[发明专利]一种恒增益双向DC-DC谐振变换器及其控制方法

说明书

本发明公开了一种恒增益双向DC‑DC谐振变换器及其控制方法，所述谐振变换器的变压器两边电路结构完全相同，都包含一个端口、两个谐振电容及其反并联辅助二极管、一个谐振电感、一个辅助电感以及两个功率开关管。本发明公开的恒增益双向DC‑DC谐振变换器，电路结构对称，正反向的工作性能一致。在本发明设计的控制方法下，借助辅助电感能够很好地实现所有功率开关管的零电压开通(ZVS)，减小变换器的环流损耗，同时实现额定负载到空载范围内的恒电压增益，借助辅助二极管能够起到过载时限功率的作用，且实现正反向运行模式下能量的自然双向流动，提高了变换器的传输效率和可靠性。

技术领域

本发明属于电力电子领域的开关电源技术领域，具体涉及一种恒增益双向DC-DC谐振变换器，尤其是一种LC串联谐振变换器，及用于对变换器进行控制的定频同步等宽控制方法。

背景技术

为了缓解能源危机和环境污染问题，可再生能源的开发和利用近年来得到迅速的发展，例如太阳能、风能、潮汐能、生物质能等；然而上述像太阳能光伏发电、风力发电等大多数可再生能源都会受到环境和天气很大的影响，具有随机性和间歇性的特点，因而对DC-DC变换器来说，需要应付很宽的负载范围。

对DC-DC变换器，高的传输效率是相当重要的，而功率器件的零电压开关(ZVS)通过减少损耗来提升变换器的效率。谐振变换器作为一种软开关电路，有着开关频率高、关断损耗小、效率高、EMI噪声小、开关应力小等优点，得到国内外学者的关注和重视。

恒增益双向DC-DC变换器可通过单向变换器演变而来，对于单向谐振变换器而言，最先得到发展的LC串联谐振变换器(SRC)，将单向LC串联谐振变换器副边的二极管换成功率开关管即为双向LC串联谐振变换器，如图1所示。该变换器有比较突出的缺点，一是空载时不可控，二是轻载时需要非常高的开关频率来维持输出电压，而随着开关频率变高，变换器的环流越大，输出效率越低。最常见的控制策略是变频控制，即通过控制开关频率调节电压增益，但是对于LC串联谐振变换器来说，在变频控制下，正反向的增益特性不一致，不利于动态性能；还有一种常用的控制策略是原边定频移相调制，然而在该控制策略下，等效增益最大为1，且移相角变大会带来严重的环流损耗，使传输效率变低。为了实现宽电压增益且不造成很大的环流损耗，一般会使用两级结构，一级是恒增益隔离型结构，另外一级是非隔离型结构用于调节电压增益，而LC谐振变换器作为一种隔离型变换器提供恒定的电压增益。

发明内容

为了克服上述变换器在上述控制策略下正反运行不对称、环流损耗问题，以及为了实现全负载范围内的软开关，本发明公开了一种恒增益双向DC-DC谐振变换器及用于对变换器进行控制的定频同步等宽控制方法，该变换器的拓扑结构完全对称，要解决的技术问题是，能够很好地实现所有功率开关管的零电压开通(ZVS)，减小变换器的环流损耗，同时还能实现额定负载到空载范围内的恒电压增益和过载时限功率的功能，且实现正反向运行模式下能量的自然双向流动，提高变换器的传输效率和可靠性。

本发明公开了一种恒增益双向DC-DC谐振变换器，包括主电路和控制电路,主电路包括第一端口、第二端口、两个谐振电路、两个辅助电路、两个开关回路和一个理想变压器，所述第一端口和第二端口可选择其中之一作为变换器的电源端，另外一个则相应地作为负载端；连接变压器两端的电路拓扑结构完全相同，变压器原边的谐振电路由谐振电感L_r1和谐振电容C_r1、C_r2组成，辅助电路由辅助电感L_p及辅助二极管D₁、D₂组成，开关电路由功率开关管S₁、S₂组成；变压器的副边的谐振电路由谐振电感L_r2和谐振电容C_r3、C_r4组成，辅助电路由辅助电感L_s和辅助二极管D₃、D₄组成，开关电路由功率开关管S₃、S₄组成；