基于全桥LLC谐振的双向直流变压器

第4 7卷第4 期21 0 3年 4月

电力电子技术P w rE e t n c o e l cr is o

Vo.7,No4 1 4 .Ap l 2 1 i r 0 3

基于全桥 L C谐振的双向直流变压器 L辛玉宝，辛玉才，张方华，王长宝(. 1南京航空航天大学，苏省新能源发电与电能变换重点实验室，江苏南京江 2中铁十局集团建筑工程有限公司，山东济南 . 20 1; 10 6 201) 10 6 2 0 0;3国电南瑞科技股份有限公司，苏南京 5 11 .江

摘要：级式变换器比单级式变换器更适用于在输入输出变比较高的 D/ C变换场合。采用直流变压器作为两 CD两级式双向 D/ C变换器 ( D ) CD B C的一级，实现电压变换和电气隔离。提出将 L C串联谐振的原理应用在全桥 L直流变压器中，实现了整个负载范围内全部开关管的 Z S开通和次级开关管的 Z S关断，足了高效率的功 V C满率变换要求。详细介绍了双向直流变压器在升压和降压模式下电路的等效模型和参数设计原则，并研制出一台 6k实验样机，证了理论分析的正确性。 W验 关键词：变压器：双向直流；两级式变换器中图分类号：M4 T 文献标识码： A文章编号：0 0 10 2 1 )4 0 0— 3 10— 0 X(0 30— 0 3 0

Bi ie t n lDC a so m e a e n Fulb i g . r ci a d o Tr n f r r B s d o l rd e LLC s n n - Re o a tXI — a N Yu b o,XI — a HANG F n— u N Yu c i,Z a g h a,W ANG h n— a C a gb o

( .ajn n esyo eo at sa dA t nui,N nig2 0 1,C ia 1 nigU i ri N v t fA r ui n so a ts ajn 10 6 hn ) n c r cAb t a t: w tg o v re s mo e p l a l h n t e sn l—t g o v r r fr h g ot g i p t lw ot g sr c T o s e c n e r i a t r a p i b e t a i ge s e c n e e o ih v l e n u o v l e c h a t a a

o tu aeT i ppra o￣ D r s r e soes g f h os g

i i c oa D ovr rB C) t r- uptes.hs a e d p C t nf m ra n t eo et—aeb- r t nl C cnet ( D, e a o a t w t dei e oaie h v l g r n f r n l cr a i l t n L C s r s r s n n ewo k s i t d c d o t e u lb d e DC l t e ot e ta so z a m a d ee tc i l s ai . L e e e o a t n t r i n o u e t h f l r g o o i r i c n e e o a h e e Z u n o o l s i h s a d Z u n o o h e o d r i e s i h s, h c e s t e o v r r t c iv VS t r -n f r a w t e n CS t r - f f r t e s c n ay sd w t e w ih me t h t l c c

h g f ce c p w r c n eso e u r me t . e c n e e’ e u v e t mo e d p r mee e i n p n i ls n i h e iin y o e o v rin r q ie n sT o v￣ r S q i a n d l a a a t r d sg r c pe i h l n i t e s p u n t p d w d si i t d c d T e c re t e so e t e rt a n y i i v r e y a 6k rt tp . h t— p a d se— o n mo e s n r u e . o r cn s ft h oe i la a ss s ei d b W p oy e e o h h c l f i o Ke wo d ta so e;b— i ci n i c u e t w—tg o v re y r s:r n f r r id r t a d r tc r n;t o s e c n e t r m e ol e a

F u d t n P oetS p o e yN t n g— c eerhad D vlp e t r et(6 ) N .0 1 A 1 2 9 o n ai rjc:u pr db ai a Hi t hR sa n eeom n o c 8 3 ( o2 1A 1 A 4 ) o t ol he c Pj s

1引言 高频隔离型 B C是实现动力电池与电网能 D量交互的优选方案。在电池更换站用充放电机产

频率 5 H . 0k z功率 6k的双向 L C串联谐振直流

W L变压器样机 .证了理论分析的正确性。验

2全桥 L C谐振直流变压器特性研究 L21工作过程 .

业化技术攻关项目中 .流侧采用两级式结构。直即前级为定频定占空比的直流变压器。后级为输出稳压的 B c—os u kB ot电路。

L C谐振直流变压器工作在完全谐振状态 L时 .实现了整个负载内全部功率管的 Z S和次级 V功率管的 Z S与工作在断续或连续状态相比， C,其效率最 5图 1示出大功率双向直流变压器结构。]。

目前，用的直流变压器拓扑【能实现全负常 】不载范围内的软开关。故无法在高频开关下获得高效率，约了功率密度的进一步提高。文献【—]制 2 4介绍了单向的直流变压器，而对于双向直流变压器工作过程及参数设计，少有文献作相关介绍。很 在此基于全桥 L C串联谐振。采用传统型外 L

驱动控制方式，详细介绍了双向直流变压器的工作过程及相关参数的设计方法。研制了一台开关基金项目：家高技术研究发展计划 (6国 8 3计划 )

盟 r 她鲤一￡为变压器的漏感； t ,分别为高、压侧谐振电容。 低

I]} l3

图 1双向直流变压器的基本结构F g n r l s u t r f b - ie t n lDC t n fr r i .1 Ge e a t cu e o id r ci a r some r o a

( 0 1 A1A 4 ) 2 1A 1 2 9定稿日期： 0 2 0— 8 2 1— 9 2

该变换器在半个周期内有 3个开关状态 .:设

作者简介：玉宝(9 7 )男，东济宁人，士研究生，辛 18一，山硕研究方向为高频软开关 D/ C变换器。 CD

①所有开关管、二极管、电容均为理想元件； ②C==

C= 4= 6C= s 3c, C= 7C。其中 V, 4V,。 。, V驱动信 v

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电力电子技术Po rEl cr n c we e to i s

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号一致，:V, V驱动信号一致。因双向直流 V,,V, 变压器结构对称，分析其降压工作模态，

变换仅该器在不同开关状态下的工作波形如图 2所示。l l

式中： 1R l1( C ) z=+n 2 I( C ) z= /j 2;2 j+/j 4。+ w w

降压与升压模式下的电压增益分别为：

f1I (— 1=//l6 =1 a j ) 1口+1 l6 l、 /lEI/o j )=// 6 M=I(一b l1、+ 2 ￣ 2 2式中：ll+ -/ a/ l 1( )6=,(= h ; Q 1

,

广 l ]一、一/一、

厂,

,+ z(+ )(h.一 ) Q 1 h/gf )

/\/

\

//_、

\ f/

Q,g l;=一/h2)6=: 1 ) Q (+ g, ) 3 o l 1(f;:Q (/—+ 1 )( ( )a J 一

g￣Y; Q/ J)Q为品质因数，。、■/ Q= ( Q=/ R v(自，为开关频率，=∞,=、 c I) z 1。/。 /1 N—I 1,∞=/,/, C/— L: 1、 /

; h/:= t; o

为电感比，=￣ L L;电容比，= 2 lcI4 C/ h LJL=,2g为 g C/: 3= C C图 2双向直流变压器主要波形F g h e v fr f b— i cin lDC ta so me i .2 T e k y wa eo ms o id r t a r n f r r e o

。

模态 1t t t时刻前，。c上的电压已放[ -1 0 o] C,4电至零， D, D V。V自然导通。。 t时刻，通 V, 开 V可

由单向 L C串联谐振可知。电感较大时 . L在电路的输出电压在谐振频率附近变化不大。图 5示

实现 Z S开通， D, D导通。压器初级电压为 V V V。变

出降压模式下不同 Q的增益曲线，见，相同^可在 与 g的情况下， Q较小时，电路的输出电压在谐振频率.

n o谐振电感和等效谐振电容构成 L U. c谐振网络， 谐振电流上升，磁电流线性上升。励模态 2t t t时刻， ri,= V, 8自然[~2 1 1] i￣L i 0, 5V L ms

附近变化不大。

关断。V。V关断后，使 C,4电压充电至， c上, ,

G上电压放电至零， D,,自然导通。 V:VD

模态 3t

t t时刻， D, D[~3 2 ] V 2V 3自然导通。在t时刻开通 V,,实现 Z S开通，然后开始下，:V可 V半周期的工作22电压传输特性 .图 5不同 Q的增益曲线(降压模式 ) Fg 5Df rn u i at fgi c re B c o e i. ieetq at fc ro a uv ( u km d ) ly o n

根据基波分析法，将变压器次级整流结构用交流等效电阻尺代替，交流等效电路如图 3所示。

通过改变负载所得的不同 Q下的增益，可知曲线都经过同一点，即输出负载任何情况下，电当路工作频率等于.

时，电路的直流增益都相等，此

()压模式 a降

()压模式 b升

频率定义为电路的谐振频率：=

图 3交流等效电路F g q ia e tc ru t i .3 AC e u v ln i i c

1["N',, a(2,C )/ r/ C,/nC, a] 2r L C+

() 4

因此在确定电路的谐振频率时，可将 C C

以降压模式为例，变压器视为理想变压器，将 利用理想变压器的初、级电压电流关系，次可将 R折算到变压器初级，:即

视为串联结构，图 6所示。如Ci ￡l o Q￡ 2

H

r砭

H( )压模式 b升

() a降压模式

u i a ) n 1n ( C )/。 l (= 2+ 2 j a mt/ R/w图 4示出简化后的交流等效电路。C lM

() 1

图 6进一步简化的交流等效电路F g u t e i l e q ia e tc ru t i .6 F rh r smp i d AC e uv n ic i i f l

1

一.

…

.

C 3

2

c 4

立 U,() a降模式

互()压模式 b升

通过图 4,导出的增益曲线相同，在， 6推但：.

处的增益不同，、向的 L C串联谐振电路的单双 L

C: d C= an; 3 C; 4 1C;= L= J 2 R= 1R￣ R n。 1C; 2 C l2 C: C=1 l L; 2 L n; ;= J 2￣ 2

图 4简化的交流等效电路Fg 4 Sm l e C euv etc ci iI i pi dA q i n i ut i f l a r

增益在处分别等于 1小于 1故不能

用图 6所、,示简化电路进行原电路的分析与设计。

3双向 L C谐振直流变压器设计 L图 5中双向直流变压器在低 Q下输出电压较

根据基波分析法可推导出 L C谐振直流变压 L

器降压、升压模式的直流增益分别为：

f l M F I I4

I¨ (面。 一变压器漏感。 I z j 2∞ I L等l I

‘…在实际电路中有下限，其最佳设计值 L即为

平稳 .符合直流变压器作为中间母线式变换器的性能和效率要求，因此应将设计得尽量小。但

基于全桥 L C谐振的双向直流变压器 L

当变换器的开关频率.于等电感电流为正弦波 .电流为：其

.

时，初级谐振

()/ i(一 t=#n 2 )

() 5

董萋()/负载 a1 4

式中：m,为谐振电感电流幅值；为谐振电感电流初始相位。

为使初级开关管 Z S开通，需在死区时间内 V

满足两个条件：①谐振电感上的电流不能反向，可保证在驱动信号到来前 .开关管的寄生二极管保持开通以实现软开关，即满足： (") d即： 2r≥t r, 一 n/oa (J】②完成开关管结电容的=。tt c[,n I; ) 完全充放电，:=d 8则￡ t(/ )可得实现 Z 。 VS的条件为： = i( mn 1, )。

萋蓦箬’

萋萼’

t 4 s格)// ( () c满载

图 8升压模式的实验波形F g x ei n a v f r n B o tmo e i .8 E p r me tlwa eo ms i o s d

由 =/2r l" (r￣

)出等效。由 G l算 sl。

(dn) C可得多组，值。由于 C G要承受较大电流，多个电容并联所得，需应选择合适的电容组合。 基于以上原理 .设计了一台实验样机 .数额参

定值： r 70 U= 0 V,变压器匝比 N= 6,o6 W= n,:P 25=k 5 z样机选用的元件： 0H。 k初级开关管电压应力为 90V, 0电流应力为 3次级开关管电压应力为 6A:20V。 0电流应力为 10A。 3 设 t 4 0U。初级开关管在低于 10V时结 d 0 S= 0电容很大。为避免在死区时间内驱

动振荡造成直通危险，验取￡= .mH,压器漏感 L= 9 H,实 1变 5 1可得 C= .4 05 F,择= ,= 8。选 3 1 图 9实验波形F g x e me tlwa eo ms i .9 E p r n a v￣r i

5结论 对于高输入输出变比的两级式双向 D/ C CD变换器，用直流变压器作为其中一级，到降压采起 (压 )隔离的作用。将 L C谐振原理用于双向升和 L直流变压器，升压和降压模式下，拓扑结构都在该能实现全负载范围和额定输入电压时的软开关。 取得高变换效率。变换器具有拓扑简单、开关该软范围广、关损耗低、靠性高等优点。用于直开可适流变压器的中间母线式结构。

4实验结果 图 7 8出降压和升压模式的实验波形。可，示见，轻载到满载范围内，流变压器均可工作在从直软开关状态。实验中选择了 6个负载点进行效率和增益测试，图 9如 a所示，换器在满载时效率叼变 可达 9 .%,定义输出输入电压变比 m n , 81=/ 降压模式工作时 n 52= ..升压模式工作时=/.。 1 2 5图9 b中虚线为理论的 m与输出功率关系曲线。由于线路阻抗带来的误差 .实际电压变比与输出功率的关系曲线如实线所示。

参考文献[】张方华， 1严仰光 .流变压器的研究与实现[】直 J.电工技术学报，0 5,0 7:6 8 . 20 2 ( )7— 0 [】 Y aee g R n, ig X, a e Y o e a.w—t e 2 u nh n e M n u K i i a,t 1 os g w T a 4 o e o x l ai o 4bt corcs rA . 8VP w r dE p rt nfr i Mir oes[] P o o 6 p o A E 0 Egte n u E E C . 0: 2 - 3 . P C’3, i et A n a IE[] 0 3 4 6 4 1 h h l 2[】 Y a ce g R n M n u Jl S n e . a i f 3 u nhn e, ig X,uu u,ta A F ml o 1 y H g o e esyU rgl e u ovr r[] E E i Pw rD ni neua dB sC net sJ. E h t t e I

萋=霎

(负 a )载萋 1/ 4萋

Ta s o o e lc o i,0 5 2 ( ) 14 - 0 4 rn . nP w rEet nc 20,0 5:0 5 15 . r s []陈申， 4尹少锋，吕征宇.于全桥 L C S C的隔离升基 L .R压型直流变压器【] J电力电子技术，0 14 ( ) 1 1 . 2 1,5 7: 1一l 3 1.

[】 B a g L eF C,h n ,t 1 L eoa t o— 5 oY n, e Z agA J e a. C R snn n L C vr rfr rn n CD o vro[] p ld Pw et ot d D/ C C nes nA . pi o— e oF E i A e

图 7降压模式的实验波形F g p r na a eo x￣i u k mo e i .7 Ex e i me tl w v f l n n B c d

e E e to i s C n e e c a d x o i o S v n e n h r lc r n c o f r n e n E p s in e e te t t,

A n a E[] 0 2 10— l2 n u I E C . 0: 18 1 1 . l E 25