一種基于clllc諧振的ac-ac雙向變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于CLLLC諧振的AC?AC雙向變換器，其變壓器一次側(cè)和二次側(cè)均采用全橋結(jié)構(gòu)，保證了功率的雙向流動；變壓器一次側(cè)和二次側(cè)均接入諧振電容和諧振電感，形成對稱結(jié)構(gòu)，保證了在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)和良好的電壓調(diào)整能力；組成全橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)為兩個MOSFET反向串聯(lián)組成的四象限開關(guān)，滿足承受雙向電壓和導通雙向電流的需要，通過調(diào)節(jié)輸入端MOSFET的開關(guān)頻率可以改變變換器的電壓增益，變換器可以分別工作在降壓和升壓模式。采用DC?DC型雙向CLLLC諧振變換器為實現(xiàn)AC?AC的轉(zhuǎn)換要在變換器前端和后端分別接入整流電路和逆變電路，不利于小型化和集成化。本發(fā)明的AC?AC雙向CLLLC諧振變換器與傳統(tǒng)相較，功率轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)和無源元件較少，提高了變換器的整體效率。
【專利說明】
一種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及AC-AC雙向變換器領(lǐng)域，特別涉及一種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]LLC諧振變換器電路結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，并在輸入電壓和負載變化范圍很寬的情況下依舊具有良好的電壓調(diào)節(jié)特性，不僅可以在原邊實現(xiàn)開關(guān)管ZVS，還可以使副邊整流二極管實現(xiàn)ZCS，且原副邊管子的電壓應(yīng)力較低，具有很高的研究價值。雙向CLLLC諧振變換器在完全繼承LLC諧振變換器優(yōu)點的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了功率的雙向流動，在電動汽車、可再生能源、直流配電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)及電力電子變壓器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是一般的雙向CLLLC諧振變換器只能實現(xiàn)DC-DC變換，在交流電的應(yīng)用場合，需要在變換器的輸入端和輸出端分別再接入一個全橋電路，以實現(xiàn)整流和逆變，不利于小型化和集成化，而且過多的功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)會帶來更大的損耗。本發(fā)明涉及的一種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器，采用由兩個MOSFET反向串聯(lián)組成的四象限開關(guān)替代傳統(tǒng)的兩象限開關(guān)，且這兩個MOSFET可以采用同一個驅(qū)動信號，在不增加驅(qū)動控制復雜性的前提下直接實現(xiàn)AC-AC電能變換，簡化了變換器結(jié)構(gòu)，提高了整體效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器。
[0004]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0005]—種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器，包括供電電源，負載，四個一次側(cè)四象限開關(guān)，四個二次側(cè)四象限開關(guān)，一次側(cè)諧振電感，二次側(cè)諧振電感，一次側(cè)諧振電容，二次側(cè)諧振電容和一個帶勵磁電感的變壓器;其中四個一次側(cè)四象限開關(guān)組成全橋電路后和一次側(cè)諧振電感、一次側(cè)諧振電容一起串接在供電電源和變壓器一次側(cè)之間，四個二次側(cè)四象限開關(guān)組成全橋電路并和二次側(cè)諧振電感、二次側(cè)諧振電容一起串接在負載和變壓器二次偵比間；每個四象限開關(guān)管均由第一 MOSFET和第二 MOSFET反向串聯(lián)組成，當電壓分別處于正半周和負半周時，相應(yīng)地由開關(guān)管的不同MOSFET導通，期間的工作原理和對應(yīng)的DC-DC型CLLLC諧振變換器一致;同一個四象限開關(guān)管的兩個MOSFET接入相同的驅(qū)動信號。
[0006]進一步地，當變換器正向工作時，一次側(cè)全橋電路將輸入的交流信號轉(zhuǎn)換為高頻交流信號，經(jīng)高頻變壓器，二次側(cè)全橋電路將高頻交流信號轉(zhuǎn)換為交流信號輸出；當供電電源電壓處于正半周時，四個一次側(cè)四象限開關(guān)均由第一MOSFET導通，相應(yīng)的四個二次側(cè)四象限開關(guān)均由第二MOSFET導通；當供電電源電壓處于負半周時，四個一次側(cè)四象限開關(guān)均由第二 MOSFET導通，相應(yīng)的四個二次側(cè)四象限開關(guān)均由第一 MOSFET導通。
[0007]進一步地，當變換器反向工作時，供電電源作為負載，負載作為供電電源，二次側(cè)全橋電路將輸入的交流信號轉(zhuǎn)換為高頻交流信號，經(jīng)高頻變壓器，一次側(cè)全橋電路將高頻交流信號轉(zhuǎn)換為交流信號輸出；當負載電壓處于正半周時，四個二次側(cè)四象限開關(guān)均由第一MOSFET導通，相應(yīng)的四個一次側(cè)四象限開關(guān)均由第二MOSFET導通；當負載電壓處于負半周時，四個二次側(cè)四象限開關(guān)均由第二 MOSFET導通，相應(yīng)的四個一次側(cè)四象限開關(guān)均由第一 MOSFET 導通。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)方案相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和技術(shù)效果:
[0009]本發(fā)明變換器一次側(cè)和二次側(cè)均采用全橋電路，對稱的結(jié)構(gòu)保證了功率的雙向流動;變壓器一次側(cè)和二次側(cè)對稱的諧振腔設(shè)計，保證了變換器具有良好的電壓調(diào)整能力，電壓增益可以隨著輸入端的開關(guān)頻率而改變。當開關(guān)頻率大于諧振頻率時工作在降壓狀態(tài)，當開關(guān)頻率小于諧振頻率時工作在升壓狀態(tài);組成全橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)為兩個MOSFET反向串聯(lián)組成的四象限開關(guān)，滿足承受雙向電壓和導通雙向電流的需要，保證了變換器在不添加整流和逆變環(huán)節(jié)的前提下可以直接工作在AC-AC場合，較之傳統(tǒng)的接入整流器和逆變器的做法，簡化了變換器結(jié)構(gòu)，提高了變換器的整體效率。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的一種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器電路結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2為輸入交流信號在正半周，一次側(cè)超前開關(guān)管(Sn和S12)導通時的工作原理圖；
[0012]圖3為輸入交流信號在正半周，一次側(cè)諧振電感Lrl的電流與勵磁電感Lm)的電流相等時的工作原理圖；
[0013]圖4為輸入交流信號在正半周，一次側(cè)超前開關(guān)管(Sn和S12)關(guān)斷時的工作原理圖；
[0014]圖5為輸入交流信號在正半周，一次側(cè)滯后開關(guān)管(S1^PS14)導通時的工作原理圖；
[0015]圖6a、圖6b分別為一次側(cè)諧振電感Lrl的電流與勵磁電感1^的電流仿真整體波形及其展開波形，主要突出AC-AC變換和全周期實現(xiàn)諧振。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。需指出的，若未有特別詳細說明的控制過程(如編程)，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員參照現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的。
[0017]如圖1所示，為本發(fā)明的一種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器，包括供電電源Vin，負載V。，四個一次側(cè)四象限開關(guān)(S11-S14)，四個二次側(cè)四象限開關(guān)(Scll-Sci4)，一次側(cè)諧振電感Lri，二次側(cè)諧振電感Lr2，一次側(cè)諧振電容Cri，二次側(cè)諧振電容Cr2和一個帶勵磁電感U的變壓器Tr;其中四個一次側(cè)四象限開關(guān)(S11-S14)組成全橋電路并和一次側(cè)諧振電感Lrl、一次側(cè)諧振電容Crl一起串接在供電電源Vln和變壓器Tr一次側(cè)之間，四個二次側(cè)四象限開關(guān)(Scll-Sci4)組成全橋電路并和二次側(cè)諧振電感Lr2、二次側(cè)諧振電容Cr2—起串接在負載V。和變壓器Tr 二次側(cè)之間；每個四象限開關(guān)管均由第一 M0SFETM1和第二 M0SFETM2反向串聯(lián)組成，當電壓分別處于正半周和負半周時，相應(yīng)地由開關(guān)管的不同MOSFET導通，期間的工作原理和對應(yīng)的DC-DC型CLLLC諧振變換器一致；同一個四象限開關(guān)管的兩個MOSFET接入相同的驅(qū)動信號。
[0018]所述的開關(guān)管可以選用硅材料的M0SFET，若為了提高功率等級和功率密度，也可以選擇碳化硅材料的MOSFET。
[0019]設(shè)定兩個交流電源電壓為正弦。
[0020]上述一種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器的具體實現(xiàn)方法:
[0021]圖2-圖5分析了當供電電源Vin電壓處于正半周，變換器在前半周期內(nèi)的工作實現(xiàn)過程，具體操作如下:
[0022]當一次側(cè)超前開關(guān)管(Sn和Si2)導通時，一次側(cè)諧振電感Lrl，二次側(cè)諧振電感Lr2，一次側(cè)諧振電容Crl和二次側(cè)諧振電容Cr2—起組成諧振回路，一次側(cè)諧振電感1^的電流諧振上升。此時由于二次側(cè)完全諧振阻抗為零，繞組電壓被負載V。電壓鉗位，勵磁電感Lm的電流直線上升，變化率比一次側(cè)諧振電感Lrl的電流小。功率由一次側(cè)傳輸?shù)蕉蝹?cè)，二次側(cè)電流大小和一次側(cè)諧振電感1^電流與勵磁電感1^電流之差成比例，二次側(cè)超前開關(guān)管(SodPSo2)導通變頻輸出(如圖2所示)。
[0023]當一次側(cè)諧振電感Lrl電流與勵磁電感1^電流相等時，二次側(cè)電流下降到零，此時給二次側(cè)超前開關(guān)管(SodPScl2)關(guān)斷信號實現(xiàn)零電流關(guān)斷。諧振電路由一次側(cè)諧振電感Lrl，一次側(cè)諧振電容Cri和勵磁電感Lm組成，電流方向不變，勵磁電感1^的能量繼續(xù)上升(如圖3所示)。
[0024]當一次側(cè)超前開關(guān)管(Sn和S12)關(guān)斷時，一次側(cè)電流給一次側(cè)超前開關(guān)管(Sn和Si2)的寄生電容充電，同時給一次側(cè)滯后開關(guān)管(Si3和Si4)的寄生電容放電，由于寄生電容很小，一次側(cè)超前開關(guān)管(S11和S12)兩端的電壓在很短時間內(nèi)上升到供電電源Vin電壓，同時一次側(cè)滯后開關(guān)管(S1^PS14)的電壓下降到零，為M0SFET1的零電壓開通做準備(如圖4所示)。
[0025]當一次側(cè)滯后開關(guān)管(Si3和Si4)導通時，一次側(cè)諧振電感1^電流與勵磁電感1^電流不再相等，變壓器Tr 二次側(cè)電流由零上升，變換器的諧振回路由一次側(cè)諧振電感Lrl，二次側(cè)諧振電感Lr2，一次側(cè)諧振電容Crl和二次側(cè)諧振電容Cr2組成，同時二次側(cè)滯后開關(guān)管(Sci3和Sci4)的電壓下降到零，M0SFET2零電壓開通，變換器工作進入下半周期(如圖5所示)。
[0026]可見當輸入交流信號處于正半周時，四個一次側(cè)四象限開關(guān)(S11-S14),四個二次偵曬象限開關(guān)(Scll-Sci4)分別主要是M0SFET1和M0SFET2參與工作，組成四象限開關(guān)管的兩個MOSFET采用一樣的驅(qū)動信號，工作原理與相應(yīng)的DC-DC雙向CLLLC諧振變換器一致。
[0027]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于CLLLC諧振的AC-AC雙向變換器，其特征在于:包括供電電源(Vin)，負載(V。)，四個一次側(cè)四象限開關(guān)(S11-S14)，四個二次側(cè)四象限開關(guān)(Scll-Sci4)，一次側(cè)諧振電感(Lrl)，二次側(cè)諧振電感(Lr2)，一次側(cè)諧振電容(Crl)，二次側(cè)諧振電容(Cr2)和一個帶勵磁電感(Lm)的變壓器(Tr);其中四個一次側(cè)四象限開關(guān)(S11-S14)組成全橋電路后和一次側(cè)諧振電感(Lrl)、一次側(cè)諧振電容(Crl)一起串接在供電電源(Vin)和變壓器(Tr)一次側(cè)之間，四個二次側(cè)四象限開關(guān)(Scll-Scl4)組成全橋電路并和二次側(cè)諧振電感(Lr2)、二次側(cè)諧振電容(Cr2)一起串接在負載(V。)和變壓器(Tr) 二次側(cè)之間;每個四象限開關(guān)管均由第一 MOSFET(Ml)和第二 M0SFET(M2)反向串聯(lián)組成，當電壓分別處于正半周和負半周時，相應(yīng)地由開關(guān)管的不同MOSFET導通，期間的工作原理和對應(yīng)的DC-DC型CLLLC諧振變換器一致；同一個四象限開關(guān)管的兩個MOSFET接入相同的驅(qū)動信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC-AC雙向CLLLC諧振變換器，其特征在于:當變換器正向工作時，一次側(cè)全橋電路將輸入的交流信號轉(zhuǎn)換為高頻交流信號，經(jīng)高頻變壓器，二次側(cè)全橋電路將高頻交流信號轉(zhuǎn)換為交流信號輸出；當供電電源(Vin)電壓處于正半周時，四個一次側(cè)四象限開關(guān)(S11-S14)均由第一 MOSFET(Ml)導通，相應(yīng)的四個二次側(cè)四象限開關(guān)(Scll-Sci4)均由第二M0SFET(M2)導通；當供電電源(Vin)電壓處于負半周時，四個一次側(cè)四象限開關(guān)(S11-Si4)均由第二 MOSFET (M2)導通，相應(yīng)的四個二次側(cè)四象限開關(guān)(Scil-Sci4)均由第一 MOSFET(Ml)導通。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC-AC雙向CLLLC諧振變換器，其特征在于:當變換器反向工作時，供電電源(Vin)作為負載，負載(V。)作為供電電源，二次側(cè)全橋電路將輸入的交流信號轉(zhuǎn)換為高頻交流信號，經(jīng)高頻變壓器，一次側(cè)全橋電路將高頻交流信號轉(zhuǎn)換為交流信號輸出；當負載(V。)電壓處于正半周時，四個二次側(cè)四象限開關(guān)(Scll-Sci4)均由第一 MOSFET(Ml)導通，相應(yīng)的四個一次側(cè)四象限開關(guān)(S11-S14)均由第二M0SFET(M2)導通;當負載(V。)電壓處于負半周時，四個二次側(cè)四象限開關(guān)(Scll-Sci4)均由第二 M0SFET(M2)導通，相應(yīng)的四個一次側(cè)四象限開關(guān)(Sil-Si4)均由第一 M0SFET(M1)導通。
【文檔編號】H02M5/293GK105897001SQ201610331655
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】杜貴平, 溫先佳
【申請人】華南理工大學