一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器

该文提出了一种具有高增益、软开关的新型谐振变换器。该谐振变换器使用耦合电感来提高电压增益,升压比不仅取决于占空比,还取决于耦合电感的变比,具有高增益的优点。此外,由于采用了有源钳位技术,漏感中的能量可以被回收利用,用来对开关管的结电容充放电提供能量,从而实现软开关。由于采用了耦合电感,所提出的变换器可以在较低的开关管电压应力的情况下实现较高的输出电压,因此可以使用低导通电阻的低压器件,从而提升系统的效率。该文分析了该谐振变换器的工作原理,并推导了输出电压、关断电流应力等参数的解析表达式。在此基础上,从理论上分析了该变换器取得软开关的条件,并对该变换器的各个器件的电压电流应力进行分析,为器件选型提供了理论依据。最后,搭建1kW实验样机,针对该文提出的基于耦合电感的谐振变换器的高增益、软开关、低电压应力、高效率等性能进行了实验验证。通过实验得出所提出的拓扑可以在10倍增益的情况下达到最高97.5%的效率,表明所提拓扑的优越性。

三相CLLC谐振变换器磁集成平面变压器设计与优化

三相CLLC谐振变换器凭借其高效率、大容量、低器件应力等优势而受到广泛关注。然而,多相结构的磁性元件数量多、体积大,是制约功率变换器尺寸的主要因素。随着宽禁带(WBG)半导体器件的出现,功率变换器的开关频率显著提高,这也为印制电路板(PCB)绕组的使用提供了有利条件。与传统绕线式绕组相比,PCB绕组的扁平特性更适用于平面磁性元件。此外,由于高频带来的低电感需求也使得基于PCB绕组的平面磁性元件更有利于实现集成。该文提出一种新型的基于PCB绕组的电感和变压器的集成结构,详细分析磁心结构的磁路模型,并给出集成磁件的优化设计方法,最后通过搭建一台基于SiC器件的800 V/10 kW的实验样机进行验证。实验结果表明,该集成方案可有效减小变换器的体积和损耗,具有高功率密度和高效率。

应用于储能系统的CLLLC谐振变换器控制策略研究

动态性能和运行效率是CLLLC谐振变换器的重要性能指标。针对传统电压闭环控制加入电流驱动同步整流后系统动态性能进一步变差的问题,提出一种谐振电流内环的电压电流双闭环变频控制策略,并给出双环控制和同步整流的综合控制方法。首先根据变换器的增益特性,分析电感比和品质因数对增益曲线和效率的影响,并据此进行谐振参数设计;其次根据不同谐振状态下的谐振电流特性实现同步整流;最后引入谐振电流内环控制,实现双环控制和同步整流的综合控制。仿真结果表明,所提综合控制策略能够产生精确的同步整流驱动信号,相比于传统电压闭环控制,能够显著改善变换器对负载扰动和电压扰动的动态性能。

CLLC谐振变换器同步整流软开关失效分析与应对

同步整流(SR)是提高CLLC谐振变换器运行效率的有效方法,但由于功率管寄生电容等因素的影响,同步整流存在软开关失效的风险。因此,为同时实现同步整流和软开关,在变换器副边不控整流的基础上,分析了不同运行状态下同步整流软开关的失效原因,以及软开关实现的有效范围。提出了不同运行状态下的同步整流数字控制方法,可在保证实现同步整流软开关的同时,提高同步整流的运行范围,从而保证变换器在不同运行状态下的运行效率。同时,改进了不同运行状态下同步整流开通和关断时刻的计算方法,使得同步整流的控制无需电流传感器和其他额外硬件电路的参与,可应用于原本无同步整流控制相关硬件的双向CLLC谐振变换器中。搭建了实验平台,验证了所提方法的有效性。

变化负载下全桥LLC谐振变换器参数优化设计

LLC谐振变换器在软开关特性方面有一定的局限性。针对可变负载条件下LLC谐振变换器软开关特性不稳定的问题,本文结合ZVS/ZCS边界推导了软开关约束条件,提出一套基于全桥LLC谐振变换器变化负载下参数优化设计方法,以提高系统的稳定性和效率。方案不仅考虑谐振电感、电容和变压器的参数优化,还充分考虑负载变化对软开关行为的影响。文中介绍了全桥LLC谐振变换器的工作原理,并对电压增益与谐振网络阻抗特性进行较为细致的分析。根据上述设计方案搭建了一台500 W的车载充电机试验样机,在实验室条件下对样机进行测试,结果表明试验样机整机在参数优化后效率有所提升,最高效率可达96.36%。

基于双向半桥LLC谐振变换器的退役电池组均衡方法

退役电池在储能应用过程中,由于其较大的不一致性问题会导致退役电池组出现过充或过放现象,从而限制电池组整体的容量甚至引起热失控,造成安全隐患。针对以上问题,设计一种基于双向半桥LLC谐振变换器的有源均衡电路。该均衡电路通过开关阵列与隔离型双向半桥LLC谐振变换器的相互配合,能够实现单体电池与电池组整体之间的能量传递,使退役电池组中各单体电池达到能量平衡。另外,为进一步提高均衡器的均衡速度及精度,提出一种联合电压与荷电状态(SOC)共同作为均衡变量的多状态均衡控制策略。依据电池组当前不同的能量状态,在电池组静置、充电及放电3种不同状态下,分别采用不同的均衡变量以及对应的均衡策略,从而实现电池组的快速均衡。最后,通过搭建小型的均衡实验样机对6节串联电池进行均衡实验,实验结果表明,所提均衡方法具有较快的均衡速度及较好的均衡效果。

定频脉冲宽度调制的宽输入推挽正激谐振变换器

针对低压输入的DC/DC变换应用,提出了一种定频脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)的推挽正激谐振变换器。一次侧采用推挽正激结构,二次侧在谐振网络与倍压整流相结合的基础上引入两个有源开关,通过定频调节二次侧有源开关的占空比,变换器在一个开关周期内具备二倍压整流和四倍压整流两种模式,从而实现宽电压增益范围的调节。谐振网络的引入使一二次侧开关管均可实现零电压开通(zero voltage switch,ZVS)。在分析工作原理的基础上,利用时域分析法推导得到了变换器的增益与重叠导通角的关系,并分析了开关管软开关的实现条件。搭建了额定功率1kW的实验样机,实验结果证明了原理分析的正确性与拓扑方案的可行性。

宽电压增益CLLLC谐振变换器的改进型电流解析方法

对谐振电流的精确解析是计算CLLLC谐振变换器损耗的重要环节。针对宽电压增益CLLLC谐振变换器励磁电感与谐振电感比值较小的特点,基于电流拟合近似法提出了一种改进型谐振电流解析方法。首先通过分析变换器在三元谐振期间的等效拓扑,列写出谐振电流的阶段解析式,其次在考虑到三角函数未知量求解计算复杂的情况下,提出了修正系数的概念以简化计算,最终根据谐振电流的波形特点得出谐振电流初始解,并进一步通过分段迭代的方法逐步逼近谐振电流真实值。仿真结果表明,所提出的改进型电流解析式相比于传统方法,在三元谐振期间能够更加准确地描述谐振电流的变化过程,验证了所提方法的正确性。

采用金豺优化的LLC谐振变换器自抗扰稳压控制

为解决LLC谐振变换器采用传统PID控制时抑制负载冲击能力差的问题,提出采用金豺优化算法(golden jackal optimization,GJO)的改进线性自抗扰控制方法。该方法基于状态空间表达式,结合降阶模型中的参数信息,改进扩张状态观测器的系数矩阵。利用频域拟合的方法获得线性自抗扰控制器参数初值,避免了繁复的人工调参过程。使用GJO算法对线性自抗扰控制器参数寻优,进一步改善控制器性能。实验结果表明,相较于PSO-PID控制器,GJO-MLADRC控制器有效提高了LLC谐振变换器在系统扰动较大的情况下的动态性能,在负载突增、突降2种工况下,调节时间分别缩短了1.5、1.0 ms,输出电压最大波动量分别减小0.10、0.05 V,改进后的LADRC控制策略有效地抑制了恒压模式下负载波动对输出电压的扰动。

MOSFET输出电容对CLLLC谐振变换器模型的优化

在CLLLC谐振变换器基波等效建模方法中,未虑及变压器二次电流为零及死区时间内MOSFET输出电容对输出侧H桥桥臂中点电压的影响,当开关频率低于谐振频率(欠谐振)时,变换器输出侧H桥桥臂中点电压模型的准确性有待进一步提高。该文通过解析变换器欠谐振区域模型准确度较低的成因,得到变压器二次电流为零及死区时间内MOSFET输出电容电压方程,对基波等效建模方法进行了更为深入的研究,提出了状态变量(输出侧H桥桥臂中点电压、变压器二次电流)与变换器增益的优化计算方法。该方法计算式中包含开关频率、谐振频率、输出电压和MOSFET输出电容的信息,减小了状态变量稳态值求解误差,使等效输出负载与谐振腔参数更加准确,解决了欠谐振时变换器输出侧H桥桥臂中点电压模型精度相对较低的问题。最后,搭建CLLLC谐振变换器电路仿真模型与实验系统对所提方法进行验证,结果验证了该文理论分析的正确性。

定频移相控制六开关双谐振变换器研究

针对传统频率控制的LLC谐振变换器在宽电压应用中电压调节性能差且循环电流较大的问题,设计一种六开关双谐振LLC变换器。该变换器由2个全桥LLC谐振变换器共用1个桥臂混合组成。相较于传统的频率控制,该变换器采用定频移相控制调节输出电压,减小开关频率范围。根据2个变压器连接方式的不同,变换器有2种拓扑形态。当2个变压器顺极性串联时,变换器的增益范围为0~1,可以实现超宽输出电压;当2个变压器反极性串联时,变换器的增益范围为1~2,在工作过程中具有较小的环流损耗。2种拓扑形态下,原边开关管和副边二极管分别实现ZVS开通和ZCS关断。最后,通过Simulink仿真和实验验证了研究内容的有效性。

定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器研究

针对宽输出电压应用中传统频率控制LLC谐振变换器工作频率范围宽且存在较大循环电流的问题,提出1种定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器。根据原边侧结构的不同,所提变换器有3种拓扑结构形式,分别为半桥-半桥双LLC谐振变换器、半桥-全桥双LLC谐振变换器、全桥-全桥双LLC谐振变换器。其中,原边侧结构并联输入,2个变压器二次侧串联输出。相较于传统频率控制LLC变换器,3种拓扑形态始终在谐振频率点工作,缩小了开关频率范围;在PWM控制策略下,可以分别实现2倍电压增益、3倍电压增益和4倍电压增益以适应宽电压场合;电路中循环电流损耗低,软开关性能良好。Simulink仿真和实验结果验证了所提方案的可行性。

具有混合控制策略的宽输出双全桥LLC谐振变换器

针对宽输出电压范围应用中传统频率控制的LLC型谐振变换器存在开关频率调节范围宽、循环电流大及难实现高效运行等问题,提出1种具有定频移相-定频PWM混合控制策略的双全桥LLC型谐振变换器,以适用于较宽输出电压范围。其由2个全桥LLC型谐振变换器共用1个桥臂组合而成,输出电压通过定频移相-定频PWM混合控制进行调节,使该谐振变换器实现4倍电压增益范围以获得较宽输出电压,同时解决传统频率控制中循环电流过大及在移相控制移相角小时的软开关不能实现问题,提升系统效率。该转换器开关频率工作在谐振频率点,电压增益与负载无关且有助于磁性元件设计,在全负载范围内实现软开关。最后给出详细的电路工作原理分析并通过仿真进行验证,搭建实验平台验证了所提变换器的可行性和有效性。

三电平CLLLC谐振变换器的变频移相混合控制策略

三电平CLLLC谐振变换器因功率开关管承受电压应力低、功率密度大、软开关范围广的特点而闻名,但同时也存在启动电流过大、可调输出电压范围窄等问题。本文以正反向结构完全对称的三电平CLLLC谐振变换器为研究对象,详细分析了该拓扑结构的工作原理及其增益特性;在此基础上研究三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制策略和变频控制(pulse-frequency modulation,PFM)升压、变频移相混合控制(pulse-frequency modulation+phase-shift modulation,PFM+PSM)降压的混合控制策略;最后通过Matlab/Simulink仿真验证本文所研究控制策略的有效性。仿真结果表明:本文研究的软启动控制能有效抑制启动阶段的电流过冲,变频加移相的混合控制策略能保证在宽输出电压范围的条件下满足开关管软开关特性,并且在模式切换和负载切换下都拥有较好的动态性能。

基于LLC谐振变换器的双向DC-DC光伏储能回路设计

针对光储逆变器的储能回路效率较低,控制较为复杂等问题,该文设计了一款基于双向全桥LLC谐振变换器的双向储能电路。对双向全桥LLC谐振变换器的正向导通特性和反向导通特性进行介绍和分析,基于采用基波分析法得到的LLC谐振变换器等效电路,推导出变换器实现软开关的条件。通过推导得到的条件对LLC谐振变换器进行硬件参数设计,并成功搭建一台样机进行实验验证,实验结果表明,变换器可以在全负载领域实验软开关,并具有较高的效率,验证了理论分析的正确性。

LLC谐振变换器非对称变占空比软启动设计

LLC谐振变换器在传统启动方法中存在浪涌电流过大的问题,为解决此问题,提出一种非对称变占空比的软启动混合控制策略。通过使两个桥臂的对管脉冲保持一致,同时使上、下开关管占空比保持互补导通,得到一种非对称变占空比的软启动方法,再与降频控制方法相结合组成了软启动混合控制策略。搭建了一台LLC谐振变换器实验样机验证方案的可行性。实验结果表明,所提出的混合控制策略能抑制启动过程中的电流冲击,并能保持初级开关管的零电压开通(ZVS)特性。

CLLLC谐振变换器的分级寻优模型预测控制

针对CLLLC谐振变换器提出了一种基于分级寻优模型预测的混合控制策略。通过结合变频控制与移相控制的优点,在实现软开关的同时,能拓宽变换器的电压增益范围。该策略不仅减小了普通有限集模型预测控制(MPC)策略的计算量,还改善了PI控制存在的电压超调大和动态响应慢的问题,在稳态性能相近的情况下提升了变换器系统的动态性能。最后通过Matlab/Simulink仿真和实验证明了分级寻优MPC策略的有效性。

高变比LLC型矩阵式谐振变换器的效率优化

在高压输入、低压大电流输出的应用场合,LLC谐振变换器在变压器和整流管上产生巨大损耗,不能有效凸显LLC谐振变换器高效率的特点。针对此问题,这里通过采用矩阵式平面变压器、同步整流控制策略等措施极大降低了LLC谐振变换器的损耗,变换器的效率得到了显著提升。同时进行了同步整流效率和暂态稳定性的实验验证。

基于可变电感的CLLC谐振变换器

针对CLLC谐振变换器调频范围过宽带来的磁性元件设计困难问题,提出一种基于可变电感的CLLC谐振变换器及其控制策略。分析变换器的电压增益特性以及可变电感的工作原理,设计CLLC同步整流控制电路,采用调频加调感的控制方式完成闭环调节。搭建了CLLC原理样机并验证了所提方案,试验表明所提变换器在各极限工况下均可实现零电压开通(ZVS)并完成电压增益调节,在轻载时具有良好的降压特性,可在大幅缩减调频范围的同时,实现变换器的高效率运行。

定频变占空比控制的倍压型宽增益LLC谐振变换器

传统LLC谐振变换器在宽电压范围应用时开关频率工作范围过宽,且电压调节性能较差。针对上述问题设计了一种定频变占空比的脉宽调制策略,该策略基于倍压结构的全桥LLC谐振变换器,通过改变原边侧开关网络工作在全桥和半桥的占空比,调节谐振槽输入电压;同时,控制副边侧双向开关,可改变整流网络工作在全桥和倍压两种整流模式的占比,最终实现4倍电压增益的调节范围。与变频控制相比,该策略下变换器负载和励磁电感对增益的影响较小,可选用较大的励磁电感来减小循环电流。变换器原边侧开关管实现ZVS导通,整流二极管实现ZCS关断。最后,仿真与实验验证了该调制策略下变换器的可行性。