一種適用于大功率的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種適用于大功率的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器的控制方法，變換器連接直流輸入電源和負(fù)載，包括兩個(gè)原邊二極管，第一至第四開關(guān)管，諧振單元，第一至第二整流二極管，兩個(gè)濾波電容，諧振單元連接四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的橋臂與兩個(gè)整流二極管和兩個(gè)濾波電容構(gòu)成的整流單元。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管近似零電壓關(guān)斷以及整流二極管的零電流關(guān)斷，可大幅降低損耗，同時(shí)所有開關(guān)器件的電壓應(yīng)力均不大于輸出電壓的二分之一，并且采用了定頻控制有利于磁性元件的設(shè)計(jì)，可用于大功率升壓場合。
【專利說明】-種適用于大功率的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器的控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直流變換器領(lǐng)域，特別涉及一種可應(yīng)用于大功率升壓場合的定頻式準(zhǔn) 諧振變換器的控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界發(fā)展最快的新能源利用形式之一，海上風(fēng)力發(fā)電因具有不占 用陸上±地、風(fēng)能資源豐富等特點(diǎn)而受到世界沿海各國的普遍重視。隨著海上風(fēng)電場容量 的不斷增加W及離岸距離的增大，采用高壓直流化i曲Voltage Direct化rrent，HVDC) 輸電已成為必然趨勢。HVDC輸電具有不受容性電流影響、可調(diào)節(jié)有功和無功功率輸出等優(yōu) 點(diǎn)，但傳統(tǒng)的基于中壓交流母線的海上風(fēng)電場系統(tǒng)，需要采用體積巨大、笨重的工頻升壓變 壓器，對風(fēng)機(jī)培架W及海上換流站平臺的建設(shè)提出了很高要求。針對上述缺點(diǎn)，近年來國內(nèi) 外興起了對基于中壓直流母線海上風(fēng)電場系統(tǒng)的研究，通過利用高壓大功率升壓直流變換 器替代傳統(tǒng)的工頻升壓變壓器，可大大減小系統(tǒng)體積和重量。高壓大功率升壓直流變換器 是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵核也部件，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能都需要通過它進(jìn)行電壓變換和功率傳輸損耗 是大功率傳輸。
[0003] 目前國內(nèi)外學(xué)者均對該系統(tǒng)中的高壓大功率升壓直流變換器開展了一些研究，先 后提出了多種可行的拓?fù)潆娐贰ＤK組合多電平直流變換器非常適合應(yīng)用于高壓大功率場 合，該種變換器通過中頻變壓器將兩個(gè)模塊組合多電平變換器連接起來，其主要缺點(diǎn)是大 功率高電壓中頻變壓器的制造極其困難。文獻(xiàn)"Multiple mo化Ie hi曲gain hi曲vo；Uage DC-DC transformers for offshore wind energy systems"提出了一種由一個(gè) Boost 變 換器和一個(gè)Buck/Boost變換器輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，開關(guān)器件和二極管的電壓和電 流應(yīng)力相對減小。但由于開關(guān)器件的硬開關(guān)和二極管的反向恢復(fù)損耗導(dǎo)致了變換器效率較 低。文獻(xiàn)"Analysis and comparison of medium voltage high power DC/DC converters 化r offshore wind energy systems"提出了一種基于諧振開關(guān)電容的直流升壓變換器， 可W實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)和模塊化結(jié)構(gòu)，但是其不僅輸出電壓調(diào)整率較差而且需要大量電 容器。英國阿伯了大學(xué)的Jovcic教授在文獻(xiàn)"St巧-up dc-dc converter for megawatt size applications"中提出了一種新型的諧振升壓變換器，不但可W實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的軟開 關(guān)和避免二極管的反向恢復(fù)問題，還可實(shí)現(xiàn)很高的升壓比。但該類諧振升壓變換器也存在 如下一些不足；開關(guān)器件都需要具有反向電壓阻斷能力；諧振電容、諧振電感和所有開關(guān) 器件的電壓應(yīng)力都近似為輸出電壓；諧振電感單向磁化，磁芯利用率不高，導(dǎo)致諧振電感體 積和重量都較大，損耗也相應(yīng)增加。
[0004] 申請?zhí)枮?01410232840. 0的專利文獻(xiàn)提出一種適用于高壓大功率場合的諧振升 壓直直變換器并詳細(xì)說明了其采用變頻控制的工作模態(tài)。在變頻控制方式下，該諧振升壓 變換器既實(shí)現(xiàn)了輸出升壓又實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的近似零電壓關(guān)斷和整流二極管的零電流關(guān)斷， 同時(shí)使得諧振單元和開關(guān)器件的電壓應(yīng)力不超過輸出電壓的二分之一。但是，由于采用了 變頻控制，磁性元件的設(shè)計(jì)要求較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明基于現(xiàn)有諧振升壓直直變換器拓?fù)?，提出一種適用于大功率的定頻式準(zhǔn)諧 振升壓變換器的控制方法，該控制方法保留原控制方法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還有利于磁性元件的設(shè) 計(jì)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種適用于大功率的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器的控制方法，其一個(gè)控制周期分為 連續(xù)的12個(gè)階段，其中后半個(gè)周期的6個(gè)階段與前半個(gè)周期的6個(gè)階段是完全類似的，下 面給出前半個(gè)周期的6個(gè)階段：
[000引第一階段；;
[0009] 在t。時(shí)刻開通第一開關(guān)管和第四開關(guān)管，諧振電容兩端電壓V& = Vw輸入電壓加 在諧振電感兩端，向諧振電感儲能，ib從I。線性增加，負(fù)載電流由第一濾波電容與第二濾 波電容提供，ti時(shí)刻ib增加到Ii ;
[0010] 第二階段；;
[0011] 在ti時(shí)刻關(guān)斷第一開關(guān)管，此后諧振電感與諧振電容發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧振電容 向諧振電感放電，V&從Vh開始下降，ib從Ii諧振增加，與此同時(shí)第一開關(guān)管的結(jié)電容充 電，第H開關(guān)管的結(jié)電容放電，此開關(guān)模態(tài)持續(xù)到t2時(shí)刻，Va和第H開關(guān)管兩端電壓都降 到零，ib達(dá)到其最大值；
[0012] 第二階段；t2<t<t3 ;
[0013] 在t,時(shí)刻Vac = 0,諧振電感通過第四開關(guān)管和第H開關(guān)管的反并二極管續(xù)流，整 個(gè)模態(tài)中諧振電感兩端的電壓為0, ib保持不變；
[0014] 第四階段；t3<t<ts ;
[0015] 在t3時(shí)刻，第四開關(guān)管關(guān)斷，此后諧振電感和諧振電容發(fā)生諧振，到t4時(shí)刻，第四 開關(guān)管的兩端電壓上升到Vw第二開關(guān)管的兩端電壓近似減小到0,此后諧振電感繼續(xù)對 諧振電容進(jìn)行反向充電，Va從-Vh繼續(xù)負(fù)向增加，ib繼續(xù)諧振下降，此時(shí)輸入阻斷第二原 邊二極管將承受反向電壓，第四開關(guān)管的兩端電壓從Vh繼續(xù)上升；第一開關(guān)管兩端電壓保 持在Vh ;到tg時(shí)刻，心=-vy2, ib下降到Is ;此時(shí)第四開關(guān)管兩端電壓上升到vy2,而第 二原邊二極管兩端電壓上升到vy2 - Vh;
[0016] 第五階段；ts<t<te ;
[0017] 在ts時(shí)刻V& = -vy2,第一整流二極管自然導(dǎo)通，ib流過第一整流二極管給第一 濾波電容充電，并提供負(fù)載電流，Va保持不變，ib線性下降，直到te時(shí)刻，ib = 〇,此開關(guān) 模態(tài)結(jié)束；
[001引第六階段；te<t<t7 ;
[001引在te時(shí)刻，ib下降到零，此后諧振電感與諧振電容發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧振電容 向諧振電感放電，心從-vy2開始正向上升，ib從零開始負(fù)向諧振增加，直到t,時(shí)刻，心 二-Vi。，iy：二-I"此開關(guān)板態(tài)結(jié)束。
[0020] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：
[0021] 本發(fā)明的適用于大功率的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器具有很高的電壓增益，可實(shí)現(xiàn) 開關(guān)管的零電壓開通和近似零電壓關(guān)斷W及整流二極管的零電流關(guān)斷，同時(shí)諧振變換器的 諧振單元和開關(guān)器件的電壓應(yīng)力不超過輸出電壓的二分之一；在實(shí)現(xiàn)升壓功能的同時(shí)，使 每個(gè)開關(guān)管和二極管都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，有效減小了損耗，具有很高的效率，適合于大功率傳 輸，另外采用了定頻控制，有利于磁性元件設(shè)計(jì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是所舉實(shí)施例的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0023] 圖2是圖1所示電路相關(guān)元件工作波形示意圖。
[0024] 圖3是圖1所示電路第一階段工作模態(tài)示意圖。
[00巧]圖4是圖1所示電路第二階段工作模態(tài)示意圖。
[0026] 圖5是圖1所示電路第H階段工作模態(tài)示意圖。
[0027] 圖6是圖1所示電路第四階段工作模態(tài)示意圖。
[0028] 圖7是圖1所示電路第五階段工作模態(tài)示意圖。
[0029] 圖8是圖1所示電路第六階段工作模態(tài)示意圖。
[0030] 圖9是圖1所示電路實(shí)例仿真波形圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說明。
[003引圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，本發(fā)明的適用于高壓 大功率場合的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器，包括全橋逆變電路、諧振單元W及整流單元。全橋 逆變電路的輸入端連接直流輸入電源Vw全橋逆變電路的輸出端連接整流單元的輸入端， 整流單元的輸出端連接負(fù)載町，諧振單元與全橋逆變電路的輸出端W及整流單元的輸入端 并聯(lián)連接。其中，全橋逆變電路包括第一至第四開關(guān)管Qi?94、第一原邊二極管Dbi W及第 二原邊二極管Db2。第一原邊二極管Dbi、第一開關(guān)管Qi、第H開關(guān)管依次串聯(lián)構(gòu)成第一支 路；第二原邊二極管Db2、第二開關(guān)管02、第四開關(guān)管Qa依次串聯(lián)構(gòu)成第二支路；第一支路W 及第二支路并聯(lián)在直流輸入電源Vh兩端。整流單元包括第一整流二極管恥、第二整流二 極管成2、第一濾波電容Cl W及第二濾波電容C2。第一整流二極管Dw和第二整流二極管成2 正向串聯(lián)連接構(gòu)成第H支路；第一濾波電容Cl和第二濾波電容C2串聯(lián)連接構(gòu)成第四支路； 第H支路和第四支路并聯(lián)在負(fù)載咕兩端。諧振單元為由諧振電感Lf和諧振電容Cf構(gòu)成的 LC并聯(lián)諧振電路。LC并聯(lián)諧振電路的一端連在第一開關(guān)管Qi和第H開關(guān)管Qs的相接端， 同時(shí)連在第一濾波電Cl和第二濾波電容C,的相接端；LC并聯(lián)諧振電路的另一端連在第二 開關(guān)管Qs和第四開關(guān)管Qa的相接端，同時(shí)連在第一整流二極管Dm和第二整流二極管成2的 相接端。同時(shí)，第一原邊二極管Dbi的陽極接在直流輸入電源Vh的正極，陰極接在第一開關(guān) 管Qi ;第二原邊二極管化2的陽極接在直流輸入電源Vh的正極，陰極接在第二開關(guān)管(? ;直 流輸入電源Vh負(fù)極接在第H開關(guān)管Qs和第四開關(guān)管Qa相接端。第一濾波電容。第一端 接在第一整流二極管恥1的陰極，第一濾波電容Cl第二端接在諧振單元的一端；第二濾波電 容C2第一端接在第二整流二極管成2的陽極，第二濾波電容C2第二端接在諧振單元的一端。
[0033] 下面對本發(fā)明的適用于高壓大功率場合的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器控制方法進(jìn) 行詳細(xì)說明。
[0034] 如圖2、圖3所示，第一階段；
[003引在t。時(shí)刻開通第一開關(guān)管Qi和第四開關(guān)管Q4,諧振電容Cf兩端電壓Va = Vw直 流輸入電源Vh加在諧振電感Lf兩端，向諧振電感Lf儲能，ib從I。線性增加，負(fù)載電流由 第一濾波電容Cl與第二濾波電容Cs提供，ti時(shí)刻ib增加到Ii。
[003引如圖2、圖4所示，第二階段；
[0037] 在ti時(shí)刻關(guān)斷第一開關(guān)管Qi,此后諧振電感Lf與諧振電容Cf發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧 振電容Cf向諧振電感Lf放電，心從Vh開始下降，ib從Ii諧振增加，與此同時(shí)第一開關(guān)管 Qi的結(jié)電容充電，第H開關(guān)管的結(jié)電容放電，由于諧振電容Cf比開關(guān)管的結(jié)電容大很多， 第一開關(guān)管Qi兩端電壓緩慢上升，實(shí)現(xiàn)了近似零電壓關(guān)斷。
[003引到t2時(shí)刻，心和第立開關(guān)管Qs兩端電壓都降到零，ib達(dá)到其最大值，此后第立開 關(guān)管Qs具備了零電壓導(dǎo)通的條件。
[00測如圖2、圖5所示，第H階段；t2<t<t3
[0040] 在該個(gè)模態(tài)中Vac = 0,變換器工作于零狀態(tài)，諧振電感Lf通過第四開關(guān)管Q4和第 H開關(guān)管Qs的反并二極管續(xù)流，由于整個(gè)模態(tài)中諧振電感Lf兩端的電壓為0,所W ib保持 不變。
[0041] 如圖2、圖6所示，第四階段；t3<t<ts
[004引在t3時(shí)刻，第四開關(guān)管Q4關(guān)斷，此后諧振電感Lf和諧振電容Cf發(fā)生諧振，到t4時(shí) 亥IJ，第四開關(guān)管Qa的兩端電壓上升到Vw第二開關(guān)管化的兩端電壓近似減小到0,此后第二 開關(guān)管化具備了零電壓導(dǎo)通條件。此后諧振電感Lf繼續(xù)對諧振電容Cf進(jìn)行反向充電，Va 從-Vh繼續(xù)負(fù)向增加，ib繼續(xù)諧振下降，此時(shí)輸入阻斷第二原邊二極管化2將承受反向電 壓，第四開關(guān)管Q4的兩端電壓從Vh繼續(xù)上升。第一開關(guān)管Qi兩端電壓保持在Vi。。
[004引直到tg時(shí)刻，V& = -Vy2, ib下降到13。此時(shí)第四開關(guān)管Q4兩端電壓上升到Vd/2， 而第二原邊二極管化2兩端電壓上升到vy2 - Vi。。可見，在ti?t3該段時(shí)間內(nèi)，只是諧振 電感Lf和諧振電容Cf之間進(jìn)行能量交換，但諧振電感Lf和諧振電容Cf上的總能量不變，
[0044] 如圖2、圖7所示，第五階段；ts<t<t6
[0045] ts時(shí)刻V& = -Vy2,第一整流二極管Dm自然導(dǎo)通，ib流過第一整流二極管恥給 第一濾波電容Cl充電，并提供負(fù)載電流，V&保持不變，ib線性下降，直到te時(shí)刻，ib = 0， 此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。
[004引如圖2、圖8所示，第六階段；te<t<t7
[0047] 在te時(shí)刻，ib下降到零，第一整流二極管恥實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，此后諧振電感Lf與 諧振電容Cf發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧振電容Cf向諧振電感Lf放電，V&從-vy2開始正向上升， ib從零開始負(fù)向諧振增加，直到t,時(shí)刻，心=-Vw ib = -14,此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。在該段時(shí) 間內(nèi)，諧振電感Lf和諧振電容Cf上的總能量保持不變。
[0048] 下面通過一個(gè)具體的例子來闡述本發(fā)明技術(shù)方案：
[0049] 本發(fā)明給出了該定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器的仿真實(shí)例，具體仿真參數(shù)如下：
[0050]

【權(quán)利要求】
1. 一種適用于大功率的定頻式準(zhǔn)諧振升壓變換器的控制方法，其特征在于：所述控制 方法的一個(gè)控制周期分為連續(xù)的12個(gè)階段，其中后半個(gè)周期的6個(gè)階段與前半個(gè)周期的6 個(gè)階段是完全類似的，下面給出前半個(gè)周期的6個(gè)階段： 第一階段：t/iXti ; 在h時(shí)刻開通第一開關(guān)管似）和第四開關(guān)管（Q4)，諧振電容（(；）兩端電壓= Vin， 輸入電壓（Vin)加在諧振電感（L,)兩端，向諧振電感（L,)儲能，k從^線性增加，負(fù)載電 流由第一濾波電容（CJ與第二濾波電容（C2)提供，h時(shí)刻L增加到; 第二階段小〈丨〈七2 ; 在&時(shí)刻關(guān)斷第一開關(guān)管（QD，此后諧振電感（LJ與諧振電容（(；）發(fā)生并聯(lián)諧振，即 諧振電容（(；）向諧振電感（LJ放電，從Vin開始下降，U從諧振增加，與此同時(shí)第一 開關(guān)管（QD的結(jié)電容充電，第三開關(guān)管（Q3)的結(jié)電容放電，此開關(guān)模態(tài)持續(xù)到t2時(shí)刻，v &和第三開關(guān)管（Q3)兩端電壓都降到零，U達(dá)到其最大值； 第二階段：t2〈t〈t3; 在t2時(shí)刻Vab = 0,諧振電感（LJ通過第四開關(guān)管（Q4)和第三開關(guān)管（Q3)的反并二極 管續(xù)流，整個(gè)模態(tài)中諧振電感（LJ兩端的電壓為0, 保持不變； 第四階段：t3〈t〈t5; 在&時(shí)刻，第四開關(guān)管（Q4)關(guān)斷，此后諧振電感（Lr)和諧振電容（(；）發(fā)生諧振，到t 4時(shí)刻，第四開關(guān)管（Q4)的兩端電壓上升到Vin，第二開關(guān)管（Q2)的兩端電壓近似減小到0， 此后諧振電感繼續(xù)對諧振電容（(；）進(jìn)行反向充電，￥&從^^繼續(xù)負(fù)向增加，U繼續(xù) 諧振下降，此時(shí)輸入阻斷第二原邊二極管（Db2)將承受反向電壓，第四開關(guān)管（Q4)的兩端電 壓從Vin繼續(xù)上升；第一開關(guān)管（QJ兩端電壓保持在Vin ;到t5時(shí)刻，=，。/2, U下降 至IJ13 ;此時(shí)第四開關(guān)管（Q4)兩端電壓上升到V。/%而第二原邊二極管（Db2)兩端電壓上升到 V〇/2 - Vin ； 第五階段：t5〈t〈t6 ; 在t5時(shí)刻= -V/2,第一整流二極管（DK1)自然導(dǎo)通，U流過第一整流二極管（DK1) 給第一濾波電容（Q)充電，并提供負(fù)載電流，保持不變，線性下降，直到t6時(shí)刻， =0,此開關(guān)|吳態(tài)結(jié)束； 第六階段：t6〈t〈t7; 在七6時(shí)刻，k下降到零，此后諧振電感（L,)與諧振電容（C,)發(fā)生并聯(lián)諧振，即諧振電 容（CJ向諧振電感（LJ放電，￥&從-￥。/2開始正向上升，從零開始負(fù)向諧振增加，直到 t7時(shí)刻，v& = -Vin，U = _14，此開關(guān)模態(tài)結(jié)束。
【文檔編號】H02M3/338GK104362858SQ201410618266
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】陳武, 吳小剛, 劉斌, 吳鴻亮 申請人:無錫中匯汽車電子科技有限公司