雙變壓器變繞組隔離變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種諧振變換器及其控制方法，屬于電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隔離型變換器適用于輸入輸出要求電氣隔離的應(yīng)用場合，在新能源發(fā)電、工業(yè)、民用、航空航天等各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
[0003]傳統(tǒng)的隔離變換器采用高頻變壓器實現(xiàn)了輸入輸出側(cè)的隔離，為了實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，通常有幾種方式:(1)直接調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比；(2)通過調(diào)節(jié)相位改變開關(guān)管的占空比；(3)調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)頻率。方式(1)和方式(2)常用于傳統(tǒng)PWM型變換器的輸出電壓控制，方案簡單易于實現(xiàn)，但是通常會造成以下問題:(a)開關(guān)管無法實現(xiàn)軟開關(guān)，開關(guān)損耗大；(b)即使能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，但需要引入非常大的環(huán)流損耗，導(dǎo)通損耗大；(c)開關(guān)器件的電壓應(yīng)力高，特別是變換器副邊整流二極管的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于輸出電壓；(d)變壓器漏感不能得到有效利用，會導(dǎo)致更高的器件電壓應(yīng)力。方式(3)通常用于諧振型變換器的輸出電壓控制，它具有較好的軟開關(guān)性能，但是實現(xiàn)復(fù)雜、很難進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。此外，變頻控制還導(dǎo)致變壓器、電感、電容等無源器件的優(yōu)化設(shè)計非常困難，無法得到充分利用。不僅如此，當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)離諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率時，變換器的導(dǎo)通損耗會大幅增加、效率降低。上述電壓調(diào)節(jié)方法，都是基于高頻變壓器原副邊匝比固定的前提。假若變壓器的匝比也可以根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整，那么無需改變開關(guān)管的占空比或者頻率也將能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓精確調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠動態(tài)調(diào)整變壓器等效匝比實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)且具有高變換效率的雙變壓器變繞組隔離變換器。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用兩個變壓器，通過整流電路主動將其中一個變壓器的副邊繞組周期性短路，從而動態(tài)調(diào)整變壓器副邊繞組對原邊繞組的等效匝比，以此來實現(xiàn)輸出電壓和功率的調(diào)節(jié)
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]所述雙變壓器變繞組隔離變換器由高頻矩形波電壓源(uP)、高頻無源網(wǎng)絡(luò)(10)、第一變壓器0\)、第二變壓器(Τ2)、第一主電感(LJ、第二主電感(LJ、無源整流電路
(20)、混合整流電路(30)、輸出濾波電容(CJ和負(fù)載(RJ構(gòu)成；所述高頻矩形波電壓源(uP)的一端連接高頻無源網(wǎng)絡(luò)(10)的一端，高頻無源網(wǎng)絡(luò)(10)的另一端連接第一變壓器0\)原邊繞組(MP1)的一端和第一主電感(LJ的一端，第一變壓器(!\)原邊繞組(NP1)的另一端連接第一主電感(LJ的另一端、第二主電感(LJ的一端和第二變壓器(T2)原邊繞組(ΝΡ2)的一端，第二變壓器(Τ2)原邊繞組(ΝΡ2)的另一端連接第二主電感(LJ的另一端和高頻矩形波電壓源(uP)的另一端；第一變壓器0\)副邊繞組(NS1)的兩端分別連接無源整流電路(20)的兩個輸入端，第二變壓器(T2)副邊繞組(NS2)的兩端分別連接混合整流電路(30)的兩個輸入端，無源整流電路(10)的正輸出端連接混合整流電路(20)的正輸出端、輸出濾波電容(CJ的一端和負(fù)載(RJ的一端，無源整流電路(20)的負(fù)輸出端連接混合整流電路(30)的負(fù)輸出端、輸出濾波電容(CJ的另一端和負(fù)載(RJ的另一端。
[0008]所述無源整流電路(20)是全橋整流電路、中心抽頭整流電路或倍壓整流電路中的任意一種。
[0009]所述混合整流電路(30)可以由第一開關(guān)管⑶)、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(DJ和第二二極管(D2)構(gòu)成，此時，所述第一開關(guān)管(SJ、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(DD和第二二極管(D2)的連接方式有如下兩種可選方式:
[0010](1)所述第一開關(guān)管(Si)的漏極連接第一二極管(Di)的陰極，第一開關(guān)管(Si)的漏極和第一二極管(DJ的陰極作為該混合整流電路(30)的正輸出端，第一開關(guān)管(SJ的源極連接第二開關(guān)管(S2)的漏極，第一開關(guān)管(SJ的源極和第二開關(guān)管(S2)的漏極作為該混合整流電路(30)的一個輸入端，第一二極管(DJ的陽極連接第二二極管(D2)的陰極，第一二極管(DD的陽極和第二二極管(D2)的陰極作為該混合整流電路(30)的另一個輸入端，第二二極管(?)的陽極連接第二開關(guān)管(S2)的源極，第二二極管(D2)的陽極和第二開關(guān)管(S2)的源極作為該混合整流電路(30)的負(fù)輸出端；
[0011](2)所述第一二極管(Di)的陰極連接第二二極管(D2)的陰極，第一二極管(Di)的陰極和第二二極管(?)的陰極作為該混合整流電路(30)的正輸出端，第一二極管(DJ的陽極連接第一開關(guān)管(SJ的漏極，第一二極管(DJ的陽極和第一開關(guān)管(SJ的漏極作為該混合整流電路(30)的一個輸入端，第二二極管(D2)的陽極連接第二二極管(S2)的漏極，第二二極管(?)的陽極和第二二極管(S2)的漏極作為該混合整流電路(30)的另一個輸入端，第一二極管(SJ的源極連接第二二極管(S2)的源極，第一二極管(SJ的源極和第二二極管(S2)的源極作為該混合整流電路(30)的負(fù)輸出端。
[0012]所述混合整流電路(30)還可以由第一開關(guān)管(SJ、第二開關(guān)管(S2)、第一二極管(D:)、第二二極管(D2)、第一電容(C)和第二電容(C2)構(gòu)成，此時，所述第一開關(guān)管(SJ的漏極連接第一二極管(DJ的陽極和第二二極管(D2)的陰極，第一開關(guān)管(SJ的漏極、第一二極管(DD的陽極和第二二極管(D2)的陰極作為該混合整流電路(30)的一個輸入端，第一開關(guān)管(SJ的源極連接第二開關(guān)管(S2)的源極，第二開關(guān)管(S2)的漏極連接第一電容(Q)的一端和第二電容(c2)的一端，第二開關(guān)管(S2)的漏極、第一電容(C)的一端和第二電容(c2)的一端作為該混合整流電路(30)的另一個輸入端，第一二極管(Di)的陰極連接第一電容(Q)的另一端，第一二極管(DJ的陰極和第一電容(Q)的另一端作為該混合整流電路(30)的正輸出端，第二二極管(D2)的陽極連接第二電容(C2)的另一端，第二二極管(?)的陽極和第二電容(C2)的另一端作為該混合整流電路(30)的負(fù)輸出端。
[0013]所述高頻無源網(wǎng)絡(luò)(10)可以只包含一個電感，此時，該電感的兩端即為該高頻無源網(wǎng)絡(luò)(10)的兩端。
[0014]所述高頻無源網(wǎng)絡(luò)(10)還可以包含一個電感和一個電容，此時，其中電容的一端與電感的一端相連，電感的另一端作為該高頻無源網(wǎng)絡(luò)(10)的一端，電容的另一端作為該高頻無源網(wǎng)絡(luò)(10)的另一端。
[0015]所述第一主電感(LJ可以部分或全部由第一變壓器(!\)的激磁電感代替，所述第二主電感(LJ可以部分或全部由第二變壓器(T2)的激磁電感代替。
[0016]為了實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，本發(fā)明中所述混合整流電路(30)中第一開關(guān)管(SD和第二開關(guān)管(s2)占空比大小相等且互補(bǔ)導(dǎo)通，且第一開關(guān)管(Si)和第二開關(guān)管(s2)的開關(guān)頻率與高頻矩形波電壓源(UP)的頻率相同，通過控制第一開關(guān)管(Si)和第二開關(guān)管(S2)使得第二變壓器(T2)副邊繞組(nS2)周期性短路，且每個開關(guān)周期內(nèi)第二變壓器(τ2)副邊繞組(NS2)被短路的時間長短通過控制第一開關(guān)管(Si)和第二開關(guān)管(s2)開通時刻相對于高頻矩形波電壓源(Up)的相位來調(diào)整，以此實現(xiàn)該雙變壓器變繞組隔離變換器輸出電壓和功率的調(diào)節(jié)。
[0017]本發(fā)明具有如下技術(shù)效果:
[0018](1)無需改變開關(guān)管的占空比或者開關(guān)頻率就實現(xiàn)了輸出電壓的調(diào)節(jié)，開關(guān)管可以工作在最大占空比、最佳開關(guān)頻率，變換效率高；
[0019](2)由于開關(guān)管始終工作在固定占空比、固定開關(guān)頻率，變壓器的利用率可以最大化；
[0020](3)容易實現(xiàn)全電壓范圍、全負(fù)載范圍的軟開關(guān)，變換效率高；
[0021](4)兩個變壓器和整流電路分擔(dān)電壓和電流應(yīng)力，更適合中大功率場合應(yīng)用。
【附圖說明】
[0022]附圖1是本發(fā)明雙變壓器變繞組隔離變換器電路原理圖；
[0023]附圖2是混合整流電路的第一種實現(xiàn)方式的原理圖；
[0024]附圖3是混合整流電路的第二種實現(xiàn)方式的原理圖；
[0025]附圖4是混合整流電路的第三種實現(xiàn)方式的原理圖；
[0026]附圖5是高頻矩形波電壓源采用全橋電路拓?fù)鋵崿F(xiàn)時的原理圖；
[0027]附圖6是高頻矩形波電壓源采用半橋電路拓?fù)鋵崿F(xiàn)時的原理圖；
[0028]附圖7是本發(fā)明實施例1的電路原理圖；
[0029]附圖8是本發(fā)明實施例2的電路原理圖；
[0030]附圖9是本發(fā)明實施例3的電路原理圖；
[0031 ] 附圖10是本發(fā)明實施例4的電路原理圖；
[0032]附圖11是本發(fā)明實施例5的電路原理圖；
[0033]附圖12是本發(fā)明實施例6的電路原理圖；
[0034]附圖13是本發(fā)明實施例7的電路原理圖；
[0035]附圖14是本發(fā)明實施例8的電路原理圖；
[0036]附圖15是本發(fā)明實施例6在工作模式1的等效電路圖；
[0037]附圖16是本發(fā)明實施例6在工作模式1的簡化等效電路圖；
[0038]附圖17是本發(fā)明實施例6在工作模式2的等效電路圖；
[0039]附圖18是本發(fā)明實施例6在工作模式2的簡化等效電路圖；
[0040]以上附圖中的符號名稱:uP是高頻矩形波電