上。单向电能传输时，原边全桥是作为高频逆变器，副边全桥是作为一个同步整流器(SR)。原副边的驱动信号不一致，当功率方向改变时需要切换PWM信号逻辑。因此，工作在传统调制方法下的LLC谐振变换器是不能实现自然双向功率流的。
技术实现思路
基于上述缺陷，本专利技术提供了一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法。本专利技术公开了一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法，在双向电能传输时，双向全桥LLC变换器开关管的高压侧和低压侧驱动信号是相同的、工作完全同步，开关频率固定并且小于谐振频率，并保证开关占空比等于半个谐振周期，即：D＝Tr/2Ts其中Ts是开关周期，Tr是谐振周期，D是开关占空比；谐振电流在设计合理的情况下是完全断续(DCM)的，且谐振电流过零点固定不变，只讨论断续模式下的动作，在断续模式下，一旦公式D＝Tr/2Ts满足，电压比就取决于开关频率，同时，励磁电感也不参与到整个谐振周期当中，励磁电流仅仅用来实现软开关，所以正向运行和反向运行的工作模态是对称的；系统的开关动作模态如下：在t0之前，所有的开关关断，谐振电容电压VCr在它的最小值-ΔVCr，谐振电流iLr是断续的，励磁电流iLm通过体二极管D5和D8；模态1[t0，t1]：在t0时刻，开关管S1,S4,S5和S8打开，其中S5和S8零电压开通，电感Lr的谐振电流iLr有如下表达式：其中ωr＝2πfr，Lr是谐振电感，Cr是谐振电容，fr是谐振频率，ΔVCr是谐振电容电压的峰值，n为变压器变比；iLm，iLr和iLr2之间的关系式可表示为：iLr2＝iLr-iLm其中iLr2为LLC变换器上变压器高压侧的绕组电流，变压器的励磁电感被钳位在低压侧电压VLV，因此励磁电流iLm可表示如下：模态2[t1，t2]：在t1时刻，iLr等价于iLm，开关管S5和S8在此刻仍然是导通的，励磁电感Lm始终被低压侧电压钳位，因此，Lm并不参与谐振；在iLr2为反向电流时，iLm，iLr和iLr2之间的关系式可表示为：在t2时刻，谐振电流iLr减少到0，开关管S1,S4,S5和S8关闭，其中S1和S4零电流关断；模态3[t2，t3]：在这个模态中，iLr为0，谐振电容电压保持在励磁电流iLm通过低压侧的体二极管D6，D7续流，和之间的关系式可表示为：在1/4谐振周期中从0变化到谐振电容电压的峰值可表示为：其中P代表变换器的传输功率，fs代表开关频率，VHV代表高压侧输入电压，在t3时刻之后，变换器将工作在一个新的工作周期。进一步的，固定开关频率下，其中fr为谐振频率，当fs<fr时，所提调制方法下的电压传输比保持恒定且不受负载影响，因此电压传输比等同于变压器变比，具体推导步骤如下：步骤1：谐振电流iLr(t)的周期平均值等价于高压侧电流IHV，它可以被推导出如下：步骤2：当低压侧电压VLV对应的电阻是RLV时，忽略系统损耗，则高压侧电流能表示为：步骤3：将式子和步骤1所得式子带入步骤2所得式子，推导出高压侧电压VHV和低压侧电压VLV之间的关系式为：进一步的，该调制方法下，谐振电容的参数需要满足于变换器DCM模式的边界条件，具体推导步骤如下：步骤a：忽略体二极管的正向电压降和线路损耗，则D1、D4、D6、D7四个体二极管的导通条件为：这里iLr可表示为：步骤b：假设谐振电流是连续的，然后ΔVCr-(VHV+nVLV)近似为0，因此电感上的谐振电压L·dILr/dt可以被忽略，根据以上步骤a的式子，可以得到续流二极管的导通条件如下：此表达式显示出，当满足条件时，所有的二极管反向偏置，因此谐振电流不能反向，从而得出谐振电容的参数范围为：此外，本专利技术还公开了一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制设备，包括处理器、通信接口、存储器和总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过总线完成相互间的通信，处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如上述任一所述的能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法。此外，本专利技术还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一所述的能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法。相对于现有技术，本专利技术具备如下的有益效果：在本专利技术的调制方法下，双向全桥LLC谐振变换器高压侧和低压侧的PWM信号完全一致，不需要方向的判断和模式的切换，实现了能量的自然双向流动，并且很好地减少了双向系统控制的复杂度，使系统的可靠性也得到改善。工作在本专利技术的调制方法下的LLC变换器可以实现恒定电压增益，其本质可以等效为一个高效的直流变压器，此外，该调制方法实现了一侧的零电压开关(ZVS)和另外一侧的零电流开关(ZCS)。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为一种两级式解决方案系统结构图；图2为本专利技术实施例所依据的LLC谐振变换器拓扑结构图；图3中的图a-b分别为根据本专利技术实施例的正向运行开关动作相关波形和反向运行开关动作相关波形；图4为根据本专利技术实施例的正向运行时详细工作波形图；图5(a)为根据本专利技术实施例的开关周期的第I个阶段工作模态的等效电路图；图5(b)为根据本专利技术实施例的开关周期的第II个阶段工作模态的等效电路图；图5(c)为根据本专利技术实施例的开关周期的第III个阶段工作模态的等效电路图；图5(d)为根据本专利技术实施例的开关周期的第IV个阶段工作模态的等效电路图；图6(a)为根据本专利技术实施例的CCM模式下变换器工作情况等效电路图。图6(b)为根据本专利技术实施例的CCM模式下变换器工作情况简化的谐振腔电路图。图7为根据本专利技术实施例的DCM模式边界条件图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法，其特征在于，在双向电能传输时，双向全桥LLC变换器开关管的高压侧和低压侧驱动信号是相同的、工作完全同步，开关频率固定并且小于谐振频率，并保证开关占空比等于半个谐振周期，即：D＝Tr/2Ts其中Ts是开关周期，Tr是谐振周期，D是开关占空比；谐振电流在设计合理的情况下是完全断续(DCM)的，且谐振电流过零点固定不变。只讨论断续模式下的动作，在断续模式下，一旦公式D＝Tr/2Ts满足，电压比就取决于开关频率，同时，励磁电感也不参与到整个谐振周期当中，励磁电流仅仅用来实现软开关，所以正向运行和反向运行的工作模态是对称的；系统的开关动作模态如下：在t0之前，所有的开关关断，谐振电容电压

【技术特征摘要】
1.一种能实现自然双向功率流的LLC变换器调制方法，其特征在于，在双向电能传输时，双向全桥LLC变换器开关管的高压侧和低压侧驱动信号是相同的、工作完全同步，开关频率固定并且小于谐振频率，并保证开关占空比等于半个谐振周期，即：D＝Tr/2Ts其中Ts是开关周期，Tr是谐振周期，D是开关占空比；谐振电流在设计合理的情况下是完全断续(DCM)的，且谐振电流过零点固定不变。只讨论断续模式下的动作，在断续模式下，一旦公式D＝Tr/2Ts满足，电压比就取决于开关频率，同时，励磁电感也不参与到整个谐振周期当中，励磁电流仅仅用来实现软开关，所以正向运行和反向运行的工作模态是对称的；系统的开关动作模态如下：在t0之前，所有的开关关断，谐振电容电压在它的最小值-ΔVCr，谐振电流iLr是断续的，励磁电流iLm通过体二极管D5和D8；模态1[t0，t1]：在t0时刻，开关管S1,S4,S5和S8打开，其中S5和S8零电压开通，电感Lr的谐振电流iLr有如下表达式：其中ωr＝2πfr，Lr是谐振电感，Cr是谐振电容，fr是谐振频率，ΔVCr是谐振电容电压的峰值，n为变压器变比；iLm，iLr和iLr2之间的关系式可表示为：iLr2＝iLr-iLm其中iLr2为LLC变换器上变压器高压侧的绕组电流，变压器的励磁电感被钳位在低压侧电压VLV，因此励磁电流iLm可表示如下：模态2[t1，t2]：在t1时刻，iLr等价于iLm，开关管S5和S8在此刻仍然是导通的，励磁电感Lm始终被低压侧电压钳位，因此，Lm并不参与谐振；在iLr2为反向电流时，iLm，iLr和iLr2之间的关系式可表示为：在t2时刻，谐振电流iLr减少到0，开关管S1,S4,S5和S8关闭，其中S1和S4零电流关断；模态3[t2，t3]：在这个模态中，iLr为0，谐振电容电压保持在励磁电流iLm通过低压侧的体二极管D6，D7续流，和之间的关系式可表示为：在1/4谐振周期中从0变化到谐振电...

【专利技术属性】
技术研发人员：粟梅，蒋涛文，徐菁涛，许国，但汉兵，孙尧，王辉，刘永露，熊文静，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43