[发明专利]一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构

说明书

本发明公开了一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构，属于直流‑直流变换器拓扑结构技术领域，具体包括两条将能量从输入端口传递到输出端口的传输路径。主通道是一个基于LLC的DCX。辅助通道包含两级，第一级采用非隔离型PWM直流变换器，之后基于LLC的小型DCX与之级联实现高效隔离转换，通过调节该PWM直流变换器来调节输出电压。主通道和辅助通道在输入端口串联，输出端口并联。本发明对PWM变换器进行三角波电流模式(TCM)调制，实现其开关管的零电压开通，显著降低了能量传输辅助通道的开关损耗。因此，所提出的变换器拓扑结构能在宽输入电压范围内都实现高传输效率。

技术领域

本发明属于直流-直流变换器拓扑结构技术领域，更具体地，涉及一种宽输入范围内输出电压可调节的直流变换器拓扑结构。

背景技术

信息技术在最近几十年蓬勃发展，随着对大规模信息存储和计算需求的不断增长，数据中心的规模也急剧增加。因此，越来越多的服务器安装在数据中心。这就导致了巨大的能源消耗和电力成本。为了减小能量损失，提高空间利用率，需要在能量转换阶段实现高效率、高功率密度的目标。

在实际应用中，无论是何种配电系统，一旦电网断开，蓄电池的电压就会由于放电而浮动在一个很大的范围内，这就导致DCX(直流变换器)的输出电压不再保持恒定值。因此，需要一种具有宽输入电压范围调节能力的高效隔离型DC-DC变换器。

除了效率和宽输入调节能力外，高频和高功率密度也是发展的趋势，因为高开关频率可以改善电磁干扰性能，高功率密度可以提高空间利用率。为了实现隔离型DC-DC变换器的高效率，前人已经做了很多工作。传统的硬开关脉宽调制电路结构简单，控制方案广泛应用于工业领域，但是对于高开关频率，它会产生较大的开关损耗。移相全桥变换器(PSFB)由于其原边开关管的零电压开通，在中等功率等级的应用场合很受欢迎。但由于原边开关管的关断电流大，副边整流器无零电流关断，因此PSFB不适合高开关频率和宽输入范围的应用。双有源桥(DAB)变换器由于其设计和控制简单，在储能系统中得到了广泛的应用。但DAB存在较大的关断损耗和较大的循环电流，因此DAB不适合高开关频率和宽输入范围的应用。

在各种提供零电压开关(ZVS)的变换器中，LLC变换器提供原边开关管的零电压开通和副边整流器的零电流关断，在需要电气隔离和高效率的应用中被广泛采用，是在高开关频率下实现高效率的潜在候选拓扑。然而LLC变换器通过调整移相角、开关频率或占空比来调节输出。这些方法都需要一个很大的谐振电感来调节输出，它不仅占据很大的体积，而且会产生很大的损耗。另一方面，对于具有移相调制或频率调制的高频调节LLC变换器，则难以获得有效的控制策略。同步整流逻辑也难以实现。对于一个宽输入范围的LLC谐振变换器来说，这些缺点表现得更加明显。

为了扩大LLC谐振变换器的增益范围，文献中提出了不同的方法，比如研究人员提出过一种DCX工作在固定频率开关频率下的PWM控制的双桥LLC谐振变换器，但是由于输出电压是通过占空比调节的，在高开关条件下实现同步整流逻辑仍有困难。还有文献提出了一种双半桥串联的LLC变换器，在这种拓扑结构中，实现了频率自适应移相调制(FAPSM)控制。通过调节原边和副边开关管的移相角度，可以获得大范围增益。然而，移相调制的方法在高开关频率下会产生循环能量，从而导致效率下降。

LLC谐振变换器在串联谐振频率下能提供最佳性能。它可以实现零电压开通，低电流关断和副边整流器的零电流关断，有助于获得高效率和高功率密度。此外，副边的整流器可以使用原边开关管的驱动信号进行驱动，它大大简化了同步逻辑。但是由于DCX的电压比是固定的，需要辅助电路来调节输出。传统的解决方案采用级联非隔离型PWM调节器进行输出调节。然而，由于PWM变换器承受全输入或全输出电压和电流，因此存在开关损耗大的问题。此外，满载调节器体积大，从而导致功率密度降低。

因此，对于DCX工作在固定开关频率下且具有宽输入电压范围调节能力的高效高功率密度LLC谐振变换器，需要进一步优化其拓扑结构与其中PWM变换器的调制方法，从而提高它的功率密度与效率。

发明内容