(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910414918.3
(22)申请日 2019.05.17
(71)申请人 中南大学
地址 410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南
路932号
(72)发明人 许国 李丽婷 陈孝莺 粟梅
孙尧 王辉 韩华 刘永露
但汉兵 熊文静 柳张杰
(74)专利代理机构 北京旭路知识产权代理有限
公司 11567
代理人 瞿卫军
(51)Int.Cl.
H02M 3/335(2006.01)
(54)发明名称
法
(57)摘要
本发明公开了一种双向CLLLC -DCX谐振变换
器及其控制方法，本发明的变换器包含两个端
本发明公开的双向CLLLC -DCX谐振变换器，电路
结构对称，正反向的工作性能一致，在本发明的
控制方法下，可以很好地实现输入侧和输出侧开
关管的ZVS或ZCS软开关，可以实现正常负载下的
恒电压增益，并且由于辅助二极管的存在，变换
器具有双向自动限功率的功能，同时实现正反向
运行模式下能量的自然双向流动，提高变换器的
效率和可靠性。权利要求书1页 说明书5页 附图4页CN 110190752 A 2019.08.30
C N 110190752
A
1.一种双向CLLLC -DCX谐振变换器，其特征在于，包括主电路和控制电路，所述主电路包含第一端口、第二端口、两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器，所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为电源端，另外一个则对应地作为负载端；连接变压器两端的电路拓扑结构相同，变压器的原边包括由谐振电感L r_p 、谐振电容C r_p1和C r_p2及其反并联辅助二极管D 1和D 2组成的谐振电路，由开关
管Q 1、Q 2组成的开关电路；变压器的副边同理，包括由谐振电感L r_s 和谐振电容C r_s1和C r_s2及其反并联辅助二极管D 3和D 4组成的谐振电路，由开关管Q 3和Q 4组成的开关电路；
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 r_p1的正极和开关管Q 1的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容C r_p1的负极则同时与谐振电容C r_p2正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q 1的源极同时与谐振电感L r_p 的一端和开关管Q 2的漏极相连，开关管Q 2的源极和谐振电容C r_p2的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感L r_p 的另一端则与变压器一次侧的正极相连，辅助二极管D 1、D 2分别反并联于谐振电容C r_p1、C r_p2；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感L r_s 的一端相连，谐振电感L r_s 的另一端同时与开关管Q 3的源极和开关管Q 4的漏极相连，开关管Q 3的漏极同时与谐振电容C r_s1和第二端口的正极相连，谐振电容C r_s1的负极同时与谐振电容C r_s2的正极和变压器二次侧的负极相连，而开关管Q 4的源极、谐振电容C r_s2的负极和第二端口的负极同时连在一起，辅助二极管D 3、D 4分别反并联于谐振电容C r_s1、C r_s2。
2.根据权利要求1所述的双向CLLLC -DCX谐振变换器，其特征在于，控制电路包括控制器和驱动电路；控制器是DSP控制器，用于产生一组互补的PWM驱动信号，驱动电路将接收到的来自控制器的PWM驱动信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管Q 1～Q 4提供驱动电压。
3.根据权利要求1或2所述的双向CLLLC -DCX谐振变换器，其特征在于，所述开关管Q 1～Q 4为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的双向CLLLC -DCX谐振变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
在正向运行时，当流过谐振电感L r_p 的电流i r1为零时，同时开通开关管Q 1和Q 3，经过半个谐振周期后，i r1再次为零，此时将开关管Q 1和Q 3同时关闭，经过一个死区时间，i r1在死区时间内在零附近微幅振荡，Q 2和Q 4同时导通时，i r1也为零值，经过半个谐振周期后，Q 2和Q 4在i r1再次为零时同时关闭。
在反向运行时，当流过谐振电感L r_s 的电流i r2为零时，同时开通开关管Q 1和Q 3，经过半个谐振周期后，i r2再次为零，此时将开关管Q 1和Q 3同时关闭，经过一个死区时间，i r2在死区时间内在零附近微幅振荡，Q 2和Q 4同时导通时，i r2也为零值，经过半个谐振周期后，Q 2和Q 4在i r2再次为零时同时关闭。
权 利 要 求 书1/1页CN 110190752 A
一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及其控制方法
[0001]本发明属于开关电源技术领域，更具体地，涉及一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及其控制方法。
背景技术
[0002]近年来，DC-DC变换器被广泛应用在各个领域，尤其是在包含储能单元的高压直流输电、微电网和电动汽车等各种供电系统场合。随着在电力电子技术领域中对能量转换要求的不断提高，变换器逐渐向高频化、高效率、高功率密度发展，而且上述系统的储能单元在进行充放电时需要对能量控制，这就要求功率变换器具有双向可控功率流的特点，因此双向、高频隔离的需求也不断增加。
[0003]在隔离型DC-DC变换器中，LLC谐振变换器因其可实现全负载范围下的软开关特性，具有很高的功率密度和变换效率。然而，当开关频率远离谐振频率时，会形成很高的环路电流而使效率变低。为了解决宽电压增益问题，通常会使用两级结构，其中一级是工作在谐振点的LLC谐振变换器，由于不改变其电压增益，于是称其为LLC-DCX，另外一级是非隔离型DC-DC变换器，用来调节电压增益。传统的LLC谐振变换器只有在开关谐振和谐振频率相等时才具有恒增益特性，而由于需要添加死区时间防止同一桥臂的开关管同时导通，因此开关频率无法完全等于谐振频率；此外，一般为了提高LLC谐振变换器的效率，副边开关管通常会使用同步整流的控制策略，但是在双向运行模式下，由于谐振腔的不对称，正反向的工作性能是不一样的，反向运行时会失去LLC的软开关特性，且要检测电流过零点，控制逻辑需要在正向与反向之间切换，同时还需要判断能量的流动方向，在实际应用中是非常困难的。
发明内容
[0004]为了解决不对称和控制逻辑需要切换以及恒增益的问题，本发明公开了一种双向CLLLC-DCX谐振变换器及用于对变换器进行控制的同步等脉宽控制方法，该变换器的拓扑结构对称，要解决的技术问题是，可以很好地实现输入侧和输出侧MOS管的ZVS或ZCS软开关，并且实现正常负载下的恒电压增益和变换器双向限功率的功能，同时实现正反向运行模式下能量的自然双向流动，提高变换器的效率和可靠性。
[0005]本发明公开了一种双向CLLLC-DCX谐振变换器，包括主电路和控制电路，所述主电路包含第一端口、第二端口、两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器，所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为电源端，另外一个则对应地作为负载端；连接变压器两端的电路拓扑结构相同，变压器的原边包括由谐振电感L r_p、谐振电容C r_p1和C r_p2及其反并联辅助二极管D1和D2组成的谐振电路，由开关管Q1、Q2组成的开关电路；变压器的副边同理，包括由谐振电感L r_s和谐振电容C r_s1和C r_s2及其反并联辅助二极管D3和D4组成的谐振电路，由开关管Q3和Q4组成的开关电路；
[0006]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 r_p1的正极和开
关管Q1的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容C r_p1的负极则同时与谐振电容C r_p2正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q1的源极同时与谐振电感L r_p的一端和开关管Q2的漏极相连，开关管Q2的源极和谐振电容C r_p2的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感L r_p 的另一端则与变压器一次
侧的正极相连，辅助二极管D1、D2分别反并联于谐振电容C r_p1、C r_p2；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感L r_s的一端相连，谐振电感L r_s的另一端同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极相连，开关管Q3的漏极同时与谐振电容C r_s1和第二端口的正极相连，谐振电容C r_s1的负极同时与谐振电容C r_s2的正极和变压器二次侧的负极相连，而开关管Q4的源极、谐振电容C r_s2的负极和第二端口的负极同时连在一起，辅助二极管D3、D4分别反并联于谐振电容C r_s1、C r_s2。
[0007]在另外一个实施例中，控制电路包括控制器和驱动电路；控制器是DSP控制器，用于产生一组互补的PWM驱动信号，驱动电路将接收到的来自控制器的PWM驱动信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管Q1～Q4提供驱动电压。
[0008]在另外一个实施例中，所述开关管Q1～Q4为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。
[0009]此外，本发明还公开了所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器的控制方法，所述控制方法包括：
[0010]在正向运行时，当流过谐振电感L r_p的电流i r1为零时，同时开通开关管Q1和Q3，经过半个谐振周期后，i r1再次为零，此时将开关管Q1和Q3同时关闭，经过一个死区时间，i r1在死区时间内在零附近微幅振荡，Q2和Q4同时导通时，i r1也为零值，经过半个谐振周期后，Q2和Q4在i r1再次为零时同时关闭；
[0011]在反向运行时，当流过谐振电感L r_s的电流i r2为零时，同时开通开关管Q1和Q3，经过半个谐振周期后，i r2再次为零，此时将开关管Q1和Q3同时关闭，经过一个死区时间，i r2在死区时间内在零附近微幅振荡，Q2和Q4同时导通时，i r2也为零值，经过半个谐振周期后，Q2和Q4在i r2再次为零时同时关闭。
[0012]相对于现有技术，本发明具备如下的有益效果：
[0013]1、正反向运行时工作性能一样，无需更换控制逻辑，可实现能量的自然双向流动。[0014]2、正向运行时，可实现Q1、Q2的零电流、零电压开通和零电流关断，Q3、Q4的零电压开通，当励磁电感设计得比较合理时，Q3、Q4的关断电流比较小；反向运行时，可实现Q3、Q4的零电流、零电压开通和零电流关断，Q1、Q2的零电压开通，同理当励磁电感设计得比较合理时，Q1、Q2的关断电流也比较小。
[0015]3、在正常负载范围内，负载的变化不会影响电压增益，电压为恒定值；在过载的情况下，由于辅助二极管的存在，输出功率不会超过一个最大值，起到了输出保护的作用。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为本发明提供的一种双向CLLLC-DCX谐振变换器电路结构示意图；
[0018]图2(a)为本发明变压器工作在正常负载情况下的主要波形图；
[0019]图2(b)为本发明变压器工作在过载情况下的主要波形图；
[0020]图3为本发明实施例的变换器正常负载工作时t0～t3的工作情况等效电路图；[0021]图4为本发明实施例的变换器过载工作时t0～t4的工作情况等效电路图。
具体实施方式
[0022]下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0023]如图1所示，所述的双向CLLLC-DCX谐振变换器的主电路主要包含两个端口(第一端口、第二端口)，两个谐振电路、两个开关回路和一个变压器。所述第一端口和第二端口之一可选择性地作为本发明变换器的电源端，另外一个则对应地作为负载端；变压器两端的结构相同，变压器的原边包括由谐振电感L r_p和谐振电容(C r_p1、C r_p2)及其反并联辅助二极管(D1、D2)组成的谐振电路，由开关管(Q1、Q2)组成的开关电路。变压器的副边同理，包括由谐振电感L r_s和谐振电容(C r_s1、C r_s2)及其反并联
辅助二极管(D3、D4)组成的谐振电路，由开关管(Q3、Q4)组成的开关电路。连接关系是：变压器的原边，谐振电容C r_p1的正极和开关管Q1的漏极同时与第一端口正极相连，谐振电容C r_p1的负极则同时与谐振电容C r_p2正极和变压器一次侧的负极相连，开关管Q1的源极同时与谐振电感L r_p的一端和开关管Q2的漏极相连，开关管Q2的源极和谐振电容C r_p2的负极同时与第一端口的负极相连，而谐振电感L r_p的另一端则与变压器一次侧的正极相连，辅助二极管D1、D2分别反并联于谐振电容C r_p1、C r_p2；同样的，在变压器副边，变压器二次侧的正极与谐振电感L r_s的一端相连，谐振电感L r_s的另一端同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极相连，开关管Q3的漏极同时与谐振电容C r_s1和第二端口的正极相连，谐振电容C r_s1的负极同时与谐振电容C r_s2的正极和变压器二次侧的负极相连，而开关管Q4的源极、谐振电容C r_s2的负极和第二端口的负极同时连在一起，辅助二极管D3、D4分别反并联于谐振电容C r_s1、Cr_s2。
[0024]作为优选，所述开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。
[0025]如图1所示，变换器第一端口的电压为V1，i1为其电流，而第二端口的电压为V2，i2为其电流；i r1、i r2分别为变压器原副边流过谐振电感L r_p、L r_s的谐振电流；i m是流过励磁电感L m的电流；u cp1、u cp2、u cs1、u cs2分别是原副边谐振电容两端的电压；i D1、i D2、i D3、i D4分别是流过原副边辅助二极管的电流；Q1、Q2、Q3、Q4分别代表对应MOS管的门极信号。
[0026]具体控制方法如下：
[0027]正向运行时，当流过谐振电感L r_p的电流i r1为零时，同时开通开关管Q1和Q3，经过半个谐振周期后，i r1再次为零，此时将开关管Q1和Q3同时关闭。经过一个死区时间，i r1在死区时间内在零附近微幅振荡，Q2和Q4同时导通时，i r1也为零值，经过半个谐振周期后，Q2和Q4在i r1再次为零时同时关闭。反向运行时同理，此时是根据谐振电感L r_s的电流i r2的过零点情况作为开关管开通关断的节点，其正常负载和过载运行时的工作模态具体可参见图3-4所示。
[0028]除了主电路外，双向CLLLC-DCX谐振变换器还包括控制电路，控制电路包括控制器
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