[发明专利]一种化成分容用电源的拓扑结构和控制方法

权利要求书

1.一种化成分容用电源的拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述化成分容用电源的拓扑结构包括三相AC/DC整流器、LLC谐振变换器，三相AC/DC整流器输出侧的稳压电容C_d与LLC谐振变换器并联，LLC谐振变换器输出侧的稳压电容C₀与负载电池E并联，所述LLC谐振变换器具有能量双向流动且自动切换，不需要切换的控制算法，在“同开同关”的调制策略下，在开关频率不高于谐振频率时，电压增益恒定的特性；所述能量双向流动且自动切换即电池E的电压低于LLC谐振变换器的参考电压V₀^*时，能量正向流动，电池E充电；电池E的电压高于LLC谐振变换器的参考电压V₀^*时，能量反向流动，电池E反馈能量；所述LLC谐振变换器开环运行；

所述控制方法为：以LLC谐振变换器的输出电压V₀为外环，与参考电压V₀^*比较后的差值经PI调节，得到直轴电流的参考值I_d^*，以三相AC/DC整流器的输入电流为内环，经派克变换得到直轴电流I_d和交轴电流I_q，直轴电流I_d和交轴电流I_q分别与直轴电流的参考值I_d^*和交轴电流的参考值I_q^*比较，误差值经各自PI调节，得到dq坐标轴下的控制率，经派克逆变换后输出给PWM调制模块，从而控制三相AC/DC整流器的开关器件，调节LLC谐振变换器的输入电压V_d，从而调节LLC谐振变换器的输出电压V₀；当V₀大于参考电压V₀^*时，控制调节使V_d、V₀减小；当V₀小于参考电压V₀^*时，控制调节使V_d、V₀增大；

所述LLC谐振变换器包括主电路和控制电路，所述主电路包含一个谐振电路、两个开关电路、一个变压器和两个端口；变压器原边包括由谐振电感L_r、谐振电容C_r1和C_r2及其反向并联的辅助二极管组成的谐振电路，由开关管S₁和S₂组成的开关电路；变压器的副边包括由开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄组成的开关电路；第一端口并联稳压电容C_d，第二端口并联稳压电容C₀；

所述主电路中各个部件的连接关系为：在变压器原边，谐振电容C_r1的正极和开关管S₁的漏极同时与稳压电容C_d的正极相连，谐振电容C_r1的负极则同时与谐振电容C_r2的正极和变压器一次侧的负极相连，开关管S₁的源极同时与谐振电感L_r的一端和开关管S₂的漏极相连，开关管S₂的源极和谐振电容C_r2的负极同时与稳压电容C_d的负极相连，而谐振电感L_r的另一端则与变压器一次侧的正极相连，谐振电容C_r1、C_r2分别反向并联一个辅助二极管；在变压器的副边，开关管Q₁的漏极和开关管Q₂的漏极同时与稳压电容C₀的正极相连，开关管Q₁的源极同时与变压器二次侧的正极和开关管Q₃的漏极相连，开关管Q₂的源极同时与变压器二次侧的负极和开关管Q₄的漏极相连，开关管Q₃的源极和开关管Q₄的源极同时与稳压电容C₀的负极相连；

电路拓扑工作过程如下：

正向工作时，在t₀时刻，谐振电流i_r开始从零增加时，开关管S₁和Q₁、Q₄同时开通，如果参数和死区时间设计合理，t₀时刻S₁刚好放电完毕，则能同时实现S₁的零电压开通，根据电感的伏秒平衡特性，死区之间开通之前励磁电流i_m为负值，副边电流从Q₁、Q₄的体二极管流过，把Q₁、Q₄两端的电压钳位为零，为Q₁、Q₄的零电压开通创造了条件；通过调整死区时间让开关频率小于谐振频率，在t₀时刻，S₁和Q₁、Q₄零电压开通，i_r为正弦信号，励磁电流i_m线性增加，副边同步整流，直到t₁时刻，谐振电流i_r与励磁电流i_m的绝对值相等，副边电流I_s为零，由于Q₁、Q₄仍处于开通状态，Q₁、Q₄电流反向，能量反馈；在t₂时刻，谐振电流i_r经过半个谐振周期再次达到零时，开关管S₁和Q₁、Q₄同时关断，此时S₁为零电流关断，而Q₁、Q₄存在关断电流；t₂到t₃是死区时间，此时原边的S₁的结电容充电，S₂的结电容放电，副边的Q₁、Q₄的结电容充电，Q₂、Q₃的结电容放电，原边电流小于副边电流，副边的Q₁、Q₄的结电容先充电完毕，Q₂、Q₃的体二极管导通，因此Q₂、Q₃可以实现零电压导通；如果参数和死区时间设计合理，在t₃时刻S₂放电完毕，S₂可以实现零电压导通；后半个开关周期波形对称，原理也相同；

反向工作时，在t₀-t₆的工作情况等效电路图与正向工作时一样，但谐振电流i_r和副边电流I_s方向与正向工作时相反，在t₀时刻，副边电流I_s开始从零增加时，开关管S₁和Q₁、Q₄同时开通，如果参数和死区时间设计合理，t₀时刻Q₁、Q₄刚好放电完毕，则能同时实现Q₁、Q₄的零电压开通，由于死区时间内励磁电流i_m为负值，与谐振电流i_r相等，S₁开通之前已完成放电，把S₁两端的电压钳位为零，为S₁的零电压开通创造了条件；通过调整死区时间让开关频率小于谐振频率，在t₀时刻，S₁和Q₁、Q₄零电压开通，I_s为正弦信号，励磁电流i_m线性增加，直到t₁时刻，副边电流I_s的1/n倍与励磁电流i_m的绝对值相等，谐振电流i_r为零，由于S₁仍处于开通状态，S₁电流反向，能量反馈；在t₂时刻，副边电流I_s经过半个谐振周期再次达到零时，开关管S₁和Q₁、Q₄同时关断，此时Q₁、Q₄为零电流关断，而S₁存在关断电流；t₂到t₃是死区时间，此时原边的S₁的结电容充电，S₂的结电容放电，副边的Q₁、Q₄的结电容充电，Q₂、Q₃的结电容放电，由于死区时间内励磁电流i_m为正值，与谐振电流i_r相等，原边的S2的结电容先放电完毕，S₂的体二极管导通，因此S₂可以实现零电压导通，如果参数和死区时间设计合理，在t₃时刻Q₂、Q₃放电完毕，Q₂、Q₃可以实现零电压导通；后半个开关周期波形对称，原理也相同。