本發(fā)明屬于一種諧振軟開關(guān)型直流變換器，尤其是一種高效、寬頻、寬電壓范圍的CLTCL諧振直流變換器。

背景技術(shù)：

新能源的蓬勃發(fā)展和分布式能源的大力開發(fā)對傳統(tǒng)化石能源帶來的能源危機、環(huán)境污染以及其他問題有著顯著的緩解作用，并且將在未來時間具有更加重要的作用。在未來的戶用分布式能源系統(tǒng)中，小型風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等多種新能源將集合在同一個能源系統(tǒng)中，并與戶用系統(tǒng)的交直流電壓母線連接，靈活地實現(xiàn)能源的傳遞和應(yīng)用。其中，作為直流母線中的重要一環(huán)，DC-DC變換器扮演重要角色，具有控制母線電壓、互聯(lián)不同等級直流母線、連接直流母線與直流負(fù)載等多種功能。

當(dāng)前，戶用分布式能源系統(tǒng)中的DC-DC變換器多采用傳統(tǒng)的Boost電路、Buck電路以及基于該兩種基礎(chǔ)電路的改進(jìn)電路等，雖然這些電路具有技術(shù)成熟、控制簡單、可靠性高等優(yōu)點，但同時也存在效率、功率密度偏低等問題，因此相關(guān)技術(shù)需要進(jìn)一步提高。

為了解決上述問題，相關(guān)學(xué)者提出了基于諧振元件的軟開關(guān)諧振電路，有效的提高了變換器的變換效率。最基礎(chǔ)的軟開關(guān)諧振電路可以分為串聯(lián)LC諧振電路和并聯(lián)LC諧振電路兩種類型。前者將諧振電感、電容元件以串聯(lián)形式連接，具有高效率、零電壓開通軟開關(guān)、電路輸入側(cè)隔離直流電壓、輸入電流跟隨負(fù)載變化等諸多優(yōu)點，但該電路存在輕載時較難調(diào)節(jié)輸出電壓等問題；并聯(lián)LC電路則是將諧振電感、電容元件以并聯(lián)形式相連接，具有高效率、零電壓開通軟開關(guān)、空載時輸出電壓可調(diào)等優(yōu)點，但同時存在輕載時效率偏低等問題。進(jìn)一步，一些文獻(xiàn)提出了LLC諧振電路，該電路同時具有串、并聯(lián)型LC電路的所有優(yōu)點，同時避免了兩種傳統(tǒng)電路的缺點具有良好的運行特性，但是該電路仍然存在一些問題：開關(guān)管僅能實現(xiàn)零電壓開通軟開關(guān)，不能同時實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)關(guān)斷，使得變換器效率無法進(jìn)一步提高；輸入、輸出電壓范圍偏窄，應(yīng)用范圍有限；僅有單一功率變換器，考慮磁性元件飽和問題，變換器傳輸功率有限等。近年來國內(nèi)外專家學(xué)者提出的各種新型諧振軟開關(guān)直流變換器也存在類似的問題，仍需進(jìn)一步研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，為了提高直流變換器的變換效率、實現(xiàn)功率開關(guān)器件的ZVS和Q-ZCS軟開關(guān)、拓寬輸入/輸出電壓范圍、拓寬功率范圍，提供一種基于諧振的高效、大功率、寬電壓范圍的隔離型CLTCL直流變換器，該變換器是一種新型的直流變換器電路拓?fù)?，可實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通(Zero voltage switching，ZVS)、準(zhǔn)零電流關(guān)斷(Quasi-Zero current switching，Q-ZCS)，以及后級整流電路二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)，提高了變換器的效率和容量，具有輸入輸出電壓寬范圍可調(diào)節(jié)的特點。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種CLTCL諧振直流變換器，由依次連接的半橋逆變電路、CLTCL諧振電路以和二極管整流電路組成，變換器由半橋逆變電路輸入，經(jīng)所述CLTCL諧振電路作用后從二極管整流電路輸出；所述半橋逆變電路由第一開關(guān)管和第二開關(guān)管組成；所述CLTCL諧振電路由第一電容、第二電容、第一電感、第二電感、第一變壓器和第二變壓器組成；所述二極管整流電路包括第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管和第三電容；CLTCL諧振電路中，所述第一電容一端與所述半橋逆變電路的中點連接，另一端依次與所述第一電感和第一變壓器的原邊連接；所述第一變壓器的原邊一端與第一電感連接，另一端分別與所述第二電容和所述第二電感連接；第一變壓器的副邊一端分別與所述二極管整流電路的一個中點連接，另一端與第二變壓器的副邊一端連接；第二電容一端分別與第一變壓器的原邊和第二電感連接，另一端分別與所述第二開關(guān)管的源極、第二變壓器的原邊連接；第二電感一端分別與第一變壓器的原邊和第二電容連接，另一端與第二變壓器的原邊連接；第二變壓器的原邊一端與第二電感連接，另一端分別與第二電容和第二開關(guān)管的源極連接；第一變壓器和第二變壓器的副邊以串聯(lián)形式連接，改變了電路的諧振網(wǎng)絡(luò)和諧振頻率，并拓寬了電路的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍。

所述輸入電壓范圍為350V～600V；輸出電壓范圍為0V～52V。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

1.本發(fā)明變換器可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通、準(zhǔn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)，和二極管的零電流關(guān)斷軟開關(guān)，提高了變換器的工作效率；

2.本發(fā)明變換器可以在低頻工作段具有較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍，可以實現(xiàn)輸出電壓從零至額定值可調(diào)；

3.本發(fā)明變換器在高頻段具有平緩的電壓增益，電壓增益隨頻率變化的變化較慢，非常適合恒電壓輸出的應(yīng)用場合。

4.本發(fā)明變換器具有兩個變壓器，可以實現(xiàn)拓寬功率應(yīng)用范圍；

5.本發(fā)明變換器通過合理的參數(shù)設(shè)計，可提高工作頻率，提高了變換器的功率密度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明變換器的電壓增益曲線；

圖3-1至圖3-6分別為本發(fā)明變換器工作過程的等效電路圖；

圖4為本發(fā)明變換器的主要工作波形圖；

圖5為本發(fā)明變換器的仿真波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

一種CLTCL諧振直流變換器，由依次連接的半橋逆變電路、CLTCL(“電容-電感-變壓器-電容-電感”型)諧振電路和二極管整流電路組成，變換器由所述半橋逆變電路輸入，經(jīng)CLTCL諧振電路作用后從所述二極管整流電路輸出；本實施例中，半橋逆變電路由第一開關(guān)管S₁和第二開關(guān)管S₂組成，CLTCL諧振電路由第一電容C₁、第二電容C₂、第一電感L₁、第二電感L₂、第一變壓器T₁和第二變壓器T₂組成，二極管整流電路由第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃、第四二極管D₄和第三電容C_o組成，R_o為負(fù)載電阻。

如圖1所示，CLTCL諧振電路中，第一電容C₁一端與半橋逆變電路的中點連接，另一端與第一電感L₁連接；第一電感L₁與第一電容C₁連接，另一端與第一變壓器T₁的原邊連接；第一變壓器T₁的原邊一端與第一電感L₁連接，原邊另一端與第二電容C₂、第二電感L₂連接，副邊一端與二極管整流橋的一個中點連接，另一端與第二變壓器T₂的副邊一端連接；第二電容C₂一端與第一變壓器T₁原邊、第二電感L₂連接，另一端與第二開關(guān)管S₂的源極、第二變壓器T₂原邊連接；第二電感L₂一端與第一變壓器T₁原邊、第二電容C₂連接，另一端與第二變壓器T₂原邊連接；第二變壓器T₂原邊一端與第二電感L₂連接，另一端與第二電容C₂、第二開關(guān)管S₂的源極連接。兩個變壓器的副邊以串聯(lián)形式連接，改變了電路的諧振網(wǎng)絡(luò)，同時改變了電路的諧振頻率，使電路具有較寬的輸入輸出電壓范圍。其中V_in表示電路的直流輸入電壓，L_m1、L_m2分別表示第一變壓器T₁、第二變壓器T₂的等效勵磁電感。

CLTCL諧振軟開關(guān)直流變換器具有兩個諧振頻率，根據(jù)頻率的大小關(guān)系可以分為第一諧振頻率fr₁和第二諧振頻率fr₂，其中fr₁小于fr₂。本實施例CLTCL變換器的電壓增益曲線如圖2所示，經(jīng)電路參數(shù)設(shè)計之后，電路在第一諧振點fr₁附近取得電壓增益M_v的最大值，并隨著電路的控制開關(guān)頻率f_s的增加快速下降至零，因此具有輸出電壓從零至額定電壓的可調(diào)節(jié)范圍；進(jìn)一步隨著開關(guān)頻率的繼續(xù)上升，變換器在第二諧振點fr₂附近達(dá)到電壓增益的最大值，電壓增益隨著頻率的繼續(xù)增加而緩慢下降，此時該變換器可以應(yīng)用在需要恒電壓輸出的場景。CLTCL變換器在圖2中的AB段和C段之后可以在全功率范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS開通軟開關(guān)，同時整流電路中的二極管可以實現(xiàn)ZCS關(guān)斷軟開關(guān)；CLTCL變換器可以在兩個諧振點fr₁、fr₂附近實現(xiàn)Q-ZCS軟開關(guān)。

CLTCL諧振軟開關(guān)直流變換器的工作等效電路和主要波形如圖3-1至圖3-6和圖4所示，t₀至t₆為變換器在半個工作周期的波形圖，與另外半個周期的工況完全對稱，不再贅述；其中t₀、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆分別表示各個模態(tài)間的時刻，PWM1、PWM2分別為第一開關(guān)管S₁、第二開關(guān)管S₂的PWM驅(qū)動信號。

模態(tài)1[t₀，t₁]：此模態(tài)等效電路如圖3-1所示。此模態(tài)為控制信號的死區(qū)段。在t₀時刻，第二開關(guān)管S₂關(guān)斷，第一開關(guān)管S₁保持關(guān)斷。流過第一電容C₁的電流記為i₁，此時i₁通過第一開關(guān)管S₁的寄生二極管和寄生電感反向流通，第一開關(guān)管S₁的兩端電壓保持為零。第一變壓器T₁的勵磁電流i_Lm1反向流通。第二變壓器T₂的勵磁電流i_Lm2正向流通。第二電容C₂的電流i_C2反向流通。流過第二電感L₂的電流i_L2正向流通。變壓器T₁、T₂副邊電流相等，記為i_S，正向流通。二級管D₁、D₄導(dǎo)通，電路向負(fù)載R_o供電。在t₁時刻，第一開關(guān)管S₁導(dǎo)通，此時由于S₁兩端電壓保持為零，零電壓開通軟開關(guān)得以實現(xiàn)；同時i₁、_iLm2均為零。

模態(tài)2[t₁，t₂]：此模態(tài)等效電路如圖3-2所示。此模態(tài)中，i₁從零開始上升，i_Lm2從零開始下降，其余變量保持原方向不變，繼續(xù)參與電路諧振。至t₂時刻，第二電容C₂電流i_C2上升至零，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3[t₂，t₃]：此模態(tài)等效電路如圖3-3所示。此模態(tài)中，i_C2從零開始上升，其余變量保持原方向不變，繼續(xù)參與電路諧振。至t₃時刻，第一變壓器T₁的勵磁電流i_Lm1上升至零，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)4[t₃，t₄]：此模態(tài)等效電路如圖3-4所示。此模態(tài)中，i_Lm1從零開始上升，其余變量保持原方向不變，繼續(xù)參與電路諧振。至t₄時刻，第二電感L₂電流i₂下降至零，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)5[t₄，t₅]：此模態(tài)等效電路如圖3-5所示。此模態(tài)中，i₂從零開始下降，其余變量保持原方向不變，繼續(xù)參與電路諧振。至t₅時刻，變壓器T₁、T₂副邊電流i_S下降至零，二極管D₁、D₄自然關(guān)斷，實現(xiàn)ZCS關(guān)斷軟開關(guān)，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)6[t₅，t₆]：此模態(tài)等效電路如圖3-6所示。此模態(tài)中，二極管D₂、D₃導(dǎo)通，i_S向負(fù)向流動，其余變量保持原方向不變，繼續(xù)參與電路諧振。至t₆時刻，第一開關(guān)管S₁關(guān)斷，此時流過開關(guān)管的電流方向和大小與i₁相同，i₁非常接近于0，因此第一開關(guān)管S₁可以實現(xiàn)準(zhǔn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)。至此，所述CLTCL變換器電路在半個周期內(nèi)的工作結(jié)束，進(jìn)入另半個周期工作。

圖5為所述CLTCL變換器的仿真波形，從圖中可以看出，第一開關(guān)管S₁可以實現(xiàn)零電壓開通軟開關(guān)和準(zhǔn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)，二極管電流自然下降至零，二極管實現(xiàn)零電流關(guān)斷軟開關(guān)。因此，所述CLTCL諧振軟開關(guān)變換器具有較高的變換效率。

本發(fā)明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。