一种LLC谐振DC-DC变换器、控制系统及方法

本发明属于电力电子，具体涉及一种llc谐振dc-dc变换器、控制系统及方法。

背景技术：

1、具有电流隔离的dc-dc变换器是电动汽车电池充电系统的跳动心脏。谐振型llc和cllc变换器因其结构简单、功率转换效率高，在许多应用中被普遍采用，克服调频llc变换器局限性的一种有效方法是将llc级保持在其最佳工作点(即dcx工作)，并采用额外的转换级来调节输出电压，从而形成多级结构。多级拓扑结构有利于适应宽工作电压范围，效率非常高；然而，需要更多的组件，这可能会降低整体功率密度。

2、专利公开号为cn109560711a，名称为一种隔离型双向dc-dc变换器及其调制方法的专利申请，所述变换器包括依次连接的变压器原边母线电容、变压器原边全桥电路、第一lc支路、lc谐振网络、第二lc支路、变压器、变压器副边全桥电路和副边母线电容。但该专利申请的变换器无法实现不同直流母线之间宽电压运行。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种llc谐振dc-dc变换器、控制系统及方法，变换器无论正向或反向、升压或降压模式下，均可实现不同直流母线之间，或直流母线与储能电池之间的宽电压范围运行的要求。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种llc谐振dc-dc变换器，包括：

4、输入电源vg和变压器，所述输入电源vg连接有相互并联的第一功率开关管组和第二功率开关管组；所述第一功率开关管组包括相互串联的第一功率开关管q1和第三功率开关管q3，所述第二功率开关管组包括相互串联的第二功率开关管q2和第四功率开关管q4；所述变压器包括输入绕组n1，所述输入绕组n1磁耦合有第一输出绕组n2和第二输出绕组n3；

5、所述变压器的输入绕组n1的第一端连接有输入端电感lr，所述输入端电感lr的另一端与第二功率开关管q2的源极连接；所述变压器的输入绕组n1的第二端连接有输入端电容cr，所述输入端电容cr的另一端与第一功率开关管q1的源极连接；

6、所述第一输出绕组n2的第一端与第一输出整流器db1的第一端相连接，所述第一输出绕组n2的第二端与第一输出整流器db1的第二端相连接，所述第二输出绕组n3的第一端与第二输出整流器db2的第一端相连接，所述第二输出绕组n3的第二端与第二输出整流器db2的第二端相连接，所述第一输出整流器db1的第三端与第五功率开关管q5的漏极相连接，所述第一输出整流器db1的第四端接地，所述第二输出整流器db2的第三端与第六功率开关管q6的漏极相连接，所述第二输出整流器db2的第四端接地，所述第五功率开关管q5的源极及第六功率开关管q6的源极均连接有输出电感l0，所述输出电感l0的另一端连接有负载。

7、可选的，还包括第一电容c01和第二电容c02；所述第一输出整流器db1的第三端所述第一电容c01的第一端连接，所述第一电容c01的第二端与第一输出整流器db1的第四端相连接；所述第二输出整流器db2的第三端与所述第二电容c02的第一端连接，所述第二电容c02的第二端与第二输出整流器db2的第四端相连接。

8、可选的，所述第一电容c01的第二端和所述第二电容c02的第二端均接地。

9、可选的，所述变压器的磁化电感为215μη。

10、可选的，所述输入绕组n1的匝比为0.625，所述第一输出绕组n2的匝比为0.292。

11、可选的，所述输入绕组n1的每绕组匝数为24，第一输出绕组n2的每绕组匝数为15，第二输出绕组n3的每绕组匝数为7。

12、可选的，所述的第一功率开关管q1、第二功率开关管q2、第三功率开关管q3、第四功率开关管q4均采用型号为fq380r12a6t4b的igbt功率开关管；第五功率开关管q5、第六功率开关管q6均采用型号为输出整流器的型号为db2stth100w04cw的igbt功率开关管。

13、所述的一种llc谐振dc-dc变换器的控制系统，包括第一pi控制模块、第二pi控制模块、第一调节器、第二调节器、反相器、采样处理单元、pwm发生器模块和功率开关管逻辑控制模块；

14、所述采样处理单元能够采样参考电压vref，并输出修正后的期望输出电压v’ref；所述第一调节器能够将修正后的期望输出电压v’ref与实际输出电压v0进行差值比较，并将结果输入第一pi控制模块；所述第一pi控制模块能够将输出期望输出电流iref输入反相器，所述反相器能够将期望输出电流iref的输出反向输入第二调节器；所述第二调节器能够将期望输出电流iref的输出反向与实际输出电流i0进行比较，并将结果转到第二pi控制模块；所述第二pi控制模块对第二调节器输出信号进行比例积分运算后将结果输出至pwm发生器模块，pwm发生器模块以给定的频率产生所需的脉冲；产生的脉冲进入功率开关管逻辑控制模块。

15、可选的，所述第一功率开关管q1、第二功率开关管q2、第三功率开关管q3、第四功率开关管q4、第五功率开关管q5和第六功率开关管q6均通过栅极与所述功率开关管逻辑控制模块连接。

16、所述的一种llc谐振dc-dc变换器的控制系统的使用方法，包括以下步骤：

17、通过所述采样处理单元采样参考电压vref，并输出修正后的期望输出电压v’ref输入所述第一调节器；

18、通过所述第一调节器将修正后的期望输出电压v’ref与实际输出电压v0进行差值比较，并将结果输入第一pi控制模块；

19、通过所述第一pi控制模块将输出期望输出电流iref输入反相器，通过所述反相器将期望输出电流iref的输出反向输入所述第二调节器；

20、通过所述第二调节器将期望输出电流iref的输出反向与实际输出电流i0进行比较，并将结果转到第二pi控制模块；

21、通过所述第二pi控制模块将输出结果输入pwm发生器模块；

22、通过所述pwm发生器模块以给定的频率产生所需的脉冲；

23、产生的脉冲进入所述功率开关管逻辑控制模块。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、本发明提出了一种llc谐振dc-dc变换器，该变换器结构具有效率高、输出电压范围宽、工作原理简单等特点，能够始终工作在其最佳工作点，并使用基于双输入降压变换器的附加后稳压器来调节输出电压。在这样的后稳压器中，开关的应力是额定电压的一小部分。因此，与处理全功率的标准dc/dc变换器相比，所提出配置的效率能够得到提高。

26、电感遇到的开关频率是功率开关管的两倍，这有助于减小电感和电容器的尺寸，同时能够利用初级额定功率开关管的开关频率和传导能力，此外还能够减少功率开关管的功率损耗。在电流控制处理方面，本文控制系统在经过第一pi控制模块后达到稳态的时间比传统的pi控制模块缩短了很多这使得本文控制系统的计算速度更快。这意味着在不牺牲有助于保持无源元件尺寸的开关频率的情况下，总功率损耗将会降低。对于有源开关，热管理散热器已经得到解决，这有助于通过增加与环境相关的表面积来维持结温。所提出的控制器具有降低功率开关管总功率损耗和温度的能力，因此，电动车充电器系统能够在保持超调和其他因素的同时给锂离子电池充电。

27、进一步，igbt功率开关管具有更高的电压和电流处理能力、没有输入电流和低输入损耗、驱动电路简单、高功率增益的优点，使用igbt功率开关管，能够进一步满足变换器高效经济的需求。