[发明专利]一种双向全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法

说明书

本发明提供一种双向全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法，变换器包括依次相连接的第一滤波电路、第一全桥电路、谐振变换电路、第二全桥电路和第二滤波电路，以及还包括控制单元，控制单元分别采集第一滤波电路、第二滤波电路的工作电流，控制单元分别对第一全桥电路和第二全桥电路根据预设信号进行控制。控制方法包括根据能量流向使全桥电路进入主动开关模式或二极管模式。继而实现能量的高效双向变换，使得本双向全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法更加具备实用性。

技术领域

本发明设计直流电源变换技术，尤其涉及一种双向全桥谐振直流/直流变换器，以及该变换器的控制方法。

背景技术

在新能源光伏系统、储能系统以及电动汽车充电系统等多种应用场合，要求电能变换器中的能量可以双向流动，能量即可以由电网流向电池等储能单元，实现电能的存储，同时，又要求能量可以从储能单元流向电网或单独以交流电源的形式输出，实现电网电能的调节或者满足离网条件下电能的使用。出于安全性考虑，这种双向能量变换系统最好能实现输入输出的电气隔离。目前，非隔离的交直流变换电路已经非常成熟，可以很方便的实现交流电与中间直流单元的非隔离能量双向流动。因此，如何实现电能高效的隔离直流/直流变换，从而实现中间直流单元与储能单元的隔离双向能量变换，是当前急需解决的一个现实问题。

传统的推挽、半桥以及全桥等硬开关形式变换器只要将副边整流二极管更换为开关管，就可以简单方便地实现电路的双向变换。但这些硬开关电路由于开关损耗过大，变换效率较低，不适合于大功率和高频应用场合。特别地，移向全桥电路形式可以实现原边开关管的软开通，同时也可以通过将副边整流二极管更换为开关管而简单方便地实现电路的双向变换。但其有两个缺陷：一是副边整流管不能实现零电流关断，二是轻载情况下原边开关管也不能实现零电流开通。这也限制了移向全桥电路在隔离双向直流变换领域的应用。

谐振变换电路尤其是LLC谐振变换电路是近几年快速发展起来的一种软开关电路拓扑。以现有的LLC串联谐振变换器为例，由于谐振元件工作在正弦谐振状态，开关管上的电压可以自然过零从而实现零电压开通，以及很容易实现副边整流管的零电流关断，从而减小了开关管的开通损耗，提高了电源的整体效率。这类拓扑通常采用变频调制(PFM)方式，通过调整开关管的工作频率达到稳定输出电压的目的。

变换器的控制原理是通过对全桥每个桥臂的上下管互补导通，每个开关管的占空比接近50％，并对Q1和Q4以及Q2和Q3同时导通和关断，再加在谐振网络上的电压为+Vin～-Vin变动的方波，占空比为50％，电压有效值接近Vin。如果仅采用频率调制的方式调整输出电压，则电源输出电压增益与开关频率的关系为：

其中，Vin和Vout分别为输入电压和输出电压，n为变压器变比，Lr为谐振电感值，Cr为谐振电容值，Lm为激磁电感值，f为工作频率，为谐振频率，Rg为输出负载。

从上式可以看出，在输入电压和其它电路参数选定的情况下，LLC串联谐振的输出电压随工作频率的提高而降低，其控制频率与输出电压增益的关系如图1所示，LLC串联谐振变换器的升压能力是有限的，在一定范围内随着工作频率的降低输出电压升高。超过这个范围，反而随着工作频率降低输出电压降低，这不符合电路负反馈的单调性要求而在实际工作中不能使用。同时，LLC串联谐振的降压能力也是有限的，虽然理论上随着工作频率的提高输出电压可以持续下降，但考虑实际电路器件高频损耗的影响，电路工作频率不可能很高(一般最高到谐振频率的2倍左右)。因此，在一定的工作频率范围内，LLC串联谐振电路的输出电压不可能降到很低，特别是负载较轻的情况下。综上所述，LLC谐振变换器虽然具有容易实现软开关从而提高电路效率的优势，但其一个非常明显的弱势是在仅采用频率调制的控制方式时输出电压范围很窄，不能应用在需要宽范围输出的场合。