[发明专利]基于半桥冗余的可容错运行全桥LLC谐振变换器

说明书

基于半桥冗余的可容错运行全桥LLC谐振变换器，涉及谐振变换器。设有全桥LLC谐振主电路和半桥LLC谐振冗余电路；当正常工作时，全桥LLC谐振主电路单独向负载提供能量；当主电路某一功率开关管发生短路故障后，通过关断该故障功率开关管所在桥臂中另一功率开关管，全桥LLC谐振主电路转变为半桥LLC谐振电路。同时，半桥LLC谐振冗余电路开始工作，与主电路重构组成输入并联输出串联的新型谐振电路。因为两个半桥LLC谐振电路各自从输入向输出提供一半能量，在功率开关管电流应力不变的情况下，系统可正常向负载提供额定电压及功率。

技术领域

本发明涉及谐振变换器，尤其是涉及一类高功率密度、低系统成本的基于半桥冗余的可容错运行全桥LLC谐振变换器。

背景技术

全桥LLC谐振变换器因其原边功率开关管可实现零电压软开关、副边二极管可实现零电流软关断，变换器的开关损耗低、效率高，近年来已被广泛应用于诸多不同工业应用中。在全桥LLC谐振变换器中，功率开关管一般选用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，以尽量提高开关频率，减小系统体积。在恶劣的电磁工作环境下，MOSFET可能会发生意外的短路故障，导致变换器停机。然而，在一些重要应用场合中，如服务器电源、多电飞机等，意外停机将造成巨大损害。因此，如何在功率开关管发生短路故障后仍能保证变换器系统继续正常运行，成为了非常重要的设计考虑。

通过对电力电子变换器进行冗余备份，在功率开关管发生短路故障后关闭主电路、启动冗余电路，可实现系统的容错运行。然而，冗余备份方案需要一个与主电路完全相同的冗余电路，比如传统的全桥LLC谐振主电路需要一个相同的全桥LLC谐振冗余电路进行备份。因此，冗余备份方案所需元件多，将导致系统功率密度低、成本高。

为了提高功率密度，有研究提出了一种拓扑重构技术以获取变换器的容错运行能力。在移相全桥变换器([1]X.Pei,S.Nie and Y.Kang,Switch Short-Circuit FaultDiagnosis and Remedial Strategy for Full-BridgeDC-DC Converters,IEEETrans.Power Electron.,vol.30,no.2,pp.996-1004,Feb.2015)和全桥串联谐振变换器([2]L.Costa,G.Buticchi and M.Liserre,A Fault-Tolerant Series-Resonant DC-DCConverter,IEEE Trans.Power Electron.,vol.32,no.2,pp.900-905,Feb.2017)中，当某一个功率开关管发生短路故障后，将同一桥臂中另一个开关管关断，可实现全桥拓扑到半桥拓扑的转变，使得变换器能够继续工作。但是，由于半桥拓扑的输出电压为全桥拓扑的一半，需在副边电路增加倍压单元以保持输出电压不变。此外，重构后的半桥拓扑在相同电流应力的元件下最多只能向负载提供一半的额定功率，因此系统需降额运行。

发明内容

针对现有的冗余备份和拓扑重构技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一类高功率密度、低系统成本的基于半桥冗余的可容错运行全桥LLC谐振变换器。

本发明设有全桥LLC谐振主电路和半桥LLC谐振冗余电路；当正常工作时，全桥LLC谐振主电路单独向负载提供能量；当主电路某一功率开关管发生短路故障后，通过关断该故障功率开关管所在桥臂中另一功率开关管，全桥LLC谐振主电路转变为半桥LLC谐振电路。同时，半桥LLC谐振冗余电路开始工作，与主电路重构组成输入并联输出串联的新型谐振电路。因为两个半桥LLC谐振电路各自从输入向输出提供一半能量，在功率开关管电流应力不变的情况下，系统可正常向负载提供额定电压及功率。

所述全桥LLC谐振主电路和半桥LLC谐振冗余电路的原边共用一个输入，副边共用一个输出；所述全桥LLC谐振主电路用于正常工作时向负载提供能量，所述半桥LLC谐振冗余电路用于在全桥LLC谐振主电路功率开关管发生短路故障后与全桥LLC谐振主电路重构生成谐振电路，实现变换器的容错运行。