一种等效激磁电感可调的组合式LLC变换器及控制方法与流程

本发明涉及直流变换器，尤其涉及一种等效激磁电感可调的组合式llc变换器及控制方法。

背景技术：

1、近年来，随着可再生能源的发展对dc/dc变换器的需求越来越大，并且对直流变换器提出了更高的要求。比如光伏和风力发电系统具有宽电压工作范围，这要求dc/dc变换器能够实现宽电压增益。由于llc变换器具有软开关、结构简单和效率高等优点，已经被广泛应用于dc/dc变换器的领域。然而传统llc变换器采用变频控制实现宽电压增益时，开关频率范围通常非常宽，这给磁性元件的设计以及变换器的工作效率都带来了很大的挑战。一种解决方案是如(x.sun,x.li,y.shen,b.wang and x.guo,"dual-bridge llc resonantconverter with fixed-frequency pwm control for wide input applications,"inieee transactions on power electronics,vol.32,no.1,pp.69-80,jan.2017.)等文献提出全桥llc和半桥llc的组合式变换器，采用固定频率pwm控制并通过控制开关周期内全桥和半桥工作时间的百分比来调节输出电压。但是这种方式增加了开关的数量并且增加了关断损耗。另一种解决方案是改进谐振腔或者变压器的结构来获得宽增益，比如(b.yang,"topology investigation for front end dc/dc power conversion for distributedpower system,"virginia polytechnic inst.state univ,ph.d.dissertation,2003.)提出的根据不同输入电压改变变压器匝比来缩小开关频率范围的解决方案。但是随着输入电压升高变压器中的磁通量增加将导致更高的磁芯损耗。从另一方面来说单模板的变换器结构在高电压输入的场合将承受很高的电压应力，这对器件的要求很高。输入串联的结构可以减小开关管的电压应力，是在高电压输入场合应用比较广泛的一种结构。比如(f.liu,g.zhou,x.ruan,s.ji,q.zhao and x.zhang,"an input-series-output-parallelconverter system exhibiting natural input-voltage sharing and output-currentsharing,"in ieee transactions on industrial electronics,vol.68,no.2,pp.1166-1177,feb.2021.)中提出的isop(输入串联输出并联)llc变换器，该变换器使用非隔离dc/dc变换器调节输出电压，而llc变换器工作在直流变压器的模式。虽然这种方案获得了宽范围的电压调节能力并且也能适应高电压输入的场合，但是两级的机构增加了开关和磁性元件的数量。可见，现有的组合式llc变换器存在工作效率较低、电流应力较大的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种等效激磁电感可调的组合式llc变换器及控制方法，以解决现有的组合式llc变换器存在工作效率较低、电流应力较大的问题。

2、为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种等效激磁电感可调的组合式llc变换器，包括：主电路；

4、主电路是由两个llc拓扑以输入串联输出并联的方式组合成的，并且两个llc变换器中的激磁电感用一个耦合电感代替，该变换器的原边是由全桥逆变电路组成，副边由全桥整流电路组成。

5、可选的，其中两个llc变换器的结构是相同的，其中单个的llc变换器的原边由四个开关管组成，谐振腔由一个谐振电感lr、一个谐振电容cr、一个激磁电感la组成，副边由四个二极管组成，原边和副边通过高频变压器连接，其中两个llc变换器的激磁电感共用一个磁芯绕制，构成一个耦合电感。

6、可选的，输入是串联结构适用于高直流电压的场合，输出是并联的结构适用于输出电流大的场合，两个llc变换器的结构和参数完全相同保证两个模块间的电压均衡。

7、可选的，变换器采用的变频调压的控制方式，通过调节原边开关的开关频率调节变换器的电压增益，该变换器工作在两种不同的工作模式时均采用变频调压的控制方式，组成原边全桥逆变电路的一个桥臂中的两个开关管互补导通，占空比均为50％，由cr和lr组成谐振腔的串联谐振频率为fr，为了实现副边二极管的零电流关断并且使变换器工作在升压模式，设计时考虑开关频率fs小于或者等于串联谐振频率fr。

8、可选的，可以通过调节耦合电感中两端电流的流入相位从而调节等效激磁电感的电感值，调整两个子模块中原边开关驱动信号的相位差φab即可以调节耦合电感中两端电流的相位。

9、可选的，变换器中的耦合电感是由一对ee型磁芯绕制而成，磁芯两个侧柱上分别绕制两个llc变换器中激磁电感线圈，因此两个线圈中穿过的磁通互相耦合从而改变激磁电感的等效电感值，并且可以通过调整ee磁芯中柱的气隙来改变耦合电感的耦合程度。

10、第二方面，本发明提供一种等效激磁电感可调的组合式llc变换器控制方法，包括：

11、通过变频调压的控制方式调整变换器的电压增益。组成原边全桥逆变电路的一个桥臂中的两个开关管互补导通，占空比均为50％；

12、并且变换器的工作模式可以通过调整两个子模块之间驱动信号的相位差φab来改变，使变换器可以工作在高电压增益模式或者低电压增益模式；

13、当耦合电感正耦合时变换器工作在低电压增益模式，当耦合电感负耦合时变换器工作在高电压增益模式；

14、两种工作模式都是通过变频调压，但是两种工作模式对应的电压增益范围是不相同的。由谐振电容cr和谐振电感lr组成谐振回路的谐振频率为fr；

15、为了实现副边二极管的零电流关断并且使变换器能够工作升压模式，设计时考虑开关频率fs小于或者等于串联谐振频率fr；

16、在根据实际工况确定好变压器的匝比之后，整个变换器的电压增益通过改变开关频率和工作模式来调节，根据实际的电压输出反馈给控制器计算出正确频率的pwm信号驱动原边开关管的开通与关断。

17、有益效果：

18、本发明提供的等效激磁电感可调的组合式llc变换器，利用磁路耦合的原理设计了一个耦合电感来代替llc变换器中的激磁电感，从而实现等效激磁电感可调。这个方案是变换器的电压增益范围大大提升，并且在一定范围内提高了变换器的工作效率；同时，输入串联输出并联的组合式结构降低了输入端开关器件的电压应力和输出段器件的电流应力。

技术特征：

1.一种等效激磁电感可调的组合式llc变换器，其特征在于，包括：主电路；

2.根据权利1所述的等效激磁电感可调的组合式llc变换器，其特征在于，其中两个llc变换器的结构是相同的，其中单个的llc变换器的原边由四个开关管组成，谐振腔由一个谐振电感lr、一个谐振电容cr、一个激磁电感la组成，副边由四个二极管组成，原边和副边通过高频变压器连接，其中两个llc变换器的激磁电感共用一个磁芯绕制，构成一个耦合电感。

3.根据权利1所述的等效激磁电感可调的组合式llc变换器，其特征在于，输入是串联结构适用于高直流电压的场合，输出是并联的结构适用于输出电流大的场合，两个llc变换器的结构和参数完全相同保证两个模块间的电压均衡。

4.根据权利1所述的等效激磁电感可调的组合式llc变换器，其特征在于，变换器采用的变频调压的控制方式，通过调节原边开关的开关频率调节变换器的电压增益，该变换器工作在两种不同的工作模式时均采用变频调压的控制方式，组成原边全桥逆变电路的一个桥臂中的两个开关管互补导通，占空比均为50％，由cr和lr组成谐振腔的串联谐振频率为fr，为了实现副边二极管的零电流关断并且使变换器工作在升压模式，设计时考虑开关频率fs小于或者等于串联谐振频率fr。

5.根据权利1所述的等效激磁电感可调的组合式llc变换器，其特征在于，可以通过调节耦合电感中两端电流的流入相位从而调节等效激磁电感的电感值，调整两个子模块中原边开关驱动信号的相位差φab即可以调节耦合电感中两端电流的相位。

6.根据权利1所述的等效激磁电感可调的组合式llc变换器，其特征在于，变换器中的耦合电感是由一对ee型磁芯绕制而成，磁芯两个侧柱上分别绕制两个llc变换器中激磁电感线圈，因此两个线圈中穿过的磁通互相耦合从而改变激磁电感的等效电感值，并且可以通过调整ee磁芯中柱的气隙来改变耦合电感的耦合程度。

7.一种等效激磁电感可调的组合式llc变换器控制方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及直流变换器技术领域，公开了一种等效激磁电感可调的组合式LLC变换器及控制方法，由两个LLC变换器以输入串联、输出并联的方式组合而成，其中将两个LLC变换器中的激磁电感用一个耦合电感代替，并且可以通过调制原边开关驱动信号的移相角来调节等效激磁电感的值。利用所提出的调制方法，当耦合电感两个端电压之间的相位为0°时，较大的等效激磁电感可以原边电流有效值从而提高变换器的工作效率；而当耦合电感两个端电压之间的相位为180°时，较小的等效激磁电感可以使变换器获得较高的电压增益；本发明解决了现有的组合式LLC变换器存在工作效率较低、电流应力较大的问题。

技术研发人员：万代,李金亮,赵邈,周恒逸,朱吉然,唐海国,张志丹,杨淼,段绪金,彭思敏,莫文慧,周芊帆,范凯伦,羿敏,陈伟,由凯,张帝,周可慧,邓威,康童
受保护的技术使用者：国网湖南省电力有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1