一种具有自均流特性的双向多路并联DC/DC变换电路

一种具有自均流特性的双向多路并联dc/dc变换电路
技术领域
1.本实用新型涉及双向dc
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dc变换器，具体是一种具有自均流特性的双向并联clllc变换器。


背景技术：

2.随着电动汽车、智能电网、太阳能供电系统等配电设备电气化程度的不断提高，作为能量交互媒介的直流充电设备必须具有能量双向流动的功能。与采用两套的单向dc
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dc变换器实现能量双向流动的方案相比，双向dc
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dc变换器可以由同一套变换器实现能量的双向流动，具有效率高、成本低等优势，在未来具有广泛的应用前景。
3.在传统开关电源系统中，双向dc
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dc变换器功率管通常工作在硬开关状态；即功率管动作时，功率管上的电压和电流的变化有一个过渡过程，在这段时间里，电压电流有一个交叠区，从而产生了开通和关断损耗。随着开关频率的提高，开关损耗也不断变大，变换器功率下降，所需的散热器体积也不断增加，限制了变换器的小型化。
4.全桥双向clllc谐振变换器具有高功率密度、高效率等优点，适合于双向大功率场合。但是传统的双向clllc谐振变换器还存在下述不足之处：现有的开关电源模块，通常都采用单谐振腔的clllc。但是随着模块功率的大幅提高，功率磁元器件的体积也在增大，要做到真正的高功率密度、高效率、最优热设计，这种普通的单谐振腔clllc则很难实现。此外，变压器的励磁电感的大小决定着开关管的关断电流、原边电流的大小，对于效率而言，我们希望励磁电感大一点，但是由于受到模块输出电压和功率的限制，励磁电感又不能过大，太大的励磁电感会导致增益不足，传统clllc无法输出要求的较大电压、满载功率，或者最高输出电压满载时的工作频率接近zvs、zcs区域的频率分界点；现有的常用解决方法是将全桥clllc谐振变换器并联，以减小功率开关管和变压器的电流应力，并提高效率。然而由于并联模块的参数具有不可避免的不一致性，并联模块间存在均流问题。目前对于均流问题的常用解决方法要么是增加功率器件来辅助均流，要么是增加均流控制策略；前者必将导致变换器成本的提升且不利于效率的提高，后者使得控制策略变得复杂。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种具有自均流特性的双向多路并联dc/dc变换电路，至少在一定程度上解决现有技术中的问题。
6.本实用新型提供的一种具有自均流特性的双向多路并联dc/dc变换电路，包括第一双向clllc谐振变换器和第二双向clllc谐振变换器，其中，第一双向clllc谐振变换器的变压器原边侧异名端与第二双向clllc谐振变换器的变压器原边侧异名端连接，第一双向clllc谐振变换器的变压器副边侧异名端与第二双向clllc谐振变换器的变压器副边侧异名端连接。
7.进一步地，第一双向clllc谐振变换器包括开关管q11～q14、二极管d11～d14、电容c11～c14、开关管q15～q18、二极管d15～d18、电容c15～c18、谐振电感lr11、谐振电感
lr12、励磁电感lm1、谐振电容cr11、谐振电容cr12和变压器tx1；开关管q11的漏极连接开关管q12的漏极，开关管q13的源极连接开关管q14的源极，开关管q11的源极、开关管q13的漏极和谐振电感lr11的一端连接在一起，开关管q12的源极、开关管q14的漏极和谐振电容cr11的一端连接在一起；谐振电感lr11的另一端、励磁电感lm1的一端和变压器tx1原边侧同名端连接在一起，谐振电容cr11的另一端、励磁电感lm1的另一端和变压器tx1原边侧异名端连接在一起；变压器tx1副边侧同名端连接谐振电感lr12的一端，谐振电感lr12的另一端、开关管q15的源极和开关管q17的漏极连接在一起；变压器tx1副边侧异名端连接谐振电容cr12的一端，谐振电容cr12的另一端、开关管q16的源极和开关管q18的漏极连接在一起；开关管q15的漏极连接开关管q16的漏极，开关管q17的源极连接开关管q18的源极；二极管d11～d14分别与开关管q11～q14并联，电容c11～c14分别与二极管d11～d14并联；二极管d15～d18分别与开关管q15～q18并联，电容c15～c18分别与二极管d15～d18并联。
8.更进一步地，第二双向clllc谐振变换器包括开关管q21～q24、二极管d21～d24、电容c21～c24、开关管q25～q28、二极管d25～d28、电容c25～c28、谐振电感lr21、谐振电感lr22、励磁电感lm2、谐振电容cr21、谐振电容cr22和变压器tx2；开关管q21的漏极连接开关管q22的漏极，开关管q23的源极连接开关管q24的源极，开关管q21的源极、开关管q23的漏极和谐振电感lr21的一端连接在一起，开关管q22的源极、开关管q24的漏极和谐振电容cr21的一端连接在一起；谐振电感lr21的另一端、励磁电感lm2的一端和变压器tx2原边侧同名端连接在一起，谐振电容cr21的另一端、励磁电感lm2的另一端和变压器tx2原边侧异名端连接在一起；变压器tx2副边侧同名端连接谐振电感lr22的一端，谐振电感lr22的另一端、开关管q25的源极和开关管q27的漏极连接在一起；变压器tx2副边侧异名端连接谐振电容cr22的一端，谐振电容cr22的另一端、开关管q26的源极和开关管q28的漏极连接在一起；开关管q25的漏极连接开关管q26的漏极，开关管q27的源极连接开关管q28的源极；二极管d21～d24分别与开关管q21～q24并联，电容c21～c24分别与二极管d21～d24并联；二极管d25～d28分别与开关管q25～q28并联，电容c25～c28分别与二极管d25～d28并联。
9.更进一步地，还包括电源vin和电容co，电源vin的一端、开关管q11的漏极、开关管q12的漏极、开关管q21的漏极和开关管q22的漏极连接在一起，电源vin的另一端、开关管q13的源极、开关管q14的源极、开关管q23的源极和开关管q24的源极连接在一起；电容co的一端、开关管q15的漏极、开关管q16的漏极、开关管q25的漏极和开关管q26的漏极连接在一起，电容co的另一端、开关管q17的源极、开关管q18的源极、开关管q27的源极和开关管q28的源极连接在一起。
10.进一步地，还包括负载，负载与电容co并联。
11.进一步地，还包括第三双向clllc谐振变换器，第三双向clllc谐振变换器的变压器原边侧异名端与第二双向clllc谐振变换器的变压器原边侧异名端连接，第三双向clllc谐振变换器的变压器副边侧异名端与第二双向clllc谐振变换器的变压器副边侧异名端连接。
12.本实用新型的有益效果：通过将多个双向clllc谐振变换器并联，且将其变压器原副边连接在一起(并联变压器原副边谐振电容cr11、cr21和cr12、cr22)，来减小并联clllc全桥谐振变换器的因器件不一致性引起的误差源；因此，该具有自均流特性的双向多路并联dc/dc变换电路的均流特性较好，具有高效、高功率密度、双向运行、大电流输出、易于模
块化、利于扩展等优点。
附图说明
13.图1是本实用新型一个实施例的电路拓扑图。
14.图2是本实用新型其他实施例的电路拓扑图(三个或三个以上双向clllc谐振变换器并联)。
15.图3是直接并联的clllc谐振变换器的电路原理图。
16.图4(a)是直接并联的clllc谐振变换器的正向谐振电流和输出电流仿真试验波形图。
17.图4(b)是本实用新型一个实施例的正向谐振电流和输出电流仿真试验波形图。
18.图5(a)是直接并联的clllc谐振变换器的反向谐振电流和输出电流仿真试验波形图。
19.图5(b)是本实用新型一个实施例的反向谐振电流和输出电流仿真试验波形图。
20.图6是本实用新型一个实施例的运行方向示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
23.如图1所示，一种具有自均流特性的双向两路并联dc/dc变换电路，包括：
24.由开关管q11～q14、二极管d11～d14、电容c11～c14、开关管q15～q18、二极管d15～d18、电容c15～c18、谐振电感lr11、谐振电感lr12、励磁电感lm1、谐振电容cr11、谐振电容cr12和变压器tx1构成的第一双向clllc谐振变换器；
25.由开关管q21～q24、二极管d21～d24、电容c21～c24、开关管q25～q28、二极管d25～d28、电容c25～c28、谐振电感lr21、谐振电感lr22、励磁电感lm2、谐振电容cr21、谐振电容cr22和变压器tx2构成的第二双向clllc谐振变换器；
26.其中，变压器tx1原边侧异名端与变压器tx2原边侧异名端连接，变压器tx1副边侧异名端与变压器tx2副边侧异名端连接。
27.在具体连接上，开关管q11的漏极连接开关管q12的漏极，开关管q11的源极连接开关管q13的漏极，开关管q12的源极连接开关管q14的漏极，开关管q13的源极连接开关管q14的源极；开关管q11的源极和开关管q13的漏极连接谐振电感lr11的一端，谐振电感lr11的另一端连接变压器tx1原边侧同名端和励磁电感lm1的一端，变压器tx1原边侧异名端连接
谐振电容cr11的一端和励磁电感lm1的另一端，谐振电容cr11的另一端连接开关管q14的漏极和q12的源极；变压器tx1副边侧同名端连接谐振电感lr12的一端，谐振电感lr12的另一端连接开关管q15的源极和开关管q17的漏极，变压器tx1副边侧异名端连接谐振电容cr12的一端，谐振电容cr12的另一端连接开关管q16的源极和开关管q18的漏极；开关管q15的漏极连接开关管q16的漏极，q15的源极连接q17的漏极，q16的源极连接q18的漏极，开关管q17的源极连接开关管q18的源极。
28.开关管q21的漏极连接开关管q22的漏极，开关管q21的源极连接开关管q23的漏极，开关管q22的源极连接开关管q24的漏极，开关管q23的源极连接开关管q24的源极；开关管q21的源极和开关管q23的漏极连接谐振电感lr21的一端，谐振电感lr21的另一端连接变压器tx2原边侧同名端和励磁电感lm2的一端，变压器tx2原边侧异名端连接谐振电容cr21的一端和励磁电感lm2的另一端，谐振电容cr21的另一端连接开关管q24的漏极和q22的源极；变压器tx2副边侧同名端连接谐振电感lr22的一端，谐振电感lr22的另一端连接开关管q25的源极和开关管q27的漏极，变压器tx2副边侧异名端连接谐振电容cr22的一端，谐振电容cr22的另一端连接开关管q26的源极和开关管q28的漏极；开关管q25的漏极连接开关管q26的漏极，开关管q27的源极连接开关管q28的源极。
29.开关管q11的漏极连接开关管q21的漏极，开关管q13的源极连接开关管q23的源极；开关管q16的漏极连接开关管q26的漏极，开关管q18的源极连接开关管q28的源极。变压器tx1原边侧异名端连接变压器tx2原边侧异名端，变压器tx1副边侧异名端连接变压器tx2副边侧异名端。
30.开关管q11的源极、漏极分别连接二极管d11的阳极、阴极，二极管d11的阳极、阴极并联有寄生电容c11；开关管q12的源极、漏极分别连接二极管d12的阳极、阴极，二极管d12的阳极、阴极并联有寄生电容c12；开关管q13的源极、漏极分别连接二极管d13的阳极、阴极，二极管d13的阳极、阴极并联有寄生电容c13；开关管q14的源极、漏极分别连接二极管d14的阳极、阴极，二极管d14的阳极、阴极并联有寄生电容c14；开关管q15的源极、漏极分别连接二极管d15的阳极、阴极，二极管d15的阳极、阴极并联有寄生电容c15；开关管q12的源极、漏极分别连接二极管d16的阳极、阴极，二极管d16的阳极、阴极并联有寄生电容c16；开关管q17的源极、漏极分别连接二极管d17的阳极、阴极，二极管d17的阳极、阴极并联有寄生电容c17；开关管q18的源极、漏极分别连接二极管d18的阳极、阴极，二极管d18的阳极、阴极并联有寄生电容c18，
31.开关管q21的源极、漏极分别连接二极管d21的阳极、阴极，二极管d21的阳极、阴极并联有寄生电容c21；开关管q22的源极、漏极分别连接二极管d22的阳极、阴极，二极管d22的阳极、阴极并联有寄生电容c22；开关管q23的源极、漏极分别连接二极管d23的阳极、阴极，二极管d23的阳极、阴极并联有寄生电容c23；开关管q24的源极、漏极分别连接二极管d24的阳极、阴极，二极管d24的阳极、阴极并联有寄生电容c24；开关管q25的源极、漏极分别连接二极管d25的阳极、阴极，二极管d25的阳极、阴极并联有寄生电容c25；开关管q22的源极、漏极分别连接二极管d26的阳极、阴极，二极管d26的阳极、阴极并联有寄生电容c26；开关管q27的源极、漏极分别连接二极管d27的阳极、阴极，二极管d27的阳极、阴极并联有寄生电容c27；开关管q28的源极、漏极分别连接二极管d28的阳极、阴极，二极管d28的阳极、阴极并联有寄生电容c28。
32.开关管q11、开关管q14、开关管q21、开关管q24同时驱动，开关管q12、开关管q13、开关管q22、开关管q23同时驱动，开关管q11、开关管q14、开关管q21、开关管q24的驱动信号与开关管q12、开关管q13、开关管q22、开关管q23的驱动信号互补，且留有死区；通过占空比固定为50％变频控制，来实现电路的输出电压的恒定或输出电流的恒定。
33.在使用时，电源vin的一端、开关管q11的漏极、开关管q12的漏极、开关管q21的漏极和开关管q22的漏极连接在一起，电源vin的另一端、开关管q13的源极、开关管q14的源极、开关管q23的源极和开关管q24的源极连接在一起；电容co的一端、开关管q15的漏极、开关管q16的漏极、开关管q25的漏极和开关管q26的漏极连接在一起，电容co的另一端、开关管q17的源极、开关管q18的源极、开关管q27的源极和开关管q28的源极连接在一起。电阻ro与电容co并联，电阻ro表示负载。
34.当需要三个或三个以上双向clllc谐振变换器并联时，其结构与双向两路并联dc/dc变换电路类似，将每一路变压器原边侧异名端连接在一起，每一路变压器副边侧异名端连接在一起，如图2所示。
35.下面给出一个对比试验来说明本实用新型的具有自均流特性的双向两路并联dc/dc变换电路拓扑的均流效果。
36.如图3所示，给出了直接并联的clllc谐振变换器的电路原理图。在实际应用中，由于两个谐振腔的参数不可能是完全一致的，谐振电感、谐振电容等器件参数均是存在一定的偏差。而两组谐振参数存在偏差可能导致两个变压器的输出不均衡，严重的可能会使其中一个变压器脱离工作。
37.例如选择以下谐振参数：虽然我们希望两个谐振腔的参数基本一致，lr11＝lr12＝40uh、cr11＝cr12＝44nf、lm1＝200uh、lr21＝lr22＝40uh、cr21＝cr22＝44nf、lm2＝200uh，变压器变比为n＝1.56，正反向运行输入电压为400v，正反向运行频率为fs＝120khz，正向运行时负载ro＝20欧姆，反向运行时负载ro＝50欧姆。然而谐振电容、谐振电感和励磁电感在生产加工中难免存在一定的误差取
±
5％，当两组谐振参数在这个误差范围内波动，相应的变压器两路输出能量就可能存在不同程度上的不均。以上述的参数为例(两个谐振腔参数分别偏差上下限值)：lr11＝lr12＝38uh、cr11＝cr12＝42nf、lm1＝190uh；lr21＝lr22＝42uh、cr21＝cr22＝46nf、lm2＝210uh，正向运行时，直接并联的clllc谐振变换器的谐振电流和输出电流，如图4(a)所示；本实用新型所提出的具有自均流特性的双向两路并联dc/dc变换电路的谐振电流和输出电流，如图4(b)所示。反向运行时，直接并联的clllc谐振变换器的谐振电流和输出电流，如图5(a)所示；本实用新型所提出的具有自均流特性的双向两路并联dc/dc变换电路的谐振电流和输出电流，如图5(b)所示。
38.可以看出，正是因为这些器件参数误差导致变压器输出能量验证不均衡，严重时甚至有一个脱离工作，失去了并联的意义，而本实用新型很好地解决了这个问题。
39.以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的保护范围应由权利要求限定。