一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构制造技术

本发明专利技术公开了一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，属于直流

【技术实现步骤摘要】
一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构


[0001]本专利技术属于直流
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直流变换器拓扑结构
，更具体地，涉及一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构。

技术介绍

[0002]信息技术在最近几十年蓬勃发展，随着对大规模信息存储和计算需求的不断增长，数据中心的规模也急剧增加。因此，越来越多的服务器安装在数据中心。这就导致了巨大的能源消耗和电力成本。为了减小能量损失，提高空间利用率，需要在能量转换阶段实现高效率、高功率密度的目标。
[0003]在实际应用中，无论是何种配电系统，一旦电网断开，蓄电池的电压就会由于放电而浮动在一个很大的范围内，这就导致DCX(直流变换器)的输出电压不再保持恒定值。因此，需要一种具有宽输入电压范围调节能力的高效隔离型DC
‑
DC变换器。
[0004]除了效率和宽输入调节能力外，高频和高功率密度也是发展的趋势，因为高开关频率可以改善电磁干扰性能，高功率密度可以提高空间利用率。为了实现隔离型DC
‑
DC变换器的高效率，前人已经做了很多工作。传统的硬开关脉宽调制电路结构简单，控制方案广泛应用于工业领域，但是对于高开关频率，它会产生较大的开关损耗。移相全桥变换器(PSFB)由于其原边开关管的零电压开通，在中等功率等级的应用场合很受欢迎。但由于原边开关管的关断电流大，副边整流器无零电流关断，因此PSFB不适合高开关频率和宽输入范围的应用。双有源桥(DAB)变换器由于其设计和控制简单，在储能系统中得到了广泛的应用。但DAB存在较大的关断损耗和较大的循环电流，因此DAB不适合高开关频率和宽输入范围的应用。
[0005]在各种提供零电压开关(ZVS)的变换器中，LLC变换器提供原边开关管的零电压开通和副边整流器的零电流关断，在需要电气隔离和高效率的应用中被广泛采用，是在高开关频率下实现高效率的潜在候选拓扑。然而LLC变换器通过调整移相角、开关频率或占空比来调节输出。这些方法都需要一个很大的谐振电感来调节输出，它不仅占据很大的体积，而且会产生很大的损耗。另一方面，对于具有移相调制或频率调制的高频调节LLC变换器，则难以获得有效的控制策略。同步整流逻辑也难以实现。对于一个宽输入范围的LLC谐振变换器来说，这些缺点表现得更加明显。
[0006]为了扩大LLC谐振变换器的增益范围，文献中提出了不同的方法，比如研究人员提出过一种DCX工作在固定频率开关频率下的PWM控制的双桥LLC谐振变换器，但是由于输出电压是通过占空比调节的，在高开关条件下实现同步整流逻辑仍有困难。还有文献提出了一种双半桥串联的LLC变换器，在这种拓扑结构中，实现了频率自适应移相调制(FAPSM)控制。通过调节原边和副边开关管的移相角度，可以获得大范围增益。然而，移相调制的方法在高开关频率下会产生循环能量，从而导致效率下降。
[0007]LLC谐振变换器在串联谐振频率下能提供最佳性能。它可以实现零电压开通，低电流关断和副边整流器的零电流关断，有助于获得高效率和高功率密度。此外，副边的整流器
可以使用原边开关管的驱动信号进行驱动，它大大简化了同步逻辑。但是由于DCX的电压比是固定的，需要辅助电路来调节输出。传统的解决方案采用级联非隔离型PWM调节器进行输出调节。然而，由于PWM变换器承受全输入或全输出电压和电流，因此存在开关损耗大的问题。此外，满载调节器体积大，从而导致功率密度降低。
[0008]因此，对于DCX工作在固定开关频率下且具有宽输入电压范围调节能力的高效高功率密度LLC谐振变换器，需要进一步优化其拓扑结构与其中PWM变换器的调制方法，从而提高它的功率密度与效率。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，旨在解决现有高频工作条件下的LLC谐振变换器因其拓扑结构而存在功率密度不够大、效率不够高、宽输入电压范围内调节能力不足以及控制策略复杂与同步整流控制逻辑不易实现等迫切需要解决的技术问题。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，包括两条将能量从输入端口传递到输出端口的传输路径：主通道和辅助通道，主通道和辅助通道的输入端口串联，输出端口并联。
[0011]其中，主通道是一个基于LLC的DCX，它工作在固定的开关频率，将输入的大部分能量传输到输出端口；
[0012]辅助通道包含两级，用来处理输入能量的被调节部分。第一级采用一个非隔离型的PWM直流
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直流变换器，第二级采用基于LLC的小型DCX，从而实现高效隔离转换，该非隔离型的PWM直流
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直流变换器与该小型DCX在DCX变压器的原边级联。通过调节辅助通道的非隔离型PWM直流
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直流变换器来调节输出电压。
[0013]本专利技术的有益效果是：由于该拓扑结构的输出电压由非隔离型PWM变换器调节，基于LLC的DCXs仅用于隔离和降压。电压调节是在固定开关频率下实现的，因此该结构简化了控制策略和同步整流逻辑，适用于宽输入范围的应用。此外，部分功率调节结构有助于降低功率损耗。
[0014]上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0015]进一步地，能量传输主通道使用的DCX与辅助通道使用的DCX都工作在各自谐振腔的串联谐振频率下。
[0016]进一步地，能量传输辅助通道使用的PWM变换器的开关频率独立于两个DCXs。
[0017]本专利技术的进一步有益效果是：能量传输主通道和辅助通道的DCXs可以获得稳定的变压比，保留了LLC谐振变换器高效、高功率密度的优点，且不需要额外对DCXs进行控制，只需控制PWM变换器来对输出电压进行调节。
[0018]进一步地，能量传输主通道使用的DCX和能量传输辅助通道使用的DCX通过合适的谐振腔参数设计，工作在相同的串联谐振频率和占空比下。
[0019]进一步地，主通道包括PWM直流
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直流变换器、第一滤波电容C
in1
、第二滤波电容C
in2
、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一谐振电感L
r1
和第一谐振电容C
r1
构成的第一谐振腔；第一滤波电容C
in1
并联于PWM变换器的输入，第二滤波电容C
in2
并联于PWM变换器的输出，PWM变换器的输出施加于第一开关管Q1和第二开关管Q2共同组成的桥臂上，桥臂中点的输出施
加于第一谐振腔；
[0020]辅助通道包括第三滤波电容C
in3
、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第二谐振电感L
r2
和第二谐振电容C
r2
构成的第二谐振腔；第三滤波电容C
in3
并联于第三开关管Q3和第四开关管Q4共同组成的桥臂上，桥臂中点的输出施加于第二谐振腔；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，其特征在于，包括两条将能量从输入端口传递到输出端口的传输路径：主通道和辅助通道的输入端口串联，输出端口并联；所述主通道是一个基于LLC的DCX，它工作在固定的开关频率；所述辅助通道包含两级，第一级采用一个非隔离型的PWM直流
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直流变换器，第二级采用基于LLC的DCX，第一级和第二级在辅助通道的DCX的输入侧级联，通过调节辅助通道的非隔离型PWM直流
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直流变换器来调节输出电压。2.根据权利要求1所述的宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，其特征在于，主通道使用的DCX与辅助通道使用的DCX都工作在各自谐振腔的串联谐振频率下。3.根据权利要求1所述的宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，其特征在于，辅助通道使用的PWM变换器的开关频率独立于两个DCXs。4.根据权利要求1或2所述的宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，其特征在于，主通道使用的DCX和辅助通道使用的DCX工作在相同的串联谐振频率和占空比下。5.根据权利要求1或2所述的宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，其特征在于，所述主通道包括PWM直流
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直流变换器、第一滤波电容C
in1
、第二滤波电容C
in2
、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一谐振电感L
r1
和第一谐振电容C
r1
构成的第一谐振腔；第一滤波电容C
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈材，伍纵横，胡至祎，康勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：