一种基于整流侧的宽增益谐振变换器及其混合调制方法与流程

本发明属于谐振变换器，具体涉及一种基于整流侧的宽增益谐振变换器及其混合调制方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、以风能、太阳能等为代表的新能源正逐渐取代以煤炭、石油为代表的传统能源；光伏发电系统是目前主要的新能源利用形式之一，光伏发电系统中的光伏阵列可通过直流变换器与直流配电网连接，直流变换器可进行电压等级的变换、满足不同负载的功率需求。由于光伏阵列受光照和温度的影响使得输出电压范围较大，因此所需dc/dc变换器应具有宽增益特点。谐振变换器llc具有高效率，高功率密度，低电磁干扰和软开关等特点，可在光伏发电系统中应用广泛。但变频调制下谐振变换器难以适应光伏阵列输出电压波动性大的特点，为实现宽电压输入并保持输出电压稳定，常常以牺牲效率作为代价。为满足谐振变换器在高效率下对宽电压增益的需要，新的拓扑不断出现。

3、据发明人了解，对宽增益谐振变换器相关结构的改进可划分为三个类别：原边拓扑改进、副边拓扑改进以及谐振槽改进：

4、(1)原边拓扑改进，其核心在于对原边全桥或半桥电路进行改造。通过重新组合斩波单元，根据增益要求调整斩波单元输出波形的幅值及改变网络组成。有相关研究提出了双桥谐振变换器设计，在原边开关网络前加入了位于输入电容均分中点的双向开关，工作时保持频率不变，通过调整前桥臂和双向开关的占空比结合频率调制，可调整斩波输出单元的幅值分量进而调节增益。有相关研究提出了一种结合buck-boost和谐振变换器的级联式变换器设计，将传统的buck-boost电路与谐振变换器级联，通过调整buck-boost开关管的占空比，调节半桥llc等效输入直流电压，以拓宽电压增益。

5、(2)副边拓扑变换，即通过在副边整流环节引入有源器件，将原本不具备电压调节功能的部分转变为具有增益调整能力的电力电子变换模块。可通过改进谐振变换器的结构，提出基于四倍压整流和双相次级侧交错的新型llc谐振变换器，在副边添加额外开关元件，运用pwm调制技术，有效地将电压增益提升了2倍，同时减小开关频率变化幅度。有相关研究设计了一种倍压整流单元，当副边开关处于断开状态，该整流单元的工作方式与传统的全桥整流电路相同；而当副边开关闭合时，变压器的一个端点会直接连接到输出电容的串联中点，使该拓扑变为一个全波倍压整流电路；通过简单的操作，实现了两种不同的整流模式，以适应不同电路增益需求。可通过设计一种具备倍压整流和四倍压整流的整流单元sa-var，当副边两个开关都关断时，sa-var就转变为两倍压整流拓扑，当通过调制两个开关对负载电容交替充放电时，便能工作在四倍压整流模态，从而进一步扩展了其应用范围和性能。

6、(3)谐振槽改进，即改变谐振参数。在变压器的第三绕组上增加能够根据开关频率来改变等效励磁电感的辅助lc谐振电路，当开关频率降低时，等效励磁电感也随之减小，从而获得更陡峭的增益曲线。将谐振槽构造成lclc结构，在励磁电感上串联附加电容，调整谐振槽本身的谐振特性，使得变换器在较低的工作频率下运行时，励磁电感的等效电感随之减小，改变变换器的增益曲线；但是，在不影响原有变压器励磁特性的前提下，将辅助电容与励磁电感串联连接是一项难度较大的任务。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种基于整流侧的宽增益谐振变换器及其混合调制方法，在传统谐振变换器的基础上，将副边整流网络换成一种新型的倍压整流网络；根据输入电压的大小，分别采用不同的电路拓扑和相应的调制策略，在实现原边开关零电压开通(zvs)和副边二极管零电流关断(zcs)的条件下，拓宽变换器的输入电压范围并降低谐振变换器频率的工作范围。

2、根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种基于整流侧的宽增益谐振变换器，采用如下技术方案：

3、一种基于整流侧的宽增益谐振变换器，包括逆变侧电路、整流侧电路，以及用于连接所述逆变侧电路和所述整流侧电路的谐振槽电路；其中，所述整流侧电路包括整流电路和双向开关，所述双向开关采用两个反向串联的开关管，所述整流电路为由第一滤波电容、第二滤波电容、第三滤波电容、第四滤波电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成的全桥整流电路；通过调整所述双向开关的导通与关断状态调整所述整流电路的整流拓扑，所述整流电路的整流拓扑包括倍压整流电路和四倍压整流电路。

4、作为进一步的技术限定，所述逆变侧电路为由第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管组成的全桥电流；其中，所述第一功率开关管、所述第二功率开关管、所述第三功率开关管和所述第四功率开关管的占空比均一致。

5、作为进一步的技术限定，所述谐振槽电路包括高频变压器以及设置在所述高频变压器原边侧的谐振电感、励磁电感和谐振电容。

6、进一步的，基于整流侧的宽增益谐振变换器还包括并联在所述第三滤波电容和所述第四滤波电容两端的副边侧负载。

7、根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种基于整流侧的宽增益谐振变换器的混合调制方法，采用了第一方案所提供的基于整流侧的宽增益谐振变换器，采用如下技术方案：

8、一种基于整流侧的宽增益谐振变换器的混合调制方法，采用变频调制和移相调制相混合的调制方法实现谐振变换器的宽增益；通过调节副边侧负载的输出电压实现谐振变换器开关频率fs的调节；

9、当开关频率fs为谐振槽电路的串并联谐振频率fm时，开关频率fs达到最大时，此时整流电路处于四倍压整流电路；当谐振变换器开关频率fs减小到谐振槽电路的串联谐振频率fr时，谐振变换器在相同的工作拓扑下从变频调制切换到移相调制，且移相调制下的工作频率保持在fr；

10、通过改变逆变侧电路中各个功率开关管之间的移相角调节副边侧负载的输出电压，减小谐振变压器增益，使得开关频率fs达到至整流电路处于倍压整流电路时的最大频率值，即谐振槽电路的串并联谐振频率fm，双向开关断开，整流电路的整流拓扑由四倍压整流电路切换到倍压整流电路，移相值归零，得到谐振变换器工作在倍压整流电路下的最小频率，当开关频率fs达到串联谐振频率fr时，谐振变换器进行移相调制。

11、作为进一步的技术限定，所述谐振槽电路的串联谐振频率fr为由谐振电感lr和谐振电容cr二者共同谐振所形成的，即所述谐振槽电路的串并联谐振频率fm为由谐振电感lr、谐振电容cr和励磁电感lm三者共同谐振形成的，即

12、作为进一步的技术限定，根据串并联谐振频率fm、串联谐振频率fr和开关频率fs之间的大小，即fs>fr、fm>fs>fr或fr＝fs，确定谐振变换器的工作模式；当fm>fs>fr时，谐振变换器出现谐振电感lr、谐振电容cr和励磁电感lm三者共同谐振的模态，高频变压器的副边电流断续流过整流电路中的二极管。

13、作为进一步的技术限定，当谐振变换器处于高输入电压或轻负载情况时，需通过提高开关频率来减小增益，但谐振变换器工作频率高时，增益曲线平坦，引入移相调制进行谐振变换器开关频率的调节。

14、进一步的，谐振变压器在移相调制的过程中，使第一功率开关管和第二功率开关管均滞后于第三功率开关管和第四功率开关管，通过阻塞谐振变换器的输入电压调制一个周期内进入谐振槽电路平均电压的调制，实现谐振变换器的移相调制。

15、作为进一步的技术限定，所述谐振变换器的变频调制和移相调制的调制切换点需满足开关频率fs与串联谐振频率fr一致。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、本发明在传统的谐振变换器的基础上，将副边整流网络换成一种新型的倍压整流网络；根据输入电压的大小，分别采用不同的电路拓扑和相应的调制策略，在实现原边开关零电压开通和副边二极管零电流关断的条件下，拓宽变换器的输入电压范围并降低谐振变换器频率的工作范围。

18、本发明通过改进电路拓扑并设计其调制方法，在输入电压大范围变化时保持输出电压的稳定；通过基波分析法推导出两种结构在不同调制方法下的电压增益变化规律和实现软开关的条件；在调制策略方面，采用基于变频调制与移相调制相结合的混合式调制方法，在保持输出电压稳定的同时，有效拓宽了输入电压和增益的范围；在混合调制下变换器原边侧开关可以实现零电压开通和副边侧二极管实现零电流关断。