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高增益对称双向LCLC谐振变换器的研究

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  • 更新日期:2022-04-02 14:41
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详细介绍
为了解决双向DC/DC变换器输入、输出电压范围过窄的问题,提出了一种高增益对称双向LCLC谐振变换器。

目前双向DC/DC变换器已经广泛的应用于电动汽车,微电网,能量存储系统等多种场合[1-4]。很多的双向DC/DC变换器都要求有一个比较宽的输入输出电压范围[5],因此研究高增益高效率的双向DC/DC变换器很有必要。

LLC谐振变换器可以在全负载范围内可以实现一次侧开关管的零电压开通(Zero Voltage Switching,ZVS)和二次侧整流二极管的零电流关断(Zero Current Switching,ZCS),减小了开关损耗,从而实现高效率,已经成为近些年研究的热点[6-13]。双向LLC谐振变换器继承了单向LLC谐振变换器软开关优点[13,20],损耗小效率高,已经成为了双向DC/DC功率变换应用的最优选择之一。

传统的LLC谐振变换器工作在变频控制下,为了获得比较高的增益,不得不扩大工作频率范围或者减小电感比[14-15],前者对磁性元件的优化和设计是一个挑战,这会增加磁性元件的体积,后者使得LLC谐振变换器不得不设计较小的励磁电感,然而,小的励磁电感需要开比较大的气隙,容易造成变压器发热,损耗增加,另外,小的励磁电感会引起循环电流的增加,导致较大的开关管导通损耗和关断损耗。因此大部分LLC谐振变换器的设计是在增益满足要求的基础上尽可能去取最大的励磁电感。所以传统的LLC谐振变换器不能满足高增益宽的要求[15-16],目前大多数LLC谐振变换器的归一化增益在1.5以内,达到2的很少。

为了获的较高的增益,近些年来国内外学者提出了一系列 LLC 谐振变换器的新型拓扑结构和控制方法[17-21]。文献[17]提出了一种混合桥双模式 LLC 谐振变换器的控制策略,通过控制滞后或超前桥臂开关管下管的常开与上管的常闭,变换器可以实现半桥LLC与全桥LLC 之间的切换,这样就可以扩大了变换器的增益范围,但增益只是减小一半,不能应用在对称双向高增益结构中。文献[18]提出了一种变频—移相的混合控制策略,变频工作模式和普通LLC的工作过程一样,移相工作使得归一化增益低于1甚至为0,但当移相等效占空比较小时不能实现ZVS。文献[19]提出了一种倍压整流方案,可以使得变换器的增益是传统LLC谐振变换器的二倍,但它用到了大于串联谐振频率点的一段增益曲线,这部分工作范围不能实现ZCS。文献[20]提出了一种非对称的双向LLC谐振变换器,正反向输入电压范围都能达到2,但是其电感比比较小只有3,而且变换器也有一部分工作在大于串联谐振频率点,不能实现ZCS,此外工作频率调节范围过宽,且其实际最大增益并未达到2。

文献[21]提出了单向半桥LCLC谐振变换器如图1所示,用来增加电源掉电时的持续时间,但并没有分析各谐振元件对增益的影响和其高增益特性。对称型双向LLC谐振变换器[13]如图2所示,因其可以双向运行,且结构对称,正反向运行的增益特性相同,设计简单,近些年来受到了广泛关注。但是大部分学者让其工作在增益为1附近,其电感比取的很大,这大大限制了它的应用范围。本文结合文[13]和[21]提出了如图3的一种高增益双向LCLC谐振变换器。本文提出对称双向LCLC谐振变换器,是在传统的对称双向LLC谐振器的基础上在变压器一次侧并联一个电感电容支路代替变压器励磁电感的作用,没有利用变压器励磁电感参与谐振,变压器不需要开气隙,在大的电感比情况下,仍可以实现较大的增益。

 

 

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