一种新型宽电压增益低电压应力的三电平LLC电路及控制方法

本发明属于电力电子电压变换，具体涉及一种新型宽电压增益低电压应力的三电平llc电路及控制策略。

背景技术：

1、近些年随着国家大举推动新能源汽车的发展，电动汽车充电技术得到较大范围地推广，如果电动汽车直流充电模块想获得成本和效益的优势，则其必须满足宽电压范围的输出需求。其中，llc变换器可以在全负载范围内实现原边零电压开通(zvs)和副边开关零电流关断(zcs)，但是在实际应用尤其是电动汽车充电场景中，会遇到输出电压较宽的需求，传统llc变换器在调节过宽电压增益时只能通过扩大开关管的频率调节范围，这样会导致效率降低、限制带载能力。

2、拓宽其电压增益范围，降低其频率调节范围，并且保留llc软开关优势，本发明在传统单一的调频控制上，增加了新型移相变脉宽控制，拓宽了llc的电压输出范围。

技术实现思路

1、本发明针对传统llc变换器电压增益低，输出电压范围小等问题，提出了一种新型宽电压增益低电压应力的三电平llc电路及控制策略，它具有增益宽、电压应力小，调制方式灵活等优点。

2、本发明采用的技术方案为：一种新型宽电压增益低电压应力的三电平llc电路，包括变压器t，以及变压器t的原边由一个改进型三电平llc电路和谐振腔组成，使开关管电压应力降低一半；变压器t的副边由一个改进型全桥整流电路和两个钳位二极管组成，实现倍压整流并降低整流二极管电压应力；

3、改进型全桥整流电路和两个钳位二极管由第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4,钳位二极管d5、钳位二极管d6，缓冲电容c3、缓冲电容c4,输出电容c1、输出电容c2和开关管s5、开关管s6组成；变压器t次级绕组一端连接第一二极管d1的阳极，变压器t次级绕组另一端连接钳位二极管d6的阴极，第三二极管d3的阳极和钳位二极管d5的阴极与第一二极管d1的阴极连接，第二二极管d2的阳极和第四二极管d4的阴极与钳位二极管d6连接，开关管s5的漏极与钳位二极管d5的阳极连接，开关管s5的源极与开关管s6的漏极连接，开关管s6的源极分别与输出电容c1的阴极、输出电容c2的阳极连接，输出电容c2的阴极与第四二极管d4的阳极连接。

4、进一步，所述改进型三电平电路包括：

5、输入滤波电容cp的阳极和直流电源vin连接，输入滤波电容cp的阴极和输入滤波电容cn的阳极连接，输入滤波电容cn的阴极和直流电源vin的阴极连接；

6、钳位二极管dp的阳极与输入滤波电容cp的阴极连接，钳位二极管dp的阴极与飞跨电容cs的阳极连接，钳位二极管dn的阳极与飞跨电容cs的阴极连接，钳位二极管dn的阴极与输入滤波电容cn的阳极连接；

7、第一开关管s1的漏极与输入滤波电容dp的阳极连接，第一开关管s1的源极和第二开关管s2的漏极连接，第二开关管s2的源极和第三开关管s3的漏极连接，第三开关管s3的源极和第四开关管s4的漏极连接，第四开关管s4的源极和输入滤波电容cn的阴极连接，谐振电感lr阳极和第一开关管s1的漏极连接，谐振电容cr的阴极和第三开关管s3漏极连接。

8、进一步，所述谐振腔由谐振电容cr,谐振电感lr，变压器t连接组成，变压器t初级绕组一端和谐振电感lr阴极连接，变压器t初级绕组另一端和谐振电容cr阳极连接。

9、进一步，所述开关管s5、开关管s6同时关断时，变压器t副边相当于普通整流电路，即进入低压模式，第一二极管d1、第二二极管d2和钳位二极管d5、d6作为整流二极管，开关管s5、s6同时开通可以使输出电压翻倍，即进入高压模式，钳位二极管d5、d6可以使第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4电压应力减半。

10、进一步，所述钳位二极管dp、钳位二极管dn可以起到钳位第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4关断时的电压在的作用。

11、进一步，所述第二开关管s2和第三开关管s3驱动信号互补，第一开关管s1和第四开关管s4驱动信号互补，通过组合第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4的开通和关断，可以实现谐振腔输入电压维持在0、vin三种不同的电平。

12、本发明的一种新型宽电压增益低电压应力的三电平llc电路的控制方法，包括以下阶段：

13、工作模态1[t0-t1]：在t0时刻，s3处于开通状态，谐振电感lr与谐振电容cr谐振，谐振频率为fr，励磁电感lm不参与谐振，励磁电感lm两端的电压被输出电压钳位在nv0,励磁电流ilm线性上升，变压器t副边的第一二极管d1、第三二极管d3处于导通状态；此模态谐振腔输入电压vab为vin，在t1时刻，s4关断，模态1结束，其中

14、工作模态2[t1-t2]：t1时刻，s4的栅极驱动信号消失，此时s4的寄生电容充电，s1的寄生电容放电，飞跨电容cs放电。在t2时刻到来之前，s1的寄生电容电压降为0，为下一模态s1零电压开通做准备。励磁电流ilm继续线性上升，此模态谐振腔输入电压vab从vin下降到

15、工作模态3[t2-t3]：t2时刻，s1的栅极上加了驱动信号，因为在上一模态s1寄生电容完成放电，所以s1实现零电压开通；谐振电感lr与谐振电容cr谐振，谐振频率为fr，励磁电感lm不参与谐振，励磁电流ilm继续线性上升；钳位二极管dn导通，飞跨电容cs放电，此模态谐振腔输入电压vab为

16、工作模态4[t3-t4]：谐振电感lr、谐振电容cr和励磁电感lm发生谐振，谐振频率为fm,此时谐振电流ilr等于励磁电流ilm，变压器t原边电流为0,没有能量传递到副边,故副边第一二极管d1、第三二极管d3截止，由于钳位二极管d5和缓冲电容c3、c4的作用，第一二极管d1、第三二极管d3电压钳位在负载由输出电容c1、c2供能；此模态谐振腔输入电压vab为其中

17、工作模态5[t4-t5]：t4时刻，s3的栅极驱动信号消失，s3的寄生电容充电，s2的寄生电容放电，为下一阶段s2的零电压开通做准备；此模态谐振腔输入电压vab从下降到0；

18、工作模态6[t5-t6]：t5时刻，s2的栅极上加了驱动信号，由于上一模态s2的寄生电容电压降至0，故s2可以实现零电压开通。变压器t副边的第二二极管d2、第四二极管d4导通，故原边励磁电感lm两端的电压被输出电压钳位在-nv0；此模态谐振腔输入电压vab为0；

19、工作模态7[t6-t7]：飞跨电容cs停止充电，谐振电感lr上电流ilr(t)和励磁电感lm上电流ilm(t)和上一模态一致。

20、本发明主要分为拓扑结构上的改进以及控制方式上的改进：

21、(1)本发明改进了原有三电平电路，使其对谐振腔输出电压可以维持在0、vin三种电平，并且通过钳位二极管dp、dn使四个开关管电压为输入电压的一半，进一步降低对开关管选型的要求。副边改进了倍压整流电路，通过对开关管s5、s6的控制，使其能够实现低压模式和高压模式的切换，进一步增大了电压输出范围。在整流二极管之间增加了钳位二极管钳位二极管d5、d6，减小了整流二极管的电压应力，进一步降低对整流二极管选型的要求；

22、(2)本发明提出一种新型的移相变脉宽控制策略，该控制下开关频率fs等于谐振频率fr提高了变换器的整体效率。