宽增益高效率级联式四开关Buck-Boost LLC变换器

为了解决变频控制的桥臂共用型四开关Buck-BoostLLC级联变换器磁性元件设计和优化困难的问题,提出一种二次侧为特殊全桥整流结构的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器。通过控制二次侧开关管的交叠导通时间以拓宽变换器的电压增益。该变换器可根据不同的输入电压范围工作在交叠模式和整流模式;在不改变变换器参数的条件下将增益显著提高,能够适应更宽范围的输入电压,同时保持了变换器较高的工作效率。在两种工作模式的基础上,采用移相控制使变换器所有开关管实现零电压导通(ZVS),二极管实现零电流关断(ZCS)。结合状态平面轨迹分析法,对定频控制的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器进行模态分析,并推导两种工作模式下的输入-输出表达式和开关管的软开关实现条件。最后,通过研制一台70~280 V输入、240 W/28 V输出的实验样机,验证了理论分析的正确性。

一种三通道三电平宽电压范围LLC谐振变换器

为解决传统LLC谐振变换器在光储系统等宽电压范围应用中存在整体效率低和开关频率范围宽等问题,提出一种三通道三电平宽电压范围LLC谐振变换器。该变换器具有双通道和三通道两种工作模式,通过组合不同模式下的增益实现宽输出电压范围。变换器能在全电压范围内实现软开关,工作于固定开关频率,具有参数与磁性元件设计简单等优点。详细分析变换器各种工作模式的原理与增益特性,并明确变换器实现ZVS的条件。最终基于GaN开关器件设计并搭建一台输入电压200 V、输出电压5~20 V、最大功率200 W的实验样机,验证所提拓扑的可行性与理论分析的正确性。

带有分段饱和电感的宽功率范围双向Buck/Boost变换器研究

为解决固定的电感器设计通常导致变换器轻载时电流纹波较大、重载时动态性能较差的问题,文章提出了使用分段饱和电感器代替固定电感器设计宽功率范围双向Buck/Boost变换器,利用饱和电感的非线性特点,使电感值跟随负载与传输功率的大小而变化。在分析双向Buck/Boost变换器工作原理的基础上,讨论了电感值对系统的影响,给出了饱和电感器的设计步骤,并通过仿真与实验证明了上述方法的正确性与可行性。

一种适合宽范围输出的双向DC-DC变换器

提出一种适合宽范围输出的双向DC-DC变换器。该变换器结构与传统LLC双向DC-DC变换器类似,但通过开关管复用以及将谐振电感增加绕组复用为一个反激变压器,构造了多种工作模式。变换器采用PWM调制,正向功率传输时有中、低两种电压增益模式,反向功率传输时有高、中、低三种电压增益模式,所有模式中均可实现全负载范围内的软开关状态。对各模式的工作原理、增益公式推导进行了详细的描述。最后以满足4-5节12 V蓄电池的充放电为前提,给出变换器设计和控制方法,并搭建了相应参数的实验样机。实验结果验证了该变换器分析的有效性。

变模态宽电压范围双向LC谐振变换器

提出了一种变模态宽电压范围双向隔离型谐振变换器,所提变换器具有升压电路及反激电流馈拓扑的优势,通过复用谐振电感的预先储能和反激馈能,提高了电池侧向网侧输出的增益和变换器功率密度,减小了电路无功环流。变换器采用定频脉冲宽度调制,根据不同的工况分别对应多种工作模式,适合宽范围输出。首先介绍了变换器工作原理,分析了能量在不同方向流动时的输出增益,最后以满足在家庭分布式储能系统中电池充放电为前提,对器件和控制参数进行了设计,验证了理论分析的正确性。

适用于多工作模式Buck-Boost变换器的线性变参数模型与宽运行范围控制

为实现宽范围电压调节,多模式Buck-Boost变换器(multimode Buck-Boost converter,MBBC)能够灵活工作在Buck、Boost与Transition模式,具有升/降压转换能力。然而在多模式变换器建模与控制设计时,传统小信号建模方法将不可避免带来动态响应变差以及潜在失稳问题。为此,该文提出一种面向多模式变换器的线性变参数建模与控制设计方法。基于线性变参数系统模型,能够分析不同Transition模式对变换器动态特性影响,从而构建出一种具备最优开环动态特性的Transition模式。基于闭环控制设计方法,能够保证MBBC多种工作模式的鲁棒稳定性、恢复时间与衰减比等时域指标。通过与传统小信号模型设计实验对比,验证所提多模式变换器控制设计方法有效性。通过与现有Transition模式对比实验,验证所提IBB Transition模式最优暂态性能。

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。

一族宽输入电压范围正激变换器拓扑

研究宽输入范围应用的正激变换器拓扑族,利用RCD支路实现变压器磁复位补偿,使得开关管占空比可以大于0.5。提出RCD正激变换器原边电路的3种开关单元:RCD正激正单元、RCD正激负单元和RCD正激复合单元,开关单元由开关管、RCD支路和变压器构成;提出由上述基本单元串并联构造正激变换器拓扑的方法,并得到一系列对称RCD正激拓扑和非对称RCD正激拓扑。给出拓扑和分析实例,并以其中一个拓扑为例,进行实验验证。

宽范围输入高效LLC谐振变换器的研究

针对LLC谐振变换器不适合宽范围输入,且在宽范围输入时整个负载范围内效率较低的缺陷,提出一种将可变倍频技术和Burst控制模式相结合的方法。分析了该方法的实现过程,并通过一台300 W的样机验证了其可行性。测试数据表明,该变换器可实现100 V^400 V的宽范围输入;在此输入下,当20%以上负载时效率可达到94.8%~96.5%,当5%~20%负载时效率能达到93.5%以上,当小于5%负载时效率能达到87.8%以上。

具有宽负载范围和低电压应力的三态反激PFC变换器

提出一种具有宽负载范围和低电压应力的三态反激功率因数校正(PFC)变换器拓扑。通过续流功率开关管和二极管,使该变换器工作于伪连续导电模式(PCCM),拓宽了传统不连续导电模式(DCM)反激PFC变换器的带载能力,并有效地降低了传统DCM反激PFC变换器中功率开关管所承受的电压应力。通过对电路工作模态及其稳态特性的分析可知,该变换器不仅具有较好的功率因数校正能力,还具有开关管电压应力低、负载范围宽等优点。最后,通过实验结果验证了该变换器的优越性。

具有恒功率特性的输出宽范围可调的变结构DC-DC变换器

针对直流测试电源等宽范围的应用场合,提出一种具有恒功率特性的输出宽范围可调的变结构DC-DC变换器,该变换器是对传统隔离型直流变换器的拓展,由多级可串并联输出的单元模块嵌套组成。详细阐述变换器的基本结构、工作原理和工作序列,研究恒功率控制策略和平滑切换控制策略及通用的系统模型。并以某级嵌套为例,进行实验研究和同类变换器的对比分析,结果验证了理论分析的正确性和可行性,以及该变换器在宽范围领域应用的优越性。

具有宽范围输入和高效率的改进型LLC谐振变换器

与传统变频控制LLC谐振变换器相比,定频移相控制LLC谐振变换器具有磁性元件设计简单的优点。但在输入电压和负载宽范围变化时,定频控制LLC谐振变换器存在环流损耗较大引起效率降低的问题。针对以上问题,本文提出了混合模式定频控制的改进型LLC谐振变换器,能够显著地拓宽变换器的电压增益范围,使LLC变换器能够适应更宽范围的电压输入,同时,提高了变换器的效率,且控制结构简单,易于实现。变换器所有开关管均能实现零电压导通(ZVS),副边整流二极管能实现零电流关断(ZCS),且电路环流损耗较小。结合状态平面轨迹模型,对混合模式定频控制的改进型LLC谐振变换器进行了理论分析,推导了电压增益的表达式以及开关管软开关的实现条件;并通过一台120~400 V输入、300 W/48 V输出的实验样机验证了理论分析的正确性。

适用于高压宽范围输入的交错串并联正激变换器

面向中高压-宽电压范围输入、高可靠性中大功率变换应用,提出一种交错串并联正激变换器。变换器由两个低压桥臂和一个高压桥臂构成,3个桥臂形成两个正激单元。其中,低压桥臂开关器件电压应力为输入电压的一半,高压桥臂的电压应力等于输入电压。该变换器继承了双管正激变换器可靠性高、电压应力低、效率高的优点,同时开关管的最大占空比可以达到0.67,是传统双管正激变换器最大占空比的1.33倍,因此可以适应高压、宽输入范围场合的应用;开关管占空比小于0.5时,高压桥臂开关管可以实现软开关,占空比大于0.5时,低压桥臂开关管可以实现软开关。详细分析变换器的工作原理及特性,实验结果验证了理论分析的正确性。

宽输出电压范围的三相多谐振变换器

能源互联网中储能设备需要变换器除了具有高效率之外,还需要具有较宽的电压变化范围。传统电感电感电容(inductor inductor capacitor,LLC)谐振变换器凭借软开关和高效率的特性获得了广泛的应用,然而传统LLC谐振变换器存在输出电流纹波较大、轻载调压较难的缺点,即输出宽电压范围的能力不足。为解决这些问题,该文提出了一种具有宽输出电压范围的三相多谐振变换器(inductor inductor capacitor-inductor capacitor,LLC-LC)。该变换器在三相LLC谐振变换器每一相中引入LC陷波器,可以提高增益范围;三相输出信号之间相位错开120°,可以降低输出电流纹波减小滤波电容体积;每相多谐振网络星型连接,使各相之间具有自动均流的能力。该变换器的一次侧开关管在整个工作范围内可实现零电压开通(zero-voltage switching,ZVS),二次侧整流二极管可实现零电流关断(zero-current switching,ZCS)。采用基波分析法,从增益和效率的角度,对变换器的谐振参数进行了优化,并与传统三相LLC谐振变换器进行了实验对比。

半桥三电平LLC变换器宽范围输出电压控制策略

半桥三电平LLC(HBTL-LLC)谐振变换器电压应力小、功率密度高、软开关范围大,因此受到广泛关注和应用,但存在输出电压可调范围小、软开关难以实现等问题。这里在分析HBTL-LLC谐振变换器工作原理的基础上,提出一种3段式混合控制策略:增益较大时釆用调频控制,而在增益较低时釆用移相控制,若移相角达到实现软开关的临界值且增益仍然偏高,则釆用变频burst控制,从而扩大输出电压的调节范围,提高低压输出时的电源效率。最后,设计了一台500V/15A样机并进行了相关分析和实验,结果验证了所提3段式混合控制策略的可行性和有效性。

采用定频移相控制的宽输出范围多电平LLC谐振变换器

针对电动汽车车载充电器的后级DC-DC环节,提出一种具备宽输出范围的多电平LLC谐振变换器。该变换器通过增加一组半桥和辅助变压器,构造出高于输入电压的多电平结构,结合定频移相脉宽调制控制,实现两倍电压增益拓展。该方案避免了变频控制下增益范围对谐振参数的制约,简化了参数设计过程。工作于串联谐振点使变换器在整个充电工作过程中均可实现功率管的零电压开关和整流管的零电流开关,有利于系统效率的提升。搭建一台输入380V、功率3.3kW的实验样机,验证所提拓扑与控制方案的可行性。经测试,变换器能为动力电池提供250~420V的充电电压,其峰值效率达到了97.1%。

LLC谐振变换器的一种宽范围输入设计方法

提出了LLC谐振变换器的一种简化时域增益曲线。在一个开关周期内,将LLC谐振变换器分为两种工作模态,通过建立每个工作模态下的时域状态方程,以及初始条件和边界条件,推导得到LLC谐振变换器的简化时域增益曲线。提出了一种基于简化时域增益曲线的宽范围输入的设计方法,该方法以品质因数Q和电感比h为设计关键要素。最后完成了一台200 W的样机制作,样机在120 V～220 V工作电压范围内均能实现高效率功率变换,实验结果验证了该方法的有效性。

高压宽范围输入两级DC/DC变换器设计

针对机载设备供电中高压宽范围输入转低压大电流输出的应用需求,设计了两级DC/DC变换结构。介绍了两级电路整体工作原理和各级电路拓扑结构,提出了断续模式下Buck电路开关节点防止振荡的措施。对传统半桥结构进行了改进,以使其适合第二级,并着重分析了改进后的电流馈电半桥工作过程。样机试验结果验证了Buck+改进型电流馈电半桥的两级变换方案的可行性。

一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器

针对车载DC-DC变换器输入电压变化范围大的问题,提出一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器。该变换器包括飞跨电容(FC)型三电平Buck电路和LLC谐振电路两部分,FC三电平Buck电路输出端口与LLC谐振电路输入端口串联,通过控制FC三电平Buck电路占空比实现输出电压调节以适应宽输入电压范围,同时三电平结构降低了开关管电压应力、减小了损耗;LLC谐振电路传输负载所需全部功率,采用定频开环控制以获得高效率和稳定增益,同时实现了电气隔离。详细分析了组合式变换器的拓扑结构、直流增益以及工作效率,并与相同电路构成的级联式变换器进行了效率特性对比,根据组合式变换器的拓扑结构和工作特性,提出一种解耦控制策略,实现输出电压稳定和飞跨电容电压平衡,最后搭建了一个200~400 V输入、12 V/20 A输出的实验电路进行验证,实验结果表明所提组合式变换器的正确性和可行性。

一种宽范围调节的混合式正激谐振变换器

提出了一种宽范围调节的混合式正激谐振变换器。该变换器借助谐振电路与常规正激电路的交替作用,可在开关频率恒定的情况下,通过正激电路占空比的控制,实现输出电压的调节。所提变换器不仅可在全范围内保持谐振电路的主开关管零电流开关(ZCS)开通和ZCS关断等优点,还可借助谐振电路与正激电路之间的相互作用来消除输入大电感。此外,该变换器还可配合频率调节,进一步拓宽输入电压工作范围。详细分析了变换器的工作原理,并通过54~66 V输入,24 V/3 A输出样机的实验结果,验证了所提变换器的可行性。