宽输出电压范围的混合整流桥LLC谐振变换器及其控制方法

本发明公开宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器及其控制方法，涉及电力电子技术，具体涉及dc-dc电能变换和变换器控制技术，属于发电、变电或配电的。

背景技术：

1、在新能源汽车、航天器、新能源发电、数据中心等领域，由于负载的端电压具有宽范围特性，其电源系统需要在实现宽电压范围功率变换的同时能保证全范围内都具有较高的变换效率。

2、功率变换器是电源系统的核心器件。其中，llc谐振变换器因为体积小、效率高、功率密度大等优点广受欢迎，为拓宽输出电压增益范围，移相控制得到了广泛应用。但在移相角过大时，llc变换器原边电路的其中一路开关管会失去软开关特性，损失效率。在此基础上，加入一对双向开关改变二次侧结构成为了一种不错的解决方式，可将加入双向开关的二次侧变结构整流桥配置成桥式整流、倍压整流的多种模式，以不同增益的多种模式覆盖更宽增益范围，但多加入的双向开关既加入了开关损耗也增加了导通损耗，大大影响了变换器的效率。为减小损耗，现有研究提出了增加单个开关管来降低损耗，但是其在高压模式时，只能处于倍压整流模式，失去了混合整流桥灵活切换的优势，能够提高变换器效率，但不能满足拓宽输出电压范围的要求；为减小导通损耗，现有研究提出一种pwm控制方式来减小导通损耗，但是由于对称的pwm控制需要优先满足输出电压控制，因此对于二极管导通损耗只能适当减小，同时，硬开关仍然带来了开关损耗，即在拓宽输出电压范围的同时降低了变换器效率。因此，在二次侧变结构整流桥的应用中，提出一种适配的高效可靠简单的控制方式成为一个具有挑战性的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述背景技术的不足，提出一种宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器及其控制方法，解决现有llc变换器宽增益与高效率之间矛盾的技术问题，实现得到超宽的输出电压范围的同时简化控制与提升效率的发明目的。

2、本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

3、宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器，包括：一次侧半桥逆变网络、谐振网络、高频变压器组以及二次侧混合整流网络；

4、一次侧半桥逆变网络，包括第一半桥逆变单元和第二半桥逆变单元，第一半桥逆变单元、第二半桥逆变单元分别与输入直流电源并联，第一半桥逆变单元由第一开关管和第二开关管串联组成，第二半桥逆变单元由第三开关管和第四开关管串联组成；

5、谐振网络，包括第一谐振槽和第二谐振槽，第一谐振槽连接第一半桥逆变单元输出端，第二谐振槽连接第二半桥逆变单元输出端；

6、高频变压器组，包括反相高频变压器和正相高频变压器，反相高频变压器原边绕组与第一谐振槽中励磁电感并联，正相高频变压器原边绕组与第二谐振槽中励磁电感并联，反相高频变压器副边绕组与正相高频变压器副边绕组正向串联；

7、二次侧混合整流网络，包括全桥整流网络和一对双向开关，一对双向开关管包括共源极连接的第五开关管和第六开关管，反相高频变压器副边绕组与正相高频变压器副边绕组正向串联后的正极性端连接全桥整流网络的第一桥臂中点，反相高频变压器副边绕组与正相高频变压器副边绕组正向串联后的负极性端以及第五开关管漏极连接全桥整流网络的第二桥臂中点，第六开关管漏极连接滤波输出单元。

8、作为宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器的进一步优化方案，第一半桥逆变单元中，第一开关管漏极连接输入直流电源正极，第二开关管漏极连接第一开关管源极，第二开关管源极连接输入直流电源负极，第二开关管漏极和源极构成第一半桥逆变单元输出端；第二半桥逆变单元中，第三开关管漏极连接输入直流电源正极，第四开关管漏极连接第三开关管源极，第四开关管源极连接输入直流电源负极，第四开关管漏极和源极构成第二半桥逆变单元输出端。

9、作为宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器的进一步优化方案，第一谐振槽包括：第一谐振电感、第一励磁电感和第一谐振电容，第一谐振电感一端与第一开关管源极、第二开关管漏极相连接，第一谐振电感另一端连接第一励磁电感一端，第一励磁电感另一端连接第一谐振电容正极，第一谐振电容负极连接第二开关管源极，反相高频变压器原边励磁电感充当第一励磁电感；第二谐振槽包括：第二谐振电感、第二励磁电感和第二谐振电容，第二谐振电感一端与第三开关管源极、第四开关管漏极相连接，第二谐振电感另一端连接第二励磁电感一端，第二励磁电感另一端连接第二谐振电容正极，第二谐振电容负极连接第四开关管源极，正相高频变压器原边励磁电感充当第二励磁电感。

10、作为宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器的进一步优化方案，反相高频变压器原边绕组的第一端与第一谐振电感另一端、第一励磁电感一端相连接，反相高频变压器原边绕组的第二端连接第一谐振电容正极；正相高频变压器原边绕组的第一端与第二谐振电感另一端、第二励磁电感一端相连接，正相高频变压器原边绕组的第二端连接第二谐振电容正极。

11、作为宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器的进一步优化方案，全桥整流网络包括：第一至第四二极管，第一二极管阴极连接第三二极管阴极，第二二极管阴极与第一二极管阳极连接构成全桥整流网络的第一桥臂中点，第四二极管阴极与第三二极管阳极连接构成全桥整流网络的第二桥臂中点，第二二极管阳极连接第四二极管阳极；反相高频变压器副边绕组的第一端作为正极性端连接全桥整流网络的第一桥臂中点，正相高频变压器副边绕组的第一端连接反相高频变压器副边绕组的第二端，正相高频变压器副边绕组的第二端作为负极性端连接全桥整流网络的第二桥臂中点，反相高频变压器副边绕组的第一端与反相高频变压器原边绕组的第二端互为同名端，正相高频变压器副边绕组的第一端与正相高频变压器原边绕组的第一端互为同名端。

12、宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器的控制方法，

13、宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器及其控制方法包括两个工作模式，分别采用不同的控制方式，低压模式时采用一次侧移相控制；高压模式时一次侧采用移相控制，二次侧采用叠加式不对称pwm及移相控制策略的方式，能够实现超宽输出电压调节的同时，提升变换效率；具体步骤如下：

14、步骤1，控制系统控制采样芯片采集变换器的输出电压与二次侧电流，判断期望电压属于高压模式还是低压模式，若期望电压处于高压模式的输出电压调节范围，跳转步骤3；若期望电压处于低压模式的输出电压调节范围，则跳转步骤2；

15、步骤2，将步骤1采集的变换器输出电压与期望电压的差值通过电压调节器进行调节，得到所需的移相角α，对第一开关管与第二开关管的控制信号进行移相调节得到第三开关管与第四开关管的控制信号，输出所需的第一开关管控制信号、第二开关管控制信号、第三开关管控制信号、第四开关管控制信号调节变换器输出电压，第五开关管与第六开关管不进行控制，变换器工作模式与移相全桥类似，归一化电压增益为0～1；

16、步骤3，进入高压模式，对第一开关管与第二开关管的控制信号进行180°移相调节得到第三开关管与第四开关管的控制信号，输出所需的第一开关管控制信号、第二开关管控制信号、第三开关管控制信号、第四开关管控制信号；

17、步骤4，将步骤1采集的变换器输出电压与期望电压的差值送入电压调节器进行调节，输出第一占空比为dy1的第五开关管第一pwm波控制波形；

18、步骤5，与步骤4类似过程得到第一占空比为dy1的pwm波，随后进行180°移相调节得到第六开关管第一pwm波控制波形，第五开关管第一pwm波与第六开关管第一pwm波驱动的第五开关管与第六开关管导通加上其体二极管的自然导通即可实现宽输出电压调节；

19、步骤6，根据式得到δt1，通过dy1、dy2与δt1的关系计算得到第二占空比为dy2的pwm波，移相180°后得到第五开关管的第二pwm波，原本自然流过第五开关管体二极管的电流改为流过开关管沟道，减少二极管导通损耗，同时δt1的时间差给第五开关管实现零电压开通提供了条件；

20、步骤7，类似的，获取第二占空比为dy2的pwm波，得到第六开关管的第二pwm波，用以减少第六开关管的二极管导通损耗与实现第六开关管零电压开通，从而减少导通损耗与开关损耗；

21、步骤8，将步骤1采集到的二次侧电流isec送入电流过零检测电路得到过零时间tzero，从而得到电流过零点滞后于一次侧电压的角度θ，用于移相控制修正；

22、步骤9，将第五开关管第一pwm波和第二pwm波控制信号叠加后，将所得信号移相θ角度后得到最终高压模式下第五开关管的控制信号；

23、步骤10，同理，将第六开关管第一pwm波和第二pwm波控制信号叠加后，将所得信号移相θ角度后得到最终的第六开关管控制信号；至此，得到所有高压模式调节下的控制信号。

24、本发明采用上述技术方案，解决现有llc变换器宽增益与高效率之间矛盾的技术问题，具有以下有益效果：

25、(1)本发明提出的宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器，在原边并联副边串联的变换器拓扑架构上，通过一个正相高频变压器和一个反相高频变压器将原边并联电路结构产生的能量传输至副边串联结构，实现超宽输出电压增益。

26、(2)相较于现有高效llc谐振变换器技术，本发明提出的宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器控制方法，结合一次侧移相控制策略和二次侧叠加式不对称pwm及移相控制策略，可以在超宽输出电压增益的前提下，减少二极管的导通时间并实现双向开关半个周期的软开关，实现减小开关损耗与导通损耗之间的优化均衡，抑制电压尖峰，控制简单便捷。

27、(3)相较于现有宽增益llc谐振变换器技术，本发明提出的宽输出电压范围的混合整流桥llc谐振变换器控制方法，不需要调频与额外加入过多磁性元件，拓扑器件少，结构简单；同时变换器始终工作在谐振点，磁性元件便于设计；仅用软件实现两个工作模式的工作模式切换，便可以实现电压增益的大幅拓宽，实现方法简单可靠。